在存儲領域，SSD無疑佔據了這幾年市場關注的“頭版”，而大家對傳統HDD的關注度自然隨之減少。雖然無論是速度還是安全性，SSD都勝過HDD，但是HDD依舊有著SSD無法比擬的優勢—那就是數據容量。目前消費級市場中已經出現了10TB、12TB的硬盤，並且這個數據有望進一步攀升至16TB。如此巨大的容量是SSD無法企及的，最起碼在相同數量級的價格方面，SSD是無法趕上HDD的。
不僅如此，隨著諸如HAMR、MAMR等技術的應用，HDD的容量有望進一步攀升至100TB。同時在HDD持續讀寫能力方面，MAT技術的引入也會讓其大幅度提升，甚至和SSD不相上下。那麼，這些技術的本質是什麼，會帶來怎樣的變化？本文帶你一探究竟。
HDD機械硬盤似乎已經成為一個陳年老話題，除了亙古不變的接口外，HDD在玩家眼中已經成為了速度慢的象徵。好在價格足夠便宜，HDD還是能夠憑藉強大的數據存儲能力得到玩家的青睞。那麼在未來的發展中，HDD又將憑藉什麼和迅速發展的SSD搶佔存儲市場呢？答案就是更大的容量和更快的速度。在應用了全新的技術後，HDD的容量可以進一步上升至100TB，為即將到來的8K時代做好準備；速度方面，通過MAT等多磁頭並行讀寫技術，HDD的持續讀寫能力也將有質的提升。
從溫徹斯特結構談起
要說清楚這些技術的來歷，就不得不從HDD本質的結構開始講起。從溫徹斯特結構的HDD自1973年被IBM發明出來直到現在，無論是老舊的6.4GB產品還是目前最新的12TB HDD，其基本物理結構和原理都毫無二致，差別就在於數據存儲的讀寫方式有差異以及磁盤、磁頭的製造能力提升等外部原因了。
▲硬盤的磁頭是讀寫最關鍵的部件，雖然它小得幾乎看不清。
所謂溫徹斯特結構，是指在一個密封、固定並且高速旋轉的鍍磁盤片的每個存儲面上，使用沿盤片徑向移動的磁頭讀取和寫入數據的結構。這個結構的核心要點分別是：
●密封固定並高速旋轉的盤片；
●磁頭可以移動，並且通過移動，對旋轉盤片上的任意位置的數據進行讀取和寫入。
有關溫徹斯特結構的具體技術細節和發展歷史，以及巨磁阻技術、超巨磁阻技術等背後的故事本文不去深究。單就這個結構來看，要提高HDD的速度、容量等性能指標，有幾個關鍵因素非常重要，它們分別是：轉速、盤片數據密度、隨機讀寫能力和持續讀寫能力。其中轉速是核心指標，盤片數據密度同時影響了容量和讀寫能力。那麼，這些關鍵性因素在未來發展中還有多少空間呢？
▲溫徹斯特結構的硬盤從其被髮明出來一直到現在，基本上沒有結構性的改動。
首先來看轉速。轉速是HDD發展的核心指標之一，HDD的讀寫速度、尋道時間等都和轉速相關。不好的消息是，目前主流HDD磁盤轉速已高達7200rpm，進一步提高轉速會帶來發熱、穩定性和壽命等問題，已無法在市場和商業上取得平衡，7200rpm將是HDD未來很長一段時期的上限，此路不通。
接下來是隨機讀寫能力。隨機讀寫能力主要受到盤片數據密度和尋道時間的影響，在HDD上由於磁頭擺動和盤片旋轉的物理過程需要時間且無法顯著縮短，所以HDD的隨機讀寫能力基本上不存在大幅縮短的可能性，這也是HDD在使用體驗上遠不及SSD的首要原因。同時由於溫徹斯特結構本身的限制，導致短期內無法改變，此路依舊不通。
在轉速和隨機讀寫能力都無法繼續提升的情況下，提高磁盤的持續讀寫能力和盤片數據密度是否還有希望呢？答案是肯定的。盤片數據密度和持續讀寫能力本身就是一體兩面的關係，並且緊密相關—數據密度高，磁頭能一次性掃過的數據就多，能夠讀出的數據就多，因此持續讀寫能力會得到提升。
