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Date: 2009-11-29 00:00:00Written By 瑞克数据安全中心

硬盘技术发展中概览——更大更快更安全

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十年来,我们所使用的硬盘外观几乎没有发生任何变化,但容量却有了成百上千倍的增长,读写速度也极大提高。是什么技术使得硬盘有这样大的变化?硬盘技术还将有哪些发展?您将在本文中得到答案。

它就在我的桌面上,擦去经年累月积累的灰尘之后,这块硬盘与目前热销的产品看起来没什么两样:40针并行接口、跳线和4针电源接口,明亮的不锈钢外盖,黑色铸铝的盘体都像新的一样。除了标签上醒目的“Quantum”(昆腾硬盘,已经于2000年被迈拓收购)商标字样提醒我们,它并不属于这个时代。这颗Quantum Sirocco1700硬盘是我购买的第一款3.5英寸硬盘,容量只有1.7GB。上溯到90年代初,3.5英寸硬盘刚刚出现的时候,容量仅仅有可怜的20MB而已,而目前最大的500GB硬盘的存储容量足足是它的25000倍。这些年来,虽然我们所使用的硬盘在外观上并没有太大的变化,但在被防尘盘体严密包裹的硬盘内部,技术革命却在慢慢但是无比坚决地进行。时至今日,打破TB级别存储容量已指日可待,而这一切都归功于硬盘技术的进步。

在硬盘的发展史上,蓝色巨人IBM占有着重要的地位。公认的世界上第一个磁盘系统是IBM的IBM 350 RAMAC磁盘系统,它仅有5MB的存储容量,却要用到50个直径为24英寸的盘片。1968年,IBM又提出了“Winchester”(温彻斯特)硬盘技术,该技术的原理是采用密封盘体包裹可高速旋转的覆盖记录涂层的盘片,磁头悬浮于盘片上方,可沿盘片的径向移动,但不与盘片接触。现在我们使用的硬盘依然沿用这一原理,1973年采用该技术制造的硬盘IBM3340结构与我们今天使用的硬盘已经非常类似了。到了80年代,薄膜磁头技术的出现使得存储密度突破了10Mbit/平方英寸;90年代和21世纪初,硬盘技术进入了加速发展时期,磁阻磁头、巨磁阻磁头和AFC(反铁磁性耦合)存储介质的相继出现,使得硬盘容量几乎以每年100%的速度增长,3.5英寸磁盘成为主流,转速由不足4000转/分上升到15000转/分,并且出现了接口串行化的革命。笔记本电脑硬盘也获得了巨大发展,容量和性能不断提高,还出现了适合超轻薄笔记本电脑以及便携设备使用的1.8英寸、1英寸和0.85英寸硬盘产品。

硬盘的结构

在了解最新的硬盘技术之前,我们有必要先了解一下硬盘的结构。硬盘的主要构件包括马达、盘片、磁头和控制系统等等。其中,盘片和磁头是硬盘最为核心的部件,它们负担着数据的存储以及读取和写入的重任,它们的技术进步也推动着硬盘技术的发展。

我们俗称的“玻璃盘片”或者“铝盘片”仅仅指的是盘片基体材料,盘片的结构其实并不简单。为了能够记录大量的信息,并且快速准确地被磁头读取和写入,需要先进的磁记录物质和辅助涂层。图中所示是HGST(日立全球存储技术)提供的硬盘盘片结构示意图。一张硬盘盘片的单面由多个不同的层复合而成,最上层是有机氟高分子材料组成的润滑层,保证磁头更加平稳地运行;接下来是由坚硬的碳材料构成的保护层,保护数据层不受物理损坏。再下面的磁记录层呈三明治结构,在两层钴-铂-铬-硼磁记录介质层(反铁磁性耦合介质,AFC)中间夹有厚度仅有0.6nm的金属钌层(仙女之尘技术)。磁记录层之下还有铬底层,然后才是盘片基体材料。

硬盘存储密度的飞速发展离不开磁头技术的配合。磁头技术也经历了多次革命,为了满足越来越高的存储需要,磁畴的尺寸越来越小,因此磁头的尺寸也变得越来越小,但同时效率却越来越高。从老式的锰铁磁体磁头到磁阻磁头,目前大量使用的巨磁阻磁头也已历经数代,未来还将出现隧道磁阻磁头和电流垂直平面磁头等更加先进的磁头。

随着影像、软件以及便携设备、商务、军事等方面需求的快速增长,人们对硬盘的单位存储密度、总存储容量以及安全性都提出了更高的要求:高清格式的影像动辄达到几十GB;

