大容量数据存储方案（先进大容量存储技术）

硬盘驱动器作为当前大容量数据存储的大容主要承载体，是量数一种基于磁存储技术的电子设备。随着(zhe)物联网以及云计算的据存进(jin)大技术快速发展，传统的储方存(cun)储硬盘驱动器已经无(wu)法满足日益增长的存储需求。因此，案先近十年(nian)来，容量各大厂商致力于研发新型(xing)磁存储技术，大容并于近期推出了新的量数产品。文章将从传统硬盘驱动(dong)器的据存进大技术结构出(chu)发，具体分(fen)析传统磁存储面临的储方存储主要瓶颈，详细介绍当前最为(wei)瞩目的案先能量辅助磁记录技术，并对大容量存储的容量未来进行(xing)展望。

关键词 硬盘驱动(dong)器，大容大容量(liang)存储，量数能量辅助磁记录，据存进大技术微波辅助磁记录，热辅助磁记录

1 引 言

基于磁存储技术的(de)硬盘驱动器(下文简称硬盘)是当下最主要的数(shu)据承载体(ti)。图1(a)展示了一个完整硬盘的主要结构，包含磁盘介质、磁头、主轴马达和(he)音圈马达。磁盘介质的核心是磁性材料(liao)，用于储存数字信息。如图1(b)所示，每一个存储单元包含一定数目的磁性颗粒，它们的磁矩方向代表着数字信息中(zhong)的(de)“1”和“0”；磁头则(ze)是非常微小的(de)部分，执行数据的读写。此外，硬盘的内部有两个电机，一个是主轴电机，另一个是(shi)音圈马达。主轴电机可以驱动盘片稳定旋转(zhuan)，使磁头受到稳定的空气浮力，悬浮于硬盘介质上方。音圈马达则主要负责磁头臂的移动(dong)，硬盘在工作(zuo)时靠伺服电机来控制音圈马达的动作，使磁头臂准确(que)寻迹。

图1 (a)硬盘结构；(b)存储介质的微观图像，红色和蓝色区域代(dai)表磁矩指向不同的存储单元[1]

1956年，IBM推出了历史上第一个硬盘产品IBM350 Disk Storage，是(shi)现代硬盘的雏形。它有相当于两个冰箱的体积，重量高达1吨，储存容量只有4.4MB。IBM350 Disk Storage配备了50枚直(zhi)径24英寸(约(yue)61 cm)的大尺寸铝合金盘片用于存储信息，盘片表面涂有(you)磁性材料(liao)，硬盘工作时盘片高速旋转，磁头就能读出磁信号(hao)的变化[2]。经(jing)过近60年的发展，硬盘的体积不断缩小，同时存储容量快速提升。2020年，全球硬盘厂商交付了2.59亿个硬盘设备，总出货容量已经达到了1 ZB[3]。

然而(er)，传统硬盘的存储密度近年来已经接近极限(约1 Tb/in2，in表示英寸)。因此，以西部数据和希捷为代表(biao)的各硬盘厂商纷纷投入(ru)巨资研发新型存储技术，主要包括叠瓦式(shi)磁记录(shringle magnetic recording，SMR)、二(er)维磁记录(two-dimensional magnetic recording，TDMR)、点阵式磁记录(bit-patterned magnetic recording，BPMR)以(yi)及能(neng)量辅助磁记录(energy-assisted magnetic recording)。其中，叠瓦式磁记录和(he)点阵式磁记录分别通过(guo)磁道重(zhong)叠及存储单元隔离(li)的方法对(dui)盘片存储信息的方式进(jin)行优化。二维磁记录则通过在磁头中加入多个磁信号读取(qu)元件(磁阻器件)，详细分析磁道间(jian)的信号，从而当磁道宽度进一步变窄后硬盘仍可以稳定地读取(qu)存储的数据。相比传统的硬盘存储架构，这三种(zhong)新型磁记录技术对整个硬盘驱动器制造工艺的改变较小，易于应(ying)用，但是对于磁记录密度提(ti)升的幅度有限。能量辅助磁记录则是通过向存储介质注入能(neng)量辅助磁场完成信息的写入，磁头构造相比传统硬盘有较大差异，有望将硬盘存储面密度提升一个数量级，因此备受瞩目。