經過多年的發展，人們為提高HDD的盤片數據密度已經先後使用了垂直存儲技術、疊瓦式存儲技術等先進技術，但是這些技術都已經顯露疲態，無法進一步提高存儲密度了。在這種情況下，為了進一步提高數據存儲密度，人們不得不改用全新的、磁力更強、矯頑力更強的材料，並改變數據讀寫的方法，這就引出了MAMR和HAMR兩種全新的輔助寫入技術。
HAMR和MAMR：輔助磁存儲技術終於大成
在上個段落中，由溫徹斯特結構分析得出了目前繼續提高HDD存儲容量和性能的方法，那就是繼續提高磁盤的數據密度。但是在經過垂直記錄、疊瓦式記錄等技術應用後，人們發現目前的材料已經無法允許磁盤存儲密度進一步提升了。
磁疇、超順磁效應和矯頑力
經過數代技術的發展，HDD磁盤上用於存儲數據的磁疇組（一個磁疇組內可能有數十個乃至數百個磁疇）本身已經非常小了，接近磁疇組存儲數據所需要的磁性穩定存在的臨界值。如果通過進一步縮小材料所組成的磁疇組的體積（也就是減少其中的磁疇數量）來提高數據密度的話，將容易產生超順磁效應。
所謂磁疇，簡單來說就是可以獨立保持磁場方向的單位，在已經被磁化的磁鐵中，磁疇的方向是一致的，因此對外表現出強大的磁性。
▲磁疇就是最小的磁單位，圖中左側磁疇方向混亂，對外不表現磁性，右側磁疇方向一致，對外表現磁性。
在硬盤上由於數據存儲的需要，人們需要大量的磁疇組成一個穩定的單元用於表徵數據。比如面向磁頭的表面如果是N，就用於代指“0”，如果是S，就用於代指“1”，這些記錄數據的磁疇組，是磁盤存儲的根本。當磁疇組進一步縮小後，本身的磁力已經不足以保持數據存儲的穩定性，並且會被外界的磁場輕易改變，這就是超順磁效應。鑑於此，人們希望使用矯頑力更高的磁性材料。
矯頑力顧名思義就是“抗拒矯正的能力”，對磁疇或磁疇組來說，高矯頑力意味著磁性更強，可以允許更小體積的磁疇組存在。傳統硬盤存儲數據的磁疇組大約由上百個磁疇共同組成才能保證較高的矯頑力和穩定性。但是在新材料下，包含數十個磁疇的磁疇組就能帶來較高的矯頑力，也同樣保證穩定性，這就為提高數據密度打下了切實的基礎。
但是矯頑力高又帶來了一個副作用，那就是高矯頑力難以使用傳統的磁頭進行寫入。這是因為矯頑力過高的磁疇，現有的寫入磁頭所能提供的磁場不足以改變磁疇的方向並使其翻轉。這就意味著無法寫入數據，存儲的意義就不存在了。不過，矯頑力也可以通過其他方法降低，比如矯頑力和溫度呈反比關係，在高溫下矯頑力會減弱甚至消失；矯頑力也對高頻率振盪微波非常敏感。藉助於這些物理特性，人們將目光轉移到了改進磁頭工作方式，降低矯頑力上來。
輔助磁存儲技術
既然存在能夠降低矯頑力的方法，那麼在磁頭接近磁盤位置之前預先使得磁疇組矯頑力降低，是否就可以寫入數據了呢？沒錯，這就是各種輔助磁記錄技術的原理。將這個原理首先用在產品上的企業，並不是我們所熟知的存儲大廠，反而是索尼。
如果有讀者是資歷較深的音樂玩家的話，可能對索尼在上世紀90年代初發布的MiniDisc還有一些印象，索尼在MiniDisc的磁盤上就曾使用過熱輔助磁存儲技術。MiniDisc的磁盤體積非常小，直徑只有6.4cm，第一代容量卻高達160MB，這比當時1.44MB的軟盤在容量上大了很多，原因就是索尼在MiniDisc上使用了一種矯頑力較高的磁材料，在聚焦直徑為1μm~2μm的激光照射加溫下實現數據的寫入，這才使得索尼在當時的精度下實現瞭如此搞的數據存儲密度。
▲索尼MD的磁盤是首個使用熱輔助磁存儲技術的產品。
