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2025年产业环境应用下 高容量硬碟储存技术现况
 

【作者: 盧傑瑞】2019年06月04日 星期二

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长久以来,硬碟设备已经广被电脑、影音设备产品、资料储存中心所使用。最近这些年,由於使用快闪记忆体为基础的SSD窜起,已经开始瓜分了原本硬碟设备的一些市场比例。不过,就以记录容量和Bit/成本比来看,依旧是硬碟设备占有较大的优势性。


面对云端服务的普及,以及动画内容、影片共存於同一网站等应用的急速扩大,负责管理资料保存的资料中心也不断提出,更大单一硬碟容量的要求。因此,新世代的硬碟储存技术,以及实品化的消息也就不断的被发表出来。


硬碟设备是利用磁性碟片中,微小的磁石进行转向的原理,来代表着1或0的资料技术与存取动作。自从1956年IBM发表了全球第一台「RAMAC」的硬碟储存产品後,经过半个多世纪以来,硬碟设备透过读写头,对磁性碟片进行储存与读写的机械性原理基础,并没有革命性的改变。


而世代性更替的技术则是磁性技术与密度的突破。在过去,「RAMAC」的基础下,使用了50片的24英寸磁性碟片下,仅仅只能达到2K Bit的储存容量,已经今天的眼光来看,几??是无法容忍的超低性能比,但是在当时,在储存产业领域中却是犹如阿姆斯壮登月第一步似的革命性突破(图一)。



图一 : 硬碟储存技术与演进
图一 : 硬碟储存技术与演进

就现今硬碟储存的form factor几??为3.5英寸与2.5英寸,而储存密度方面,已经可以达到每平方英寸为1Tera Bit。就单存的计算而言,硬碟设备的纪录密度,在过去的60年间,已经增加了5亿倍。


此外,过去曾经是主流尺寸的1英寸与1.8英寸的小型硬碟产品,现在已经完全被快闪记忆体(SSD)所取代了。


快闪记忆体所带来的竞争压力

面对快闪记忆体的崛起,硬碟设备竞争力的基础还是在每一Bit的成本。根据威腾(WD)的分析,在10年前,TB级硬碟的成本大约是100多美元,但是与同储存量的快闪记忆体成本相比,仅仅是快闪记忆体的50~60分之一左右。当然,随着半导体技术进步所带动的生产成本降低,使得近几年的快闪记忆体成本,已经是硬碟设备的20倍左右。


根据Techno System Research资料,将SSD应用区分了4大领域的部分,分别是「企业(Enterprise)」、「资讯电脑(PC)」、「增加(Add-On)」、和「其他」。而其中,对於SSD需求最大的仍旧是资讯电脑(PC)产业,占了总出货台数的58%,2018年的全球出货数比前一年成长了40.1%,市场规模为9700万台。


其次是「增加(Add-On)」,占了总出货数量的24%,成长率方面,比前一年增加了27.4%达到了4070万台。而在这四大领域中,成长率最高的是企业方面应用,和2017年相比,大幅度的增加了50.9%,数量约达到2410万台。在其他领域应用方面,市场规模则是为535万台,成长了约15.1%。


根据日本HDD协会的资料,预计在2020年,SSD的市场销售金额将会超越传统的硬式磁碟。不过,虽然SSD的市场规模呈现急速成长的基础下,SSD在每一记忆单元/成本的部分,即便是到了2023年时,还是硬碟的7.7倍。因此,要让SSD的每一记忆单元/成本达到和硬碟一样,仍旧是相当困难的一件事情。


未来,在快闪记忆体多值化(3 Bit的TLC,还是4 Bit的QLC),以及3D立体堆叠技术下,相信成本将会再更进一步的降低。


面对来自快闪记忆体制程进步所带动的成本降低压力下,硬碟唯有不断提升相关技术,才能在储存市场中,继续保有领先的地位。因此,在此竞争环境驱动之下,包括MAMR、HAMR等等的新一代技术,就被发表出来,带动着硬碟储存设备持续朝向更高密度与更低成本前进,减缓快闪记忆体在性价比上,追上硬碟设备的速度。


MAMR以及HAMR等等新技术观念被提出

在过去数十年中,硬碟中的磁性技术,从最早期IBM所开发出来的「RAMAC」後,硬碟高密度的革新技术,便不断出现新技术观念被提出来与实用化。例如因为期??克服磁石粒径大小的问题所造成密度上的物理极限,由LMR(纵向磁纪录)转为PMR(Perpendicular Magnetic Recording ; 垂直磁纪录)。而这项技术,在2004年由东芝发表出领先全球的第一款商品化硬碟设备。随後,高密度化技术就一直支撑着硬碟设备的发展。


