SRC的硬碟研究逼近2Tbit/平方吋,“原理上可實現100T”

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日本非營利團體資訊存儲研究推進機構(SRC:Storage Research Consortium)于11月17日在東京召開技術報告會,發佈了2Tbit/(吋)2硬碟面記錄密度可行性技術的研究成果。SRC認為,在目前提出的多項候選技術中,“瓦記錄(shingled write recording)”最為可行。2Tbit/(吋)2換算成1塊3.5吋硬碟,其容量相當於3TB左右,換算成2.5吋硬碟則為1.5TB左右。瓦記錄預計會在2014年後應用於產品。 

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圖1:SRC的技術發展規劃 2Tbit/(吋)2產品預計在2014年以後投產。


瓦記錄指標基本確定 

  作為硬碟產學合作的研究推進團體,SRC以2010年6月提出最終報告為目標,正在探索2Tbit/(吋)2的可行性技術。此次發表的報告為中期報告。 

  SRC在2008年6月前一直致力於實現1Tbit/(吋)2技術的研究,該團體認為,1Tbit/(吋)2基本可以通過改進現有硬碟技術來實現。但更高的面記錄密度則需要使用全新的技術。作為實現2Tbit/(吋)2的候選技術,目前研究中的包括四項:(1)晶格介質(Bit Patterned Media)、(2)熱輔助記錄、(3)微波輔助記錄、(4)瓦記錄。 

  SRC為實現目標密度需要的磁頭、儲存媒體確定磁特性、物理規模等性能參數,利用模擬和實驗驗證參數是否實際,從而判斷可行性。在迄今的研究中,瓦記錄性能參數已基本固定。各性能參數也大致能夠實現。晶格介質的性能參數也在確定之中。但微波輔助記錄和熱輔助記錄至今尚未有獲得確定性能參數的方法。 

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圖2:研究四項新技術 SRC正在研究的四項技術包括:(1)晶格介質、(2)熱輔助記錄、(3)微波輔助記錄、(4)瓦記錄。


密度數倍于其他方式 

  瓦記錄受到關注源於2008年7月美國日立環球存儲科技公司(Hitachi Global Storage Technologies)的Roger Wood在The Magnetic Recording Conference 2008(TMRC 2008)上所做的發表。這種方式能夠在磁軌寬度方向覆蓋寫入數據,即使縮小磁頭的磁軌寬度,也能夠提高磁軌密度。與其他新方式不同,該方式只需對現有磁頭和儲存媒體進行改進,因此更具有現實意義
在此次報告中,SRC介紹了瓦記錄的優點及其優於其他方式的現狀。首先,瓦記錄無需縮小記錄磁頭的寬度,磁頭產生的磁場能夠達到其他方式的1.3~1.5倍左右。因此,磁性材料可使用高特性類型,即使縮小儲存媒體中的晶粒,數據的熱穩定性也能夠得到保證。線記錄密度可提高70~100%。而且,瓦記錄可同時寫入多條磁軌的數據,無需顧及多次改寫同一磁軌時對相鄰磁軌的影響。這與磁軌密度提高10~20%密切相關。另外,寫入數據時相鄰磁軌的數據清除區域可設計為窄于現有磁頭。這一改進能夠使磁軌密度提高5~15%。但這些都以磁頭能夠產生強磁場為前提的,如果對窄磁軌磁頭採用以上設計,所需磁場將無法得到保證。 

  雖然使用瓦記錄也會像其他方式一樣面臨提高讀取磁頭靈敏度、縮小儲存媒體晶粒等困難課題,但2Tbit/(吋)2只需改進現有方式即可實現。目前,按照SRC的設想,與瓦記錄結合使用的儲存媒體是1Tbit/(吋)2的候選實現技術ECC(exchange-coupled composite)介質的改進版(ECC介質相關報導)。 

硬碟易用性可能發生改變 

  瓦記錄的難點在於改寫磁軌上的部分數據時必須同時改寫多條磁軌。對於小容量數據的隨機改寫,其易用性可能不同於現有硬碟。此次的報告提出了在改寫數據時避開硬碟的同一位置,在其他空白區域重新寫入的方式。對於舊數據所在區域則在後臺進行處理,使其能夠在日後使用。 