接下来我们首先从传(chuan)统硬盘的结构出发，阐述硬盘发展面临的(de)瓶颈。之后详细介绍当前最为瞩目的两种能量辅助磁记录技术，即微波辅助磁记录(microwave-assisted magnetic recording)以及热辅助磁记录(heat-assisted magnetic recording)，并对这两种存储技术的发展前景进行讨论。

2 传统硬盘的结构以及面临的问题

硬盘的(de)核心技术在于磁头和存储介质。图2展示了传统硬盘中磁头和(he)磁盘介质的(de)详细结构。硬盘磁头主要包含磁写头以及磁读头两个部分，磁写头由铁磁材料和缠绕其上的电流线(xian)圈组成。执行写操作时，通过改变线圈中通入(ru)电流的方向可以改变写入极产生的磁场方(fang)向，利用这一磁场控制(zhi)磁盘介质上存储单元的磁化方向，实(shi)现数据写入。磁读头(tou)的核心则是基(ji)于巨磁阻(giant magnetoresistance)或隧穿磁阻(tunneling magnetoresistance)效应的磁阻传感器(reader sensor)。在(zai)盘片转动时(shi)，不同指向的磁存储单元会产生(sheng)不同方向的(de)磁场，改变磁阻器(qi)件的电阻，进而读出数据。

图2 硬盘磁头及存储介质的核心结构[4]

磁盘介质由上至下主要包含4层，分别是润滑层、保护层、存储层以(yi)及衬底[5]。润滑层为全氟聚醚(perfluoropolyethers，缩写为(wei)PFPE)，是较为常见(jian)的机械元件润滑剂，用于抵御腐蚀以及减小机械磨损，厚度大约为1—2 nm。润滑层下面是保护层，是类金刚石材料，最(zui)常用的是氮化碳，具有极高的硬度和优良的耐磨性。数据信息的存储层则由具有极高磁各向异性的材料构成。硬盘诞生之初采用的是水平(ping)磁记录模式，即存储介质具有面内(nei)磁各向异性(xing)。然而(er)，受(shou)超顺磁效应的影响，存储单元横向尺寸的减小会严重影响磁矩的稳定性。因此，目前硬盘广泛采用垂直磁记录模式，存储介质具有垂直磁各向异性(xing)，比如CoPt以及FePt合金。

3 微波辅助磁记录

3.1 微波辅助磁翻转效应的(de)理论(lun)研究

微波辅助磁记录技术的核心是通过极高频率的交变磁场(1—100 GHz)向存储单元注入能(neng)量。若磁场变化频率与存储介质本征共(gong)振频率相近，则存储介质可以吸收绝大部分交变磁场能。当存储单元的能量升高后，磁矩处于一个亚稳定态，较小(xiao)的外加磁场即可完全翻转磁矩。这种现象称为微波辅助磁翻转效应(microwave-assisted switching，MAS)[6]。

2003年，Thirion等(deng)人(ren)在六角密堆(hcp)结构的Co颗粒中发现了微波辅助磁翻转现象[7]。如图(tu)4所示，Co颗粒的直径约为20 nm，附着于铌薄膜制成的约瑟夫森微桥结上。约瑟夫森微桥结是超导量子干涉仪(SQUID)中的重要(yao)器(qi)件，用来探测磁性的微弱变化。如果在其两端施加(jia)交变电流δIRF，微桥结附近会(hui)产生微波磁场δHRF。实验结果表明，微波磁场的存在极大地降低(di)了Co颗粒的临界磁翻转场。

图4 微波辅助磁翻转效应首次在Co颗粒上被发现 (a)Co颗粒附着于约(yue)瑟夫森微桥结上，约瑟夫森微桥结两(liang)端施加交变电流(liu)，进而产生微波磁场；(b)微波磁场的(de)存在有效降低了Co颗粒的临界翻转(zhuan)场[7]

随后(hou)，类似的现象在(zai)其他的软磁材料比(bi)如NiFe及FeCo合金薄膜中(zhong)被发现，证实了微波辅助磁翻转效应的普遍性[8—10]。2009年Nozaki等人利用铁磁共振手段在具有垂直磁各向异性(xing)的Co/Pd多层膜中发(fa)现水平方向(xiang)的微波磁场可以促进(jin)多畴态的(de)形成，进而辅助磁翻转[11]。如(ru)前所述，为了实现较高的存储密度，硬盘存储介质(zhi)为具有垂直磁各向异性的材料，因此(ci)，Nozaki等(deng)人的研究结果直接推动了微波辅助磁翻转效应在存储领(ling)域的应用进程。

