硬盘技术发展

日期：2007年9月6日作者：查看:[大字体中字体小字体]

　　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。
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