隨後在90年代末期，索尼也開始對熱輔助磁存儲技術進行開發，不過並沒有下文。反倒是生產硬盤的富士通在2006年展示了有關研發成果和產品。2007年，硬盤大廠希捷宣佈自己也進入到熱輔助磁存儲技術陣營，並公開了生產300TB的硬盤的計劃。在進入2010年後，更多公司意識到輔助磁存儲技術是未來大容量存儲的唯一可選路徑，紛紛加入競爭，TDK、西部數據等廠商都計劃推出自己的產品。
從原理上來說，輔助磁存儲技術的本質是基本相同的—都是在寫入數據之前，通過激光、微波或其他手段，預先降低寫入區域的矯頑力後，再通過磁頭的磁場寫入數據。技術本質清晰之後，廠商所能做的就是選擇實現路徑。在這一點上，希捷和西部數據這兩個業內領導企業選擇了截然不同的做法。
HAMR——來自希捷的激光加熱方案
在熱輔助磁存儲記錄的戰場上，希捷和西部數據是兩個笑到最後的玩家。希捷領先一步，推出了HAMR（Heat-Assisted Magnetic Recording）熱輔助磁存儲記錄。隨後西部數據也不甘示弱，推出了自家的熱輔助磁存儲記錄技術，被稱作MAMR（Microwave-Assisted Magnetic Recording）。
先來介紹HAMR。希捷對HAMR技術的研究已經有相當長的時間了，不過最近希捷才正式宣佈了自家HAMR的商用計劃。根據希捷的數據，目前的技術最多能將數據存儲密度提升至1Tb/平方英寸，但是新的HAMR技術可以將其提升至5Tb/平方英寸，最大理論硬盤容量有望達到100TB的級別。
▲HAMR磁盤結構設計示意圖，採用了玻璃基底。
HAMR的技術核心和前文所敘述的一樣，都是預先通過對數據記錄點也就是目標磁疇組的加熱，降低矯頑力後寫入數據。但是在具體的工程實現上，希捷採用的是激光轉換熱能的方式。為了達成目標，希捷在磁頭和盤片、軟件以及硬盤的整體設計上都做了重大的設計改進。
相比普通的磁頭，HAMR技術使用的磁頭雖然從外觀上看起來和垂直記錄磁頭相當，但是其中額外加入了一個激光器、一個光波導器、一個近場換能器（NFT）來輔助加熱。此外，磁頭還需要設計相應的光路引導光線從激光進入近場換能器，將光能儘可能高地轉換為熱能並加熱磁盤表面的記錄點。
▲近場換能器NFT工作示意圖。
在這個過程中，近場換能器NFT的設計實際上是整個HAMR的核心。一般來說，由於衍射現象的存在，如果直接用激光加熱的話，那麼光斑尺寸將很難縮小，比如藍光驅動器的光斑尺寸大小為238nm——這樣巨大的光斑尺寸對硬盤來說會嚴重降低數據密度，甚至太大的光斑和熱點會導致周圍不需要被加熱的磁疇組同時被加熱，影響數據存儲的穩定性。一般來說，加熱點的光斑尺寸最好控制在直徑小於100nm。為了達到這個目的，希捷使用了表面等離激元效應來縮小加熱點的尺寸。
▲希捷HAMR方案示意圖，它需要將磁盤溫度加熱到400~700℃。
▲支持HAMR、帶有激光單元的磁頭示意圖。
希捷設計的近場換能器由一個盤片和一個柱體構成，激光照射到盤片表面，促使盤片變成等離子激元體，發生震盪後熱量沿著盤片邊緣向柱體傳播，加熱磁盤上的記錄點。其中柱體的寬度就是記錄點需要加熱的寬度，遠小於衍射效應的光斑。從使用效果來看，根據希捷的數據，具體的記錄點從冷卻加熱到閥值，到完成寫入再冷卻的時間小於1ns，基本和目前的硬盤相當。
▲由於衍射的存在，無法使用激光直接加熱磁盤。
在盤片方面，為了和HAMR需求相匹配，希捷也重新設計了盤片，不再採用傳統硬盤的鋁質材料製造硬盤基底，而是改用了全新的玻璃基材，這是因為考慮到記錄時高達400℃的溫度，鋁質盤基可能無法穩定運行。