图5 微波辅助磁翻转效应可以在(zai)具有垂直磁各向异性的纳米结构中实现 (a)器件结构示意图(tu)，其中Co/Pt纳米柱具有垂直磁各向异性，Cu条(tiao)带用来施加微波磁场，霍尔条(电极)用于进行AHE测试；(b)不同电流频率下测得的器件的AHE信号(hao)[12]

2012年，Okamoto等人在纳米结构中观测到了微波辅助磁翻转现象，图5(a)为测试器件的结构示意图[12]。Ta/Pt/Co/Pt薄膜生长于(yu)石英玻璃衬底上，经过一系列微纳加(jia)工流程，Co/Pt被刻蚀成(cheng)纳米尺寸的圆柱，Ta/Pt层则被(bei)刻蚀为霍尔十字条，用于反常霍尔效应(anomalous Hall effect，AHE)测试(shi)。反(fan)常霍尔效应(ying)测试是自旋电子学中一种常见的材料表征手段，由于材料的磁性状态和(he)反常霍尔电压有着紧密的关联，因此可(ke)以通过(guo)提取器件的霍尔电压观测材料磁性的变化。为了施加微波磁场，他们又先后沉积了SiO2绝缘层以及宽度为2 μm的Cu条带，通过交变(bian)信号发生器向Cu条带注入一系列(lie)电流脉冲，使得Cu条(tiao)带附近产生极化方向和条带垂直的线极化微波磁场。图(tu)5(b)展示了器件在不同频率微波磁场下的反常霍尔信号，可以看到随着微波磁场频率的增加，器件的临界翻转(zhuan)磁场不断地减小，证实微波磁场对(dui)于纳米器件的磁翻转(zhuan)同样具有辅助作用。

3.2 基于自旋纳米振荡器的微波辅助磁记录技术

利用微波辅助磁翻转效应可以有(you)效降低磁性材料的临界翻转场，这为硬盘的进(jin)一步扩容提(ti)供了希望，但是在当前高密度存储硬盘中磁头的尺寸非常小，如何在(zai)其中加入高频微波源成为一个棘手的问(wen)题。

2003年，Kiselev等人首次在纳米尺度的(de)磁自旋阀中观测到高频微波发射的现象[13]。此(ci)类(lei)器件被称为(wei)自旋纳米振荡器，迅速引起了产业界的广(guang)泛关注。自旋纳米振荡器的核心为纳米磁性多层膜，主要包括磁性固定层、非磁间隔层以及磁性自由层。当一定大小的电流注入到器(qi)件中时，磁性固定层会先将其极化为(wei)自旋流，进而对磁性自(zi)由层的磁矩施加自旋转移矩。与此同时，自由层磁矩还受到阻尼矩的作用，当自旋转移矩完全抵消阻尼矩时，磁矩的动力学(xue)过程则(ze)主要由进(jin)动矩决定，会发生稳定进动，并通过巨磁阻或隧穿磁阻等磁阻效应引起器件电阻发生周期性变化，最终产生微波电压信号。

和传统的微波器件相比，自旋纳米振荡器具有体积小、易集成以及宽频可调等显著优势。在无线通讯领域有着显著的潜力。另一方面，在自旋纳米(mi)振荡器磁自由(you)层磁矩高频进动的同时，围绕器件(jian)周围会产生(sheng)高频的圆极化微波磁场。受此(ci)启发，2007年朱建刚等人(ren)首次提出将自(zi)旋纳米振荡器和硬盘磁头相结合的构想[14]。实验表明，自旋纳米振荡器产生的微波磁场可以显著降低磁介质的临界翻转(zhuan)场，使得将具有更(geng)高Ku的磁性材料(liao)作为硬盘存储介质成为(wei)可能，可以大幅度提升硬盘存储密度。此外(wai)，通过理论(lun)仿真，他们还(hai)发现这一架构将可以显著减小传统硬盘磁记录过(guo)程中产生的边界弯曲现象，如(ru)图6所示。这有(you)助于减小磁道宽度，提升硬盘存(cun)储的(de)轨道(dao)密度。

