数造更高容量 存储“大”有可为——带你全面了解磁记录技术

磁记录是利用磁的性质进行信息的记录的方式。在存储和使用的时候通过特殊的方法进行信息的输入和读出，从而达到存储信息和读出信息的目的。
 
当今世界正处于数据大爆炸的时期。据IDC预测，截至2025年，全球数据增量将从2020年的64ZB增加到近180ZB（1ZB等于1万亿GB）。越来越多的大公司正在将大数据提炼为洞察信息，并利用这些信息做出了更好的决策，从而在全球范围内取得市场成功的同时获取更多的利润。因此，机械硬盘必须通过不断提高数据存储的能力来满足全球增长的数据。
 
在这180ZB的数据增量中，其实只有很小一部分需要长周期存储。大部分数据都是基于既定目的，用后即弃。有些数据则会短期保留至毫无用处之后，被新数据覆盖。当然，还有相当一部分特定类型的数据是需要保留数年或数十年之久的。
 
这些多样化的数据存储需求会给云服务提供商、企业和消费者的数据存储带来极大的困难。为应对这种情况，机械硬盘（以下文中简称硬盘）必须提高存储效率和容量。这是整个硬盘发展历史上最振奋人心的时刻，引入了多种存储技术和磁记录格式，持续解决了业界所面临的各项挑战。
 
01 提升硬盘容量
存储单位磁密度（ADC）
存储单位磁密度（以下文中简称磁密度）是指磁盘表面每平方英寸可存储的数据量，通常以Gb/in2或Gbits/in2表示。它是驱动硬盘容量增长的核心因素。
 
有很多种方法可以提高硬盘的容量，如采用更大物理尺寸的驱动器可使用更多或更大的磁碟（例如2.5”盘vs3.5”盘，或增加垂直高度如7mmvs15mm的2.5”硬盘），在不增加磁密度的情况下提高硬盘的容量。增加硬盘内碟片的周长也可以获得更多的物理面积来存储数据（例如将3.5”硬盘碟片的直径从95mm增加到97mm）。虽然可以通过增加碟片数量提高硬盘的容量，但这是有物理空间限制的。随着时间推移，增加磁密度已成为提高硬盘容量的最重要的驱动因素。
 
图1中显示了用于确定和衡量磁密度的两种关键参数：每英寸磁道数（TPI）和每英寸位磁比特（BPI）。如图所示，磁碟的存储介质上由很多同心圆磁道组成，每根磁道的磁轨都有固定的宽度，相邻磁道的中心间距叫磁道间距。若以更紧密的方式排列磁道，减小磁道间距，可以增加TPI，从而提高磁密度。
 
同样，磁比特是分布在磁道上的最小磁纹理，磁比特纹理的宽度为磁道的宽度，长度为读磁头能够成功识别单一数值所需的最小距离。磁比特纹理沿磁道圆周依次排列。缩短磁比特纹理的长度可以增加BPI，从而提高磁密度。
 
TPI和BPI的提升本质上是通过改变磁记录的格式实现的。具体就是在磁碟介质上使用更有效的磁比特排列方式，以及通过调整磁头和磁碟介质的磁性能等技术，从而缩小磁比特的实际物理尺寸。
 

 
 
02磁记录格式
物理/逻辑扇区大小
 
对于早期的硬盘，并没有标准化的扇区大小。硬盘只是一个简单的物理设备，硬盘控制逻辑存在于硬盘之外的主机中。扇区的字节数取决于硬盘制造商、操作系统或主机上的应用程序，并且由主机负责数据完整性的错误检测和纠正机制。上世纪80年代，西部数据成功研发了电子集成驱动器（IDE）接口，将磁盘控制器从物理上移到了硬盘内部。并据此创建了用于主机与硬盘交互的标准化命令集。该指令集将逻辑扇区长度定义为512字节（1字节=8比特）。
 
512字节的扇区之外还需要一些额外的物理存储空间，用于存储额外的信息包括ECC纠错码（用于校验是否正确的读取了扇区内的数据）。随着磁密度的提高，磁比特物理尺寸越来越小，数据读取难度加大，读取错误变得更为常见了。为了识别和纠正读取错误，ECC算法随着时间的推移不断地改进，变得越来越强大。
 
随着ECC算法性能和复杂度的提高，硬盘制造商决定将物理扇区的大小从512字节增加到4096字节（以下简称4KB），从而提高效率。图2中显示了采用1个4KB扇区是如何小于8个512字节扇区总长度的，这提高了存储格式效率--硬盘总容量与用户数据的比率。本质上来说，可通过简单地增加扇区中位比特数量来“免费”地提高硬盘的磁密度。4KB物理扇区的标准完成于2005年，并且于2011年正式推向市场。
 