此外，希捷還加入了一個散熱層去控制來自存儲層的熱量。散熱層的設計比較麻煩，如果散熱過快會導致能量消耗過多，散熱過慢又會導致熱量堆積甚至周圍的數據被誤擦除。總之，在盤片設計上，希捷為HAMR的長遠發展做足了準備。
根據官方資料顯示，HAMR在2019年就會投入商業使用，初期會推出20TB的硬盤，2023年容量會進一步提升到40TB。隨後希捷還會繼續發展HDMR技術，將容量進一步推高到10Tb/平方英寸。
MAMR——西部數據的微波翻轉方案
在輔助磁存儲技術方面，西部數據和希捷的技術方向幾乎是完全一致的，都是降低矯頑力，可見這已是存儲業界的普遍看法。但是在實現方式上，西數採用了完全不同於希捷的工藝和步驟，西部數據採用的是高頻微波方案。
高頻微波方案在早期被業內許多人士認為工程難度極大而不可能實現，主要原因就是微波發生器的設計以及將其用於磁頭這樣微小的尺寸之內是極為困難的，但是西部數據成功做到了這點。所謂高頻微波方案，簡單來說就是指即使是較弱的磁場，在極高的頻率振盪下也可以逆轉較強的磁場，比如使用自旋轉矩振盪器在高頻下振盪並搭配垂直記錄磁頭，就可以實現較高矯頑力的記錄介質的磁化反轉，從而實現數據寫入。
目前西部數據公佈的相關資料比較少，人們很難從中看到更多的技術細節。但有一點非常肯定，那就是能產生高頻磁場的自旋轉矩震盪裝置一定是這項技術的核心難點。理論上來說，自旋轉矩震盪裝置一般由自由磁層和固定磁化方向層組成，產生從固定層到自由層的極化電子自旋流，這個極化的電子自旋流會在適當條件下通過自己的扭矩將自由磁層磁化，當自由層產生高頻（20GHz~40GHz）的振盪時就會被稱作高頻自旋轉矩振盪，它可以被用作弱化矯頑力，並輔助磁頭記錄數據。
相比HAMR，MAMR的優勢在於不需要加熱，自然也不需要散熱設備，目前的盤片也不需要進行額外的處理就可以直接使用。在解決了微波發生器的製造後，硬盤的製造和工作過程和傳統的垂直記錄硬盤不存在太大差異，因此整體技術投入和生產成本都要低不少。為了進一步證明MAMR的優勢，西部數據還從成本、技術難度、可靠性、軟硬件支持等方面做了說明。
▲MAMR技術原理，使用高頻微波輔助寫入數據。
成本方面，MAMR頗具優勢，和目前的垂直記錄磁盤相當，而HAMR需要額外使用新的玻璃磁盤、加入新的光頭等一攬子設備、使用新的材料等。技術難度方面，MAMR基本和垂直記錄的技術製造過程相當，除了高頻微波部分外，基本不需要太多改動，而HAMR幾乎需要重建整個寫入系統，難度要更高一些。
▲MAMR對比HAMR，西部數據認為充滿優勢。
▲MAMR技術的優點展示。
在可靠性方面，西部數據認為MAMR的可靠性更高一些，HAMR由於加熱等因素可靠性可能存在問題。在軟硬件支持方面，MAMR和之前的硬盤一樣可以支持熱插拔，而HAMR則需要軟件進行損耗平衡（具體原因未明，可能考慮到記錄單元反覆加熱帶來的的矯頑力衰退等原因），因此MAMR可能比HAMR在寫入壽命上高出100倍。當然，以上這些只是西部數據的一家之言，畢竟兩家的商用產品並沒有正式上市，所以具體表現還有待觀察。
▲MAMR壽命相比HAMR要更長一些。
在存儲密度方面，MAMR可達到4Tb/平方英寸，略少於HAMR的5Tb/平方英寸。不過兩者都是理論值，最終實際情況還得看產品。在量產計劃上，西部數據計劃在2019年推出可銷售的產品，2025年推出40TB硬盤。
一個當兩個用的MAT技術
