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《财经》:巨磁电阻效应GMR引发的“硬盘革欢乐

  巨磁电阻效应带来的硬盘革命还未终结,而新的技术革命已经迫近,未来我们的存储生活将会迎来怎样的改变?

  【财经网络版专稿】对于那些MP3、IPOD音乐播放器,或者笔记本电脑、移动硬盘不离身边的年轻人而言,可能很少会意识到硬盘中到底蕴藏着什么样的奇迹。

  直到今年北京时间10月9日,2007年诺贝尔物理学奖正式授予了两位硬盘技术之父69岁的法国巴黎大学阿尔伯特费尔特(Albert Fert)和68岁的德国尤利希研究中心的彼得格伦博格(Peter Grnberg)。正是由于这两人几乎同时独立发现的巨磁电阻效应(GMR:Giant Magnetoresistance),此前发展几乎陷于停滞的硬盘,其容量才得以几十倍甚至上百倍的提升。

  我们或许这才明白,在习以为常的消费产品中间,都在闪烁着科技的光芒。诺贝尔奖并不总是代表着深奥的理论和艰涩的知识,它往往就在我们身边。

  如果追溯历史的话,世界上第一个计算机磁盘存储系统,应该是在1956年,由IBM的科学家雷诺德约翰逊(Reynold Johnson)发明的。此人后来,也被公认为硬盘的亲生父亲。

  但以今天的眼光看来,这第一个硬盘系统,可能外型上有些奇怪,因为它是由50片直径24英寸、涂着磁粉的圆盘,加上马达、磁头和控制系统组成的。通过利用磁头改变或判断圆盘上每个扇区中磁场的方向(相反的方向即为0或1),就可以在圆盘上写入和读取数据。欢乐彩票磁盘上由一圈圈的磁道组成,而每条磁道有被分成若干个扇区,磁头可以从每个扇区中读写512kb的数据。

  微观地看,盘片上的磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成,若干个磁颗粒组成一个记录单元来记录1比特(bit)信息,即0或1。这些微小的磁颗粒极性可以被磁头快速改变,且一旦改变之后可以较为稳定地保持,磁记录单元间的磁通量或者磁阻变化分别代表二进制中的0或者1。

  最早的磁头,是采用锰铁磁体制成,它通过电磁感应读写数据。但是,由于使用这种磁头读取数据要求磁场达到一定的强度,磁道密度不能太大,因此使用传统磁头的硬盘最大容量只能达到每平方英寸20兆。

  直到1980年代末期,IBM研发成功了MR(Magneto-Resistive)磁阻磁头技术,才实现了第一次飞跃:磁阻磁头核心是一片金属材料,其电阻随磁场的变化而变化。这种磁头采用分离式设计,由感应磁头写、磁阻磁头读,此举令硬盘的磁道密度得以大幅度提高,达到每平方英寸3G到5G。

  然而,随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高,即使这样的存储密度,也很快难以满足实际需求。因为采用这一技术,磁致电阻的变化也仅在1%到2%之间,磁场还不能太弱,所以磁道也没法做得太密。

  到了1988年,新的硬盘革命的曙光终于开始显露。在这一年中,法国巴黎大学的费尔特教授和德国尤利希研究中心的皮特格伦博格各自发现,在铁、铬相间的多层膜电阻中,微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化,其变化的幅度比通常高十几倍。

  其中,费尔特观察到50%的变化,并把这种效应命名为巨磁阻效应。由于膜厚度不同,格伦博格所观察到的变化较小,达到10%。

  现代材料科学等相关领域的发展,已经极大地压缩了从物理原理发现到技术产业化的距离。仅仅六年之后,1994年,IBM即把这种技术应用到了硬盘上:IBM的工程师斯图尔特帕金(Stuart Parkin)根据这一物理原理,研制出信号变化灵敏度更高的读出磁头,将磁盘记录密度一下子提高了17倍。

  美国乔治亚理工大学教授王中林对《财经》表示,费尔特和格伦博格的发现得益于上世纪80年代中期开始的纳米技术的进步。这使得他们可以在真空环境中制造只有几个原子厚的金属薄膜,而这在以前是无法想象的。

  也是因为如此,如今随着纳米技术的突飞猛进,只要在巨磁电阻效应依然起作用的尺度范围内,未来硬盘体积还能够进一步缩小,硬盘容量还可以提得更高。

  2007年9月13日,全球最大的硬盘厂商希捷科技(Seagate Technology)在北京宣布,其旗下被全球最多数字视频录像机(DVR)及家庭媒体中心采用的第四代DB35系列硬盘,现已达到1TB(1000G)容量,足以收录多达200小时的高清电视内容。

