10TB/平方英寸！研究人员利用多级磁记录技术，解锁前所未有的硬盘存储密度

磁记录是利用磁的性质进行信息的记录的方式。在存储和使用的时候通过特殊的方法进行信息的输入和读出，从而达到存储信息和读出信息的目的。

当今世界正处于数据大爆炸的时期。据IDC预测，截至2025年，全球数据增量将从2020年的64ZB增加到近180ZB（1ZB等于1万亿GB）。越来越多的大公司正在将大数据提炼为洞察信息，并利用这些信息做出了更好的决策，从而在全球范围内取得市场成功的同时获取更多的利润。因此，机械硬盘必须通过不断提高数据存储的能力来满足全球增长的数据。


磁记录存储器发展史

上世纪50年代，IBM基于磁鼓存储器技术，将鼓形外表面磁介质存储，发展为圆盘式磁介质存储，将单位面积和体积存储密度大大提高。

1956年，第一个硬盘驱动器型号350RAMAC，安装在IBM的RAMAC 305计算机上。RAMAC305也是第一台提供随机存取数据的计算机，同时还使用了磁鼓和磁芯存储器。这个驱动器约有两个冰箱大小，重达一吨，包含50个直径为24英寸的盘片，存储5M的信息，数据传输速度10Kb/s。以RAMAC为基础，IBM研发了温切斯特（Winchester）技术，于1973年研制成功了一种新型的硬盘IBM 3340，采用两片介质，每片存储容量30Mb。克服了RAMAC体积过于庞大，性能低效等缺点。

1979年IBM发明了薄膜磁头技术，并推出了第一款采用薄膜磁头技术的硬盘IBM 3370。该技术显著地减小磁头和磁片的距离，增加数据密度。进一步减小硬盘体积，读写速度更快，容量更大。IBM 3370使用了七个14英寸盘片，存储容量571Mb。1980年Western Digital推出第一款5.25英寸的硬盘ST-506，硬盘容量为5MB，这是首款面向个人用户的硬盘产品，Western Digital前身为General Digital，由两位IBM的前员工于1970年创建，1971年更名为Western Digital。

1982年Western Digital推出了业界首个单芯片"温彻斯特"磁盘控制器—WD1010，为现代商用硬盘的普及打下了基础。1984年Western Digital为IBMPC/AT制造出首个温彻斯特磁盘控制卡，使个人电脑可以接入小型化的5.25英寸温彻斯特硬盘。1991年IBM推出了0663Corsair硬盘，这是首款采用感应式薄胶片磁阻(MR)磁头的磁盘，有8个直径为3.5英寸的盘片，存储容量可达1Gb，是现在3.5英寸硬盘的先驱。0663Corsair是第一款突破1Gb容量的硬盘，从此单盘容量进入GB数量级。

1988年，法国格林贝格尔在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应，格林贝格尔因此获得2007年诺贝尔物理学奖。1997年IBM推出首个采用巨磁阻磁头(GMR)的磁盘—Deskstar16G PTitan，在三个直径为3.5英寸的盘片上可达到16.8Gb的存储容量。巨磁磁头相比MR磁头更加敏感，相比MR磁头能够达到3～5Gb每平方英寸的存储密度，GMR存储密度可以达到10～40Gb每平方英寸，存储密度提高了8倍。1998年IBM推出Microdrive(微磁盘)，一个单一的1英寸盘片的容量可达340MB，这是当时世界上最小的磁盘。

2007年，日立推出了全球第一款突破TB级容量的硬盘，采用5碟片，单碟容量200Gb, 转速7200rpm，缓存32Mb.2012年有了第一款4TB硬盘。同年，Western Digital和Seagate也相继推出1Tb硬盘，机械硬盘进入1Tb时代。

在此之后，Western Digital和Seagate均在研究如何在磁介质表面写入数据的时候降低矫顽力，进一步提高磁盘存储密度，HAMR热辅助写入是一个可用技术，而其实IBM早在1953年就对此有研究。HAMR就是利用一束接近居里点温度(138℃，磁性材料永久失去磁性的温度)的特定波长的激光，去加热磁存储介质，从而在写入数据的时候降低矫顽力。


存储“大”有可为

存储单位磁密度是指磁盘表面每平方英寸可存储的数据量，通常以Gb/in2或Gbits/in2表示。它是驱动硬盘容量增长的核心因素。

有很多种方法可以提高硬盘的容量，如采用更大物理尺寸的驱动器可使用更多或更大的磁碟（例如2.5”盘vs3.5”盘，或增加垂直高度如7mmvs15mm的2.5”硬盘），在不增加磁密度的情况下提高硬盘的容量。增加硬盘内碟片的周长也可以获得更多的物理面积来存储数据（例如将3.5”硬盘碟片的直径从95mm增加到97mm）。虽然可以通过增加碟片数量提高硬盘的容量，但这是有物理空间限制的。随着时间推移，增加磁密度已成为提高硬盘容量的最重要的驱动因素。