 
 
当然，没有东西是完全免费的。为了匹配硬盘的4KB逻辑扇区这项变革，所有主机软件都需要重写，这是理想情况虽然实际上不可行。基于4KB物理扇区的硬盘需要与基于512B扇区的主机、操作系统和软件生态系统向上兼容。因此4KB物理扇区的硬盘要具备模拟512B逻辑扇区的能力。并且主机软件需要在写入数据的时候做好4KB物理扇区和逻辑扇区的边界对齐，否则硬盘将被迫进行“Read-Modify-Write”操作，这样会严重影响磁盘的性能。
 

 
 
图3中概述了三种描述逻辑和物理扇区格式的方式。部分传统硬盘和低容量硬盘继续保持着512B物理扇区大小。由于物理和逻辑扇区的大小相同，这类硬盘被称为512n（n=native）硬盘。随着大多数高容量硬盘切换到4KB物理扇区，由于许多老旧的主机应用程序无法适配4KB逻辑扇区，因此带来了很多问题。通过对存储生态进行必要的改造，包括让主机能够读写512e（e=emulation）硬盘，由于该类硬盘物理扇区是4KB但可以模拟512B逻辑扇区，因此主机能够在使用512B逻辑扇区的同时，将其写入内容与4KB物理扇区边界对齐，从而避免进行“Read-Modify-Write”操作。目前，很多新的主机软件已经能够通过支持512e使用4KB物理扇区的硬盘，并且不会有任何性能损失。另外，确实已经有一些主机应用程序完全切换到了4KB逻辑扇区。用于这些应用程序的硬盘称为4Kn（n=native）硬盘，其逻辑和物理扇区大小均为4KB。目前，市面上512n、512e和4Kn三种硬盘是共存的状态，型号和容量略有不同。
 
03 磁道布局
 
将数据写到磁碟上和从磁碟中读取数据所采用的物理机制和结构是不同的。简单说，读磁头比写磁头窄，这意味着基于写磁头而设定的磁道宽度某种程度上牺牲了磁密度。
 

 
 
硬盘传统的架构是基于写磁头的宽度，而写磁头的宽度是磁道间距的决定因素。图4显示了同心环磁道的宽度为写磁头的宽度，不同磁道间还会设有保护带，以避免相邻磁道干扰。这种记录格式之前习惯上被称为垂直磁记录（PMR），但随着下面将要介绍的叠瓦磁记录格式的引入，现在通常用传统磁记录（CMR）来表示。由于CMR的保护带以及读写磁头的天然宽度差异会造成空间浪费，因此它并不是最有效的硬盘磁片空间利用方式。CMR的优点是系统可以随意更改任何独立的扇区内的数据，即所有数据都可以被原地改写，这得益于磁道之间保护带的存在。CMR格式下，每个数据块都有对应的逻辑地址（L.BA），该逻辑地址出厂时就会映射到一个预设的物理地址，当然也有一些特殊的例外情况。CMR格式已经被采用了几十年了，因此这种格式的硬盘性能可预期的范围已经为用户所熟知。并且操作系统、软件和评测工具的性能设定通常是基于CMR硬盘进行开发的。
 
利用读、写磁头的宽度差异，可以最大程度地提升磁密度。具体来说，让写磁头对应的写磁道部分重叠，并确保非重叠部分的写磁道略宽于读磁头加上保护带的宽度，那么新的磁道间距将比CMR紧凑许多。这种结构有些类似于屋顶上瓦片的叠放方式，因此被称为叠瓦式磁记录（SMR）。如果要修复某个屋顶上叠放的瓦片，那么必须将其上方的瓦片掀起才可以修复单个瓦片。SMR硬盘也是类似的概念，无法在不损坏重叠磁道的情况下改写现有数据，如图5所示。SMR会将硬盘碟片物理上划分成了很多小块分区（Zone），每个Zone的大小有数百兆字节，如需改写某个Zone内的某个扇区的现有数据，则需对整个Zone从头进行覆盖写入，直至目标扇区位置的数据被改写。
 

 
 