  不过,由于传统硬盘存在盘片、电机和磁头等组件,这种被称为Winchester结构的设备免不了大量机械部分,无论是耗电量还是稳定性都难以令人完全满意,它的正常工作会受到震动、高温的影响。

  因此,尽管目前Winchester结构硬盘还占据硬盘的主流,高端MP3和MP4也多采用硬盘来实现大容量的存储。但随着采用电子式的存储、不存在机械运动的闪存的逐渐成熟,闪存又继光盘之后开始向传统硬盘发起冲击。

  与传统硬盘相比,闪存(flash memory)是一种长寿命的非易失性的存储器,采用晶体管存储结构。由于其断电时仍能保存数据,闪存通常被用来保存设置信息,如在电脑的BIOS、PDA、数码相机中保存资料等。目前,闪存分为NOR和NAND两个方向。

  NOR技术虽然容量不大,但稳定性出色,适于频繁读写少量数据,被广泛应用于智能手机与PDA中;NAND技术则主要应用在各种数码存储卡与U盘中,由于其并不直接对单晶体管操作,而是操作区块,因此更适于读写大量数据,从而实现大容量。

  那么,有没有可能把闪存和传统硬盘的优势,完美在结合起来?近年开始出现的固态硬盘(solid-state disk,SSD),就是采用了NAND型闪存技术开发硬盘的一种尝试。

  根据三星公布的技术资料,与现行硬盘相比,SSD产品功耗减少5%,延长电池寿命逾10%,而重量仅有目前硬盘产品的一半。在三星看来,SSD固态硬盘是相当可靠性的储存装置,可以适应极端温度或湿度下,适合工业用或军事用途。

  除了三星之外,希捷、西部数据、日立、东芝、富士通等其它几大硬盘巨头,也都在研制自己的SSD产品。但是,由于其成本过高,或许首先会被军事和工业部门采用。要真正普及到一般消费者,还需要假以时日。

  而一种折中的方案,是采用闪存和传统硬盘的混合式结构。混合式硬盘能让传统机械式硬盘在使用时进入睡眠状态,数据读写和存取在闪存中进行。

  微软在推出Windows vista操作系统的时候,就特地强调了对混合式硬盘的支持。据微软预计,使用混合式硬盘最高可节省80%的耗电。实际上,2006年以后,结合了闪存和传统硬盘优势的混合硬盘开始陆续上市。

  但是NAND技术也并不是无懈可击,其在可擦写寿命以及保存时间方面有着先天性缺陷,而且其写入速度展示也难以令人满意。NAND会随着使用次数的增加而产生坏块,而且数据可以保存10年以内,甚至可擦写次数也仅仅是十万次左右;NAND的SDD固态硬盘读取速度不错,但是写入速度以及随机读取速度还很不理想。

  MRAM的结构与硬盘类似,但靠电子自旋表示数据,靠TMR(隧道效应磁阻)磁头读写,速度和DRAM一样快,却不会像DRAM一样虽断电而丢失数据。

  斯图尔特帕金的助手、斯坦福大学电子工程系的蒋信博士对《财经》表示,现在MRAM产品很快就可以推出。

  而实际上,据《财经》了解,除了MRAM之外,帕金的小组还正在研究或许更具革命性的产品。

  这种最新技术,被帕金称为RACETRACK(赛道)。其原理是,在硅片上设置上百亿个超细线圈,并用电流操作微小的磁粒子在线。

  帕金曾经表示,如果这种技术取得成功,这就意味着计算机的存储将从目前的两维存储过度到三维存储时代。随着维度的增加,摩尔定律也将被打破;摩尔曾经预测,硅片上晶体管的数量,将每18个月翻倍;而一旦过渡到三维存储的线个月,晶体管的数量就可以翻番了。

  IBM研发部门副总监马克迪恩(Mark Dean)则强调,这种技术一旦成功的话,不仅将颠覆我们存储数据的方式,也将颠覆我们处理数据的方式。

  蒋信指出,新技术带来的硬盘读写技术的提高,将是惊人的:目前硬盘的读写速度是微秒和毫秒量级,由于通过电流操作而没有机械运动,RACETRACK的速度可以提高上万倍,达到纳秒量级。

  不过,他也承认,由于目前还在寻找最合适的磁介质、制造工艺,以及探索电流如何更有效地移动磁结构,估计拿出产品,还要十年的时间。

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