高容量硬盘是生产商必争之地

东芝于今年1月份推出当时全球第一款9碟片,3.5” 16TB硬盘。它的规格是:7200 rpm、512 MB缓存、提供6Gb/s SATA及12Gb/s SAS接口、250万小时的MTTF和 每年额定传输数据总量可达550 TB。我觉得这款 东芝MG08 16TB硬盘最大的特点是它代表了目前使用传统主流磁记录技术的巅峰。因为如果要生产大于16TB的硬盘便必须使用 激光或微波热辅助磁记录技术。接下来的数个月,西数和希捷纷纷跟随东芝推出16TB硬盘。

大容量近线硬盘是市场主流

随着云计算、AI、大数据 及IoT等科技的普及,我们已进入“泽字节“时代(zettabyte era)。根据IDC的预测,世界数据的总和将会从今年的33 ZB增长到2025年的175ZB。研究全球存储硬盘市场的趋势:我们发现 除了企业级近线硬盘外,全球的硬盘销量数量普遍下跌,但硬盘平均的存储量却一直增加。因此,数据中心的大容量近线硬盘将会成为3家硬盘生产商的必争之地。

增加硬盘的存储容量

有2种方法增加硬盘的数据存储量:··

增加硬盘内的碟片数量

增加碟片的磁道密度

东芝在MG08 (16TB)硬盘系列内碟片的数量已达到9块。它是利用充氦技术达到增加碟片的目的。因为氦气密度只有空气七分之一,硬盘充氦可以减少了气流阻力,以及碟片及磁头的摩擦力。但9块碟片的3.5寸硬盘已经是充氦硬盘的极限了。

至于增加碟片的磁道密道,其中一种方法是把磁道变窄以增加碟片磁道的密度。可是由于尺寸缩放受到磁道长度写入性能的限制,为了扩大容量,需要引入一个窄小可靠且间距更小的写入磁头,以容纳较小的磁道。东芝在MG08 16TB硬盘中便采用了TDK的TDMR二维磁记录技术,额外增加多一个数据读取磁头,目的是抵消相邻磁道的互相干扰从而在读取数据的过程中能有比较好的信噪比。

MG08 16TB硬盘依然是被归类为传统磁记录(conventional magnetic recording)硬盘,因为它的技术是在原有的PMR基础上作出改良和优化,比如:

TDMR二维磁记录技术的磁头以消减读写窄小磁道时的相互干扰

充氦以降低碟片及磁头的摩擦力

采用SDK的超薄碟片把碟片数目增加至9块

MG08 16TB硬盘的好处是性能稳定 (采用成熟的技术)、生产成本较低 (相对与热辅助磁记录技术而言)以及可以直接和现有的主机兼容。

高容量硬盘的技术方向

如果我们要进一步提高碟片的磁道密度,那就不是单靠制作更小和灵敏度更高的磁头就能解决。我们都知道碟片上的磁介质是许许多多微小的磁性颗粒构成的。当磁头扫过这些磁性颗粒(主要是写操作)改变颗粒的磁极和排序产生翻转效应(“0“转为”1”或”1”转为“0“)从而达到存储数据的目的。增加存储密度便需要更细小的磁性颗粒,便会降低其磁极和排序的稳定性。因此,高存储密度的碟片必须采用高磁力顽性(coercivity)的材质。窄小的磁道需要更小的读写磁头,但这会导致磁化高磁力顽性高的颗粒变得困难。

目前有两种方法解决这问题:

HAMR是使用激光二极管来加热碟片需要写进的部分让其更容易被改变磁极。

MAMR由一个自旋转矩振荡器的组件产生的微波场把碟片加热

目前,东芝和西数会先采用MAMR技术,而希捷则倾向使用HAMR。

东芝会先采用MAMR技术的原因是因为MAMR可以利用目前的主流技术例如PMR,而其技术的改动及复杂性也较低。当然,其成本也是市场可以承受的范围。

其实要增加碟片存储密度,最简单和成本最低的方法就是 叠瓦磁记录技术(SMR)。其方法是将下一个磁道叠在上一条磁道的一部分上以增加磁道的密度从而提高存储密度。当然,SMR硬盘有一个缺点:它适合顺序写操作而不适合于随机写操作。因为在随机写操作时,需要先将叠瓦布局中重叠磁道部分的数据迁移走。要有效地使用SMR硬盘,必须通过主机管理(host managed SMR)部署来优化硬盘数据写入操作。这需要操作系统以及应用程序等的支持,而主机的操作系统需要支持ZBC/ZAC指令集标准,这对于客户实际部署要求较高。尽管如此,由于SMR技术能以超低成本有效地增加碟片存储密度,SMR硬盘对数据中心或需要大容量存储的用户来说仍然是相当吸引的。

东芝的路线图

东芝于本年3月份透露会,除了现有的二维(TDMR)和叠瓦式(SMR)磁记录技术,该公司还将开发微波辅助磁记录(MAMR)、以及面向未来的热辅助磁记录(HAMR)技术。近期内,东芝会推出采用MAMR + SMR的大容量硬盘。多年来,东芝一直致力于开发采用SMR技术的硬盘。但与竞争对手不同的是,该公司尚未推出任何商用产品。换言之,这些采用MAMR + SMR技术的新品,将成为该公司首批商用的SMR存储产品。