用于确定和衡量磁密度的两种关键参数：每英寸磁道数（TPI）和每英寸位磁比特（BPI）。磁碟的存储介质上由很多同心圆磁道组成，每根磁道的磁轨都有固定的宽度，相邻磁道的中心间距叫磁道间距。若以更紧密的方式排列磁道，减小磁道间距，可以增加TPI，从而提高磁密度。

同样，磁比特是分布在磁道上的最小磁纹理，磁比特纹理的宽度为磁道的宽度，长度为读磁头能够成功识别单一数值所需的最小距离。磁比特纹理沿磁道圆周依次排列。缩短磁比特纹理的长度可以增加BPI，从而提高磁密度。

TPI和BPI的提升本质上是通过改变磁记录的格式实现的。具体就是在磁碟介质上使用更有效的磁比特排列方式，以及通过调整磁头和磁碟介质的磁性能等技术，从而缩小磁比特的实际物理尺寸。

利用读、写磁头的宽度差异，可以最大程度地提升磁密度。具体来说，让写磁头对应的写磁道部分重叠，并确保非重叠部分的写磁道略宽于读磁头加上保护带的宽度，那么新的磁道间距将比CMR紧凑许多。这种结构有些类似于屋顶上瓦片的叠放方式，因此被称为叠瓦式磁记录（SMR）。如果要修复某个屋顶上叠放的瓦片，那么必须将其上方的瓦片掀起才可以修复单个瓦片。

不过，从性能的角度来看，这样做是非常不划算的，所以改写单个扇区数据的典型做法将是将数据写入新的物理扇区，并将旧物理扇区的位置标记为废弃，同时将旧物理扇区之前对应的逻辑扇区重映射到新物理扇区的位置。因此，SMR的数据的组织方式需要确保数据块的逻辑地址与其物理位置之间没有任何预设的映射关系，即保持一种动态映射关系。


解锁硬盘存储密度

来自 NIMS、希捷科技和东北大学的研究小组在硬盘（HDD）领域取得了突破性进展，证明了使用三维磁性记录介质存储数字信息的多层次记录的可行性。研究小组的研究表明，这项技术可用于提高硬盘的存储容量，从而在未来实现更高效、更具成本效益的数据存储解决方案。

数据中心越来越多地将大量数据存储在硬盘驱动器（HDD）上，这些驱动器使用垂直磁记录（PMR）技术，以大约 1.5 Tbit/in² 的磁区密度存储信息。然而，要过渡到更高的磁区密度，需要一种由铂铁晶粒组成的高各向异性磁记录介质，并结合热辅助激光写入技术。这种方法被称为热辅助磁记录（HAMR），能够维持高达 10 Tbit/in² 的磁区记录密度。此外，与硬盘技术中使用的二进制记录层相比，通过存储 3 或 4 层的多记录层，根据新的原理，记录密度有可能超过 10 Tbit/in²。

在三维磁记录系统中，每个记录层的居里温度相差约 100 K，通过调整激光功率将数据写入每个记录层。资料来源：高桥幸子 NIMS、Thomas Chang 希捷科技、Simon Greaves 东北大学

在这项研究中，研究人员通过制造晶格匹配的 FePt/Ru/FePt 多层薄膜，并以 Ru 作为间隔层，成功地将铁铂记录层进行了三维排列。磁化测量结果表明，两个铁铂层具有不同的居里温度。这意味着，通过调整写入时的激光功率，可以实现三维记录。此外，我们还通过记录模拟，使用模仿制作介质的微观结构和磁性能的介质模型，证明了三维记录的原理。

三维磁记录方法可以通过在三个维度上堆叠记录层来提高记录容量。这意味着可以用更少的硬盘存储更多的数字信息，从而为数据中心节约能源。今后团队还有计划开发缩小铁铂晶粒尺寸、改善取向和磁各向异性的工艺，并堆叠更多的铁铂层，以实现适合作为高密度硬盘实际使用的介质结构。这项研究发表于 2024 年 3 月 24 日的《材料学报》（Acta Materialia）。

三维磁记录法通过在三维空间上叠加记录层来增加记录容量。这意味着，可以用更少的硬盘存储更多的数字信息，从而为数据中心节省能源。在未来，研究人员计划开发工艺来减小FePt晶粒的尺寸，改善取向和磁各向异性，并堆叠更多的FePt层，以实现适合实际应用的高密度硬盘介质结构。