内忧外患知天命：2006年硬盘技术综述

盘片的烦恼

众所周知，磁头和盘片是硬盘驱动器中最核心的部件，主轴马达和音圈寻道机构都是为磁头能定位到盘片上方特定区域服务的。磁头和盘片所采用的技术，在很大程度上决定了硬盘的磁录密度（areal density）水平——对于特定尺寸的盘片来说，可以用单碟容量来代替。

磁录密度的提高，离不开磁头和盘片的密切配合。一方面，单位面积上代表每个bit的磁单元（以下简称“磁位单元”）越来越多，组成它的磁粒的体积要相应减小；另一方面，（在材料不变的前提下）磁粒的体积越小，磁头所能感知到的磁场信号就越微弱，需要更高的灵敏度。

2002年单碟容量（磁录密度）增长受阻，主要责任并不在磁头。GMR（Giant MagnetoResistive，巨磁阻）磁头1997年率先被IBM Deskstar 16GP/14GXP采用，在世纪之交充分显示出其威力，是3.5英寸ATA硬盘连续三年（1999～2001）单碟容量增长100%的主要动力，虽然说如此大踏步地前进很容易过早榨干技术的潜力，但也不至于这么快就“江郎才尽”。

如此说来，“罪魁祸首”只能是盘片了。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（Longitudinal Recording）技术：硬盘的盘片可以看作是一个二维的平面，磁位单元沿着盘片旋转的方向排列，磁极相邻，首尾相接（即“纵向”），顺序从磁头下方通过。磁录密度的提高，意味着每个磁位单元在盘片表面上所占的面积（和体积）要相应缩小，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——就可以使磁粒的磁化方向发生翻转（磁位单元保存的数据bit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化方向，可以使用具有高矫顽力（将其翻转需要较多的能量）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。

纵向记录示意图，磁位单元和磁头的体积随着磁录密度的提高而不断缩小

在2002年之前，超顺磁性效应对硬盘正常工作的影响已开始显现，因此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，Ru）层，上下两层对应位置的磁粒具有相反的磁化方向，借助耦合效应互相稳定。

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已在全线硬盘产品中采用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）。