60TB不是梦 硬盘容量提升的那些技术

    泡泡网硬盘频道4月22日 目前就存储行业而言，SSD无疑是最被人关注的产品，它拥有着众多DIY玩家梦想的性能，其高性能、零噪音、高抗震能力，使其成为最有可能超越硬盘的一款产品。并正在越来越接近我们的生活。但是容量上的不足让其始终不能完全取代机械硬盘，因此近年来机械硬盘的发展方向都是提升存储密度，让硬盘的单碟容量更高，读写性能更好。硬盘厂商近年来在不断提升产品的速度与容量，如今6TB的产品已经面世，容量很可观。今天笔者就为大家讲解几项为硬盘带来容量提升的重要技术。

纵向记录（Longitudinal Recording）技术

    首先我们了解下磁记录技术，磁记录技术是指利用磁特性和磁效应记录、存储和读出各种声音、图像以及数据等信息的技术，其原理是：先将需要记录和存储的信息转变为相应的电信号输送到磁头电路中，使写入磁头中产生与输入电信号相对应的磁场，用该磁场作用于磁记录介质，使其从原来的退磁状态转变为磁化状态，需要输出信息时，使用读出磁头作用于磁记录介质，使磁记录介质产生的磁场作用于读出磁头，获取之前写入的信息。

    早起的硬盘一直是采用纵向磁记录（Longitudinal Recording）技术，但是，随着存储密度的快速提升，“超顺磁效应”的出现使纵向记录技术终于走到了尽头。在硬盘中，记录介质是由很多微小的磁粒构成的，磁单元（1bit）被写入这些磁粒中，每个磁单元大约需要100个磁粒。为了提高磁盘存储密度，每个磁单元和磁粒本身的体积就要相应地减小。而当密度增加到一定程度时，只需要很小的能量就可以将其翻转，甚至当磁粒过小时，它们会因为室温下的热能而自动反转磁路，也就是说，那些保存在磁盘中的数据将遭到破坏，不能正确地读出。这就是所谓的“超顺磁效应（Superparamagnetic Effect）”。研究人员发现，纵向记录技术在存储密度高于120Gb/in2时，已无法保存完整的数据。

垂直磁记录技术

    因此取而代之的垂直磁记录技术出现了，垂直磁记录技术在硬盘历史上最为成功，它诞生于2006年，至今仍在发挥余热，这段时期也是硬盘巨头们最辉煌的时代。希捷创建于1979年，到2008年生产10亿块硬盘，然而2008年-2012年仅4年时间，希捷完成了第二个10亿块硬盘的生产。垂直磁记录技术缩小了数据磁道与读写磁头之间的距离。由于物理限制，读写磁头的体积已无法再缩小，盘片的存储密度很难再提升。垂直磁记录技术带给硬盘的辉煌也将停止。

SMR技术

    垂直磁记录技术已山穷水尽！如何让单碟容量突破1TB？研究者发现垂直纪录技术由于物理限制，读写磁头的体积已无法再缩小。所以提升面密度最可靠的方法是改变数据写入硬盘的方式。

    这就是叠瓦式磁记录技术应运而生的原因。作为新一代存储技术，叠瓦式磁记录技术使介质的结构发生了质的变化，通过重叠磁道－－类似于屋顶的层叠瓦片，重新调整了数据存储的方式，进而提高了磁道密度和单位面积存储密度。叠瓦式磁记录对于提升磁盘的存储密度（单碟存储的数据量）具有重要作用，能够提升高达25%的盘片存储密度。不过它对硬盘的性能提升更类似于补丁的作用，革新但不是革命。

热辅助磁记录技术

    为了进一步增加存储密度，磁性颗粒必须进一步减小，这会导致当前的垂直记录技术会再次遇到“超顺磁效应”的影响。依然是一丁点的热量就可以改变其磁性使之翻转而破坏数据，那么从磁介质入手，改而采用高矫顽力材料，如铁铂粒子。然而，随着记录密度的不断增加，写入磁头也在不断减小，届时它将无法提供足够的磁场来改变磁性颗粒的方向。也就是说，要继续扩容，就要更换材料，但是更换之后只能读取不能写入！

    解决这个问题的另一个办法就是利用激光辅助加热。由于温度的升高可以提升磁导率，降低铁铂粒子的顽力，从而实现利用较弱的磁场来写入数据。写入之后迅速冷却，从而稳固磁性颗粒。从理论上来讲，希捷的HAMR技术可以实现每平方英寸10Tb的记录密度，因此在可预计的未来我们将见到60TB容量的硬盘。

