垂直记录技术PMR详解.docx
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垂直记录技术PMR详解
垂直记录技术PMR详解
面临极限的磁记录技术
经历了50年的发展，硬盘具可靠性、存储速度、存储容量、性价比都处于非常理想的水平，使得硬盘经成为了计算机设备中的主流存储器。
IBM于1957年推出的第一款硬盘驱动器RAMAC的容量只有5MB，却有50个直径为24英吋的盘片组成，转速为1200RPM，磁记录密度只有几十kbit/in2左右。
现在的盘片直径只有3.5英吋，单碟容量已经达到了100GB，磁记录密度在100Mbit/in2以上，记录密度增长了3500万倍以上。
从70年代到90年代初，硬盘的体积快速的缩小，使得硬盘的区域密度在近20年的时间里保持着30%的增长率。
随后至今的十几年中，在新的磁头技术的推进下，硬盘区域密度的增长率达到了60%!
不过，由于现有的硬盘区域密度达到了相当高的水平，进一步的发展受到了超顺磁效应限制，要继续推动硬盘技术的发展，需要引入新的技术。
最近，日立公司举行了一次小型技术讲解会，会议邀请了国内的主流媒体参加。
在会议上，日立公司详细讲解了其最新的垂直记录技术（PerpendicularMagneticRecording,PMR），这项技术可以使得磁记录密度达到230GB/in2,把现有的磁记录密度提高了一倍。
这意味着不远的将来，我们可以购买到容量为20GB的Microdrive微硬盘或者容量为1TB的3.5英吋硬盘。
日立预计PMR技术将会在2007年应用到各种硬盘产品中，而且在未来的5-7年间，还会进一步推动记录密度的提升，1英吋硬盘的容量届时也会达到60GB左右。
最新一份的IDC报告（《2005年硬盘市场:
零件技术与业务模式IDC#33466》）也认为垂直记录技术将会成为未来几年硬盘发展的趋势。
在这份报告中分析了硬盘现在及未来的三种关键零件——弹性臂、磁头和磁碟，其相关技术的发展方向、以及了解其替代品技术的成本和利弊等。
它预计2005年年底垂直记录技术将会开始应用于磁头和盘片中，到2007年年底将会被广泛使用。
IDC预计到2009年的时候，将会有六亿三千万颗硬盘投入市场……
超顺磁效应
要了解为什么需要新的硬盘技术，首先需要了解我们现在使用的硬盘技术。
下图所示的是我们现在所使用的硬盘的结构，主要包括:
读写磁头/悬挂装置、盘片、马达、外壳和电路板。
电路板上的控制器接收并且解释计算机磁盘控制器（对于PC来说，就是主板南侨中的硬盘控制器）的指令，然后根据指令通过驱动马达和磁头在盘片上进行读写。
图2-1:
现代硬盘构成
盘片是在铝制合金或者玻璃基层的超平滑表面上依次涂敷薄磁涂层、保护涂层和表面润滑剂等形成的。
盘片以5400RPM-15000RPM的转速转动，磁头则做往复的直线运动，而可以在盘片上的任何位置读取或者写入信息。
微观的来看，盘片上的薄磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成。
多个磁颗粒（约100个左右）组成一个记录单元来记录1bit的信息——0或者1。
图2-2:
水平记录技术示意图
这些微小的磁颗粒极性可以被磁头快速的改变，而且一旦改变之后可以较为稳定的保持，磁记录单元间的磁通量或者磁阻的变化来分别代表二进制中的0或者1。
磁颗粒的单轴异向性和体积会明显的磁颗粒的热稳定性，而热稳定性的高低则决定了磁颗粒状态的稳定性，也就是决定了所储存数据的正确性和稳定性。
但是，磁颗粒的单轴异向性和体积也不能一味的提高，它们受限于磁头能提供的写入场以及介质信噪比（SNR）的限制。
现在对于磁记录设备的要求是体积越来越小，容量越来越大，也就是区域密度越来越高，这样磁颗粒当然也就越来越小，比如当区域密度为20Gbpsi时，磁颗粒直径约为13纳米，而当达到100Gbpsi时，直径缩小到了9.5纳米。
当磁颗粒的体积太小的时候，能影响其磁滞的因素就不仅仅是外部磁场了，些许的热量就会影响磁颗粒的磁滞，从而导致磁记录设备上的数据丢失，这种现象就是“超顺磁效应”。
为了尽可能的降低“超顺磁效应”，业界通过提高磁颗粒异向性、增加热稳定性来解决。
磁颗粒异向性的提高固然使得磁记录介质更加稳定，但是必需同时提高写入磁头的写入能力。