第一台应用(yong)微波辅助磁翻转效应的磁记录样机于2011年问(wen)世[5]。在这一样机中，磁头与自旋转移纳米振荡器相融合，自旋转移纳米振荡器用于产生高频微波磁场。利用这一系统，他们实现了高密度磁记录，轨道宽度和自旋纳米振荡器的宽度接(jie)近，只有60 nm。成功证实了将自旋纳米振荡器用于硬盘磁记录的可行性。

目前，微波辅助磁记录系统多采用垂直型自旋转移纳米振荡器作为微波磁场的发生源[4]。图7展示了嵌入自旋转移纳米振荡器的磁写头结构，其中，自旋转移纳米振荡器位于写入(ru)极与尾部屏蔽体之间，包含电流极化参(can)考层、非磁间隔层、微波场发生层(field generation layer，FGL)以及与FGL相耦合(he)的垂直磁层。微波场发生层即传统自旋纳米振荡器中的磁自(zi)由层。为了获得较(jiao)大的微波磁场，微波场发生层的厚度较厚，一般为10—15 nm。此外，不同于传统的自旋纳米振荡器，这一膜层体系中还包含另一垂直磁层，研究表(biao)明，这(zhe)一垂直(zhi)磁层的加入可以显著降低微波磁场的噪音，提高微波磁场的(de)产生效率[5]。

图7 微波辅助磁记录系统的结(jie)构[4]

2017年，存储行业(ye)巨头西部数据公司宣布将(jiang)微波辅助磁翻转效应应用于下一代大容量存储技术。此外，西部数据还首先提出在硬盘中填充氦气以降低内部的(de)气体阻力，磁盘的转轴和磁头臂所受到的干扰也更(geng)少，有助于(yu)提升读写稳定性。通过不断的技术(shu)迭代，2019年西部数据正式推出了(le)容量高达(da)18 TB的(de)商用硬盘产品DC H550，并(bing)预计于2025年将这一数值提升到40 TB。

3.3 微波辅助磁记录技术的最新进展

基于自旋纳米振荡器的微波辅助磁记录技术被证明了其可(ke)行性，引起研究学者的广泛关注。2017年Bai等人通(tong)过微磁仿真手段研究了如(ru)何将当前非常热门的分层式存储介质应用于微波辅助磁记录[15]。如图8(a)所示，在传统的分层式(shi)存储介质(zhi)中，每一个存储单元在垂直方向被分割为几个(ge)部分，并且这(zhe)几个部分的垂直磁各向异性由上至(zhi)下逐渐增加。因此，上层的磁介质非常容易被翻转，而下层的磁介质则可以通过交换耦合(he)作用被(bei)上层的磁介质翻转，这样的(de)结构有效降低了存储单元的临界翻转场，提升了磁头(tou)的(de)写入能力。然而在微波辅助磁记录系统中，自旋纳米振荡器的体积非常(chang)小，其(qi)产生的(de)微波磁场会在垂直于介质表面的方向迅速衰减。基于此，Bai等人设计了一种“Notch”型(xing)分层式存储介质。在这一方案中存(cun)储介质分为四层，前三层(由上至下)的垂直磁各向异性依次降低，第四层具有最高的垂直磁各向异性。这样的磁介质结构有效利用了微波磁场的梯度特性，前三层存储介质均可以在微波磁场的辅助下翻转，第四层则通过交换耦合作用被翻转。此(ci)外，仿真结果还表明，将这种结构的(de)分(fen)层式(shi)存储介质用于微波辅助磁记录系统(tong)中可以显著提升磁记录的信噪比及磁道密度。

为了进一步提升微波辅助磁记录系(xi)统的存储密度，2019年Chan等人(ren)提出了3D-MAMR的构想[16]。如图8(b)所示，存储单元上下堆叠且具有不同大小(xiao)的垂直磁各(ge)向(xiang)异性。由于微波磁场的(de)频率需要和存储介质的本征铁磁共(gong)振(ferromagnetic resonance，FMR)频率相匹配才能(neng)诱导磁矩发生共振，减小临界翻转(zhuan)磁场。因此，改变微波磁场的频率可(ke)以对存储单元实现选择性的翻转。自旋纳米振荡器产生微波磁场的频率可以通过调节注入电流的大小改变。