表一 磁碟相关技术的提升

容量提升相关技术

效能提升相关技术

PMR:增加记录密度

SMR:叠瓦式架构增加记录密度

Helium:增加碟片数

MAMR:使用微波加热技术增加稳定度与记录密度

HDMR:使用雷射加热技术增加稳定度与记录密度

TDMR多读写头,增加S/N比

Multi Actuator读写头能独立运作

Parallelism2倍顺序写入效能

(资料来源:CTIMES整理)

为了改善PMR,机械式硬碟写头宽度大於读头宽度,而写头宽度已达到物理上最小的限制,因此新一代的写入技术SMR(Shingled Magnetic Recording,叠瓦式磁记录)就被提出来。简单的说,PMR就像是一轨轨的资料写入方式,彼此间没有重叠。而SMR就是利用碟片上Track(记录资料时同心圆状的圆周)的一部分,进行重叠记录,让资料轨部分重叠方式进行纪录,因作法与瓦片交叠方式相仿,所以称为叠瓦式磁记录技术。


数据上,如果单纯采用PMR技术的话,每平方英寸可以有1T Bit的储存容量,但是如果同时混合采用PMR和SMR技术,每平方英寸的储存容量可以提升到1.4 T Bit。


不过,业界并不满意PMR和SMR的记录稳定性。这是因为在碟片中不断地在提升记录层中磁石的细微化,虽然因为磁石的细微化可以提升记录的密度能力,但是另一方面,却会牺牲掉磁石对於磁性的维持能力。因为粒径越小磁石的热安定性也愈低,这样一来对於磁性的保持能力也就会等比降低。


由於低热安定性的状况下,经常会发生写入读出错误,或者资料无端消失等问题。因此,一方面除了不断降低磁石的粒径之外,如何能不牺牲磁石对於磁性维持的能力,提高热安定性也就成了另一层次的研发方向。


面对这样的问题,技术人员提出利用微波的MAMR技术,以及使用雷射的HAMR等新技术观念。


透过微波加入的MAMR磁性储存技术

MAMR技术在写入时利用自旋力矩振荡器(Spin Torque Oscillator)在磁头产生电磁场,使磁头可以在较低磁性条件下进行写入,可以在写入颗粒可以再缩小的前提下,正确完成写入动作,目的是使硬碟碟片上的磁轨密度再次提高,造出更大容量的硬碟(图二)。



图二 : MAMR是利用微波的方式来提高磁轨密度。(资料来源:威腾)
图二 : MAMR是利用微波的方式来提高磁轨密度。(资料来源:威腾)

在众多的新技术中,威腾(Western Digital)是偏向MAMR技术。威腾最新MAMR产品,预定将在2019年内推出,初步可提供 16TB(ePMR)、18TB(eSMR)容量,到了2020年则可增加到20TB。


针对大容量硬碟需求的趋势,日本昭和电工也在其MAMR技术下,不断增加硬碟储存媒体的容量。昭和电工正式的宣布,从2019年开始提供可以支援3.5 英寸应用的次世代MAMR碟片。这次昭和电工利用铝材质基板,开发出单片容量高达2 TB高容量的MAMR碟片,以传统记录技术包括CMR、PMR、SMR等世代区分,大约是位於第10世代(表二)。


表二 磁记录技术世代容量

世代

2.5 英寸

3.5 英寸

1世代

80GB

160GB

2世代

120GB

250GB

3世代

160GB

3340GB

4世代

250GB

500GB

5世代

334GB

750GB

6世代

500GB

1 TB

7世代

 

 

8世代

670GB

1.1 TB~1.3 TB

9世代

750GB

1.3 TB~1.5 TB

10世代

1 TB

1.5 TB~1.8 TB

 

 

2 TB

(资料来源:CTIMES整理)

东芝电子除了现有的TDMR和叠瓦式SMR磁记录技术之外,还将开发MAMR技术,正式导入日本昭和电工的MAMR碟片。昭和电工也对外宣布,将先提供东芝电子来生产采MAMR技术的大容量硬碟装置,其可储存量将高达18 TB。预计在2019年中,正式对外以Near-Line(近线储存)的硬碟产品型态出货。


另一方面,东芝电子除了积极发展MAMR技术之外,也不放弃HAMR技术。面对现有市场需求,在较短期的规划中,东芝电子已计划提供首批16TB TDMR硬碟,不过CMR和SMR磁记录技术,也已在积极酝酿中。


