在過去50年的大部分時間里，硬盤的面密度——一個用以衡量工程師能在給定區(qū)域內(nèi)塞進(jìn)多少位數(shù)據(jù)的指標(biāo)——每年平均增長近40%。但最近，這一增長速率已經(jīng)放緩至10%左右。從事磁存儲工作的人都很清楚這個問題，但只是在過去一年左右的時間里，希捷和西部數(shù)據(jù)這兩家領(lǐng)先的硬盤制造商的高管才在如何解決這個問題上公開表露分歧。在2017年10月發(fā)布的一系列聲明中，西部數(shù)據(jù)承諾將于2019年開始銷售基于微波輔助磁記錄（MAMR）技術(shù)的硬盤驅(qū)動器，而希捷表示，到2020年，它將在市場上推出使用熱輔助磁記錄（HAMR）技術(shù)的硬盤驅(qū)動器。

如果一家公司的解決方案被證明是優(yōu)越的，那么它將重塑這個價值240億美元的行業(yè)，并為磁存儲技術(shù)未來十年的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。希望存儲大量數(shù)據(jù)的公司確實有其他選擇，但介于更快、更昂貴的基于閃存的固態(tài)硬盤和更慢、更便宜的磁盤之間的硬盤仍然是企業(yè)存儲需求的首選。

希捷現(xiàn)在的目標(biāo)是在2020年推出基于HAMR的20+TB硬盤驅(qū)動器，而西部數(shù)據(jù)承諾，MAMR驅(qū)動器的容量將在今年晚些時候達(dá)到16 TB左右。西部數(shù)據(jù)預(yù)計，MAMR硬盤的容量將迅速擴(kuò)大，到2025年達(dá)到40TB；而希捷認(rèn)為它可以通過HAMR實現(xiàn)類似的容量，盡管該公司尚未公開宣布達(dá)成該目標(biāo)的時間。

這兩家公司本質(zhì)上是從同一個地方起步的，它們的硬盤都有幾個關(guān)鍵組件。例如，磁盤是一個薄薄的盤片，上面覆蓋著由無數(shù)個顆粒組成的某種形式的磁性材料，每個顆粒沿某個特定的方向的磁化。一個簇中有十個左右的顆粒，它們的磁化方向相同，代表一個比特。

在驅(qū)動器內(nèi)部，電機(jī)以每分鐘5000至11000轉(zhuǎn)的速度轉(zhuǎn)動硬盤。懸在磁盤上方僅2納米處的是讀/寫磁頭，希捷和西部數(shù)據(jù)對于如何改造該組件分歧嚴(yán)重。這個磁頭產(chǎn)生自己的磁場，當(dāng)需要寫入0或1時，會用它來根據(jù)需要翻轉(zhuǎn)顆粒的磁化方向。磁頭上的傳感器通過測量磁盤上方的磁場波動來讀取數(shù)據(jù)。

隨著時間的推移，設(shè)計人員已使這些顆粒變得越來越小，從而允許更多的比特存儲在磁盤的相同區(qū)域內(nèi)。但如果要存儲下更多比特，這些顆粒必須變得非常小，以至于周圍的熱能可能導(dǎo)致它們自發(fā)地翻轉(zhuǎn)，從而擦去它們所保存的數(shù)據(jù)。

縮小的顆粒：五年前，磁盤上最小的顆粒直徑為9.5納米（左）。如今性能最好的磁盤上的顆粒只有7納米寬。隨著讀/寫磁頭技術(shù)的新發(fā)展，未來的磁盤將依賴于5.6納米的微小顆粒（右）。圖片來源：希捷。

為了防止這種擦除，制造商已經(jīng)開始使用新的材料（如鐵鉑合金）來制造帶有磁性“更硬”顆粒的磁盤，這種顆粒在室溫下不會隨便翻轉(zhuǎn)。不幸的是，這樣的改變也使得傳統(tǒng)的讀寫/磁頭無法翻轉(zhuǎn)顆粒，因為它們無法產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場并將磁場聚焦在如此小的區(qū)域上。