智能手机和MP3/MP4播放机使用的微硬盘也都要求10GB级别以上的存储容量;笔记本电脑用硬盘不但要求高性能、低能耗、大容量,还对安全性提出了更新的要求。这些都促成了新一代硬盘存储技术的出现。

超顺磁效应的挑战

从1956年硬盘出现以来,如何提高它的存储容量就成为最基本的问题。很明显,想要增大存储容量,加大存储密度才是最根本的办法。目前存储一个bit的信息需要大约100个磁性粒子,磁性粒子越小,存储的信息也就越多。但是磁性粒子并不能无限制地小下去,磁性粒子越小,使其极性翻转所需要的能量就越小,在小于某一尺度时甚至室温的热能都可以使它自动翻转,数据就会被破坏,这就是超顺磁效应。为了对抗这一效应,可以使用高矫顽力的材料,但磁头的写入则会变得更加困难。

传统的记录技术是已经具有50年历史的纵向记录模式。在这种记录模式下,磁场的磁化方向与盘片的表面方向平行,由磁性粒子组成的磁单元也以水平的方式在盘片表面首尾相接沿着盘片旋转方向排列。一旦被磁头写入,磁单元的方向将做180o反转,这样它与相邻磁单元的连接方式变为头-头连接或尾-尾连接,也就是N极-N极或S极-S极相接,成为一种高能级的状态,更容易受到超顺磁效应的影响(可理解为同性相斥导致不稳定)。为了解决这一问题,科学家们采用了反铁磁性耦合(AFC)介质。它的基本结构是在上下两层CoPtCrB(钴-铂-铬-硼合金)磁记录介质层之间夹入大约三个原子厚度的金属钌层,金属钌层的作用是分隔上下两个磁介质层,使之能够出现方向不同的磁场。上下磁记录层的磁单元极性方向相反,形成反向耦合,这样就可以很好地起到稳定化作用(可以理解为异性相吸增强稳定)。AFC介质大约在2001年实用化,它的出现使得硬盘容量突破了100GB大关,但随着人们对存储密度要求的进一步提高,AFC介质也不能满足高密度存储的要求了,这就需要新一代存储技术来突破超顺磁效应的限制。此外,先进的存储技术也需要先进的磁头技术配合,目前发展中的磁头技术有TMR(隧道磁阻)磁头以及CPP(电流垂直平面)磁头等,它们也给磁存储带来了崭新的气象,限于篇幅,CHIP将不在本文中介绍磁头技术。

 

垂直记录技术:

打开TB级别存储大门的钥匙


垂直记录技术最早由19世纪的丹麦科学家Valdemar Poulsen提出,到了1976年,垂直记录技术之父——日本科学家Shun-ichi Iwasaki系统地阐述了垂直记录技术的理论。上世纪末,垂直记录技术已经在实验室中逐渐走向成熟,但直到2005年,采用垂直记录技术的硬盘才真正在市场上出现。

垂直记录技术在概念上很简单,就是将负责记录的磁单元排列方式改为垂直排列方式,此时磁单元的极性方向垂直于磁盘平面。与原来的纵向排列方式相比,垂直排列的磁单元所占的盘片表面积小得多,这样就可以进一步提高存储密度。除此之外,当磁单元被写入后翻转180o,与相邻的磁单元变成S-N邻接方式,可以起到对数据的稳定作用,这种互相稳定的作用和反铁磁性耦合介质有异曲同工之妙。

为了满足垂直记录的要求,磁记录层的厚度要相应加厚,并且在磁记录层下面还要相应增加一层软磁底层,这样可以提供更强的磁场,使得写入更加方便。相对应地,采用垂直记录模式的磁盘磁头结构也有较大变化:它的信号极很窄,可以提供很高的磁通密度,使下面的磁单元翻转;回路极则很宽,磁通密度小,不会改写数据。

由于垂直记录模式能够大幅度提高存储密度,因此各大硬盘厂商未来的产品重点都放在垂直记录硬盘上。据IDC的分析报告《2005年硬盘市场:零件技术与业务模式》显示,垂直记录模式硬盘将在2005年下半年量产,开始时集中在小型和微型硬盘领域,到2009年,全球将有6.3亿颗硬盘采用垂直记录技术。目前日立全球存储已经宣布采用垂直记录技术创造了230Gbit/平方英寸的存储密度纪录,希捷、富士通、东芝、TDK等厂商也运用垂直记录技术获得了100Gbit/平方英寸以上的存储密度。理论表明,垂直记录模式能够达到的记录密度大约为500Gbit/平方英寸,它和其他技术的结合将使硬盘存储容量在未来10年内有10倍的增长。

