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为何对企业用户来说,HAMR硬盘好过MAMR硬盘?

时间:2018-07-11 作者:Brendan Collins,西部数据公司Device部门 阅读:
在成功开发第四代氦气硬盘后,我们即意识到,现有的垂直磁记录(PMR)技术可能无法获得更多的硬盘容量提升,于是我们很早就投入了多种的技术研发,以期能够扩大硬盘容量……
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从大数据和其他大型数据生成应用领域获得的价值和情报,既为企业开创了扩大硬盘容量的战略机遇,也激化了我们在若干年前就已经开始着手应对的挑战。在成功开发第四代氦气硬盘后,我们即意识到,现有的垂直磁记录(PMR)技术可能无法获得更多的硬盘容量提升,于是我们很早就投入了多种的技术研发,以期能够扩大硬盘容量。现在看来,我们的这一决定非常明智并为未来发展铺平了道路,我们可以将大马士革磁头制造技术和能量辅助磁记录技术相结合,用来增加PMR硬盘的容量。

由于磁头组件会影响硬盘扩容,因此,如果写入磁头过大,则很难产增加面密度(即沿磁道的每英寸位数(BPI)乘以每英寸磁道数(TPI)所得结果)所需的较小磁道。每英寸磁道数越多,面密度就越大,磁盘表面可用的每平方英寸容量就越大。由于尺寸缩放受到磁道长度写入性能的限制,为了扩大容量,需要引入一个窄小可靠且间距更小的写入磁头,以容纳较小的磁道。

我们将采用大马士革工艺生产的写入磁头与微驱动设计相结合,获得了优于以往干式磁极头工艺的每英寸磁道数,提升了写入性能,可以更好地控制磁头几何形状和制造工艺公差,改善了磁头尺寸的缩放,并大幅减少了相邻磁道干扰(ATI)。由此,我们不仅可以大幅提升可利用磁道密度,而且提升了磁头质量和相关产量。借助大马士革制造工艺将多层材料沉积并镀在磁头部位,可以更好地控制磁头形状和尺寸,还可使用极薄的多层材料来制成复杂的磁头结构,无论何种形状都可制作。

下一波硬盘扩容

随着移动设备和物联网(IoT)设备产生的数据洪流达到新的水平,硬盘在近期需要进一步扩大容量并获得更多的技术投资,与此同时,硬盘还将在未来的10-15年内继续为企业创造数十亿美元的发展机遇。硬盘扩容的下一步是需要减小介质颗粒的尺寸,并使用较小的磁头来磁化颗粒。大马士革工艺旨在生产出更窄小的磁头,使得每个微小磁化颗粒可以向上或向下对齐,以便执行写入操作。

在开发窄小的写入磁头的过程中,难点在于较小尺寸的磁头能否产生足够的磁场使磁体向上或向下翻转。如果能量势垒过低,则磁性膜介质容易受到磁盘上的热不稳定性影响,并且磁体可能无意中自行翻转,从而失去数据的完整性。要想增加磁盘容量,存储介质所具有的能量势垒必须能够克服热不稳定性,此外,写入磁头必须要在进行写入磁盘操作时协助降低能量势垒。目前有两种磁记录技术正在开发之中,能够通过热辅助或微波辅助的方式实现能量提升,但是这两种技术都需要克服一些困难。
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每个比特都存储在连续磁性膜内的磁性颗粒中。

想要增加磁盘容量,介质上的颗粒尺寸必须更小,还需要使用较小的磁头来磁化颗粒。

微波辅助磁记录(MAMR)技术概况:

MAMR-F2-20180704

MAMR技术利用由自旋力矩震荡器(STO)产生的微波场来提供能量辅助。虽然MAMR技术本身并不新颖,但使用自旋力矩震荡器生成磁场来翻转硬盘中的磁体不仅具有创新性,而且对硬盘设计产生了变革性影响。

根据这种方法,自旋力矩震荡器位于磁头的写入磁极旁边,可产生电磁场,从而在较弱的磁场中将数据写入到介质中。微型自旋力矩震荡器嵌入在磁头内部,不仅在磁头组件设计方面取得突破,还可大幅增加容量并提升可靠性。

