磁霸！垂直记录热度渐升
能将磁盘密度提高10倍的垂直记录大概是近期最受人们关注的硬盘技术了，本站也一直酝酿着对其进行较为具体的介绍。不过，对于这种涉及到磁记录原理的技术，仅靠抽象的文字描述是很难让人真正理解的，恰逢日立为我们提供了图文并茂的演示材料，特经过加工后充实到原以枯燥铺叙为主的技术性文章中登出，以飨读者。对了，本页下方还有一个名为“Get Perpendicular”的Flash，绘声绘影，很有趣哦！
本周北京的气温已冲上38℃，不过与关心硬盘技术的人们对垂直记录的热情相比恐怕仍略逊一筹。IDC在其最新的非凡报告中指出，垂直记录（Perpendicular Recording）技术将主宰硬盘工业，并成为硬盘当前的发展大势。此项技术及其配套的新磁头和盘片会于2005年底开始被采用，预计在2007年底被广泛投入生产。据IDC猜测，在2009年使用垂直记录技术的硬盘将达到六亿三千万部，成为雄霸市场的新技术。
垂直记录技术的应用将直接改变磁头和盘片的结构，因此与富士通（Fujitsu）、迈拓（Maxtor）、三星（Samsung）和西部数据（WD）相比，两家采取“垂直整合”业务模式的厂商——日立（Hitachi GST）和希捷（Seagate）——对于何时开始在量产的硬盘中采用该技术无疑更有发言权。继日立公布开发出具有每平方英寸230Gb垂直录写的业界最高数据密度之后，希捷也发布了第一款采用垂直记录技术的2.5英寸硬盘。
当然，随便说说都很简单，能否率先供货才见真本事。日立预计其首款2.5英寸垂直记录硬盘将在2005年开始上市，希捷的Momentus 5400.3则把时间定在了2006年第一季度。既然产品上的胜败急切还难见分晓，先做些知识普及工作也是很有意义的。
6月21日，日立环球存储科技（Hitachi Global Storage Technologies，HGST）公司在北京召开了垂直记录技术媒体交流会，专程赶来的公司产品战略与营销高级副总裁Bill Healy和全球尖端科技高级总监高野公史（Hisashi Takano）与国内各专业媒体的代表就垂直记录技术进行了交流。
日立环球存储科技公司产品战略与营销高级副总裁Bill Healy展望硬盘发展趋势
这种会议的开头照例都是要展望一下发展趋势的，Bill Healy先生向我们出示了IDC关于消费电子硬盘的最新猜测：在2008年之前，消费电子硬盘的出货量将会增长到全部硬盘的30%，年复合增长率（CAGR）达40%。
IDC对消费电子硬盘发展的猜测
业界这么看好硬盘在消费电子设备中的前景，很大程度上是因为看到了移动电话等手持设备对大容量存储的需求。可是，面对闪存的竞争，硬盘的抗冲击能力已经处于下风，速度也不算快，假如不能在体积基本相当（也就是说，尺寸要尽可能地小）的前提下发挥容量优势，显然不会有多少胜算。目前1英寸硬盘容量已经做到了6GB，年底能达到8～10GB，而要再继续发展的话，现有的纵向记录（Longitudinal Recording）技术已经接近极限，就必须得垂直记录技术出马了。
日立专门制作了一个有趣的Flash以形象地说明垂直记录的原理（请放出声音欣赏）
温习！硬盘原理和结构
看起来日立对与媒体的技术交流很有经验，他们似乎很清楚并不是每个人都了解硬盘的原理和结构，而这是谈论垂直记录最基本的前提。本站不久前曾经图文并茂地介绍过硬盘的构造，不过里面所用的基本上都是实物图片，太过具体，恰好此次日立提供的图更接近原理性质，可以帮助读者增进对硬盘构成的了解。需要注重的是，对于某些部件的称呼两者略有出入，稍加对比便可分清。
说是“硬盘的构成”，磁头和盘片的关系才是真正的主角
组成硬盘的主要部件基本都标出来了
这张图把磁头和盘片的结构展现得很清楚
上面三张图介绍的都是硬盘最基本的原理和结构，与纵向记录还是垂直记录没什么关系。随着技术的不断进步，硬盘呈现出尺寸越变越小的趋势。
自从问世以来，硬盘尺寸变小的步伐就没有停止过
当然，硬盘尺寸的减小是个循序渐进的过程，因此多种尺寸规格的硬盘并存是很常见的现象。
从上至下依次是1英寸微硬盘Mikey、超薄（5mm厚）1.8英寸硬盘和2.5英寸硬盘
显然，随着硬盘尺寸的缩小，所有组件也都同步变小。
即使硬盘尺寸不改变，磁头和磁单元也要不停地变小，否则存储面密度无法提高
在硬盘尺寸小到一定程度，或者存储面密度提高到一定水平之后，问题就出现了。
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，碰到了发展的瓶颈——“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，一直躺着的磁单元忽然站起来了！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。
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对于包括日立在内的各硬盘相关厂商在垂直记录技术上的进展，本站已经有过诸多报道，此处不再重复。在本次技术交流会上，日立方面对他们所取得成果进行了较为具体的介绍。
日立环球存储科技公司全球尖端科技高级总监高野公史从1998年开始治理垂直记录项目