晶格(磁)介质记录技术:突破1Tbit/平方英寸的存储密度

传统的磁记录技术中磁头的写入单位是由磁性粒子组成的磁单元,同一磁道上极性相反的相邻磁单元之间的边界称为磁变换,当一个比特单元包含磁变换时,数据被记录为“1”,不包含磁变换时,数据被记录为“0”。为了能让磁变换正确地被探测到,磁单元需要一定的尺度,因此一个比特单元至少要包含50~100个磁性粒子。为了避免超顺磁效应的影响,磁性粒子也不能太小,这就限制了存储密度的提高。很显然,如果能够进一步减小写入单位的尺度,就可以提高存储密度。

晶格介质技术的基本原理是生成小尺度、有序排列的“单畴磁岛”作为写入单位,如果同一磁道上相邻单畴磁岛的极性相反,数据被记录为“1”,相同则被记录为“0”。这样一个比特单元的尺度就相当于一个单畴磁岛的尺度,因此晶格介质技术的存储密度可以达到传统垂直记录技术的大约两倍。此外,由于每个“岛”就是一个单磁畴,所以晶格介质的热稳定性非常好,能够避免超顺磁效应的影响。

晶格介质的制造技术

晶格介质记录的原理非常简单,但实现却并不容易。在存储密度为100Gbit/平方英寸的时候,两个单畴磁岛的中心距离是86nm;如果把存储密度提高到1Tbit/平方英寸,两个单畴磁岛的中心距离将会缩短到27nm;想要实现10Tbit/平方英寸的存储密度的话,这个距离将仅仅是9nm!幸运的是,经过数十年的发展,光刻技术已经有能力在盘片上制造出如此精细的磁岛,这需要两大技术:电子束刻蚀技术和纳米刻印复制技术。

电子束刻蚀技术用来制造用于纳米刻印复制的模板。在透明的模板基板上涂有一层电子束固化光刻胶,使用比电子工业更加精细的电子曝光机可以在其上生成直径20nm的曝光(固化)点,洗去未固化的电子束光刻胶后,采用等离子体蚀刻技术就可以得到带有精细的洞穴网格结构的模板。

使用纳米刻印复制技术可以将模板的图样翻版到硬盘盘片的基板上。在盘片基板上涂有一层很薄的液态纳米刻印光刻胶,把模板翻转覆盖到基板上,使之压入光刻胶层,用紫外光照射,紫外光透过透明的模板使光刻胶固化,撤去模板后再使用等离子体刻蚀盘片基板,就能够得到复制的图样。最后一步工序是在刻蚀好的盘片基板上采用金属沉积技术生成磁记录层,凸起的部分就是单个的“磁岛”。

晶格介质记录技术的应用前景
在晶格介质记录技术中,记录单元“磁岛”是最为重要的。为了保证有足够的记录密度和数据稳定性,磁岛必须是单畴的磁性粒子,在磁变换过程中,磁岛要如同一个单元一样改变取向,当被写入数据以后,整个磁岛必须保持单畴,这样数据才不会丢失。因此晶格介质技术的应用不但要在晶格介质盘片制造技术上取得突破,还需要磁头技术、伺服晶格的制造和应用技术的配合。尽管还需要进行大量的实用化研究,但晶格介质记录技术无疑是目前最有希望在垂直记录模式之后应用的下一代记录技术。


热辅助磁记录技术: 向更高的存储密度前进

前文中已经指出,提高存储密度的根本办法就是减小记录单元的尺寸。垂直记录技术采用巧妙的方法,减小磁单元在磁盘表面的表面积;晶格介质记录技术则通过单畴磁岛的形成减小了写入单位的尺度,都达到了“ 减肥”的目的。如果能够采用高矫顽力的磁介质,磁性粒子的尺度还将进一步减小。目前采用的记录介质是CoPtCrX(钴-铂-铬与其他元素的合金),Ku值为0.2X107erg/cc,磁性粒子的直径大约为8nm,如果采用高矫顽力的磁介质,如Ku值为7X107erg/cc的FePt(铁铂合金)、Ku值为4.6X107erg/cc的NdFeB(钕铁硼合金)或者Ku值为11~20X107erg/cc的CoSm(钴钐合金),磁性粒子的直径可以减小到2nm。但是高矫顽力的磁介质在写入时需要很强的磁场,这种强磁场的写入磁头制造困难,同时也会对相邻区域的数据稳定性构成威胁。因此,采用高矫顽力的磁性材料需要全新的记录方法,这就是热辅助磁记录技术。

