透析硬盘尺寸微缩化发展关键

前言：早期硬盘多为大型企业的储存设备，由于访问速度与不用受限顺序访问优势，多用于会计数据储存，但硬盘体积与单位储存成本绝非民众所能负担！70年代初期，人们将磁盘媒体与读/写头整合，让硬盘结构变更小，却具有更佳可靠度！此即为现今硬盘前身…

IBM将原有针对企业设计的硬盘雏形，加以改良再造，尝试将磁盘媒体与读/写头加以整合，并以研发代号“温切斯特(Winchester)”为这款新磁盘命名，从此以后，原本可拆卸的磁盘组即改成密封结构，并与读/写头整合，以预防灰尘及其它外物进入机器内，更可改善硬盘可靠度。温切斯特硬盘部分的密封磁盘组采半透明设计，可以从外部看到其旋转盘片和读/写头，而成为工程师研究的好工具。

为扩充储存容量，研究人员致力改良伺服技术。原本在迭起盘片的特定表面记录服务器信息，现在则改将伺服信息嵌入于所有盘片表面。此技术有2种名称：扇区伺服技术(sector servo)和嵌入式伺服技术(embedded servo)。

原本的伺服技术由于易于控制，仍受小型硬盘采用；然而，多数大型磁录装置，已改采嵌入式伺服技术。由于此技术沿着圆周方向记录伺服信息，让决定读/写头位置的用户信息及服务器，都在相同读/写头和磁盘媒体上，因此较能承受热及干扰影响。此外，此种技术所用的记录面，积较旧技术更小，而有更多空间可用于记录用户信息。然而，由于用户数据的读/写作业，不能与服务器数据相冲突，此2数据的读/写作业必须隔开，这需要使用较复杂的磁盘控制技术，其支持的CPU亦须具有相当能力的处理效能。

读取头技术大跃进

回顾硬盘在50年来的发展，会发现读取头技术的转变相当有趣。相信读者都听过佛莱铭(Fleming)右手定则：「在运转的磁铁旁放置线圈，就会产生电压。」当时，读取头技术，就是根据电磁感应原理研发。关键就在，该如何做出1小线圈？1980年，出现1革命性发展：以薄膜成型技术研发读/写头，取代过去缠绕电线制造线圈的老方法，这项新技术大幅缩小读/写头尺寸，且具备足够的输出电压，更使储存容量加倍。

在80年代，日本开始广泛地将计算机应用于银行业及执行其它核心作业，如在大学入学考试采计算机卡片作答。这些外部磁录装置采薄膜读/写头技术，用于中央处理器(尺寸相当于大型美国双门电冰箱)。我们从杂志和电视上看过公司计算机室的模样，其地板上摆满数百台大型磁录装置。此时，单一台大型磁录装置，总算也有Gigabyte等级容量。

当硬盘遇见PC

80年代后期，开始有中小企业办公室计算机及高效能工作站采用硬盘。盘片尺寸不断缩小，从14吋到9吋、8吋甚至5.25吋。5.25吋盘片问世后，硬盘开始取代磁带与软盘驱动器。

希捷于1980年推出ST-506业界第1台5.25吋硬盘，当时此款硬盘具备5MB储存容量。ST-506这个名称之后，成为将硬盘机连接至PC的接口标准。使用ST-506界面须透过1个控制器来控制硬盘，控制器选择读/写头，传送脉冲讯号，以显示磁道，让读/写头执行搜寻作业，而主机控制器会对“搜寻完成”讯号进行确认。随着此种技术的研发，业界开始将步进马达(stepping motor)用于读/写头定位机制；换句话说，马达转轴随着脉冲讯号移动，并执行磁道搜寻程序。以今日的标准而言，此装置的运作相当迟钝，但由于其读/写大幅超越软盘驱动器，并具备较大容量，进而逐渐获得用户广泛采纳。

而后出现较先进的ST-412及ESDI(加强版小型外围接口)…等接口标准。然而，即使到此阶段，仍需格外关注硬盘机内部结构与组态，确切掌握硬盘运作，才能充分运用硬盘。硬盘机组态已大幅简化，必要的控制作业则由外部控制器操作。此时正是PC采用硬盘的初期阶段。资深工程师们也许曾在秋叶原二手店找到ST-506或ESDI硬盘，并将其连接至日本热门的“国民计算机”(NEC PC-9801)上头。

此时，3家公司共同建立1项新的接口标准：IDE(整合驱动电子接口)接口。此3家公司为硬盘制造商CDC (现为希捷)、Western Digital (当时专门研发控制硬盘机的外部控制IC)、和PC制造商康博(现为Hewlett Packard)。