日立的垂直记录硬盘从2004年12月开始接受现场测试，硬盘性能高于预期，“性能数据类似于我们通过一个成熟硬盘得到的测试结果”，没有硬错误（如数据丢失），软错误（磁头试图在首次失败之后再次读取数据）极少，数据读写速率也没有降低。
日立的相关人员已经在日常工作中用上垂直记录硬盘啦——羡慕吗？风险其实也挺大的
IDC在最新的非凡报告《2005年硬盘市场：零件技术与业务模式》中对垂直记录技术进行了猜测，指出：
2009年使用垂直记录技术的硬盘将达到六亿三千万部，成为雄霸市场的新技术。
到2008年，小型硬盘（2.5英寸以下）将占据硬盘产量的46%以上，其中大多数会利用垂直记录的技术优势来满足容量需求。
对整个硬盘行业的发展进行猜测，可发现垂直记录将成为2004～2008年达到IDC猜测的15.5%年复合成长率的主要推动因素。
在5年内，产品磁盘密度将会达到目前技术下磁盘密度的四至五倍；在10年内，垂直记录（包括混合方法）会使磁盘密度达到目前技术下磁盘密度的十倍的水平。
垂直整合式公司将可较顺利地引入垂直记录及其它新技术，其引进成本也较低，不过却要自行承担研发支出。
必要的投资额的增长（例如，研发开销、新生产能力）将会引起更进一步的业内合并。
垂直记录是未来硬盘行业发展的要害；各家公司能否成功过渡，是企业能否成功发展的决定因素。
日立利用垂直记录技术实现230Gb/in2磁记录密度的演示
IDC存储技术研究总监David Reinsel表示：“企业引进垂直记录及其它新技术，需要重新审阅现有的业务模式、合作伙伴和发展策略。这意味着企业需要增加产品研发和新生产设备等方面的投资，也将促进业界的进一步整合。”通过采访不同领域的专家，并汲取他们的专业意见，IDC还为硬盘生产商和零件开发商提供了至2015年在磁记录密度提升及业界的整合情况等方面的建议，包括：
垂直整合式公司将可较顺利地引入垂直记录及其它新技术，其引进成本也较低，不过却要自行承担研发支出。
绝大部分小型硬盘在2008年均会采用垂直记录技术以满足存储容量的需求。
间接传动弹性臂技术的用途有限，预计不会被大规模采用。
垂直记录技术将在5年内使磁碟密度提升至现有的4至5倍。
GMR CPP磁头将会在Femto（飞米）或TMR磁头之后推出，预计将于2007年问世。
虽然有了垂直记录技术，但未来几年磁盘的存储面密度发展仍将趋缓
Bill Healy先生表示，采用垂直记录技术后，硬盘的存储面密度的年增长率（CGR）将在40%左右（以此速度计算，垂直记录大约可以发展7年）。本站记者据此问道，假如未来几年闪存的容量以每年100%的速度增长，微硬盘所面临的压力会不会比较大？他十分乐观地认为，即使如此，闪存在容量和成本上也无法与微硬盘竞争（日立坚持不推出小于1英寸的硬盘很可能与这种思路有关）。
正如我们在前面所说的，无论采用纵向记录还是垂直记录，硬盘的基本原理和结构都不会发生改变。垂直记录所带来的技术变革主要发生介质（盘片）、磁头和读写电子器件上，硬盘的生产线没有另起炉灶的必要。即使是磁头，也不一定完全重新设计，因为磁头的读取和写入部分是相对独立的，与纵向记录相比，垂直记录使磁头的写入部分构造改变较大，但读取部分现在仍可以用Cip（Current-in-Plane，电流方向在平面内）模式的GMR读取头，是否需要改用TMR（Tunnel Magneto-Resistance，隧道磁阻）或CPP（Current-Perpendicular-to-Plane，电流方向垂直于表面）模式的GMR读取头主要取决于存储面密度的发展，和垂直记录并无必然联系。
日立最后对“垂直记录技术带来的可能性”进行了展望：
首批产品的磁录密度接近150Gb/平方英寸（2005～2006）——实现160GB的移动硬盘和15GB的微硬盘；
230Gb/平方英寸（2007～2008）——实现1TB的台式电脑硬盘和20GB的微硬盘；
理论表明垂直技术可以被扩展到大约500Gb/平方英寸——实现½TB 2.5英寸硬盘和40GB微硬盘。
在垂直记录技术之后，晶格介质（Patterned Media）和热辅助磁记录（Heat Assisted Magnetic Recording，HAMR）将会把数据密度提高到1Tb/平方英寸以上，实现TB级的移动硬盘和大约100GB的微硬盘，从而可以在一个外型小巧的机顶盒中内置整个HDTV视频库，或是在一部移动电话中存储数千小时的音乐和多部电影。
晶格介质（左侧框中靠右的部分）将把磁记录密度提高到每平方英寸1Tb以上
现在代表1 bit的磁单元由大约100个磁粒所构成，而晶格介质要做到的是每个磁粒代表1 bit，大大提高了存储面密度。随着磁单元的进一步减小，必须要采用高矫顽力的材料做磁层，由于其非常难以写入，所以要在写入时用激光照射加热，写入线圈在高温的辅助下将磁路反转，即热辅助磁记录。希捷也在几年前就开始研究HAMR，不过这种技术要进入实用阶段，恐怕要到2010年以后了。
热辅助磁记录技术利用新的、非常难以写入的介质，这种介质往往可以更加稳定地写入数据磁介质。通过加热介质记录数据，利用热能简化数据的写入，但是在常温下存储和读取数据。与晶格介质类似，它可以将区域密度提高到Tb/平方英寸级别，并很可能与晶格介质配合使用。
