韋勒博士在清華大學(xué)材料學(xué)院作學(xué)術(shù)報告會
在5月21日和24日分別于清華大學(xué)和湖南大學(xué)舉行的學(xué)術(shù)報告會上，韋勒博士詳細(xì)介紹了存儲密度超過50Gbit/平方英寸產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，和在世界研究前沿的超越100Gbit/平方英寸的垂直磁記錄存儲系統(tǒng)。該講座還介紹了垂直磁記錄和激光磁記錄的物理過程，磁頭，磁介質(zhì)材料的選擇和局限，薄膜微結(jié)構(gòu)的要求，以及現(xiàn)有的科技怎樣迎接未來發(fā)展的挑戰(zhàn)。
韋勒博士在清華大學(xué)材料學(xué)院作學(xué)術(shù)報告會
現(xiàn)今硬盤記錄介質(zhì)的磁性晶粒平均尺寸在8到10納米之間，晶粒尺寸分布標(biāo)準(zhǔn)偏差接近于20%。要實現(xiàn)遠(yuǎn)高于100Gbit/平方英寸的存儲密度，需要記錄介質(zhì)有更小的顆粒（尺寸在5~8納米之間），更好的磁熱穩(wěn)定性即更高的磁晶各向異性，和更緊密的晶粒尺寸分布（小于10%）。在提高磁晶各向異性的同時，還要求磁頭有相應(yīng)提高的寫入磁場來實現(xiàn)磁記錄。實驗和理論都證明，在記錄磁層下面加入軟磁鏡像層不僅可以增強垂直記錄的寫入磁場，而且能限制該磁場于更小的區(qū)域，從而達(dá)到高記錄密度。希捷公司在2003年底完成170Gbit/平方英寸磁記錄演示。這是現(xiàn)今世界上最高的磁記錄密度演示，證明垂直記錄技術(shù)是十分可行，并有可觀的應(yīng)用價值。
盡管如此，要實現(xiàn)Tbit/平方英寸存儲密度，還需要在磁頭和磁記錄介質(zhì)上有重大的改進(jìn)。一個最基本的限制來自于磁記錄介質(zhì)的濺射鍍膜工藝，要用這個工藝實現(xiàn)上述磁性顆粒尺寸和分布的難度很大。一項被稱之為“自組裝磁性顆粒陣列”（SOMA — self-organized magnetic array）的熱門技術(shù)被看好為未來磁介質(zhì)合成的手段。該技術(shù)有望讓3-4納米尺寸的鐵鉑合金顆粒在磁記錄介質(zhì)表面形成規(guī)則的密排分布。該鐵鉑合金具有化學(xué)有序結(jié)構(gòu)，其磁晶各向異性是常規(guī)使用的鈷鉑合金的10-20倍以上。更重要的是成熟的化學(xué)制備手段使獲得小于5%尺寸分布的納米顆粒成為現(xiàn)實。由于鐵鉑合金如此之高的磁晶各向異性，其室溫下的矯頑力也很大?，F(xiàn)有的寫入磁頭所提供的磁場不能有效的翻轉(zhuǎn)這些磁性顆粒的磁化方向，而自然界已知的軟磁材料都不能提供這種超高磁場。一種可能的解決方案是利用熱輔助磁記錄(HAMR=Heat Assisted Magnetic Recording)或稱激光磁記錄來實現(xiàn)數(shù)據(jù)擦寫。在字節(jié)寫入時用激光加熱磁頭正在寫入的區(qū)域，并在寫入后迅速冷卻，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入和保存。如果把HAMR技術(shù)與SOMA 技術(shù)結(jié)合起來，就有望使每個磁納米晶粒成為記錄單元。其最終實現(xiàn)的存儲密度接近于50Tbit/平方英寸！這相當(dāng)于如今硬盤產(chǎn)品的1000倍或在一元硬幣的表面上獲得2000GB的存儲容量。
二、DoSTOR存儲專訪 暢談挑戰(zhàn)存儲極限技術(shù)
DoSTOR：能不能簡潔明了地說明一下HAMR技術(shù)跟當(dāng)前的磁盤盤片技術(shù)最大的不同在那里？
Dr. Weller：HAMR= Heat Assisted Magnetic Recording=熱輔助磁記錄。通常的存儲方式用磁場來改變記錄介質(zhì)的磁化方向從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄。而HAMR在利用磁場的同時還要對記錄單元加熱。記錄介質(zhì)在升溫后矯頑力下降，以便來自磁頭的磁場改變記錄介質(zhì)的磁化方向從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄。與此同時記錄單元也迅速冷卻下來使寫入后的磁化方向得到保存。