4 热辅助磁记录

4.1 热辅助磁翻转效应的理论研究

热辅助磁记录是另外一种(zhong)能量辅助磁记录模式。不同于微波辅助磁记录技术，这里的能量来源于激光。事实上利用激光完成或辅助磁场存储信息并不是一个新鲜的事物。20世纪70年代，荷兰飞利浦(Philips)公司率先开(kai)展将激光(guang)用于信息存储的研究，1979年成(cheng)功推出首个相关产品，也就是我们所熟知的光盘(optical discs)[18]。然而，最初的光(guang)盘是由非磁性介质构成的，经激光照射后会形成(cheng)“凹坑”，光盘表面事实(shi)上是凹凸不平的，代表所存储的(de)数字信息。因此，在光盘中信息的写入完全由激光完成。1983年(nian)，Immink和Braat展示了一种新型的记录模式，他们在光盘的基片上(shang)镀了一层磁性材料，形成所谓的“磁光(guang)盘”(magneto-optical discs)[19]。在写入信息时，激光和磁场共同作用(yong)，完成信息的写入，这事实上就是热辅助磁记录的(de)雏形。然(ran)而，无论是普通光盘或是磁光光盘，都只经历了短暂的辉煌。受到衍射的限制，激光光束最小只能聚集于几百(bai)纳米的(de)范围，光盘的容量受到了很大的制约。而与此同时，在巨磁阻效应以及隧道磁阻效应的推动(dong)下，硬盘的存储密度在飞速提升，因此光盘逐渐淡出了人们的视野。2012年，希捷公司将沉寂多年的热辅助磁记录推到了聚光(guang)灯下[20]。特殊的是(shi)，希捷提出将热辅助磁记录技术和硬盘相(xiang)结合，同时利用(yong)表面等离子体共振效应(surface plasmon resonance，SPR)将激光能量汇聚于纳米尺度，有望实现超高密度数据存储。

图9 (a)热辅助磁记录的基本原理；(b)表(biao)面等离子体共振效应[21]

如图9(a)所示，在热辅助磁记录过程中，激光脉冲将具有(you)高垂直(zhi)磁各(ge)向异性的存储单元加热(re)至居里温度附近(通常为(wei)400—600℃)，此时磁矩能量较高，磁矫顽场也即临界磁翻转场非常低，磁矩易于翻转。与(yu)此同时，激光未照射区域的存储单元矫顽力仍然比较大，写入磁场不会对其(qi)造成影响。之后，存储介质的温度迅速降低，磁矩指向趋于稳定，写入的数据信息就被保存下来[21]。通过这一手段，较小的外加磁场即可翻转具有较高垂直磁各向异性的存储单元，有助于实现更高的存储密度。另一方面，表(biao)面等离子体共振效应是指在入射光频率与金属表(biao)面自由电子的振动频率相匹配时，自由电子产生相(xiang)干振荡进(jin)而产生表面等(deng)离子体的一种现象，如图9(b)所示。利(li)用表面等离子体共振效应，激光能量可以转换为热能并且根据金属材料的尺寸加(jia)热不同大小的区域。

4.2 基于等离子体共振效应的热辅助磁记录系统(tong)结构

相比微波辅助磁记录，希捷提出的热辅助磁记录和传统(tong)磁记录之间有着更(geng)大的差异。应(ying)用热辅助磁记录技术的(de)硬盘驱动器(qi)引入了激光传导系统(laser delivery system，LDS)，主要包含激光二极(ji)管、光波导以及近场换能器，其结构如图10所示。在写入数据的过程中激光二极管首先(xian)发射出宽度在百皮秒左右，尺寸在微米级别的激光脉冲，之后通过光波导(dao)汇聚于近场换能器(qi)上，利用表面等离(li)子体共振效应激发近场换能器表(biao)面的(de)电子产生共振。最终这一能量被局限(xian)于直径约50 nm的空间(jian)范围内，加热待写入信息的比特位。之后，磁头产生磁场脉冲翻转磁矩，同时写入区域的介质温度逐渐下降，磁矩趋于稳定。这一过程虽然复杂，但希捷已经(jing)成功将其压缩在1 ns以内[4]。

图10 基于等离子体共振效应的热辅助磁记录系统结构[4]

