磁記錄是利用磁的性質進行信息的記錄的方式。在存儲和使用的時候通過特殊的方法進行信息的輸入和讀出，從而達到存儲信息和讀出信息的目的。

當今世界正處于數據大爆炸的時期。據IDC預測，截至2025年，全球數據增量將從2020年的64ZB增加到近180ZB（1ZB等于1萬億GB）。越來越多的大公司正在將大數據提煉為洞察信息，并利用這些信息做出了更好的決策，從而在全球范圍內取得市場成功的同時獲取更多的利潤。因此，機械硬盤必須通過不斷提高數據存儲的能力來滿足全球增長的數據。


磁記錄存儲器發展史

上世紀50年代，IBM基于磁鼓存儲器技術，將鼓形外表面磁介質存儲，發展為圓盤式磁介質存儲，將單位面積和體積存儲密度大大提高。

1956年，第一個硬盤驅動器型號350RAMAC，安裝在IBM的RAMAC 305計算機上。RAMAC305也是第一臺提供隨機存取數據的計算機，同時還使用了磁鼓和磁芯存儲器。這個驅動器約有兩個冰箱大小，重達一噸，包含50個直徑為24英寸的盤片，存儲5M的信息，數據傳輸速度10Kb/s。以RAMAC為基礎，IBM研發了溫切斯特（Winchester）技術，于1973年研制成功了一種新型的硬盤IBM 3340，采用兩片介質，每片存儲容量30Mb。克服了RAMAC體積過于龐大，性能低效等缺點。

1979年IBM發明了薄膜磁頭技術，并推出了第一款采用薄膜磁頭技術的硬盤IBM 3370。該技術顯著地減小磁頭和磁片的距離，增加數據密度。進一步減小硬盤體積，讀寫速度更快，容量更大。IBM 3370使用了七個14英寸盤片，存儲容量571Mb。1980年Western Digital推出第一款5.25英寸的硬盤ST-506，硬盤容量為5MB，這是首款面向個人用戶的硬盤產品，Western Digital前身為General Digital，由兩位IBM的前員工于1970年創建，1971年更名為Western Digital。

1982年Western Digital推出了業界首個單芯片"溫徹斯特"磁盤控制器—WD1010，為現代商用硬盤的普及打下了基礎。1984年Western Digital為IBMPC/AT制造出首個溫徹斯特磁盤控制卡，使個人電腦可以接入小型化的5.25英寸溫徹斯特硬盤。1991年IBM推出了0663Corsair硬盤，這是首款采用感應式薄膠片磁阻(MR)磁頭的磁盤，有8個直徑為3.5英寸的盤片，存儲容量可達1Gb，是現在3.5英寸硬盤的先驅。0663Corsair是第一款突破1Gb容量的硬盤，從此單盤容量進入GB數量級。

1988年，法國格林貝格爾在尤利西研究中心研究并發現巨磁電阻效應，格林貝格爾因此獲得2007年諾貝爾物理學獎。1997年IBM推出首個采用巨磁阻磁頭(GMR)的磁盤—Deskstar16G PTitan，在三個直徑為3.5英寸的盤片上可達到16.8Gb的存儲容量。巨磁磁頭相比MR磁頭更加敏感，相比MR磁頭能夠達到3～5Gb每平方英寸的存儲密度，GMR存儲密度可以達到10～40Gb每平方英寸，存儲密度提高了8倍。1998年IBM推出Microdrive(微磁盤)，一個單一的1英寸盤片的容量可達340MB，這是當時世界上最小的磁盤。

2007年，日立推出了全球第一款突破TB級容量的硬盤，采用5碟片，單碟容量200Gb, 轉速7200rpm，緩存32Mb.2012年有了第一款4TB硬盤。同年，Western Digital和Seagate也相繼推出1Tb硬盤，機械硬盤進入1Tb時代。

在此之后，Western Digital和Seagate均在研究如何在磁介質表面寫入數據的時候降低矯頑力，進一步提高磁盤存儲密度，HAMR熱輔助寫入是一個可用技術，而其實IBM早在1953年就對此有研究。HAMR就是利用一束接近居里點溫度(138℃，磁性材料永久失去磁性的溫度)的特定波長的激光，去加熱磁存儲介質，從而在寫入數據的時候降低矯頑力。


存儲“大”有可為

存儲單位磁密度是指磁盤表面每平方英寸可存儲的數據量，通常以Gb/in2或Gbits/in2表示。它是驅動硬盤容量增長的核心因素。

有很多種方法可以提高硬盤的容量，如采用更大物理尺寸的驅動器可使用更多或更大的磁碟（例如2.5”盤vs3.5”盤，或增加垂直高度如7mmvs15mm的2.5”硬盤），在不增加磁密度的情況下提高硬盤的容量。增加硬盤內碟片的周長也可以獲得更多的物理面積來存儲數據（例如將3.5”硬盤碟片的直徑從95mm增加到97mm）。雖然可以通過增加碟片數量提高硬盤的容量，但這是有物理空間限制的。隨著時間推移，增加磁密度已成為提高硬盤容量的最重要的驅動因素。