另外，磁颗粒体积的缩小，也需要进一步提高读取磁头的灵敏度，于是MR（磁阻磁头）和GMR（巨磁阻磁头）相继应运而生，GMR磁头技术的帮助下，水平记录区域密度已经达到了100Gbpsi以上。
不过，磁记录业界公认水平记录技术已经达到了极限，再通过开发不同的磁性材料、磁头技术来提升区域记录密度已经不再是经济、有效、可行的途径了。
垂直记录技术
磁垂直记录技术并非近年才出现，早在1977年被誉为现代垂直录写技术之父的日本东北工业大学校长及首席总监岩崎俊一（Shun-ichiIwasaki）教授率先投入了这项技术的研究。
岩崎俊一博士称:
“我在过去的四十八年中一直从事磁性录写技术方面的研究工作，研究发现该技术的成功在于其录写密度。
直至1975年，我才发现垂直录写是走向高密度录写的不二法门，之后我不断提倡把垂直技术引入现实科技中。
我很高兴这项科技将不久得以实现。
”
图3-1:
垂直记录技术示意图
应用了垂直记录计数的硬盘在结构上不会有什么明显的变化，依然是由磁盘（超平滑表面、薄磁涂层、保护涂层、表面润滑剂）、传导写入元件（软磁极、铜写入线圈、用于写入磁变换的交流线圈电流）和磁阻读出元件（检测磁变换的GMR传感器或磁盘者新型传感器设计）组成。
微观上看，磁记录单元的排列方式有了变化，从原来的“首尾相接”的水平排列，变为了“肩并肩”的垂直排列。
磁头的构造也有了改进，并且增加了软磁底层。
这样做的好处是:
1、磁盘材料可以增厚，让小型磁粒更能抵御超顺磁现象的不利影响；
2、软磁底层让磁头可以提供更强的磁场，让其能够以更高的稳定性将数据写入介质；
3、相邻的垂直比特可以互相稳定。
目前，日立、希捷、东芝等公司的都已经演示了其开发的基于垂直记录技术的硬盘样品，其中东芝的1.8英寸垂直记录硬盘样品区域密度达到了133Gbpsi，希捷的垂直记录硬盘样品的区域密度达到了170Gbpsi，日立公司也展示了区域密度达到了230Gbpsi垂直记录硬盘!
这意味着我们将在不远的未来看到容量为20GB的微硬盘和容量为1TB的3.5英寸硬盘面市。
垂直记录技术:
磁记录市场的新契机
DISK/TREND总裁、硬盘业分析员及历史研究学家JimPorter认为:
“垂直录写技术的成功应用及过渡，是硬盘业未来五至十年发展的关健。
日立正致力于通过全面的试验计划，使这项科技继续稳步向前发展。
”
从日立于2004年12月开始的大规模现场测试的结果来看，应用了垂直记录技术的硬盘在实际应用中表现值得期待，日立宣布:
1、硬盘性能高于预期
2、性能数据类似于我们通过一个成熟硬盘得到的测试结果
3、没有硬错误（例如没有数据丢失）
4、极少的软错误（磁头试图在首次失败之后再次读取数据）
5、数据读写速率没有降低
IDC针对垂直记录技术进行全面了调查，他们公布了乐观的预期:
1、2009年使用垂直记录技术的硬盘将达到六亿三千万部，成为雄霸市场的新技术。
2、到2008年，小型硬盘（2.5英寸以下）将占据硬盘产量的46%以上，其中大多数会利用垂直记录的技术优势来满足容量需求。
3、对整个硬盘行业的发展进行预测，可发现垂直记录将成为2004至2008年达到IDC预测的15.5%年复合成长率的主要推动因素。
4、在5年内，产品磁盘密度将会达到目前技术下磁盘密度的四至五倍;在10年内，垂直记录（包括混合方法）会使磁盘密度达到目前技术下磁盘密度的十倍的水平。
5、垂直整合式公司将可较顺利地引入垂直记录及其它新技术，其引进成本也较低，不过却要自行承担研发支出。
必需投资额的增长（例如，研发开销、新生产能力）将会引起更深入的业内合并。
6、必要的投资额的增长（例如，研发开销、新生产能力）将会引起更进一步的业内合并。
日立公司预计在近年的下半年到明年之间，会向市场推出首批采用垂直记录技术的硬盘产品，它们的磁录密度接近150Gbpsi，届时我们的2.5英寸硬盘的容量可以达到160GB，微硬盘的容量可以达到15GB;2007-2008年之前，磁录密度为230Gbpsi的产品将会从实验室中走出来，那时3.5英寸硬盘的容量可望达到1TB，而微硬盘的容量也能达到20GB;目前的垂直记录技术理论上可以达到500Gbpsi的磁录密度，500GB的2.5英寸硬盘和40GB的微硬盘也会成为现实。
未来晶格介质和热辅助磁记录技术会进一步扩展垂直记录技术的潜力，把磁录密度提高到1Tbpsi以上，届时我们的笔记本硬盘也会达到TB的容量，微硬盘容量也达到100GB!