热辅助磁记录技术采用了激光作为辅助写入介质,在写入时使用激光照射写入点,利用产生的热能辅助磁头写入,这样写入磁头不需要太强的磁场。数据存储和读取的操作则在常温下进行,由于采用了高矫顽力的记录介质,磁盘的存储密度和数据的稳定性都将大幅度提高。热辅助磁记录技术采用的激光是一个难题,如果要达到1Tbit/平方英寸的存储密度,那么每个bit所占用的面积将是25nm2,这样小的面积需要相应的细光束,普通激光很难做到。目前流行的解决办法是采用近场光,2005年4月夏普已经报道了一种采用近场光的热辅助记录磁头,它仅有1mm×1mm大小,结构也非常简单。

预计热辅助磁记录技术可以将存储密度提高到5Tbit/平方英寸,这个值是传统垂直记录技术的存储密度极限的10倍。然而,存储密度的提高似乎还远远没有到尽头。通过对高矫顽力存储介质的优化,科学家们仍然能够找到进一步提高存储密度的方法。比如希捷公司的研究人员报道的自取向磁阵列(SOMA)技术,采用五羰基铁和二乙酰丙酮合铂制备自取向的FePt磁介质阵列。该技术和热辅助磁记录技术结合,可以获得50Tbit/平方英寸的超高存储密度,简直令人瞠目结舌。但这还不算终极的记录方式,采用修饰的碳纳米管和特殊分子的磁记录方式也在文献中有大量报道,理论上它可以将存储密度提高到一个比特对应单分子的水平,这几乎可以算作目前能够达到的极限存储密度,不过该技术目前还停留在基础研究阶段,预计到2020年以后才能投入实用化。

全盘片加密技术:

让数据更加安全

数据的安全始终是一个非常重要的话题,通过软件,我们可以对数据进行加密,基于生物特征的安全系统也可以避免对电脑的非法访问。不过这些技术都存在一定的局限性:软件加密可以通过技术手段破解;基于生物特征的安全系统则需要特殊的传感器和识别装置,限于成本,并非每台电脑都会配备,想要升级就只能购买新的电脑。那么有没有一种技术,既能提供极高的安全性,又能方便用户使用呢?希捷公司的解决方案是全盘片加密技术。

最先采用全盘片加密技术的硬盘是希捷2005年刚刚推出的Momentus 5400 FDE,这是一款2.5英寸的笔记本电脑硬盘,最大容量为120GB。全盘片加密技术的原理非常简单,就是在硬盘上采用集成的硬件加密芯片,自动对写入硬盘的所有用户数据进行加密,并在读取时解密。加密和解密的速度与接口的传输速度完全相同,不会导致硬盘性能下降。支持该功能的固件还允许开启和关闭加密功能,改变主密码和用户密码,或将密钥存储到另一个位置。加密芯片独立于操作系统,对操作系统透明。利用支持管理功能,可以恢复丢失的密码。

全盘片加密技术是硬件加密技术,它的安全性比普通的BIOS密码和系统密码高得多,在使用的时候也方便得多,不用频繁地输入密码。采用这种技术的硬盘即使遗失,由于明文密钥不在硬盘上,也不必担心里面的数据被人利用。虽然采用全盘片加密技术的硬盘售价比普通硬盘高,但它出色的保密性能将会受到军方和商务用户的青睐。

从第一块温彻斯特硬盘到现在过去了整整32年,硬盘技术已经获得了很大的发展,但是对于存储容量的巨大需求依然在推动着磁存储技术不断向前进步。除了磁存储以外,以闪存技术为代表的电子存储技术和以光盘技术为代表的光存储技术在近年来也有了飞速的发展,对于原来的格局——闪存称雄消费类电子领域,硬盘独霸桌面和笔记本电脑,光盘用于软件、影像和文件备份存储,三种技术都在进行突破的尝试。微硬盘已经开始进入消费类电子产品如数码相机、MP3/MP4播放机、手机、机顶盒等产品之中;i-RAM和其他固态硬盘也已经做出了进入传统硬盘领地的试探;微型光盘同样也已经被某些DV采用,下一代光存储技术将使12cm光盘具有几十乃至上百GB的容量,对硬盘存储也构成了潜在的挑战。

现在看来,硬盘在桌面和笔记本电脑领域的优势在今后20年间依然无法动摇,垂直记录技术、晶格介质记录技术和热辅助磁记录技术的出现为磁存储提供了一个光明的未来。而在消费类电子领域,由于消费者对视频和音频品质的强烈需求,未来对存储容量的要求将急剧提高,在这方面硬盘技术无疑拥有先天的优势。日本东北大学电气通讯研究所已经宣布制造出容量为10GB的1英寸微硬盘,随着存储密度的进一步提高,1英寸级别的微硬盘容量突破100GB也不是天方夜谭。而且随着马达和电池技术的进一步发展,微硬盘原有的耗电量大的劣势正在得到改善,未来在消费类电子领域,微硬盘将会大有作为。