4.2.1 激光光源

热辅助磁记录系统对激光光源有着很高的要求：首先，为了实(shi)现快速的(de)信息写入，激光光源需要输出尽量窄的(de)激光脉冲；其次，激光脉冲必须(xu)和(he)磁场脉冲保(bao)持一定的间(jian)隔才能实现稳定的信息写入(ru)，因(yin)此激光脉冲频率需要具有(you)极高的稳定性。激光光源可按工作物质分(fen)为固体激光源(晶体和钕玻璃)、气体激光源(包括原子、离子、分子、准分子)、液体激光源(包括有机染料、无机液体、螯合物)和半导体激光源4种类(lei)型。其中，半导体(ti)激光源体积(ji)小、寿命长且易于集成，因(yin)此是热辅助磁记录系统中理想的(de)激光发生器。半导体激光源又有多种类型，包括双异质结(jie)激光器、分布反馈激光器以及大光(guang)腔激光器等，这里不一一介绍。热辅助磁记录系(xi)统中主要使用增益开关式激光(guang)二极管(gain switched diode，GSD)。GSD可以产生频率稳定的连续脉冲，配合锁模技术最窄脉冲宽度可以达(da)到30 ps左右[22]。

4.2.2 光波导

如(ru)上(shang)所述，光盘的没落是因为传统的利用透镜汇聚激光(guang)的手段只能将光斑缩小至衍射极限附近(分辨率大约为半个波长)。如蓝光存储采用405 nm的激光，意味着其最小光斑尺寸在百纳米(mi)以上(shang)，而如果要在硬盘中实(shi)现Tb/in2以上的存储面密度，每比特存储单元的特征尺寸要小于25 nm。因此，激光光斑也(ye)必须(xu)被(bei)局限在这样狭小的空间内。为了将(jiang)激光脉冲的能量精准(zhun)传导至(zhi)待写入的存储单元中，希捷提出了结(jie)合光波导和近场换能器，对激光能量进行两次汇聚的方(fang)案[[4]]。光波导用于将激光光束进行初步缩小，这里通常使用一种平面波导(dao)，即固体(ti)浸没透镜(planar solid immersion mirror，PSIM)。固体(ti)浸没(mei)透镜的结构如图11所示，包含氧化钽核心(xin)层，上下覆盖氧化铝包层，整体被刻蚀成抛物线的形状。由于氧化钽的(de)折射率高于氧化(hua)铝，所以当激光入射至固体浸没透镜侧壁时，会发生全反射，最终汇聚于固体浸没透镜的(de)尖端处。

4.2.3 近场换能器

受表(biao)面等离子体共振效应的启发，希捷在热辅助磁记录系统中加入了近场换能器(near field transducer，NFT)。近场换能器通常为金、银、铜、铝等材料制成(cheng)的纳米金属薄片，根据其形状主要分为两类：一类具有孔洞的外形特征，另一类则具有天线的外形特征。1991年，Betzig等人[24]首先(xian)将具(ju)有(you)圆形孔洞的近场换能(neng)器应用于磁记录中，他们将光纤的末端制成(cheng)圆锥状，出光口直径约为100 nm，周围覆盖有(you)铝薄膜。利用波长515 nm、功率约6 mW的激光(guang)，他们成功翻转了直径约60 nm的磁畴，存储密度约45 Gb/in2。然而，由于(yu)这一结构的近场换能器耦合效率较低，实际数据写入速率仅为10 kHz，且激光传输至尖端的能量小于(yu)50 nW。为了提升近场换能(neng)器的(de)耦合效率，研究者们随后提出了各种不(bu)同形状的近场换能(neng)器，比如C型、L型以及三角形(xing)等近场换能器[25—28]。此外，Grober等人[29]在1997年提出(chu)了天(tian)线型近场换能器(qi)的概念，同样引发了(le)一系列关于天线形状对于激光耦合效率的研究[30—32]。各种(zhong)类型换能器的(de)形状如图12所示。

图12 (a)孔洞型近场换能(neng)器；(b)天线型近场换能器[12]

