垂直记录的铺路石：500GB级SATA硬盘横评

垂直记录改变硬盘设计：磁头重塑形

由于单极写入元件从信号极到返回极之间的磁通量变化幅度远大于环式写入元件的狭缝磁场，使得垂直记录技术对磁头在执行写入操作时的飞行高度十分敏感，所以垂直记录硬盘普遍采用了能够动态调整磁头飞行高度的技术（见Deskstar T7K500的介绍部分），而之前的纵向记录产品则在一定程度上起着“试验田”的作用。

不同于环形写入元件产生的狭缝磁场，单极写入元件的信号极与软磁底层之间的磁场有可能不当地扩散出来，对相邻磁道构成威胁。因此，如果仍采用矩形磁极，就存在着误擦除相邻磁道数据的危险。解决方法是将PMR写入元件改用梯形磁极，以避免悲剧的发生。

与矩形磁极（上）相比，梯形磁极（下）去掉了角上多出来的部分，从右侧的磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy，MFM）图象中可以看到，写入效果有明显的改善

除了结构和形状的改变之外，还要解决只有垂直记录磁头才需要面对的其他挑战，譬如“磁极擦除”（pole erasure）和“外场擦除”（stray field erasure），两个问题如果处理不当都会造成数据错误。磁极擦除是在写入周期结束时写入电流被设置为零，而写入磁极仍然保持磁场的现象，结果自然是数据被无意中擦除。这种现象由垂直写入磁极的铁磁本性和非常小的尺寸所导致，必须精心挑选薄膜磁性材料并加以处理才能避免。

磁头和软磁底层的相互作用使垂直记录技术比纵向记录技术更易于受外部磁场的影响，这对移动硬盘格外危险。譬如，当某人戴着具有磁性的手镯操作笔记本电脑时，距离其中的硬盘可能只有几个厘米，如果没有专门的磁头设计，外部磁场会明显扭曲数据写入和读回信号，从而造成错误。在某些极端情况下，外部磁场甚至会导致不可恢复的数据擦除。因此，硬盘厂商必须小心地设计磁头和盘片，以保证垂直记录硬盘对外部磁场的抵抗能力与现有的纵向记录产品相当，甚至更好。

左上图为纵向记录的波形，右上图为垂直记录读取同样数据的波形，下图显示垂直记录在低频区有更多的信号

读出元件的变化不大，GMR或TMR都可以胜任。不过读/写电路的调整可不小，因为从纵向记录转为垂直记录，磁化方向旋转了90度，所以每个频率元件的相位也都要偏移90度，导致整个波形完全改变，读/写电路的信号处理必须改进以适应新的波形。另外，由于相位发生偏移，低频的信号更强，新的电路能够从中获益，但也要注意低频区的信号干扰。

垂直记录技术减小了磁位单元之间的变换区

虽然现在上市的垂直记录硬盘基本上都处于同一水平，但所使用的技术已经演进到了第二代。第一代技术主要用于早期的垂直记录产品和厂商的内部测试，第二代技术在写入磁头、记录介质（盘片）和读/写电路上进行了相应的改进。

写入磁头的变化体现在，信号极下端的尾部增加了间隔很小的拖曳式屏蔽（trailing-shield），它对场强有轻微的影响，但能够改善写入磁场的角度，使磁位单元的写入效果更为锐利。

信号极下端的尾部屏蔽示意图

为了易于实现，第一代垂直记录介质采用厚度一致的层，现在则根据磁矩、各项异性和同向的相邻磁粒之间的原子耦合水平等特征进行细致的调整。无论哪一种情况，由于结构更为复杂，如果没有精心的设计，垂直记录盘片的机械可靠性都将低于纵向记录盘片，这也是硬盘厂商必须解决的问题。

从上面的介绍可以看出，由纵向记录转向垂直记录，使得磁头、盘片和读/写电路这些硬盘驱动器最核心的部分都发生了重大的变化，需要相应的供货商重新设计和制造。当然也有不受影响的，如底托、顶盖、主轴马达和VCM等机械部件，以及PCBA的整体结构，基本上可以“置身事外”。至于硬盘驱动器的组装（通常意义上的“生产”或“制造”），大的工序（装配流程）没有什么变化，但生产线上的设备却几乎要全部换掉。

确切地说，由于硬盘驱动器的核心设计参数都发生了改变，每个过程的参数控制——包括安装点、力矩和精度……需要重新定义，所有与产品参数相关的设备（包括测试仪器）也必须更换成新的，只有控制系统、软件、数据库和运输工具等可以保留。当然，在现有生产线的基础上进行改造并不是不可以，但是旧设备会磨损，而新产品的每个控制参数均要用新的设备来保证品质，因此改造的成本反而会高于换成新的生产线。总之，硬盘厂商必须付出数以亿计的美元，方可具备生产垂直记录硬盘的条件。