从性能的角度来看，这样做是非常不划算的，所以改写单个扇区数据的典型做法将是将数据写入新的物理扇区，并将旧物理扇区的位置标记为废弃，同时将旧物理扇区之前对应的逻辑扇区重映射到新物理扇区的位置。因此，SMR的数据的组织方式需要确保数据块的逻辑地址与其物理位置之间没有任何预设的映射关系，即保持一种动态映射关系。这与固态硬盘（SSD）的架构非常相似，其在写入新数据之前必须先对写入目标区域进行块擦除操作。SMR和SSD都会采用多种相同的管理技术，例如垃圾回收。
 
业界共有两类SMR硬盘，如图6所示。第一种是硬盘自身管理的叠瓦盘（DM-SMR），其在主机上会被识别为传统硬盘设备，硬盘内部的固件用于管理逻辑地址和物理地址映射表以及垃圾回收等后台活动。DM-SMR硬盘通过被主机系统认为是CMR盘实现向上兼容。第二种是分区存储硬盘，也称为主机管理的叠瓦盘（HM-SMR）。HM-SMR硬盘会被主机识别为一种新设备类型，并且需要一套新的命令集支持才可以访问。SATA接口的HM-SMR指令集叫ZAC， SAS接口的HM-SMR指令集叫ZBC。其实分区存储概念也已被用于SSD，该类SSD采用的标准叫ZNS（Zoned NameSpace） NVMe™标准。要使用HM-SMR硬盘，主机系统需要预先了解SMR盘的磁记录结构，并支持相应的指令集。因此操作系统、文件系统和软件应用程序都要进行SMR友好化改造。DM-SMR盘最适合用于PC个人电脑系统，或某些工作负责强度不大并且可以确保磁盘有足够空闲时间做后台整理操作的场景。由于HM-SMR盘需要对主机系统写盘软件进行大规模改造，分区存储设备最适用于企业和数据中心等应用场景，因为这些应用场景中的软件堆栈和应用程序可以专为分区存储的管理而调整/优化。
 

 
 
随着硬盘容量的不断提高，SMR技术将会作为提高磁密度的有效方式之一。如需更广泛的使用HM-SMR叠瓦盘，则要进行大量的软件适配工作，这一点与之前4KB物理扇区的变革非常相似，目的就是享受SMR盘带来的更高磁密度红利的同时，确保其使用性能不下降。通过针对这些软件的适配和优化，可以赋能HM-SMR盘为更多应用场景提供所需的额外能力，诸如更大容量，更高性能。
 
04 磁记录技术
磁比特的方向
 
在2006年， 硬盘磁记录技术取得了一项重大进步， 即从纵向磁记录（LMR）到垂直磁记录 （PMR）的演变。LMR的磁比特方向是沿着磁道表面平铺在介质上， 情况类似于端对端水平放置的条形磁铁，磁比特的南北极沿磁道方向环形平铺排列。这种方式会占用很大的盘片面积， 因此，LMR的磁密度上限只能做到每平方英寸100Gb左右（1 00Gb/in2）。
 

 
 
PMR的磁比特方向是南北极垂直于碟片表面，类似于像多米诺骨 牌一样垂直摆放的条形磁铁的样子。因为只有磁比特的一极露出在磁碟表面， 这会大大节省物理空间，显著提高 了磁密度。因此PMR技术可明显增加BPI。
 
随着存储技术的飞速发展， 这项2006年就引入的PMR技术始终在发挥着非常基础的重要作用，本文中讨论的所有其他新的磁记录技术都归属于PMR技术的分支。诸如CMR、SMR以及能量辅助磁记录技术如ePMR、 MAMR和HAMR都是以PMR技术为基础发展而来的，因为， 这些新技术都采用了PMR所固有的垂直方式的结构。
 
05 进一步提高磁密度的三角困境
 
为实现更高的磁密度，需要平衡多种相互制约的因素，称之为三角困境：
 
· 如需提高磁密度，必须在确保信噪比（SNR）在可接受范围内的同时，缩小磁比特的物理尺寸。若做到了这些，那么翻转磁性所需的能量也会减少，因此磁比特更容易被非预期的能量引起翻转，从而意外改变数据。因此，为防止包括热能在内引起的磁性意外翻转，必须采用更高磁阻的介质材料。
 
· 磁比特的大小取决于写磁头的大小，缩小写磁头尺寸可以得到较小物理尺寸的磁比特，然而较小的写磁头所产生的写磁场也较弱。如果需要在高磁阻介质上写入数据，则必须使写磁头可以产生足以克服更高磁阻介质的磁场。为提高写磁头的磁场强度，需要重新设计写磁头的几何结构，增加写磁头材料的磁矩，并使写磁头写入数据的时候的飞行高度更加贴近磁碟表面介质。
 