未来的5-10年，垂直记录将会成为未来硬盘行业的主流技术，不同厂商过渡到这项新技术上顺利程度，将会决定未来10年内硬盘业界的新格局。
SSD难取代硬盘各代热门垂直硬盘一览
在被硬盘压制许久之后，最近SSD（固态硬盘）似乎有抬头之势，《英特尔强攻SSD台厂利多科技论坛登场聚焦固态硬碟技术创新威刚、创见、慧荣等可望受惠》《XX服务器全面换固态硬盘来替代硬盘》等消息纷纷传出。
SSD厂商之前推出固态硬碟产品，主要用来替换或补充笔记型电脑、桌上型电脑和伺服器中的传统硬盘。
而这次英特尔强力介入SSD，恐怕新一波的SSD厂商卡位战即将被掀起。
在这样的强势之下传统硬盘的地位难道真的会被撼动？
诚然，固态硬盘在不断发展、改进、努力进入主流市场，不过硬盘也一样没有停住脚步，飞速发展着。
对这两种硬盘类型，都具有哪些优缺点呢？
硬盘与固态硬盘优缺点对比：
1.防震抗摔性：
目前的硬盘（ATA或SATA）都是磁碟型的，数据储存在磁碟扇区里。
而固态硬盘是使用闪存颗粒（flashdisk）（即目前内存、MP3、U盘等存储介质）制作而成，所以SSD固态硬盘内部不存在任何机械部件，这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用，而且在笔记本电脑发生意外掉落或与硬物碰撞时能够将数据丢失的可能性降到最小。
相较传统硬盘，固硬占有绝对优势。
2.数据存储速度：
在同样配置的笔记本电脑下，当按下笔记本电脑的电源开关时，搭载SSD固态硬盘的笔记本从开机到出现桌面一共只用了18秒，而搭载传统硬盘的笔记本总共用时31秒。
进入系统后不管是运行程序或是打开文件也可以明显感觉到固态硬盘占有绝对优势。
3.功耗：
固态硬盘的功耗上也要优于传统硬盘。
4.重量：
固态硬盘在重量方面更轻，与常规1.8英寸硬盘相比，重量轻20-30克。
5.噪音：
由于固硬属于无机械部件及闪存芯片，所以具有了发热量小、散热快等特点，而且没有机械马达和风扇，工作噪音值为0分贝。
传统硬盘就要逊色很多。
6.价格：
目前市场上128GOCZ固态硬盘，价格为4099元。
而这个价钱足够买容量为几TB的传统硬盘了。
7.容量：
固态硬盘目前最大容量仅为256G，和传统硬盘最大按TB容量衡量相比差距很大。
经过对比。
确实，在速度、安全、噪音、功耗、重量等方面固态硬盘都要强于传统硬盘，但就价格与容量两点的优势，传统硬盘在目前还是有不可撼动的优势。
特别是在这个大容量的时代里，高清电影，游戏，音乐。
让人们对大容量硬盘的要求越来越高，同时也就促使了硬盘开始进入TB时代。
所以最大128G容量固态硬盘对消费者来说实在是太小了，而其超高的价格又有多少人能够接受呢？
在容量与价格上。
固态硬盘的劣势注定其无法取代传统硬盘。
自从1956年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统。
这套总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘IBM350RAMAC（RandomAccessMethodofAccountingandControl）。
到“温彻斯特”（Winchester）结构的诞生，硬盘结构基本没有发生改变。
到05年以前，还由于没有任何存储产品可以与硬盘抗衡，使得它发展极其缓慢。
尤其相比近几年同为电脑三大件的CPU和显卡，每年都呈几何倍数增长的趋势，硬盘相比起来实在可怜的要命。
10G、20G、40G、80G、160G，在21世纪最初的两、三个年里头，硬盘容量一直都是以翻一番的速度在增长，但是自从单碟容量100G的硬盘出现以后，硬盘容量的增长速度就停滞了下来，有关硬盘的新闻都是对接口和缓存变更等的报道。
硬盘的记录密度似乎已经达到了无法再提高的地步？
“温彻斯特”结构的硬盘
在过去，硬盘记录技术都是纵向或称水平磁记录（LMR，LongitudinalMagneticRecording），纵向记录就是磁单元以水平模式存放，因此占用了较多的空间。