與通常的磁記錄相比HAMR的優(yōu)越性在于，它可以利用更小的磁性顆粒，更強的磁晶各向異性。因而這些小的磁性顆粒的熱穩(wěn)定性會更好。其結(jié)果是降低了介質(zhì)的噪聲，因而這些小的磁性顆粒有更好磁熱穩(wěn)定性和更低的介質(zhì)噪音，從而達(dá)到更高的存儲密度。
DoSTOR：我從您的報告中提到，HAMR通過激光的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，而且在進(jìn)行磁記錄前需要加熱，那是否意味著以后HAMR硬盤的散熱將是主要問題？不知道Seagate在這方面有何對策？
Dr. Weller：散熱是HAMR技術(shù)中一個很棘手的問題。為了實現(xiàn)很高的擦寫速度，我們必須在記錄過程中對介質(zhì)單元迅速加熱并迅速降溫。這需要對存儲介質(zhì)的每一層薄膜進(jìn)行合理的設(shè)計。與此同時磁頭也需要保持足夠的冷卻，否則其讀取傳感器(讀出頭)和提供磁場的軟磁體(寫入頭) 都會受到損壞。
至于整個硬盤內(nèi)部因于激光加熱升溫所增加的熱量則可以忽略不計。
DoSTOR：從報告中，我還了解到HAMR所采用的磁頭跟現(xiàn)在的磁頭有非常大的不同。不知道具體有那些方面的不同點？我們知道當(dāng)前普遍采用GMR磁頭技術(shù)。那么，跟HAMR技術(shù)相對應(yīng)的將是什么磁頭技術(shù)？
Dr. Weller：HAMR磁頭需要一個激光傳送系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一套聚焦光路和一個近場光學(xué)加熱單元。它們用來把光束傳遞到介質(zhì)表面并局限在小于100nm的加熱點內(nèi)。為了使寫入頭的磁場落在加熱點內(nèi)，一個辦法就是將加熱單元盡量貼近寫入頭。 寫入頭本身會與磁記錄磁頭所用的一樣或稍做些修改。而讀出頭則會直接依賴磁記錄磁頭所使用的讀取傳感器，與之毫無二致。
DoSTOR：一直以來，硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率（即從磁盤到磁頭間的傳輸率）都被認(rèn)為是改進(jìn)硬盤性能的瓶頸，隨著HAMR技術(shù)的應(yīng)用，是否有望改變這種被動的局面？
Dr. Weller：磁盤與磁頭間數(shù)據(jù)傳輸快慢最終要看： 1)寫入頭的軟磁芯在線圈磁場的激勵下能多快地產(chǎn)生磁場；2) 介質(zhì)磁性顆粒的磁化方向能多快地被寫入頭磁場翻轉(zhuǎn)；3) 寫入頭磁場能多快地響應(yīng)線圈信號而不損失其磁場強度?，F(xiàn)有技術(shù)可以使這一切都發(fā)生在10-9秒左右，即數(shù)據(jù)記錄的頻率在1GHz (109 赫茲)左右。如果存儲密度達(dá)到Tbit/平方英寸，就要求3GHz的記錄頻率。一些實驗室里的研究結(jié)果顯示大于5GHz是可以實現(xiàn)的。HAMR本身不會影響數(shù)據(jù)記錄的速度。
DoSTOR：希捷將在那個系列的產(chǎn)品上最先應(yīng)用HAMR技術(shù)？是ATA的酷魚系列，還是SCSI的捷豹，或者是Savvio系列硬盤？因為ATA硬盤的單碟容量一直以來都走在SCSI的前面，按這種方式推斷，我們是否可以認(rèn)為普通電腦用戶將最先使用到HAMR技術(shù)？
Dr. Weller：HAMR技術(shù)被用來研制記錄密度大于500Gbit/平方英寸的硬盤。根據(jù)INSIC (International Storage Industry Consortium 國際記錄工業(yè)協(xié)會http://www.insic.org/ )的產(chǎn)品規(guī)劃這些硬盤將在2009年之后才會上市。相對于各種產(chǎn)品系列，筆記本電腦的硬盤一直擁有最高的記錄密度；HAMR技術(shù)很可能在所有系列的硬盤中使用。
