本文討論了移動(dòng)硬盤性能的發(fā)展趨勢(shì)、影響更高性能需求的因素以及7200轉(zhuǎn)移動(dòng)硬盤中的最新技術(shù)創(chuàng)新,并介紹了這些硬盤技術(shù)是如何滿足用戶對(duì)桌面性能和移動(dòng)能力雙方面的需求,從而在實(shí)質(zhì)上促進(jìn)硬盤市場(chǎng)發(fā)展的。

自從1956年IBM公司推出世界上第一塊硬盤以來(lái),通過(guò)減小體積和更新技術(shù),硬盤一直在不斷地發(fā)展演進(jìn)(圖1)。技術(shù)上的進(jìn)步使PC制造商能夠更快地運(yùn)行應(yīng)用程序,并大大改善用戶的使用舒適性。

推動(dòng)硬盤創(chuàng)新并提高性能的推動(dòng)力包括加快數(shù)據(jù)傳輸速率、縮短搜尋時(shí)間、增加緩存容量,以及提高系統(tǒng)處理器速度、不斷提升操作系統(tǒng)的性能、提高接口速度、改進(jìn)微碼算法和更快地執(zhí)行系統(tǒng)啟動(dòng)等需求。

磁記錄技術(shù)的重大進(jìn)步推動(dòng)了硬盤的記錄密度隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代不斷提高,這使得存儲(chǔ)容量有了極大的飛躍。從磁阻(MR)記錄頭到巨磁阻(GMR)記錄頭的轉(zhuǎn)變,使1997年以來(lái)磁盤的單位面積密度(位/平方英寸)年均增長(zhǎng)達(dá)100%左右。

因此,磁盤行業(yè)已經(jīng)從在50塊24英寸鋁磁盤上存儲(chǔ)5M字節(jié)發(fā)展到在一塊1英寸的玻璃磁盤上存儲(chǔ)1G字節(jié)的水平。由于單位面積密度的提升,現(xiàn)在已經(jīng)有足夠的存儲(chǔ)空間來(lái)在一臺(tái)筆記本電腦上運(yùn)行一整套完備的桌面應(yīng)用程序。各方面技術(shù)的迅速進(jìn)步使得磁盤的設(shè)計(jì)和性能不斷改進(jìn),對(duì)IT行業(yè)產(chǎn)生了重大的影響。其中一個(gè)對(duì)于提高性能有著極其重要影響的參數(shù)就是磁盤的轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵

為了取得與桌面電腦等效的性能,一個(gè)關(guān)鍵的因素是提高磁盤的性能,而實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的最佳方法就是提高轉(zhuǎn)速。桌面電腦的硬盤轉(zhuǎn)速正從5400轉(zhuǎn)過(guò)渡到7200轉(zhuǎn),這是2003年的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。目前的桌面系統(tǒng)中,60%以上的硬盤為7200轉(zhuǎn),而且這一趨勢(shì)仍將繼續(xù)下去。主要原因是7200轉(zhuǎn)硬盤的成本在不斷下降,而且與5400轉(zhuǎn)硬盤相比其性能更高。

桌面電腦用戶考慮用筆記本電腦取代或增強(qiáng)自己的桌面電腦系統(tǒng)時(shí),有一個(gè)性能預(yù)期的問(wèn)題。預(yù)測(cè)顯示,在今后兩年內(nèi),5400轉(zhuǎn)移動(dòng)硬盤將成為筆記本電腦的主流存儲(chǔ)配置。一個(gè)采用當(dāng)今最先進(jìn)的7200轉(zhuǎn)硬盤的筆記本電腦系統(tǒng)將進(jìn)一步縮小實(shí)現(xiàn)類似于桌面電腦級(jí)性能的差距。

反過(guò)來(lái),通過(guò)向筆記本電腦廠商提供開發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)力的桌面電腦替代系統(tǒng)所需的關(guān)鍵部件,又可以幫助促進(jìn)對(duì)筆記本電腦系統(tǒng)的更大需求。

磁頭技術(shù)

過(guò)去,由于技術(shù)上的障礙,移動(dòng)硬盤難以達(dá)到7200轉(zhuǎn)的性能。因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)速意味著犧牲先進(jìn)硬盤的重要特性:靜音、低功耗,以及在高震動(dòng)環(huán)境下保持優(yōu)越性能。然而,磁頭(slider)技術(shù)的一項(xiàng)嶄新突破改變了現(xiàn)實(shí)。

