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标  题: 硬盘记录已达极限 2004年要换新技术(中) 
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Aug  8 09:50:55 2003)

硬盘记录已达极限 2004年要换新技术(中) 
(2003.08.04)   来自：日经BP    
 
 
 
  
【日经BP社报道】 上接本站报道：硬盘记录已达极限，04年换新技术(上)。 
缩小记录位提高记录密度
 
图3：提高密度的基本原理
记录位的物理面积越小，所能记录信息就越多，从而提高存储容量。记录位的大小取决于
记录磁头的性能。不过，如果缩小记录位，必须提高读取磁头的灵敏度。而盘片方面必须
采用相应的噪音对策。（点击放大） 
　　过去都是通过改进现有技术，而不是不断采用新技术来提高记录密度的。

　　现有的记录方式称为面内记录方式或水平记录方式（horizontal recording）。单片
记录容量目前已达80GB。换算成记录密度的话约为60Gbpsi。有人曾指出，面内记录方式从
20G～30Gbpsi开始就已经接近极限。然而，“现有技术的不断发展，已经突破了当时的极
限”（日立制作所存储设备业务部产品规划部部长森部义裕）。

　　提高记录密度就是指在相同的面积中设置更多的记录位。只要盘片尺寸不变，盘片上
可记录数据的面积就不变。也就是说，只要进一步缩小记录位的物理尺寸，就能够记录更
多的数据。具体来说，就是缩小记录磁头照射到盘片上的磁力线范围。即“由于磁力的分
布有一定范围，因此为了消除泄漏到为记录数据而磁化的区域以外的磁力，就要缩小磁通
量”（TDK千曲川第一科技中心信息技术研究所磁记录技术部门负责人松崎干男）。过去就
是通过开发这种磁头而不断缩小记录位的（图3-a）。

利用MR磁头提高读取灵敏度

 
图4：读取磁头的结构
目前的主流磁头利用把盘片上的磁信息识别为电阻的MR（磁阻）效应。过去是MR磁头，目
前使用GMR磁头，至于将来，已经开始进行TMR磁头的开发。磁头的磁场方向为相对于盘片
的垂直方向。电流方向因磁头的种类而异。MR磁头、GMR磁头的电流在导体中进行传导（图
中由外向内）。对于TMR磁头，电流贯通构成磁头的薄膜进行传导（图中自右至左）。（点
击放大） 
　　但是，通过缩小记录位提高记录密度会产生一些弊端。由于记录位缩小后，其所具备
的磁力本身也会减小，因此必须提高磁头读取信息时的灵敏度（图3-b）。

　　过去，曾经使用在磁体上缠有线圈的磁头读取数据。利用记录位磁力产生的电动势读
取信息。这种磁头称为感应磁头。不过，当记录位达不到一定程度以上的磁力时将无法读
取信息，因此不能把记录磁头做得太小。

　　因此就开发出了MR磁头（图4-a）。MR是磁阻的英文缩写。这种磁头利用的是一种名为
“MR效应”的现象，即用磁场方向会因外部磁场而变化的磁体夹着导体后，导体电阻值就
会随着盘片上的磁场而变化。MR磁头与感应磁头相比，即便磁力弱一些也能够读取信息，
因此能够把记录位做得更小。

　　为了进一步缩小记录位，必须要有灵敏度更高的MR磁头。目前主流的GMR（巨磁阻）磁
头具有比MR磁头更高的MR效应。

　　尽管与MR磁头一样都是把随着外界磁场而变化的电阻作为信息读取，但是最关键的是
通过采用反铁磁体（antiferromagnetic materials），在夹持导体的磁体中固定了一个磁
体的磁场方向。由此就能够更灵敏地捕捉到外界磁场所造成的电阻变化。

　　MR磁头于上世纪90年代初进入实用阶段，而GMR磁头自1997年至1998年间开始配备于硬
盘中。通过采用GMR磁头，过去数GB左右的单片容量达到了10GB以上。此后，GMR磁头的基
本结构始终没变，而是通过提高MR效应不断提高记录密度。“GMR磁头是通过改变膜结构和
材质而不断追求更有效的MR效应的”（TDK的松崎）。另一项改进是“通过把电阻的变化集
中到磁头内尤其是MR效应高的区域来读取电阻值”（TDK的松崎）。用绝缘超薄氧化膜夹着
整个元件以防止电子外漏的镜面型GMR磁头就是其中一种。目前80GB硬盘都是通过这种GMR
磁头的技术创新而得以实现的。

　　作为后GMR技术，目前正在开发TMR（隧道磁阻）磁头（图4-c）。与GMR磁头不同的是
，这种磁头其电流是贯通构成磁头的多个层而传导的。尽管同样使用反铁磁体和2个磁体，
但是中间夹的是绝缘体。通过减小绝缘膜的厚度，使电流贯通这些绝缘膜进行传导就称为
隧道效应。采用这种结构，就能够得到比GMR磁头更高的MR效应。

　　不过，预计当前仍将使用GMR磁头。2000年的时候曾有人估计TMR磁头将于2003年得到
实际应用。然而，由于GMR磁头正在不断改进从而使得与TMR磁头的差距正在不断缩小，而
且绝大多数开发资源都已经投入到了GMR磁头中，因此TMR磁头的实用时间尚不明确。

通过改进磁体粒子解决噪音

　　提高记录密度不仅仅要求提高读取磁头的性能。另一方面，记录位缩小后更容易受到
噪音的影响。

　　盘片上排列着六角柱状的磁体粒子。由于“一个记录位就要磁化数百个粒子”（日立
制作所中央研究所存储设备研究部部长高野公史），因此记录位如图5所示一样。由于磁化
区在盘面上呈现出犬牙交错的形状，因此在较为严重的部分就会产生噪音。这就是磁转变
（Magnetic Transition）噪音。另外还会受到相邻粒子反向磁场的影响。

　　为了避免这种噪音，必须改进磁体形状。作为解决磁转变噪音的对策，可以通过缩小
粒子粒径减少交错区域。另外盘片的改进也在不断进行，比如通过减小记录层的膜厚度降
低粒子高度，从而不会轻易受到相邻记录位的影响。

　　粒子尺寸方面，在20Gbpsi（每个盘片约为30GB）的记录密度下平均粒径为13nm，高度
为17nm左右。“要想实现100Gbpsi，就必须把粒径和膜厚分别缩小到9.5nm和10nm”（日立
制作所的森部）（图6）。

 
图5：盘片上的记录位模式图
记录位是被磁化的数百个磁体粒子的集合。由于形状不规则，因此交错部分就容易形成噪
音源（磁转变噪音）。另外，相邻磁体的影响（反磁场的影响）还会提高读取难度。（点
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图6：磁体粒子的尺寸为纳米级
越是提高记录密度，为了避免噪音导致的错误就越需要进一步缩小磁体粒子尺寸。由于已
经进入纳米级领域，因此为了实现100Gbpsi的记录密度就必须制作出10nm以下的结晶。（
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