激光vs微波：为磁存储技术的未来而战

在过去50年的大部分时间里，硬盘的面密度——一个用以衡量工程师能在给定区域内塞进多少位数据的指标——每年平均增长近40%。但最近，这一增长速率已经放缓至10%左右。从事磁存储工作的人都很清楚这个问题，但只是在过去一年左右的时间里，希捷和西部数据这两家领先的硬盘制造商的高管才在如何解决这个问题上公开表露分歧。在2017年10月发布的一系列声明中，西部数据承诺将于2019年开始销售基于微波辅助磁记录（MAMR）技术的硬盘驱动器，而希捷表示，到2020年，它将在市场上推出使用热辅助磁记录（HAMR）技术的硬盘驱动器。

如果一家公司的解决方案被证明是优越的，那么它将重塑这个价值240亿美元的行业，并为磁存储技术未来十年的发展奠定基础。希望存储大量数据的公司确实有其他选择，但介于更快、更昂贵的基于闪存的固态硬盘和更慢、更便宜的磁盘之间的硬盘仍然是企业存储需求的首选。

希捷现在的目标是在2020年推出基于HAMR的20+TB硬盘驱动器，而西部数据承诺，MAMR驱动器的容量将在今年晚些时候达到16 TB左右。西部数据预计，MAMR硬盘的容量将迅速扩大，到2025年达到40TB；而希捷认为它可以通过HAMR实现类似的容量，尽管该公司尚未公开宣布达成该目标的时间。

这两家公司本质上是从同一个地方起步的，它们的硬盘都有几个关键组件。例如，磁盘是一个薄薄的盘片，上面覆盖着由无数个颗粒组成的某种形式的磁性材料，每个颗粒沿某个特定的方向的磁化。一个簇中有十个左右的颗粒，它们的磁化方向相同，代表一个比特。

在驱动器内部，电机以每分钟5000至11000转的速度转动硬盘。悬在磁盘上方仅2纳米处的是读/写磁头，希捷和西部数据对于如何改造该组件分歧严重。这个磁头产生自己的磁场，当需要写入0或1时，会用它来根据需要翻转颗粒的磁化方向。磁头上的传感器通过测量磁盘上方的磁场波动来读取数据。

随着时间的推移，设计人员已使这些颗粒变得越来越小，从而允许更多的比特存储在磁盘的相同区域内。但如果要存储下更多比特，这些颗粒必须变得非常小，以至于周围的热能可能导致它们自发地翻转，从而擦去它们所保存的数据。

缩小的颗粒：五年前，磁盘上最小的颗粒直径为9.5纳米（左）。如今性能最好的磁盘上的颗粒只有7纳米宽。随着读/写磁头技术的新发展，未来的磁盘将依赖于5.6纳米的微小颗粒（右）。图片来源：希捷。

为了防止这种擦除，制造商已经开始使用新的材料（如铁铂合金）来制造带有磁性“更硬”颗粒的磁盘，这种颗粒在室温下不会随便翻转。不幸的是，这样的改变也使得传统的读写/磁头无法翻转颗粒，因为它们无法产生足够强的磁场并将磁场聚焦在如此小的区域上。

硬盘行业需要的是一种翻转比以前更难以改变其磁化方向的颗粒的方法。这正是希捷和西部数据所说的它们已在开发的技术。

HAMR和MAMR都采用了一种简单的策略：向硬盘上的目标颗粒发射一些能量，你可以临时性地用一个有实效的量级的外部磁场来翻转它们的磁性方向。一旦能量消失，这些颗粒就会恢复对室温下自发性翻转的免疫力。

希捷的研究人员想要使用激光器的光，但是将激光直接照射到磁盘上会加热一个太大的点，导致其他颗粒也会翻转。他们不得不以某种方式将激光的能量集中到一个比光束本身的波长更窄的区域上。

为了实现对这一过程的精密控制，研究人员制作了一个装有红外激光器并可将它产生的一小部分光导向一个直径仅为200纳米的微小金属盘上的磁头。希捷的研究人员称这个金属盘为“棒棒糖”，因为在形状上它像一个带有伸向一侧的短桩的圆形物。

当光到达棒棒糖时，它会激发表面等离子体，这些等离子体是在大多数金属的表面都能出现的具有振荡密度的电子束。这些等离子体将能量传递给短桩，其特殊形状为能量离开棒棒糖提供了阻力最小的路径。

一旦进入短桩，等离子体通过所谓的“避雷针效应”将能量释放到磁盘的一个小窄条上。这种放电会将磁盘加热，在非常短的时间内，读写磁头产生的磁场可以改变小区域内颗粒的磁化方向，然后磁盘中内置的散热层将能量带走。

这个方案在早期的测试中运作良好，但希捷公司的研发管理技术专家和高级主管Jan-Ulrich Thiele和他的团队很快就遇到了一个大问题:由黄金制成的棒棒糖的短桩一直在熔化。它会工作几分钟，然后变成一个小小的金色斑点，使驱动器不再有用。Thiele说：“我们也许可以写半轨道数据，然后整个短桩就会消失。”