但是硬盘的“温彻斯特”结构，使盘体物理尺寸及主轴马达寿命受到了限制，无法以塞进更多盘片来实现容量提升。
所以要解决硬盘容量的继续提升问题，就必须继续提高单片盘片上能承载的容量。
随着时代的发展。
在消费者和厂商开始关注容量问题的时候。
如果再没有办法提升硬盘容量。
那么硬盘的发展将会受到威胁。
正当这个危机时刻。
垂直记录技术成为了硬盘厂商们提出解决这一难题的方案。
而事实证明，垂直记录技术确实做到了这一点。
其实磁垂直记录技术并非近年才出现，早在1977年被誉为现代垂直录写技术之父的日本东北工业大学校长及首席总监岩崎俊一（Shun-ichiIwasaki）教授率先投入了这项技术的研究。
但是由于市场需求的原因，这项技术一直被搁置无法发展起来。
直到硬盘容量被大家关注。
06年这项技术终于研发成功并运用到硬盘上。
希捷成为了最快把技术变为最终零售产品的厂商。
随着这项技术的成熟。
硬盘终于在06年开始真正向着大容量时代发展了。
那到底垂直记录技术是怎样的技术呢？
在过去，硬盘记录技术都是纵向或称水平磁记录（LMR，LongitudinalMagneticRecording），纵向记录就是磁单元以水平模式存放，因此占用了较多的空间。
而垂直记录技术则是将其直立起来，从而有效地提升了磁盘表面每平方英寸的磁单元数量，增加了整体的存储容量。
但是凭借现在的技术，就算是横向放置，我们也可以把磁单元做得再小很多，为什么要想着打竖放置呢？
最主要的原因就是超顺磁现象（superparamagneticeffect）：
当磁记录单元变得越来越小的时候，磁记录单元就越来越难保持自身的磁方向，当受到周围环境的热扰动时，磁单元就有很大几率会改变磁方向或者消失磁性。
那垂直纪律技术是如何解决超顺磁现象的呢？
如上图所示：
如果磁记录单元横向放置，那么中间的磁记录单元两头的磁极就跟相邻的相反，那么在热扰动时很容易翻转；而垂直记录却不会发生这种情况。
对于读写功能，垂直记录又做得如何呢？
使用垂直记录的碟片底下多了一层“软磁性”物质，这个“软磁性物质”会受到周围磁场的作用而变得带有磁性，那么在读写头两个隔开的东西之间就形成了一个磁回路（图中的蓝色线条），有了这个回路，我们就可以读取或写入磁记录单元了。
与纵向记录不同，垂直介质中的退磁磁场方向与磁化磁场方向相反，在高密度情况下更是如此。
而且垂直介质还有点不同，就是退磁磁场支持邻位磁化，使的高密度存储更可靠。
由于退磁磁场行为存在上述差异，所以垂直记录和水平记录的热衰减线性密度趋势彼此相反。
低密度垂直模式更容易出现热衰减和外漏磁场擦除现象，因此垂直记录技术真是天性适合应用的高密度的存储领域。
跃迁是水平介质外部磁场的来源，而对于垂直介质来说，除跃迁以外的所有地方都有磁通量，垂直波形看起来更像磁化模式，而不是磁化发生的变化，这直接可以放映在读写的质量上。
千万不要小看这样的转变，它已经将硬盘存储密度提升至每平方英寸1TB，甚至会达到更高的水平。
Seagate
7200.10
Seagate
7200.11
最大容量
750GB
1TB
单碟容量
188GB
250GB
最大磁片数
4
4
寻道功耗
12.6W
11.6W
持续数据传输速率
78MB/S
105MB/S
转速（RMP）
7200
7200
寻道静音效果
3.7Bels
2.9Bels
接口
SATA3.0Gb/s
SATA3.0Gb/s
缓存大小
16MB
16MB/32MB
垂直记录技术
一代
二代
现在垂直记录技术已经发展到第二代乃至第三代。
相比第一代而言。
性能上又有了大幅的提升。
正是源于这项技术的发展，让我们在这个时代享受到了大容量给我们带来的乐趣。
下面我们就来分别介绍下采用了一代，二代，三代垂直记录技术的硬盘。
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