利用Laser进行加热的HAMR技术

正积极开发HAMR( Heat-Assisted Magnetic Recording,热辅助磁记录)技术的希捷(Seagate),也已经开始试产HAMR产品,即将推出16 TB大容量的3.5英寸硬碟「Exos HAMR」系列,预计在2020年时,再推出更大容量的硬碟。


此技术提供了资料读写後,再确认正确性的动作,因此可以确保和过去技术型态硬碟的互换成功性。希捷计画每30个月将储存密度提高一倍,也就是说,到2025~2026年之後,硬碟的储存容量将会高达100 TB以上。


HAMR技术是在写入时利用Laser对碟片的写入区域进行加热,使写入颗粒可以再缩小,同时不影响资料的正确性。并且在磁性读写头上,配装有小型雷射二极体,因此可以透过雷射进行加热的方式,提高Data Bit磁气性稳定性。


因此透过HAMR的技术,可以解决在过去技术中,较小的磁性区域会因为温度变化,与来自相邻位的干扰,发生磁极性转换,进而导致二进位位值变化。


根据希捷的说法,藉由标准硬碟的最适化测试後发现,针对企业需求所研发的HAMR技术,无论是作为读出/写入用的读写头,在可靠度及寿命方面的测试数值,皆高於现下主流技术的20倍左右。


更进一步在Plug and Play的互换性上,也能够确保稳定与安全。因此,希捷确认,透过采用HAMR的技术,能够和过去的硬碟进行相当简单化的互换动作,另外在相同的尺寸下,可以大幅度的提高储存容量,并且因此能够降低硬碟的总成本。


MAMR与HAMR白热化争夺下一代主流储存技术

目前来看,仍无法确定是MAMR或HAMR会制霸次世代的主流技术,但就成本角度来看,或许MAMR较为有利些。另外,透过采用微波的方式,所产生的温度和传统的PMR差不多,也不会因为产生温度而对资料的储存与读写带来影响,这些都是MAMR所能表现出来的优势点。因此在记录密度能达到4.5T bit/平方英寸的目标下,在目前主流技术8片碟片组合的硬碟基础下,单一硬碟的储存量就有可能高达40TB。


而HAMR技术中,需要花费数奈秒的时间进行加热与冷却的动作,如此一来,高温会对读写头的最前端造成一定程度的劣化,在长时间累积下,将会影响读写头的使用寿命,这也是目前HAMR急待改善的问题点。


不过,由於HAMR技术的高密度化特色,使得在相同的面积中,可以出现更高的储存容量,因此,对於超过50TB的大容量化目标,以HAMR技术为基础,是完全可以被期待的。(图三)



图三 : HAMR技术是在写入时利用 Laser 对碟片的写入区域进行加热。(资料来源:ArsTechnica)
图三 : HAMR技术是在写入时利用 Laser 对碟片的写入区域进行加热。(资料来源:ArsTechnica)

面对更高容量需求的次世代革命性技术

以将来更大量储存需求而言,4.5~5T bit/平方英寸已经难以满足了,因此10T bit/平方英寸超高容量的储存技术就开始被提出来讨论。而在此目标之下,传统的磁性媒介是相当难以达到。因此,革命性记录方式纷纷地被发展出来。



图四 : MAMR与HAMR的比较表
图四 : MAMR与HAMR的比较表

现阶段,强诱电记录(ferro-electric Recording)以及3D记录是相当热门讨论的技术方向。


所谓的强诱电记录技术,就是利用强诱电自发分极的方向,来达到记录位元资料的方式,这有点类似PMR的记录技术,但却是以电气的方式来实现。目前ASRC(Advanced Storage Research Consortium)所发表的技术报告,透过强诱电记录的技术,已经可以完成4 Tbit/平方英寸的能力。


在3D记录技术方面,东芝已发表了关於在记录层透过3D结构下进行多层化,然後再透过多层化的磁性碟面进行储存和读写的动作。这个多层化结构的碟片,是利用具有相异强磁性共频的磁性体来完成制程,透过强磁性共频所对应的微波来进行记录印加。因为只有在特定的磁性体层下,才能够进行磁性震动的励起现象,而被磁性震动所励起的记录层,可以降低磁化反转所需的能源,因此可以达到磁化反转的可能性。


现今种种被提出的新一代技术,无不是为了即将到来2025年产业环境应用,例如透过磁性读写头、多层记录等,都是为了达到储存装置的更高记录容量所准备的。但相信,达到这些技术目标前,所须要面对的问题,必定是相当多且困难。


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