DoSTOR：隨著最新的磁盤技術(shù)、磁頭技術(shù)的應(yīng)用，硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率勢必會迅速提高。那在與之相對應(yīng)的硬盤數(shù)據(jù)保護(hù)、硬盤穩(wěn)定性與可靠性方面，希捷科技又有什么最新進(jìn)展呢？
Dr. Weller：數(shù)據(jù)安全、硬盤穩(wěn)定性和可靠性對于希捷所有的產(chǎn)品都至關(guān)重要。HAMR技術(shù)開辟了新的領(lǐng)域使高磁晶各向異性的材料得以運用。使用這些材料作為記錄介質(zhì)可以改善介質(zhì)的磁熱穩(wěn)定性，并因此可以將磁性顆粒做的更小，從而減少噪音。這些優(yōu)點使得HAMR硬盤具有高可靠性和高存儲容量。
DoSTOR：作為一種新興的硬盤技術(shù)，HAMR是否會帶來硬盤制造成本上的壓力？未來的硬盤會繼續(xù)這樣便宜下去呢，還是單價攀升，但容量價格比會提高？
Dr. Weller：HAMR并不會對未來硬盤產(chǎn)品的性價比產(chǎn)生負(fù)面影響。整個行業(yè)劇烈的價格戰(zhàn)可能會繼續(xù)上演，隨之而來的是硬盤每GB價格的持續(xù)下降。
DoSTOR：最后想問Weller博士一個問題，希捷科技認(rèn)為硬盤未來發(fā)展方向是什么？能否預(yù)測一下，未來的三、五年或十年后，硬盤將是什么樣子？
Dr. Weller：我預(yù)期2年之內(nèi)垂直磁記錄將被廣泛推介。我們最早將在2009年看到HAMR技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)品。理論上，HAMR技術(shù)可以被延續(xù)至大于10 Tbit/平方英寸的存儲密度。因此在可以預(yù)見在未來的5-10年之后，HAMR技術(shù)將會廣泛存在。
三、磁介質(zhì)研究專家 — 韋勒博士簡介
希捷科技研究中心磁介質(zhì)研究總監(jiān)Weller博士
美國權(quán)威的IEEE(電氣和電子工程師學(xué)會)磁學(xué)和磁性材料分會每年評選三位杰出學(xué)者，資助他們就最前沿的課題在美國和日本進(jìn)行演講交流。希捷公司的材料科學(xué)家韋勒博士是2004年入選的杰出學(xué)者之一(http://www.ieeemagnetics.org/Newsletter/Jan04/Dist_lectures_2004.html)。韋勒博士于1982年獲得德國Marburg大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，1985年獲得德國科隆大學(xué)物理學(xué)博士。1985年-1990年在德國Erlangen的西門子AG中央實驗室工作，負(fù)責(zé)磁光記錄材料與磁光記錄介質(zhì)的制備與測試。1990到2000，在美國加州圣荷塞市IBM研究所，負(fù)責(zé)薄膜與多層膜的電子特性、磁性和磁光特性的研究. 于2000年4月加盟位于賓州匹茲堡市的希捷研究中心，擔(dān)任磁記錄介質(zhì)研究部主管。他近期關(guān)注的研究領(lǐng)域之一是探索超高密度磁記錄的可行性設(shè)計以及納米磁性材料的合成。
韋勒博士是美國物理學(xué)會(APS)的永久會員， 也是IEEE 和美國真空學(xué)會(AVS)的會員。他擁有14個美國專利和15個待決專利申請。他發(fā)表了200多篇的科技雜志論文和科技圖書文章。他是《高密度磁記錄物理學(xué)》的編輯和作者之一。他曾為《應(yīng)用物理學(xué)》和IEEE《磁學(xué)和磁性材料通訊》擔(dān)任客座編輯，也是第八屆磁學(xué)磁性材料會議/國際磁學(xué)會議的論壇主席。韋勒博士是即將在今年科羅拉多巨石城(Boulder)舉行的磁記錄年會-TMRC和在2005年日本名古屋舉行的“國際磁學(xué)”年會的論壇主席。