使用传统的磁记录技术，该三角困境越来越难以解决。磁头的飞行高度已经接近极限，写磁头的几何形状难以进一步优化，并且已经使用了已知的具有最高磁矩的材料。更糟糕的是，进一步增加磁介质的磁阻似乎已经不是一个选项，因为在没有额外写入场强加持的情况下，信噪比会太低。
 
06 能量辅助磁记录技术
 
要应对该三角困境带来的挑战，有两种选择。第一个是找到方法来施加额外的能量以改变磁写头的行为，使其所产生的磁场变得更强或更恒定。如果使场更强或更恒定，就能够采用更高磁阻的磁介质，并且可以使磁比特更小。西部数据公司的能量辅助PMR（ePMR）技术就使用了这一方法。第二种方法是施加额外的能量在写入数据的时候临时降低磁介质的磁阻，让使用传统的磁场强度更容易写入磁比特。目前已经有两种公认的方法来做到这一点，分别是微波辅助磁记录（MAMR）和热辅助磁记录（HAMR）。两者都允许使用更高磁阻的介质，从而生成更小尺寸的磁比特，增加磁密度。
 
07 ePMR
 
西部数据目前采用的ePMR技术，如图8所示，通过在写入端施加一个直流偏置电流，该电流会产生一个额外的磁场，该磁场则会为写磁头引起的磁性翻转产生一个优选路径。该优选路径提高了写磁场磁力线在磁介质上通过路径的一致性，因而减少了抖动并提高了信噪比。磁场的额外恒定性及可预测性允许更纯粹地写入磁比特位且磁轨更紧密地靠在一起，因此增加了磁密度。
 

 
 
ePMR技术路线还会继续发展，未来除了提供更一致性的写场强，还可以增加写磁场强度，从而使用更高磁阻的磁介质。
 
 
08 热辅助磁记录技术（HAMR）
 
HAMR是通过向磁介质本身施加热能，可以使该区域的磁介质更容易发生翻转，从而临时减小目标写入区域的切换磁介质磁性的磁场强度（即矫顽磁性）。当该能量一旦被移除后，则该区域磁介质会立刻恢复高磁阻的矫顽磁性。
 

 
 
HAMR施加的热能会高温加热局部磁介质，磁阻下降，磁介质的受热区域更容易被写入。当它冷却下来的时候，磁阻恢复，且磁介质恢复不容易被改写的特性，因此不宜受到常规温度变化的影响。通过仅加热需要写入的区域，可以继续使用传统的写磁头，并且仍然有效地写入比传统PMR所使用磁介质高得多的磁阻介质。HAMR通过使用激光和光学传感器将磁介质的局部区域加热到其居里温度以上从而使其失去磁矩来实现这一点，该区域在被写入并冷却后，期望的磁颗粒极性将会非常稳定。
 

 
 
微波辅助磁记录（MAMR)会继续在西部数据的整体产品战略中发挥重要作用。今天西数最先进的硬盘产品中采用的ePMR技术创新就是来源于多年来在MARM方面的研发结果。ePMR等令人期待的技术创新，以及OptiNAND™等配套技术，会成为PMR和HAMR的技术过渡。
 
09 磁记录技术的分类
 
SMR磁记录格式技术和能量辅助磁记录技术是各自独立发生的，它们并不相互竞争。如图12所示，磁记录技术与磁记录格式可以结合使用，ePMR、MAMR和HAMR等技术通过推高磁密度来推动硬盘存储的未来。对于能够良好使用SMR硬盘的应用程序和工作负载，SMR技术会进一步推高磁密度的增长。
 

 
 
未来，尤其是大容量企业盘，无论使用何种底层磁记录技术，CMR和SMR都将共存。每个应用程序都可以根据需求在容量、性能和成本中找到的平衡点。
 
SMR在能量辅助技术之上的磁密度优势将在许多使用场景引人注目。
 
SMR和EAMR的组合将在未来十年后继续推高硬盘容量。在过去的几年里，硬盘技术已经发生了巨大变化并将继续保持快节奏的发展速度。新的发明和技术需要确保世界上快速增长的数据能够可靠且经济地被存储。
 
世界每年都在创造惊人的数据量，并对存储行业提出了需要满足这些数据存储的要求。从这些新的需求中涌现出了大量的磁记录技术创新，图13中做了一个完整的磁记录分类树。随着SMR越来越受欢迎以及EAMR的不断创新，硬盘在未来许多年都将能够确保满足这些需求。