磁盘上的磁性颗粒与旋转陀螺仪相类似,在没有外部磁场作用的情况下,可以在向上或向下的方向上保持稳定。当沿着与磁体当前状态相反的方向施加足够的磁场时,磁极会在施加的磁场方向上翻转。通过自旋力矩震荡器施加额外的磁场,可以在较弱的磁场条件下更快速地翻转磁体。

内部测试表明,MAMR能量辅助与利用大马士革工艺生产的磁头相结合使用,能够创造出比当前业界领先的PMR磁头更多的容量提升,并具有更加广阔的面密度增加前景。寿命可靠性测试表明,MAMR磁头的平均无故障时间是热辅助磁头的一百倍。此外,我们还对多个磁头进行了可靠性测试,99.99%的受试MAMR磁头在写入寿命小时数方面要优于99.99%的受试热辅助磁头好几个数量级。学术研究还发现,MAMR能够将面密度扩升到每平方英寸4Tb以上

因此,为提高企业级硬盘存储容量,我们将于2019年推出MAMR硬盘产品;与此同时,我们还将继续投资于MAMR技术,充分利用现有的PMR能力以及经过实践验证的成功基础架构。我们已经制定了一份技术路线图,计划推出多代超大容量企业级产品,在未来五年内将磁道密度扩展至100万TPI以上。

热辅助磁记录(HAMR)技术概况:
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过去10-15年间,业界对热辅助磁记录(HAMR)技术充满期待,希望借此开发出HAMR硬盘产品。然而时至今日,并无任何HAMR硬盘产品问世,这肯定是有原因的。HAMR技术的实施成本高昂,还存在技术复杂和可靠性方面的问题,因此在短期内难以实现产品化和批量生产。

该技术的原理是:将一个激光二极管直接置于写入磁头组件的前方,然后迅速地加热高矫顽磁性的介质,这种介质只有经过加热才能写入数据;随着激光二极管产生的高热量减少,介质逐渐冷却下来,介质的矫顽磁性增加,比特数据存储到磁盘上,使得数据很难被意外删除。

在每个硬盘磁头组件中部署激光二极管不仅成本高昂,而且真正令人担忧的是,在狭小的空间内产生高热量会导致严重的可靠性问题。而且,在写入磁头或介质磨损用坏之前,介质可被加热和写入的次数是有限的。

激光二极管加热后会产生高温,必须使用昂贵的玻璃基板,无法使用如今超大容量企业级硬盘常用的高性价比铝磁盘材料。此外,HAMR硬盘还需要使用新材料来涂覆介质,因而提升了技术和制造风险。铁铂材料之所以被选择,是因为其具有可承受激光加热的矫顽磁性和热性能。目前我们使用的硬盘通常采用经过几代强化的钴铂介质,并且是通过高效制造工艺加工而成。

要想使用HAMR技术来满足当今数据中心的可靠性要求并制造出可行的高容量HAMR硬盘,我们还需要花费大量的时间来解决相关的技术难题。这些难题包括但不限于:利用激光二极管以可靠的方式加热窄小的点,消除导致磁头组件残留的碳蒸汽沉积物,减少磁头和介质的磨损等,而这样一来,可能还需要对主机软件进行更改。

结语:

我们评估认为,HAMR硬盘在短期内并不具备商业可行性,在未来几年里仍然需要解决许多工程、制造和可靠性方面的难题。根据我们的产品投资策略,我们还是会在未来继续投资研发HAMR技术,但是与此同时,我们将致力于MAMR技术的开拓创新,据此开发新一代的超大容量企业级硬盘。MAMR是一种能量辅助磁记录技术,能够完美匹配我们的氦气密封硬盘,因此我们认为,尽快实现MAMR产品化将带来充足的增长空间,使我们能够在未来十年甚至更长时间内提升企业能力。

作者简介:Brendan Collins
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Brendan Collins现任西部数据公司Device部门市场部副总裁,负责保障公司硬盘产品的创新性、高品质和竞争力,同时满足从企业级电子产品到消费类电子产品应用领域客户提出的各种需求。
Brendan Collins拥有超过20年的硬盘行业技术及管理经验,曾担任希捷科技企业市场开发总监和迈拓公司(被希捷收购)营销副总裁,还曾在昆腾公司和数字设备公司的产品开发和制造工程部门担任过管理职务。

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

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