可以站着生，何必躺着死？——垂直记录技术揭秘

瓶颈！垂直记录取代纵向记录

磁记录的存储面密度在经过10年左右的高速增长之后，遇到了发展的瓶颈——“超顺磁性”效应。

2003年以前的10年是磁记录密度增长最快的时期

多年以来，硬盘一直采用磁场的磁化方向与盘片表面平行的纵向记录技术：硬盘的盘片可以看作是一个二维的平面，磁单元沿着盘片旋转的方向排列，磁极相邻，首尾相接（即“纵向”——Longitudinal）顺序从磁头下方通过。整整一圈下来，就是一个磁道，盘片上的所有磁道都是同心圆。

纵向记录技术采用磁化方向平行于盘片表面的磁场

存储面密度的提高，就意味着代表每个bit的磁单元和组成它的磁粒的体积（主要是在盘片表面上所占的面积）要相应减小，其所具有的能量自然随之下降，发展到一定程度之后，只需要很小的能量——譬如室温下的热能——就可以将磁粒翻转（磁单元保存的数据便被破坏，无法再正确地读出），这就是所谓的“超顺磁性”效应（Superparamagnetic Effect）。为了避免磁粒在室温下自动反转磁路，可以使用具有高矫顽力（将其反转需要较多的能量）的材料作磁层以提高热稳定性，但这样又会给磁头正常的改写数据带来困难。

由于超顺磁性效应的影响，即使硬盘处在正常的环境下，所保存的数据也会随着时间的推移而逐渐丢失

需要指出的是，超顺磁性效应对硬盘正常工作的影响并非最近才开始显现，早在2001年IBM就推出了AFC（Anti-Ferromagnetic-Coupled，反铁磁体耦合）介质来对抗超顺磁性效应。这种被称为Pixie dust（仙女之尘）的技术采用了一种三明治结构，即两个磁层中间夹着一层厚度只有3个原子左右的稀有金属（钌）层，上下两层对应位置的磁粒具有相反的磁路方向，彼此互相稳定。

传统磁介质（左）与AFC介质（右）的对比。RU layer即钌层，其所形成的夹层结构无疑比单纯增加磁层厚度更为有效

在出售给日立之前，IBM的全线硬盘产品就都已经采用了AFC介质盘片。其他的厂商也运用了类似的技术，差别只在于商品化的名称和层数（3层或5层，后者是两个钌层中间又夹着一个磁层），譬如富士通的SFM（Synthetic Ferrimagnetic Media，合成铁氧体介质）。

除了磁路方向由水平转为垂直，垂直记录与纵向记录的共同点还是很多的

夹层结构在磁层厚度上做文章的思路很好，不过随着磁单元和组成它的磁粒在盘片上所占的面积越来越小，磁路方向上的长度也越来越短，保持稳定的难度与日俱增。因此，垂直记录技术干脆将对厚度的利用发挥到了极致：磁单元的磁路方向改变90°——不是在盘片平面范围内，而是与平面相垂直（Perpendicular）——正如第一页下方的Flash所形象描述的，一直躺着的磁单元突然站起来了！这样一来，磁单元在盘片上所占的面积可以继续减小，而在磁路方向上的长度（已变成磁层厚度）却能够保持不变甚至适当增加，从而保证了热稳定性。正所谓“躺着死，站着生”是也……

垂直记录技术的磁单元在磁头的作用下反转磁极的示意图

由于磁单元的磁路方向发生了90°的大转变，写入磁头的构造肯定要进行相应的改动，以产生磁化方向垂直于盘片表面的磁场。垂直记录的磁头设计很巧妙：其信号极（Signal Pole）很窄，磁通量密度较高，足以使通过它下面的磁单元发生磁路反转；返回极（Return Pole）很宽，磁通量密度较低，因此它下面的磁单元是相当安全的。当然，介质更是必须要大动手术的——不仅磁层（硬记录层）会变厚，其下增加的软磁底层还有助于改善写入时的稳定性。

纵向记录与垂直记录对比

垂直记录的另一个好处是，相邻的磁单元磁路方向平行，磁极的两端都挨在一起，虽然不像前述的夹层结构那样上下两层间形成反向耦合，但与纵向记录相邻的磁单元只在磁极一端相接的情况比起来，互相稳定的效果还是较为明显的。