磁頭是支持磁盤表面上的讀/寫頭的微小飛翼(圖2)。從1980年到2002年,磁頭的尺寸和質(zhì)量分別下降了3倍和30多倍,使得支持磁頭的懸浮尺寸和質(zhì)量都有了下降。現(xiàn)有的硬盤采用皮米磁頭。目前出現(xiàn)的一種新磁頭代表了在降低尺寸和質(zhì)量以實(shí)現(xiàn)更小外形和提高制造效率過(guò)程中的一大進(jìn)展。

新的磁頭叫做飛米(femto)磁頭,這個(gè)名稱已經(jīng)征得了國(guó)際磁盤設(shè)備制造協(xié)會(huì)(IDEMA)的認(rèn)可。與目前的皮米磁頭相比,其尺寸減小了30%,質(zhì)量降低了63%。采用磁頭和減輕懸浮質(zhì)量,可以改善避震性能,降低功耗,并提高了磁盤的存儲(chǔ)容量。

質(zhì)量被減輕的磁頭可以在磁盤表面更快地移動(dòng),此外,質(zhì)量的減輕還意味著移動(dòng)磁頭所需的功耗大大減少了。與皮米磁頭相比,由于飛米磁頭的尺寸變小,其正壓和負(fù)壓降低了兩倍。因此總體而言,質(zhì)量和壓力的大幅降低改善了避震性能,還減小了功耗(圖3)。

業(yè)界第一塊也是迄今唯一采用飛米磁頭的磁盤是日立公司的Travelstar 7K60,其飛米磁頭的尺寸小于1mm×1mm(大約相當(dāng)于普通圓珠筆筆尖的尺寸),功耗降低了11%,其避震性能提高了25%。事實(shí)上,它可以以7200轉(zhuǎn)的速率旋轉(zhuǎn)而消耗的功率不超過(guò)一個(gè)5400轉(zhuǎn)的硬盤。

可以預(yù)期,避震性能、功耗和磁盤容量方面的優(yōu)勢(shì)將促使日立公司在包括微型磁盤、移動(dòng)磁盤、桌面磁盤和服務(wù)器磁盤等各種類型的磁盤中廣泛采用飛米磁頭。

磁頭外形尺寸減小的另一個(gè)好處體現(xiàn)在制造效率方面。由于在一塊晶圓上可以放置更多磁頭,磁頭廠商的晶圓生產(chǎn)率得以大大提高,成本也降低了。與皮米磁頭相比,如果利用充分,每塊晶圓所生產(chǎn)的飛米磁頭的數(shù)量可以提高65%(圖4)。

1. 日益小巧的硬盤磁頭

為了獲得高密度存儲(chǔ),帶有刻錄元件的空氣軸承磁頭(ABS)和磁盤之間的距離必須非常小而且保持一致。同時(shí),隨著操作要求和環(huán)境條件越來(lái)越變化多端,磁頭和磁盤間的物理接觸必須盡可能小。這種硬盤驅(qū)動(dòng)器的小型化趨勢(shì)也對(duì)功耗、抗震性能和磁盤存儲(chǔ)量(磁盤的實(shí)際面積利用率)提出了越來(lái)越高的要求。

從1980年到2002年間,磁頭的尺寸減少了3倍,體積減少了30倍,從而得以滿足這些苛刻的要求。由于磁頭的尺寸和體積減小,磁頭的支架結(jié)構(gòu)尺寸和體積也相應(yīng)減小。這些改善提高了整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性,減小了功耗并增加了硬盤的存儲(chǔ)量。磁頭尺寸的減小提高了它對(duì)磁盤磁道的反應(yīng),也縮小了磁頭在磁盤上空的浮動(dòng)高度變化。這些改進(jìn)加上磁頭與支架結(jié)構(gòu)的集成化設(shè)計(jì),使得1980年到2002年間浮動(dòng)高度變化縮小了10倍。圖5所示為新型的飛米磁頭與皮米磁頭的比較。磁頭尺寸減小的另一個(gè)好處是提高了生產(chǎn)效率。由于磁頭尺寸減小,同一塊晶圓上可生產(chǎn)出更多的磁頭數(shù),也促使了成本下降。

