挤挤更健康 机械硬盘提高存储密度的技术手段

经过长时间的竞争与兼并，机械硬盘市场目前仅剩西部数据、希捷和东芝三大玩家。面对SSD的侵蚀，传统机械硬盘厂商日子过的很难，西部数据已经不惜血本买下闪迪寻求两条腿走路，而东芝在收下日立3.5寸硬盘业务之前就已经拥有SSD产品线，最该发愁的可能是希捷，而最乐于介绍机械硬盘未来技术的也正是希捷，这是为投资者打气，也是为自己打气。

尽管危机重重，机械硬盘巨头们并不会就此将自己的老本行丢掉，因为他们坚信：硬盘容量就像XX，挤挤总会有的。能够“挤出来的精彩”包括混合硬盘（已实现）、SMR叠瓦磁记录（已实现）、二维磁记录（研发中）、热辅助磁记录（研究中）等。

无论机械硬盘如何发展，性能上被SSD彻底踩在脚下已经是没有翻身希望了，持续提升容量并降低单位容量价格才是机械硬盘的出路。

容量该从哪里挤出来呢？从最新的技术路线图上可以看到，当前我们所处的是PMR+技术时代，在PMR垂直磁记录基础上改进，发展SMR叠瓦磁记录或TDMR二维磁记录以提升磁记录密度。而后在2019到2023年间将引入HAMR热辅助磁记录，更远的长期目标则是HDMR热点磁记录。

磁道挤挤更健康：SMR叠瓦磁记录

希捷已经在多个型号硬盘产品中应用了SMR叠瓦磁记录，因为读取磁头比写入磁头的体积更小，这就给缩小磁道间距、提升记录密度带来了可能。磁道间距缩小以后，由于写入磁头太大，一次会覆盖多条磁道怎么办？先把临近几个磁道全读出来然后在DRAM缓存中整理好再由写入磁头将多个磁道的内容一起写进去~

SMR叠瓦磁记录给机械硬盘增加了类似于SSD的写入放大问题，闪存在覆盖写入前必须先擦除，而SMR的问题更甚，即便是在空白位置写入也需要处理临近磁道的内容，经历先读取-缓存内修改-重新写入的额外过程。对于SMR硬盘来说，性能会和之前写入的数据有关。

为了降低SMR对性能带来的不利影响，希捷在SMR硬盘当中保留了部分PMR区域，也就是部分间距更大的磁道，在这里进行的写入不会受到SMR写入放大问题的困扰。当然PMR区域容量有限，就像TLC闪存固态硬盘当中的SLC Cache一样，在空闲时必须将数据释放回SMR位置以保持SMR带来的容量优势。在希捷2.5寸SMR笔记本硬盘上，希捷为2TB的机械硬盘搭载了128MB的DRAM缓存、容量不明的SLC Cache缓存再加上部分PMR区域，尽可能使它的性能表现不至于太糟糕。但不管怎么说，没有消费者愿意牺牲本不充裕的性能，添加SLC Cache的附加成本也会抵消SMR带来的一部分“容量价格比”优势。

磁道再挤挤更精彩：二维磁记录

SMR叠瓦磁记录利用了读取磁头比写入磁头小的特点来压缩原本受写入磁头制约的磁道间距。如果进一步缩小磁道间距，磁道间干扰会增大，连读取磁头都会有些吃不消了，这时就需要用到二维磁记录（TDMR）。

磁道间距进一步缩小之后，读取磁头读取数据也遇到困难，这时候可以选择增加读取磁头的数量，磁头臂扫过盘片时会有多个磁头在磁道的不同位置进行读取，获取到的额外信息经过控制器运算后解码出正确数据的能力就增强了。二维磁记录的原理与SSD中的Read Retry有些类似，后者是使用不同的参考电压多次尝试读取，通过获取到的多组软信息综合后得出最终数据，而机械硬盘中的二维磁记录有机会一次性读出两组或更多的信息进行软判决译码。希捷认为二维磁记录能够允许更小的磁道间距，从而提升5%~10%的存储密度。不过随着容量提升带来的问题还有控制器等成本的提升，如何平衡使最终硬盘的单位容量价格下降是个新的挑战。

磁晶也要挤一挤：热辅助磁记录

磁道间隙已经挤了很多次了，那么磁道上用于记录数据的磁晶也要挤一挤才行了。用于表达数据的磁性位减小，会使其极性翻转所需的能量也变小，以至于在常温下都有可能发生自动翻转，导致存储的数据被破坏。为避免超顺磁效应，需要使用高矫顽力的材料，但这将使得磁头的写入变得更加困难：磁头想要改变他的极性时也很难。这时就需要利用温度对铁磁介质磁化的影响，使用加热的方法改善存储介质的写入特性。

在实现加热的原理上，希捷主要将激光加热作为努力方向，而东芝同时还在研究使用微波加热的可能性。希捷在技术验证中使用810nm波长的激光以20mW功率照射，将记录介质加热到450摄氏度，可实现2Tb/平方英寸的磁记录密度。除了加热装置制造困难之外，如何在写入后使温度迅速降低下来保存数据，也是硬盘制造中遇到的前所未有的困难。HAMR热辅助磁记录理论已经提出很多年，但一直到现在依然停留在研发阶段，并未投入实用。

盘片挤挤更健康：充氦技术

应用充氦技术可以在硬盘内塞下更多的盘片，提高单块硬盘的容量并降低硬盘功耗和工作温度。10TB容量的企业级充氦硬盘早已问世，西部数据的红盘（NAS）和紫盘（监控）以及移动硬盘也都引入了充氦技术，但现在来看充氦并没有在所有机械硬盘产品中全面普及的势头。这并非厂商对新技术不感兴趣或者是做不到，而是切切实实的与成本相关。

现阶段充氦解决的问题主要是如何提高单块硬盘的容量，而不是降低单位容量的成本，所以对于盘位没有特别限制的环境下充氦技术吸引力都不是很大。

总结：

以上介绍了机械硬盘提高容量并降低单位容量成本的一些努力方向，简单来说就是“挤挤更健康”，包括减小磁道间隙、减小磁晶大小、减小盘片间距等。SMR叠瓦磁记录正在逐步从归档冷存储向视频监控及普通桌面硬盘扩散，TDMR二维磁记录将会在磁道间距不断缩小的情况下保障读取与解码能力，也是有希望在近期内进入实用的。而HAMR热辅助磁记录和充氦技术则距离大众应用相对更遥远一些。

缩小磁道间距，类似于闪存制程微缩；缩小磁晶尺寸可以用更少的磁畴去表达数据，类似于闪存中表达数据的电子数量减少；而提高盘片数量则类似于闪存堆叠封装。由于机械与电磁特性的制约，机械硬盘发展遇到的技术困难并不比固态硬盘少。在可以预见的时间里，机械硬盘不会消亡，而是继续以单位容量价格的优势安身立命。