熔化：这组图像显示了“棒棒糖”（也称为近场换能器）的短桩，它在希捷早期版本的HAMR技术中，它会熔化并从磁盘表面消失。图片来源：希捷。

他回忆起时任首席执行官的Steve Luczo在2012年使用原型HAMR 驱动器向华尔街分析师们做的一场令人神经紧绷的演示。希捷运去了一箱10个驱动器，并派了一名工程师陪同Luczo，这样，如果第一个驱动器（或第三个驱动器）崩溃，工程师就可以迅速将其更换掉，从而演示可以继续。Thiele说：“平均来说，那时那些驱动器持续了大约10个小时。但它们的持续时间差异很大——有些持续了10分钟，而另一些持续了更长时间，而你不知道你要用的那个能持续多长时间。”

为了让HAMR的驱动更加可靠，Thiele的团队重新设计了磁头，以便更好地将多余的光和热量引离棒棒糖，他们还改用了一种新材料，并使棒棒糖更厚。Thiele说，现在，一个HAMR磁头可以写入PB量级的数据而不会崩溃，希捷已经制作了5万多个HAMR驱动器来完善这项技术。

但是，一些客户可能会因为担心热量对磁盘的长期影响而回避这项技术。IDC的John Rydning表示：“大多数企业客户可能会更喜欢MAMR技术。，他们对这种技术随着时间的推移不太可能出现可靠性问题的信心略高一些，因为它不会产生那么多热量。”

在传统的硬盘驱动器中，写入元件产生一个磁场来翻转颗粒并存储数据。但在下一代驱动器中，颗粒太小而不能以这种方式翻转。插图：James Provost。

使用HAMR，来自激光器的一小部分光会激发“棒棒糖”上的表面等离子体，这些等离子体将能量传递给颗粒，使它们更容易用传统磁场翻转。插图：James Provost。

对于MAMR，由一个称为自旋转矩振荡器的组件产生的微波场同样可影响颗粒并使得它们能被翻转。插图：James Provost。

西部数据认为，MAMR和HAMR一样具有潜力，应该在行业路线图上占有一席之地（目前该路线图上仅列有HAMR）。“我们提出了一条平行路径，但希捷坚持认为HAMR具有更长期的生存能力，这一点我们并不认同。”西部数据负责总部运营的高级副总裁Thao Nguyen说。

就MAMR来说，读/写磁头被修改为包括有一个称为自旋转矩振荡器的器件，该器件由至少两个磁层组成。当直流电通过第一个磁层时，电子的自旋就会极化。然后，电子通过第二个磁层，这一层被有意设计成具有相反的磁性排列。在第二阶段，自旋极化的入射电子会影响磁层内的那些电子，使其磁化方向发生轻微的变化，然后再穿过磁层到达另一侧。

这种相互作用在第二磁层的电子磁矩中产生了摆动。这个过程会发射出一个微波场，这个微波场可以调谐到涂覆硬盘的磁性材料的共振频率——约15至20千兆赫。当这个磁场振荡时，它会在下方磁盘上的一小片颗粒中激起类似的摆动，使它们更容易翻转。

Nguyen声称MAMR的可靠性是HAMR的50倍。但希捷公司负责研发的副总裁Steve Hwang对这种自旋转矩振荡器能否产生足够高的、可以影响将来用于硬盘的更小的颗粒的频率表示怀疑。

Hwang说：“MAMR充其量不过是一次性游戏。就面密度而言，它只会再向前推进一代，或者可能两代。”

卡内基梅隆大学数据存储系统中心主任Jian-Gang (Jimmy) Zhu并不担心MAMR的扩展能力。根据他的计算，一个自旋转矩振荡器可以产生高达40GHz的频率，使MAMR能够支持四到五倍于当今驱动器的容量。他说：“在我看来，这是没有争议的。频率根本不是个问题。”

Nguyen说西部数据已经注意到了实验性MAMR驱动器的“其他效果”。他说，部分由于这些效果，公司已经实现了超出预期的能力。尽管他拒绝提供细节，但他预计西部数据将在一两年内在科学期刊上发表其研究结果。

西部数据于2017年10月宣布了其将MAMR商业化的计划，这在希捷总部引发了一系列活动。Thiele说：“我们重新审视了所有的假设，然后说，‘他们很有可能制造出能够正常工作的MAMR设备’。我们仍然认为，凭借我们现有的资源，我们可以更快地前进。”

Zhu的模型和理论工作为MAMR的发展奠定了基础。他认为，MAMR落后了一两步，原因很简单，据他估计，这些年来企业在开发HAMR上花费了20多亿美元，而到目前为止它们在MAMR上只花费了1亿美元。

最终，希捷和西部数据不需要说服对方，他们只需要说服客户相信其技术是优越的。与此同时，两家公司都没有把自己的赌注只押在一种技术上——希捷在继续研究MAMR，而西部数据的Nguyen则声称其HAMR技术“与希捷的一样先进”。

两种技术可能不会有明显的优劣之分。高级存储技术联盟（Advanced Storage Technology Consortium）创始人兼顾问Mark Geenen说：“我还没有与完全只购买其中一种产品的任何一个客户交谈过。我认为公司要么会购买其中一种，要么两种都购买。”

目前，希捷和西部数据的工程师们正在埋头苦干，努力在截止日期之间完善HAMR和MAMR，并设法确保这些新技术能够在现有的生产线上可靠地大批量生产。当每家公司发布其第一款产品时，那些巨额赌注可能终于开始得到回报。