  該方式雖然能夠縮小統一寫入的單位,提高性能,但也會擴大統一寫入區域兩端無法使用的浪費區域。SRC就改變統一寫入單位對浪費區域的影響進行了研究。以面記錄密度為2Tbit/(吋)2、磁軌密度為870kTPI,磁片單面有550k條磁軌為前提,分別調查了統一寫入單位為100條磁軌和5000條磁軌時的情況。結果顯示,浪費區域對於前者佔可記錄區域的2%,對於後者佔0.1%。 

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圖3:性能參數研究進展瓦記錄的性能參數已基本確定,晶格介質也在確定之中。

其他方式則問題重重 

  在SRC所研究的其他新技術方面,仍有很多問題未找到解決方案。從晶格介質來看,當寫入沒有錯誤時,介質的SN比非常高。但抑制寫入產生的錯誤必須按照有序的磁性體位置,同步寫入數據。目前,尚無具有決定性的方案。 

  對於微波輔助記錄,怎樣實現數10GHz的高頻發射元件是首要課題。SRC正在考慮使用磁各向異性常數(Ku)為負的材料,但目前仍無法達到期望值。熱輔助記錄雖然沒有重大問題,但儲存媒體的熱設計、嵌入鐳射器的磁頭的設計依然存在課題(參閱本站報導)。 

結合各種方式爭取實現100T 

  此次報告會還涉及了2010年6月2Tbit/(吋)2技術性能參數出臺後的活動計劃。SRC顯示了分別利用兩年時間調查4Tbit/(吋)2、8Tbit/(吋)2實現技術的意向。據悉,該意向預定於2010年1月由SRC理事會正式錶決。 

  根據擔任SRC技術委員長的日立製作所城石芳博的介紹,在技術上,SRC希望就晶格介質與其他三項技術的結合、瓦記錄與“2D磁記錄”的結合等方法進行研究。通過改進以上技術,“原理上可以實現100Tbit/(吋)2”(城石)。 

  2D磁記錄是假定相鄰磁軌中數據存在相互干擾的讀寫方式。現在的硬碟考慮了連續寫入數據間的干擾,能夠通過實施信號處理提高記錄密度。2D磁記錄則將這一思路又拓展到了磁軌寬度方向。 

  SRC于2009年9月就瓦記錄和2D磁記錄與美國同行業團體INSIC(Information Storage Industry Consortium)舉行了電話會議。從當時美方提出的模擬結果來看,二者結合能夠實現8~9Tbit/(吋)2。 

  但上述模擬依據的是不現實的假設。尤其是“磁頭解析度設想得過高”(擔任SRC RW部會長的日立環球存儲科技田河育也)。提高磁頭解析度需要縮小讀取磁頭的擋板間距。但夾在擋板之間的讀取元件厚度限制了擋板間距的縮短。 

  事實上,擔任SRC磁頭部會長的東芝岩崎仁志已經表示過,符合2Tbit/(吋)2以上密度要求的擋板間距的實現很難直接借助使用厚反鐵磁性膜的自旋閥結構讀取元件。2Tbit/(吋)2的密度實現還需要依靠讀取磁頭結構及原理方面的重大突破。(記者:今井 拓司) 

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圖4:瓦記錄的模擬結果圖中從右到左描繪了對磁軌間隔為30nm的4條磁軌進行寫入的情況。

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圖5:使用瓦記錄的性能參數方案參數僅為目前數值,2010年6月最終報告時可能有所改變。

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圖6:硬碟架構發生改變瓦記錄方式硬碟在改寫數據時可能採用在其他位置重新寫入的方式代替在原位置覆蓋。

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圖7:以超過4Tbit/(吋)2為目標通過晶格介質與其他方式的結合、瓦記錄與2D磁記錄(TDMR)的結合,硬碟的記錄密度有望進一步提高。

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