4.3 热辅助磁记录技术的最新进展

如前所述，和传统磁记录相比，热辅助磁记录系统中引入(ru)了(le)激光传导系统，磁头结构非常复杂。围绕如何优化(hua)其磁头(tou)结构，实现更高的激光传(chuan)导效率，人们开展了一系列的研究。2018年(nian)，Chow等人提出了一种(zhong)新的磁头设计，这类磁头由对称的两个写入极组成，如图13所示[33]。更为特(te)殊的是，两个写入极(ji)之间存在纳米尺度的磁缝隙，磁缝隙内填充了低(di)指数的(de)介电材料，被称为低指数率介质分离(li)器(low-index dielectric separator，LIS)。此外，近场换能器也(ye)分为对称的两个部分，中间形成约25 nm的光学缝隙，可以有效地将激光脉冲能量(liang)汇聚在纳米尺度区(qu)域内。这(zhe)一分(fen)体式的磁头设计有利于保持磁写入(ru)场的(de)横向梯度和幅值，有助于实现更高的磁道密度。此外，低指数(shu)介质分离器的引入还(hai)有效减少了(le)由于近场换能器和写入极靠近带来的光学损耗。

近场换能(neng)器作为存(cun)储介质的直接热(re)源对于热(re)辅助磁记录至关重要。为此，Datta等人(ren)做了大量的工作，详细比较了不同形状近场换能器的优缺点[34]。研究结果表明，E型天线容易获得更高的能量耦合效率以及(ji)温度梯度。此外，他们还发现将天线侧壁做成楔形可以将热量汇聚于更小的区(qu)域，并且降低在激光加热瞬间近场换能(neng)器达到的峰值(zhi)温度，提升近场换能器的寿命。

图14 (a)利用表面等离(li)子体共(gong)振效应翻转纳米磁畴[36]；(b)不同组分的 10 nm GdFeCo合金薄膜的全光翻转相图(三角形(xing)区(qu)域代表翻转区域)[37]

5 总结与展望

随着(zhe)全球数据量的飞速增长，能量(liang)辅助磁记录取代传统磁记录成(cheng)为必然的趋势，那(na)么微波辅助磁记录和热辅助磁记录谁会成为未来主流大容量存储技术呢？事实(shi)上，两者都有着显著的优缺点。由于微波辅助磁记录技术不需要对现有硬盘产线进行(xing)大规模改动，因此其成本较低。但是另一方面(mian)，如(ru)前所述，为了在缩小记录单元尺寸的同时保证其热稳定(ding)性，厂商不得不选用具有(you)更高磁各向异性的材料作(zuo)为存储介质，意味着其本征进动频率越来越(yue)高。因(yin)此，自旋纳米振荡器产生(sheng)的微波磁场也(ye)必须有足够高的频率，这又依赖于磁头产生强磁场。所以微波辅助磁记录技术仍然有很大的局限性。而(er)对于热辅助磁记录技术而言，激光脉冲可以大幅度降低写入(ru)信息所需要的翻转场，因(yin)此这种技术彻底摆脱了磁记录对强翻转磁场的依赖，理论上可以实现(xian)更高的磁记录密度。然而，热辅助磁记录和传统磁记录非常不同，结构复(fu)杂，生产成本高昂。除此之外，激光脉冲会显著提升数据记录过程中盘片(pian)的温度，带来不稳定(ding)的因素。

图15 ASTC发(fa)布的硬盘存储密度发展路线图[38]

除了(le)能量辅助磁记录，近年来一些厂商还提出(chu)了一些(xie)新的存(cun)储方(fang)式比如(ru)叠瓦式磁记录、二维磁记录以及点阵式磁记录。这些技术手段在复杂程度和实现难度上低于能量辅助磁记录，可以在一定程(cheng)度上提升硬盘的存储密度。而能量(liang)辅助磁记录技术吸引人的地方在于它和这些(xie)技术相兼容，有望实现更高的存储密度。基于(yu)这一构想(xiang)，先进存储技术联盟(Advanced Storage Technology Consortium，ASTC)近期发布了硬盘存储密度路线图，如图15所示，HAMR+表(biao)示将热辅助磁计录(HAMR)和二维存储技术或叠瓦式磁记录技术相结合，理论上存储密度可(ke)以达(da)到5 Tb/in2。HDMR表示将HAMR和点阵式磁记录技术相结合，理论上可以将硬盘存(cun)储面密度提(ti)升至10 Tb/in2，将存储容(rong)量提升一个数(shu)量级。综上，为了实现高性能且稳定的数据记录，多技术融合(he)将是未来大容量存储器发展的必然趋势。硬盘存储密度的上限究竟在哪里？让我们拭目以待。

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