现今ATA接口即以此IDE标准为基础。此接口发送指令至硬盘，并隐藏硬盘所有控制作业。换句话说，IDE将外部控制电路(ST-506接口的时代所使用)整合至硬盘本身，并设定标准指令及响应模式。此接口厘清硬盘和主机所扮演的不同角色，建立1个让硬盘和适配卡制造商皆可参与的基础平台。但由于此标准仍未趋稳固，而产生许多关于装置连接性及兼容性问题。

为解决此问题，1994年订定AT传输接口(ATA)标准。订定此标准后，即衍生出后续版本，如目前正着手研发的ATA-8标准。

图说：硬盘尺寸缩小，使其获办公室计算机及高效能工作站大幅采用，并开始受PC业界青睐。(希捷)

硬盘制造商的族谱

50年前，IBM制造第1台硬盘机，在这50年间，也有许多硬盘制造商产生和消失。当年，日立(Hitachi)购并IBM硬盘事业，及希捷购并Maxtor的新闻，令人记忆犹新。创立希捷科技的Alan Shugart，过去曾在IBM参与IBM 305 RAMAC研发，Western Digital原是1家半导体公司，专门研发硬盘的控制IC。

容量大，还要更大

在90年代，3.5吋及2.5吋硬盘发展神速，成为桌上型和笔记本电脑的主要储存媒介，在此同时，厂商开始生产大容量PC，人们再次将焦点放在读取头技术，欲藉此大幅提升硬盘容量，而研发出磁阻磁头(magnetic-resistive；MR)。新的磁头透过读取头，将磁场变化转为电阻的功能，产生更清晰且强大的讯号，远胜过传统薄膜线圈电磁感应技术效果。

欲达到此种磁阻效应，读/写头结构必须非常薄。此元素制造过程和半导体制程相似，由于硬盘对于静电、高压、高温及湿度相当敏感，而需针对其配件作完整检修，若要实现这项新技术，即须针对其支持程序调整，包括采取特殊措施预防静电，如教育组装人员静电的相关知识、穿戴防静电工作鞋、使用空气中带有离子的空调无尘室…等。硬盘制造商陆续开始将MR磁头建置于容量高达1GB的3.5吋硬盘。

为增加磁录密度，实现更大容量，人们开始研发具更高灵敏度的读取头，即为巨磁阻(Giant Magneto Resistive；GMR)读/写头。研发者变更MR磁头材料组成，并改良其堆栈架构，成功制造出“巨磁阻效应”，获得更高的输出。

今日，技术发展脚步不断前进，研发出采量子力学穿隧效应的穿隧磁阻(Tunnel Magneto Resistive；TMR)磁头。TMR磁头结构类似MR和GMR磁头，且结合了新概念。举例而言，其感应电流通过堆栈的盘片流动。

硬盘的写入头技术，在50年来并未有显著发展。电流通过线圈产生磁场，而将此磁场通过磁性物质，即可产生磁化作用。线圈制程不断进化，至今已制造出非常小的线圈；然而，经过50年，电磁的基本机制，却丝毫没有任何改变。

不过，磁性物质的磁化技术已在数年前出现重大进展，垂直录写技术(Perpendicular Magnetic Recording；PMR)将结构化的机制整合至磁性物质和磁盘媒体中，让写入头就像是磁盘媒体的一部分。此外，为实现PMR技术，写入头结构亦有了一些改良，PMR采用传统GMR和TMR磁头，且没有改变电磁线圈。

硬盘尺寸再缩小

我们从50年代的巨大磁录装置，回顾到至今3.5吋及2.5吋硬盘的发展。其中不变的研发方向，就是提高容量和缩小尺寸，既然如此，我们是否还能研发出更高容量且更小尺寸的硬盘？无庸置疑的是，硬盘的容量将不断增加。储存容量增加，随之发展出许多新应用。磁录密度越高，容量亦随之增加；因此，现有技术已可在不影响容量情况下缩小尺寸，换句话说，硬盘尺寸将更趋于迷你。

构型(form factor)指固定的尺寸，如3.5吋和2.5吋硬盘，硬盘制造商正积极开发更小的硬盘，如1.8吋、1吋甚至0.85吋，以上规格可说是如今硬盘尺寸的极限了，原只有3.5吋规格的高效能10,000转和15,000转企业硬盘，现已可应用于2.5吋规格中。硬盘尺寸的缩小，可协助减少功耗及所占空间。

未来，硬盘将不断朝着更大容量、更低功耗及更小体积来发展。(本文作者Yasushi Tanaka／希捷科技应用工程部门工程总监)

图说：硬盘尺寸目前已可做到如硬币般小巧。(刘家任摄)

图说：硬盘外观构型，不断挑战物理极限，体积愈来愈小。(刘家任摄)

 
图说：硬盘。(刘家任摄)