超順磁效應

超順磁效應∶super-paramagnetic effect

自1956年IBM推出RAMAC以來，硬盤的存儲密度從當初200bits/in2提升到100Gbits/in2，整整提高了5千萬倍！但是，由於存儲位變得越來越小，會出現超順磁性效應，熱擾動會降低信號強度，甚至導致存儲失效。

硬盤盤片是通過在盤基上塗覆一層磁性材料製成的，常用的磁性材料為鈷鉑鉻硼（CoPtCrB）合金。磁性材料的顆粒大小直接影響盤片的磁記錄密度，因為磁盤上表示信息的小磁極是由數百個磁性顆粒組成，磁記錄密度越高，要求磁性材料的粒度越細。硬盤的磁記錄密度為20Gbpsi（每個盤片約為30GB）時，磁性顆粒的直徑為13nm，磁性塗層的厚度為17nm左右。要實現100Gbpsi的磁記錄密度，就必須把粒徑和塗層厚度分別縮小到9.5nm和10nm。

隨着磁性顆粒的縮小，表示數據的小磁極會變得越來越不穩定。引起不穩定的原因在於熱能，磁性顆粒必須擁有足夠的磁能才能抗拒顆粒所具有的熱能的干擾。熱能為玻耳茲曼常數與温度的乘積，熱能隨温度升高而增強；而磁能的大小取決於磁力大小和粒子體積，由於已經使用磁性最強的材料，沒有進一步增強磁力的空間了，因此磁性顆粒的磁能將隨粒度的縮小而降低。如果繼續降低磁性顆粒的體積，以至於磁能低於熱能，硬盤本身的温度甚至室温就可以讓磁性顆粒的極性從有序變成無序，導致小磁極的整體極性消失。這種現象被稱為“熱攪動（Thermal Fluctuation）”，熱攪動現象將導致數據的永久性丟失。所以説，為提高硬盤存儲密度而縮小磁性顆粒的粒度做法是有限度的。

另一方面，磁盤表面用於表示數據的每個小磁極是由許多磁性顆粒構成的，相鄰的兩個磁磁極之間在盤面上呈現犬牙交錯的形態從而造成小磁極邊緣的磁通相互抵消，這就是所謂的“磁轉變噪音（Magnetic Transition Noise）”。磁轉變噪音減小了磁極的磁場強度，這對讀取信息構成一定的負面影響。如果磁極沒有足夠的長度，磁頭將很難讀取磁盤信息。為了縮短小磁極的長度，同時又要避免這種噪音的影響，只有通過縮小磁性顆粒的直徑，以使磁極的邊緣看上去相當“平齊”而非“犬牙交錯”。為了實現100Gbpsi的記錄密度就必須製作出10nm以下的結晶。

綜合以上兩種情況，磁盤上的磁性顆粒既不能太大，也不能太小。太大會因為磁轉變噪音而降低磁通量，給讀盤帶來困難；而太小又容易發生熱攪動，導致記錄信息的徹底消失。提高存儲密度的工作陷入了兩難困境，如果沒有相應對策，硬盤容量增長的旅程將就此止步。

為克服超順磁效應的障礙，研究人員找到了一些辦法，其中最具代表性的技術是IBM的AFC。（Anti Ferro_ magnetically Coupled，反鐵磁耦合）和富士通的SFM（Synthetic Ferro Media，合成鐵介質），它們雖然名稱不同，原理則基本相同，都是通過使用多層磁體結構來穩定磁記錄信息的技術。下面簡單介紹一下AFC技術的實現原理。 普通磁盤的磁性塗層只有一層，而使用AFC技術，將磁性材料製成多層結構，除記錄層以外，再使用穩定層，並且在記錄層和穩定層之間增加一個釕層（Ru layer）。釕(Ru)元素屬鉑族金屬，為稀有金屬，價格十分昂貴，正因為如此，IBM才稱它為“仙塵”（Pixie Dust），AFC也因此成為一個價格高昂的技術。 釕元素具有反鐵磁性，它能使相鄰兩層之間的磁場方向相反。當寫磁盤時，磁頭所產生的磁場不僅可以在最上層產生小磁極，由於釕層的存在，寫電流所產生的磁場還穿過釕層使穩定層磁化，並使穩定層與記錄層磁體極性相反。穩定層與記錄層之間因磁場反向，異性相吸而相互鎖定，從而實現記錄層磁場的穩定。 傳統介質出現超磁現象的線密度為200Gbpsi，而使用AFC介質後出現超磁現象的線可以提高到達800Gbpsi。因此，AFC介質的出現再次將磁存儲密度的極限向後推移。

