| 探針臺(tái) | 2021-12-27 08:51 |
先進(jìn)大容量存儲(chǔ)技術(shù)關(guān)鍵詞 硬盤驅(qū)動(dòng)器，大容量存儲(chǔ)，能量輔助磁記錄，微波輔助磁記錄，熱輔助磁記錄 1 引 言 基于磁存儲(chǔ)技術(shù)的硬盤驅(qū)動(dòng)器(下文簡(jiǎn)稱硬盤)是當(dāng)下最主要的數(shù)據(jù)承載體。圖1(a)展示了一個(gè)完整硬盤的主要結(jié)構(gòu)，包含磁盤介質(zhì)、磁頭、主軸馬達(dá)和音圈馬達(dá)。磁盤介質(zhì)的核心是磁性材料，用于儲(chǔ)存數(shù)字信息。如圖1(b)所示，每一個(gè)存儲(chǔ)單元包含一定數(shù)目的磁性顆粒，它們的磁矩方向代表著數(shù)字信息中的“1”和“0”；磁頭則是非常微小的部分，執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀寫。此外，硬盤的內(nèi)部有兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)是主軸電機(jī)，另一個(gè)是音圈馬達(dá)。主軸電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)盤片穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，使磁頭受到穩(wěn)定的空氣浮力，懸浮于硬盤介質(zhì)上方。音圈馬達(dá)則主要負(fù)責(zé)磁頭臂的移動(dòng)，硬盤在工作時(shí)靠伺服電機(jī)來控制音圈馬達(dá)的動(dòng)作，使磁頭臂準(zhǔn)確尋跡。 1956年，IBM推出了歷史上第一個(gè)硬盤產(chǎn)品IBM350 Disk Storage，是現(xiàn)代硬盤的雛形。它有相當(dāng)于兩個(gè)冰箱的體積，重量高達(dá)1噸，儲(chǔ)存容量只有4.4MB。IBM350 Disk Storage配備了50枚直徑24英寸(約61 cm)的大尺寸鋁合金盤片用于存儲(chǔ)信息，盤片表面涂有磁性材料，硬盤工作時(shí)盤片高速旋轉(zhuǎn)，磁頭就能讀出磁信號(hào)的變化[2]。經(jīng)過近60年的發(fā)展，硬盤的體積不斷縮小，同時(shí)存儲(chǔ)容量快速提升。2020年，全球硬盤廠商交付了2.59億個(gè)硬盤設(shè)備，總出貨容量已經(jīng)達(dá)到了1 ZB[3]。 然而，傳統(tǒng)硬盤的存儲(chǔ)密度近年來已經(jīng)接近極限(約1 Tb/in2，in表示英寸)。因此，以西部數(shù)據(jù)和希捷為代表的各硬盤廠商紛紛投入巨資研發(fā)新型存儲(chǔ)技術(shù)，主要包括疊瓦式磁記錄(shringle magnetic recording，SMR)、二維磁記錄(two-dimensional magnetic recording，TDMR)、點(diǎn)陣式磁記錄(bit-patterned magnetic recording，BPMR)以及能量輔助磁記錄(energy-assisted magnetic recording)。其中，疊瓦式磁記錄和點(diǎn)陣式磁記錄分別通過磁道重疊及存儲(chǔ)單元隔離的方法對(duì)盤片存儲(chǔ)信息的方式進(jìn)行優(yōu)化。二維磁記錄則通過在磁頭中加入多個(gè)磁信號(hào)讀取元件(磁阻器件)，詳細(xì)分析磁道間的信號(hào)，從而當(dāng)磁道寬度進(jìn)一步變窄后硬盤仍可以穩(wěn)定地讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)的硬盤存儲(chǔ)架構(gòu)，這三種新型磁記錄技術(shù)對(duì)整個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器制造工藝的改變較小，易于應(yīng)用，但是對(duì)于磁記錄密度提升的幅度有限。能量輔助磁記錄則是通過向存儲(chǔ)介質(zhì)注入能量輔助磁場(chǎng)完成信息的寫入，磁頭構(gòu)造相比傳統(tǒng)硬盤有較大差異，有望將硬盤存儲(chǔ)面密度提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此備受矚目。 接下來我們首先從傳統(tǒng)硬盤的結(jié)構(gòu)出發(fā)，闡述硬盤發(fā)展面臨的瓶頸。之后詳細(xì)介紹當(dāng)前最為矚目的兩種能量輔助磁記錄技術(shù)，即微波輔助磁記錄(microwave-assisted magnetic recording)以及熱輔助磁記錄(heat-assisted magnetic recording)，并對(duì)這兩種存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行討論。 2 傳統(tǒng)硬盤的結(jié)構(gòu)以及面臨的問題 | |