用于確定和衡量磁密度的兩種關鍵參數：每英寸磁道數（TPI）和每英寸位磁比特（BPI）。磁碟的存儲介質上由很多同心圓磁道組成，每根磁道的磁軌都有固定的寬度，相鄰磁道的中心間距叫磁道間距。若以更緊密的方式排列磁道，減小磁道間距，可以增加TPI，從而提高磁密度。

同樣，磁比特是分布在磁道上的最小磁紋理，磁比特紋理的寬度為磁道的寬度，長度為讀磁頭能夠成功識別單一數值所需的最小距離。磁比特紋理沿磁道圓周依次排列。縮短磁比特紋理的長度可以增加BPI，從而提高磁密度。

TPI和BPI的提升本質上是通過改變磁記錄的格式實現的。具體就是在磁碟介質上使用更有效的磁比特排列方式，以及通過調整磁頭和磁碟介質的磁性能等技術，從而縮小磁比特的實際物理尺寸。

利用讀、寫磁頭的寬度差異，可以最大程度地提升磁密度。具體來說，讓寫磁頭對應的寫磁道部分重疊，并確保非重疊部分的寫磁道略寬于讀磁頭加上保護帶的寬度，那么新的磁道間距將比CMR緊湊許多。這種結構有些類似于屋頂上瓦片的疊放方式，因此被稱為疊瓦式磁記錄（SMR）。如果要修復某個屋頂上疊放的瓦片，那么必須將其上方的瓦片掀起才可以修復單個瓦片。

不過，從性能的角度來看，這樣做是非常不劃算的，所以改寫單個扇區數據的典型做法將是將數據寫入新的物理扇區，并將舊物理扇區的位置標記為廢棄，同時將舊物理扇區之前對應的邏輯扇區重映射到新物理扇區的位置。因此，SMR的數據的組織方式需要確保數據塊的邏輯地址與其物理位置之間沒有任何預設的映射關系，即保持一種動態映射關系。


解鎖硬盤存儲密度

來自 NIMS、希捷科技和東北大學的研究小組在硬盤（HDD）領域取得了突破性進展，證明了使用三維磁性記錄介質存儲數字信息的多層次記錄的可行性。研究小組的研究表明，這項技術可用于提高硬盤的存儲容量，從而在未來實現更高效、更具成本效益的數據存儲解決方案。

數據中心越來越多地將大量數據存儲在硬盤驅動器（HDD）上，這些驅動器使用垂直磁記錄（PMR）技術，以大約 1.5 Tbit/in2 的磁區密度存儲信息。然而，要過渡到更高的磁區密度，需要一種由鉑鐵晶粒組成的高各向異性磁記錄介質，并結合熱輔助激光寫入技術。這種方法被稱為熱輔助磁記錄（HAMR），能夠維持高達 10 Tbit/in2 的磁區記錄密度。此外，與硬盤技術中使用的二進制記錄層相比，通過存儲 3 或 4 層的多記錄層，根據新的原理，記錄密度有可能超過 10 Tbit/in2。

在三維磁記錄系統中，每個記錄層的居里溫度相差約 100 K，通過調整激光功率將數據寫入每個記錄層。資料來源：高橋幸子 NIMS、Thomas Chang 希捷科技、Simon Greaves 東北大學

在這項研究中，研究人員通過制造晶格匹配的 FePt/Ru/FePt 多層薄膜，并以 Ru 作為間隔層，成功地將鐵鉑記錄層進行了三維排列。磁化測量結果表明，兩個鐵鉑層具有不同的居里溫度。這意味著，通過調整寫入時的激光功率，可以實現三維記錄。此外，我們還通過記錄模擬，使用模仿制作介質的微觀結構和磁性能的介質模型，證明了三維記錄的原理。

三維磁記錄方法可以通過在三個維度上堆疊記錄層來提高記錄容量。這意味著可以用更少的硬盤存儲更多的數字信息，從而為數據中心節約能源。今后團隊還有計劃開發縮小鐵鉑晶粒尺寸、改善取向和磁各向異性的工藝，并堆疊更多的鐵鉑層，以實現適合作為高密度硬盤實際使用的介質結構。這項研究發表于 2024 年 3 月 24 日的《材料學報》（Acta Materialia）。

三維磁記錄法通過在三維空間上疊加記錄層來增加記錄容量。這意味著，可以用更少的硬盤存儲更多的數字信息，從而為數據中心節省能源。在未來，研究人員計劃開發工藝來減小FePt晶粒的尺寸，改善取向和磁各向異性，并堆疊更多的FePt層，以實現適合實際應用的高密度硬盤介質結構。