AFC技術實際上是一種變相增加磁層厚度的辦法——每一個磁層的厚度雖然比較小，但總的磁層厚度卻增加了。垂直記錄技術從本質上來説與AFC相似，它在提高磁記錄密度的同時，通過增加磁性材料的厚度來維持磁記錄單元的體積。第一款垂直記錄硬盤——東芝MK4007GAL/MK8007GAH的磁錄密度為133Gbits/sq.in，業界保守估計，預計記錄密度提高到600Gb/sq.in左右時，垂直記錄技術將遭遇存儲密度的極限。根據過去的經驗，未來幾年內材料科學的發展，超越1Tb/sq.in也是完全有可能的。

如果按存儲密度增長速度，未來的5到10年內數據位將變得非常小，以至於現有的技術對超順磁效應失去作用。所以，包括Seagate、HItachi-IBM和Fujits在內的主要硬盤製造商都在圍繞這個問題開展研究，有些技術在實驗室裏已經取得成功，進入到裝備研製階段。其中熱輔助磁頭記錄技術被Seagate和Hitachi共同看好，也有另外一些技術為個別廠家多獨有。下面按照思路的不同逐一進行簡要介紹。

從磁性材料的特性方面着手，尋找更為穩定的磁介質（如鐵鉑粒子），可以在一定程度上解決超順磁效應的問題。不過，隨之而來的問題是：現有的磁頭無法將數據寫到這類介質上，於是希捷公司正在研究一種熱輔助磁記錄技術 (Heat Assisted Magnetic Recording，HAMR)，使用激光熱輔助手段將數據記錄到高穩定性介質上，而且隨後的快速冷卻又可以使已寫入的數據變得穩定。

不管怎樣，激光技術完全可以為這一思路提供支援，是一條可行的技術路線。Hitachi-IBM也十分看好這條路線，他們給這項技術的名稱是“熱輔助記錄”（Thermal Assisted Recording，TAR）。

為了提高存儲密度，慣常的思路是不斷縮小磁顆粒的尺寸，這也是造成超順磁效應的主要原因。既然如此，如果反其道而行之，豈不是很好？你也許會問：磁顆粒增大對存儲密度是否有影響呢？答案是否定的。過去，每個存儲單元都是由許許多多的小顆粒組成，如果用一個大顆粒替代成千上萬的小顆粒，既不會有熱攪動，也不會有磁轉變噪音，非常有利於提高磁記錄信息的穩定性，也不會對存儲密度構成影響。工程師們把這個大顆粒稱作“單域磁島”（single domain magnetic island）,或者可以簡稱“磁島”，而將這種利用納米工藝製作的磁記錄層稱作晶格化磁介質（patterned magnetic media）。

希捷也向外公佈一項名為“自組織磁性顆粒陣列”（self-organized magnetic array，簡稱SOMA）的磁層製造工藝。這種工藝可以讓3-4納米直徑的鐵鉑合金顆粒在記錄層表面形成規則的密排分佈；如果一個晶粒代表1bit的二進制信號，那麼硬盤的存儲密度突破每平方英寸50Tbit就成為可能。

過去的硬盤磁層是採用濺射工藝製作的，而獨立磁島的製作有可能需要藉助於納米壓印法制作出一個納米尺度的框架模型，然後往模型中澆注磁粉。這種工藝相對複雜，製作成本也會提高。不過，基於獨域磁島的思想，希捷還公佈了一項名為“自組織磁陣列”（Self-Organized Magnetic Array，簡稱SOMA）的磁層製造工藝。據説這種工藝可以讓3～4納米直徑的鐵鉑合金顆粒在記錄層表面形成規則的密排分佈。果真如此，未來前景便一片光明瞭。

（1）陳忠民，硬盤如何突破容量極限，微型計算機，2003，22

（2）張健浪，硬盤存儲密度的矛與盾，個人電腦，2005,12

（3）張廣彬，2006年硬盤技術綜述，存儲時代，2006-12-18

（4）Zvonimir Z. Bandić等，晶格化磁介質：納米尺度繪圖技術對硬盤驅動器的影響，solid state technology magzine，2006,9