從圖3中可看出磁頭尺寸的發(fā)展歷史。飛米滑動(dòng)磁頭可進(jìn)一步減小磁頭尺寸和體積,從而獲得更小外形并提高生產(chǎn)率。與現(xiàn)有的皮米磁頭相比,飛米磁頭可將尺寸減小30%,體積減小63%。

2. 飛米空氣軸承磁頭設(shè)計(jì)

飛米磁頭技術(shù)減小了磁頭尺寸(體積),其飛米空氣軸承磁頭以及飛米支架設(shè)計(jì)提高了抗震性能,減小了功耗并增加了每單位面積的存儲(chǔ)量。

圖6所示為飛米空氣軸承磁頭(ABS)設(shè)計(jì)。它有三個(gè)表面,每一面均經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì),可獲得所希望的空氣軸承磁頭整體性能。其中包括一個(gè)位于整個(gè)磁盤上空的浮動(dòng)面,嚴(yán)格的浮動(dòng)高度分配方案以及在高度較高時(shí)的最小浮動(dòng)高度損失。經(jīng)過(guò)淺蝕刻的表面形成了一個(gè)帶有凹槽的平面,讓氣流進(jìn)入給ABS表面加壓,從而使ABS表面產(chǎn)生正向壓力,將磁頭和上面的磁元件舉起離開磁盤表面。而經(jīng)過(guò)深度蝕刻的表面則形成副壓凹槽,將磁頭拉近磁盤表面。這些正壓和負(fù)壓區(qū)可平衡支架頭負(fù)載的下拉力,將磁刻錄元件升高到所希望的浮動(dòng)高度上。通過(guò)這些壓力還可以產(chǎn)生一個(gè)硬度較強(qiáng)的空氣軸承,減小由于生產(chǎn)容差、操作及環(huán)境變化而產(chǎn)生的浮動(dòng)高度變化。

3. Travelstar 7K60的支架設(shè)計(jì)

空氣軸承磁頭附著在一個(gè)支架上,支撐它浮動(dòng)到磁盤表面上方。這一系統(tǒng)稱為磁頭組件(HGA)。飛米磁頭尺寸的減小對(duì)支架的尺寸、體積及設(shè)計(jì)有很大影響。隨著飛米磁頭尺寸的減小,支架的尺寸(體積)也相應(yīng)減小。

飛米支架的設(shè)計(jì)十分細(xì)致,以保證其性能與飛米 ABS的性能完全吻合。因此,減小HGA的尺寸改進(jìn)了其機(jī)械性能,如磁盤驅(qū)動(dòng)器的抗震性能和HGA的動(dòng)力性能。減小飛米磁頭的尺寸通常會(huì)增大磁頭的浮動(dòng)高度變化。不過(guò),Travelstar 7K60的支架設(shè)計(jì)減小了支架的硬度,以保證飛米的浮動(dòng)高度變化與此皮米保持完一致。

本文小結(jié)

通過(guò)采用飛米磁頭等技術(shù),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)行業(yè)在向系統(tǒng)制造商和消費(fèi)者提供磁盤能力方面將繼續(xù)取得神奇的進(jìn)展。在筆記本電腦中采用7200轉(zhuǎn)移動(dòng)磁盤是這類產(chǎn)品獲得新的發(fā)展機(jī)會(huì)的開端。7200轉(zhuǎn)移動(dòng)硬盤將滿足對(duì)桌面性能和移動(dòng)能力滿懷渴望的用戶們的需求。這些磁盤最終將成為筆記本電腦用戶的重要存儲(chǔ)選擇。

目前,2.5英寸移動(dòng)磁盤的機(jī)遇在不斷增大。它們已應(yīng)用于存儲(chǔ)集線器和路由器、瘦服務(wù)器(blade server)、小尺寸網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和RAID子系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。半個(gè)世紀(jì)以來(lái),硬盤存儲(chǔ)技術(shù)的重大革命無(wú)不由系統(tǒng)中各部件的小型化所引發(fā)。飛米磁頭的出現(xiàn)使這個(gè)趨勢(shì)得以繼續(xù),它代表了磁記錄技術(shù)中一項(xiàng)關(guān)鍵性的進(jìn)展。飛米磁頭的應(yīng)用將使生產(chǎn)率、磁盤存儲(chǔ)容量和機(jī)械性能大大提高。欲了解飛米磁頭技術(shù)及其應(yīng)用的詳細(xì)信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn):。

作者:Pete Andreyev

亞太區(qū)副總裁

日立全球存儲(chǔ)技術(shù)公司