在看完了HAMR和MAMR這樣艱澀難懂的技術後，再來看一個比較容易理解的技術。這就是MAT，全稱為Multi Actuator Technology，多驅動技術。這項技術的目的是通過在一個硬盤內佈置完全獨立的兩組驅動器，實現數據的並行傳輸和讀寫，從而提高硬盤的數據存取速度。
首先解釋一下所謂的驅動器，它是指驅動硬盤磁頭移動的電機，目前絕大多數硬盤都只有一個驅動器。從硬盤結構來看，單磁盤的硬盤磁盤兩面各有一個讀寫磁頭，這兩個磁頭會被同一個驅動電機驅動，執行完全一樣的移動，即使這個移動對某個磁頭來說並不需要。對多張磁盤組成的硬盤來說，如果有N個磁盤，那麼一般會配備2N個磁頭，這些磁頭也都使用同一個驅動電機驅動，在任何時候所有磁頭的路徑都是完全一樣的。
▲目前的多磁盤硬盤只有一個驅動器。
只有一個驅動器的硬盤設計、製造都比較方便。不過對多磁盤硬盤來說，只有一個驅動器實際上浪費了一些資源，因為多盤片硬盤本身數據存放在多個盤片上，盤片之間也互不干擾，如果只是用一套驅動器的話，相當於盤片被串行連接，但對無干擾的多個盤片而言，並行連接顯然是更有利於資源利用的方法，因為並行連接可以對多個盤片做到同時讀寫。基於這個想法，希捷首先推出了支持MAT技術，即多執行技術的硬盤。
希捷推出的支持MAT技術的硬盤包含了兩個完全獨立的驅動器，相對於外界來說可以將其看做兩個獨立的硬盤，這意味著可以同時對一個硬盤執行兩個讀寫任務。目前還不清楚它是否支持對硬盤本身進行盤內RAID，如果可以的話，RAID 0的盤內操作將直接帶來帶寬翻倍的效果。
▲希捷的初代MAT技術將設計兩個獨立的驅動器。
MAT技術目前最有用的方向是數據中心，因為隨著HAMR和MAMR等技術的應用，超大容量硬盤逐漸出現，只有一個驅動器的硬盤在讀寫上就存在劣勢了。如果要遍歷40TB的硬盤，就算高密度下硬盤的持續讀寫速度上升到500MB/s，那也需要80s時間，這對數據中心來說還是太慢了。
但是如果使用MAT技術加入雙驅動器的話，40s時間就可以遍歷整個硬盤了，顯著節約時間。另外，雙驅動技術還可以使得硬盤能夠同時執行2個不同的任務，並且最高可以降低理論尋道時間的一半，畢竟同時可讀可寫的兩個通道還是方便了不少。
MAT技術實現難度比較低，更多的是軟件和調度方面的內容。希捷預計會在2019年下半年開始量產支持MAT技術的硬盤，並在未來考慮推出更多驅動器的硬盤。
邁向海量高速的未來
通過對MAMR、HAMR以及MAT三個技術的介紹，大家應該對這幾個影響到未來HDD發展的技術已經有了一定了解。從技術發展來看，MAMR和HAMR雖然走了不同的道路，但是它們最終的目的都是大大提升硬盤存儲容量的上限，將我們使用的HDD容量帶向數十TB甚至100TB的“海量”。在8K+HDR視頻、支持8K超高清貼圖的遊戲來臨的之際，更大容量的HDD能夠存儲更多的數據，將是未來市場發展的重要方向。
在這種預期下，SSD和HDD很可能以“和平共存”的方式存在，SSD主打移動和高性能，HDD的海量空間則為臺式機、NAS等設備帶來了無限的可能。
SSD+HDD將成為我們未來最主流的數據存儲方式。HDD在不斷髮展的過程中，終於再次找到了自己的方式和方法，向著更快、更大、更強的方向邁進，為自己在未來IT產業中的地位打下了牢固的基礎。
看完這篇文章，其實我們在前文提到了表面等離子一詞，那麼你知道什麼是表面等離子激元效應嗎？答案在《微型計算機》2018年03期裡！
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