纳米技术

    去年日立也宣称研究出了一种制造硬盘磁片的新方法，借助纳米技术，可以使现有的硬盘密度增加一倍。这项新技术结合了自组装分子和纳米压印技术，这些技术原来都是应用在半导体相关的生产领域，现在他们被用来构建微型“磁岛”模式，每个“岛”仅仅10纳米，大概只有50个原子那么宽。而最终的结果是可实现每平方英寸12000亿个点，每个点可以存储1比特的信息。粗略地计算，大概是现有的磁盘媒介密度的两倍，日立公司的研究者们还表示他们对结果仅仅做了粗浅的研究，可能还会有更大的发展潜力。

    自组装分子技术之所以这么叫是因为它们来自于互相排斥的混合高分子段，当把它们涂到到事先准备好的特殊的表面，比如薄膜时，这些段就会排列成完美的一行，就像魔术一样。

　　一旦如此排列，这些微小的构建模块就可以借助其它的芯片级处理技术来操作，在被纳米压印技术压印到磁片之前，可以制成需要的结构。下图显示，每个纳米级的点大小不超过50个原子，但它们可以存储1比特的信息。

　　日立关键性的突破在于如何构建它们——这是把原是矩形结构的排列应用到圆形的磁片上用于存储所必需的。日立公司表示为了构建这种结构，它们对磁片表面进行了处理，以便自组装分子技术可以应用其中。芯片行业一直密切关注着纳米蚀刻技术，认为它潜力巨大，可能为目前的光蚀刻技术带来一场革命，因为随着半导体产品的尺寸越来越小，光蚀刻技术变得越来越复杂，越来越昂贵。

　　或许在未来某天，人们可以借助纳米蚀刻技术把各种复杂的部件组装成微处理器，许多研究者们相信这项技术会直接应用到磁盘或内存等领域，这些领域更简单，而且可以承受这项不成熟技术带来的不可避免缺点。

氦气填充技术

    去年西部数据旗下HGST宣布了一款全新的氦气填充硬盘平台，可以增加存储量，并降低相关成本。通过这项技术，就可以将7片硬盘盘片整合到一个标准的3.5英寸硬盘盒中，从而在能耗、散热和存储密度上获得更大优势。

    由于氦气的重量仅略高于氢气，而且属于惰性气体，因此使用氦气填充可以降低阻力。这不仅可以减少硬盘转动所需的机械动力，还能够借助氦气提升热传导效率。

    目前HGST氦气密封式硬盘在总拥有成本方面具有以下主要优势：首先是容量，Ultrastar He6是当前市场上容量最大的硬盘之一；其次，它具有最低的功耗和每TB耗费的功率，每个硬盘的闲置功率降低了23%，每TB的功率下降了49%；第三，在标准3.5英寸硬盘规格下提供非常好的的存储密度，使容量增加了50%；第四，比标准的3.5英寸5盘片硬盘的重量还要轻，使每TB的重量降低了38%，但容量却增加了50%。此外，氦气密封带来的另一个好处是降低了硬盘产生的噪音，从而使环境更安静。

    下面我们来一起看一下目前已经上市的6TB硬盘产品。

    希捷本月正式发布了自己的首款6TB超大硬盘“Enterprise Capacity 3.5 HDD v4”，与西数旗下HGST的Ultrastar He6并驾齐驱，都是全球容量最大的硬盘，而且是传统普通硬盘，不像后者使用了充氦技术。

    首先，该硬盘采用了单碟1TB技术，即便如此也达到了惊人的六碟装，在希捷历史上似乎也是第一次(HGST 6TB是七碟装)。很长时间过去了，机械硬盘的存储密度仍然没有任何突破，全新的技术势在必行。

    这块定位于企业级领域的3.5寸盘三围尺寸147.0×101.85×26.1毫米，重量780克，缓存容量128MB，转速7200RPM，接口有SAS 12Gbps、SATA 6Gbps两种(前者其实是双接口)，最高持续传输速度分别高达226MB/s、216MB/s，号称是世界上速度最快的Nearline近线硬盘，比对手高25％——HGST的可达177MB/s，说的也差不多。

    Ultrastar He6硬盘采用了7碟装，单碟容量约为860GB，但并不能确定是用的是新碟片，还是1TB屏蔽而来的。特性方面，6TB充氦硬盘相比于4TB标准硬盘大大降低了功耗，待机仅为5.3W，降低23％，号称业内最低，功耗容量比也因此提升了49％，同时温度也下降了4-5度。此外在增加两张碟片的前提下，总重量反而请轻了50克，仅有640克，重量容量比因此提升38％。

    在日本秋叶原市场上出现的6TB硬盘就是此前HGST宣布出货的产品，其编号为HUS726060ALA640，转速为7200RPM，缓存为64MB，标准3.5英寸SATA 6Gbps接口设计，MTBF无故障时间为200万小时。

    价格方面，目前日本秋叶原市场的报价为63800日元，约合人民币3780元左右。而目前在京东商城中，日立4TB企业级硬盘的价格为2759元，相比之下日立6TB充氦的价格并不算贵。■<