硬盤行業(yè)需要的是一種翻轉(zhuǎn)比以前更難以改變其磁化方向的顆粒的方法。這正是希捷和西部數(shù)據(jù)所說的它們已在開發(fā)的技術(shù)。

HAMR和MAMR都采用了一種簡單的策略：向硬盤上的目標(biāo)顆粒發(fā)射一些能量，你可以臨時性地用一個有實效的量級的外部磁場來翻轉(zhuǎn)它們的磁性方向。一旦能量消失，這些顆粒就會恢復(fù)對室溫下自發(fā)性翻轉(zhuǎn)的免疫力。

希捷的研究人員想要使用激光器的光，但是將激光直接照射到磁盤上會加熱一個太大的點，導(dǎo)致其他顆粒也會翻轉(zhuǎn)。他們不得不以某種方式將激光的能量集中到一個比光束本身的波長更窄的區(qū)域上。

為了實現(xiàn)對這一過程的精密控制，研究人員制作了一個裝有紅外激光器并可將它產(chǎn)生的一小部分光導(dǎo)向一個直徑僅為200納米的微小金屬盤上的磁頭。希捷的研究人員稱這個金屬盤為“棒棒糖”，因為在形狀上它像一個帶有伸向一側(cè)的短樁的圓形物。

當(dāng)光到達(dá)棒棒糖時，它會激發(fā)表面等離子體，這些等離子體是在大多數(shù)金屬的表面都能出現(xiàn)的具有振蕩密度的電子束。這些等離子體將能量傳遞給短樁，其特殊形狀為能量離開棒棒糖提供了阻力最小的路徑。

一旦進(jìn)入短樁，等離子體通過所謂的“避雷針效應(yīng)”將能量釋放到磁盤的一個小窄條上。這種放電會將磁盤加熱，在非常短的時間內(nèi)，讀寫磁頭產(chǎn)生的磁場可以改變小區(qū)域內(nèi)顆粒的磁化方向，然后磁盤中內(nèi)置的散熱層將能量帶走。

這個方案在早期的測試中運(yùn)作良好，但希捷公司的研發(fā)管理技術(shù)專家和高級主管Jan-Ulrich Thiele和他的團(tuán)隊很快就遇到了一個大問題:由黃金制成的棒棒糖的短樁一直在熔化。它會工作幾分鐘，然后變成一個小小的金色斑點，使驅(qū)動器不再有用。Thiele說：“我們也許可以寫半軌道數(shù)據(jù)，然后整個短樁就會消失?！?/p>

熔化：這組圖像顯示了“棒棒糖”（也稱為近場換能器）的短樁，它在希捷早期版本的HAMR技術(shù)中，它會熔化并從磁盤表面消失。圖片來源：希捷。

他回憶起時任首席執(zhí)行官的Steve Luczo在2012年使用原型HAMR 驅(qū)動器向華爾街分析師們做的一場令人神經(jīng)緊繃的演示。希捷運(yùn)去了一箱10個驅(qū)動器，并派了一名工程師陪同Luczo，這樣，如果第一個驅(qū)動器（或第三個驅(qū)動器）崩潰，工程師就可以迅速將其更換掉，從而演示可以繼續(xù)。Thiele說：“平均來說，那時那些驅(qū)動器持續(xù)了大約10個小時。但它們的持續(xù)時間差異很大——有些持續(xù)了10分鐘，而另一些持續(xù)了更長時間，而你不知道你要用的那個能持續(xù)多長時間?！?/p>

為了讓HAMR的驅(qū)動更加可靠，Thiele的團(tuán)隊重新設(shè)計了磁頭，以便更好地將多余的光和熱量引離棒棒糖，他們還改用了一種新材料，并使棒棒糖更厚。Thiele說，現(xiàn)在，一個HAMR磁頭可以寫入PB量級的數(shù)據(jù)而不會崩潰，希捷已經(jīng)制作了5萬多個HAMR驅(qū)動器來完善這項技術(shù)。

但是，一些客戶可能會因為擔(dān)心熱量對磁盤的長期影響而回避這項技術(shù)。IDC的John Rydning表示：“大多數(shù)企業(yè)客戶可能會更喜歡MAMR技術(shù)。，他們對這種技術(shù)隨著時間的推移不太可能出現(xiàn)可靠性問題的信心略高一些，因為它不會產(chǎn)生那么多熱量?！?/p>

在傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動器中，寫入元件產(chǎn)生一個磁場來翻轉(zhuǎn)顆粒并存儲數(shù)據(jù)。但在下一代驅(qū)動器中，顆粒太小而不能以這種方式翻轉(zhuǎn)。插圖：James Provost。

使用HAMR，來自激光器的一小部分光會激發(fā)“棒棒糖”上的表面等離子體，這些等離子體將能量傳遞給顆粒，使它們更容易用傳統(tǒng)磁場翻轉(zhuǎn)。插圖：James Provost。

對于MAMR，由一個稱為自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器的組件產(chǎn)生的微波場同樣可影響顆粒并使得它們能被翻轉(zhuǎn)。插圖：James Provost。

西部數(shù)據(jù)認(rèn)為，MAMR和HAMR一樣具有潛力，應(yīng)該在行業(yè)路線圖上占有一席之地（目前該路線圖上僅列有HAMR）?！拔覀兲岢隽艘粭l平行路徑，但希捷堅持認(rèn)為HAMR具有更長期的生存能力，這一點我們并不認(rèn)同?！蔽鞑繑?shù)據(jù)負(fù)責(zé)總部運(yùn)營的高級副總裁Thao Nguyen說。

就MAMR來說，讀/寫磁頭被修改為包括有一個稱為自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器的器件，該器件由至少兩個磁層組成。當(dāng)直流電通過第一個磁層時，電子的自旋就會極化。然后，電子通過第二個磁層，這一層被有意設(shè)計成具有相反的磁性排列。在第二階段，自旋極化的入射電子會影響磁層內(nèi)的那些電子，使其磁化方向發(fā)生輕微的變化，然后再穿過磁層到達(dá)另一側(cè)。

這種相互作用在第二磁層的電子磁矩中產(chǎn)生了擺動。這個過程會發(fā)射出一個微波場，這個微波場可以調(diào)諧到涂覆硬盤的磁性材料的共振頻率——約15至20千兆赫。當(dāng)這個磁場振蕩時，它會在下方磁盤上的一小片顆粒中激起類似的擺動，使它們更容易翻轉(zhuǎn)。

Nguyen聲稱MAMR的可靠性是HAMR的50倍。但希捷公司負(fù)責(zé)研發(fā)的副總裁Steve Hwang對這種自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器能否產(chǎn)生足夠高的、可以影響將來用于硬盤的更小的顆粒的頻率表示懷疑。

Hwang說：“MAMR充其量不過是一次性游戲。就面密度而言，它只會再向前推進(jìn)一代，或者可能兩代。”

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中心主任Jian-Gang (Jimmy)Zhu并不擔(dān)心MAMR的擴(kuò)展能力。根據(jù)他的計算，一個自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器可以產(chǎn)生高達(dá)40GHz的頻率，使MAMR能夠支持四到五倍于當(dāng)今驅(qū)動器的容量。他說：“在我看來，這是沒有爭議的。頻率根本不是個問題?！?/p>

Nguyen說西部數(shù)據(jù)已經(jīng)注意到了實驗性MAMR驅(qū)動器的“其他效果”。他說，部分由于這些效果，公司已經(jīng)實現(xiàn)了超出預(yù)期的能力。盡管他拒絕提供細(xì)節(jié)，但他預(yù)計西部數(shù)據(jù)將在一兩年內(nèi)在科學(xué)期刊上發(fā)表其研究結(jié)果。

西部數(shù)據(jù)于2017年10月宣布了其將MAMR商業(yè)化的計劃，這在希捷總部引發(fā)了一系列活動。Thiele說：“我們重新審視了所有的假設(shè)，然后說，‘他們很有可能制造出能夠正常工作的MAMR設(shè)備’。我們?nèi)匀徽J(rèn)為，憑借我們現(xiàn)有的資源，我們可以更快地前進(jìn)?！?/p>

Zhu的模型和理論工作為MAMR的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。他認(rèn)為，MAMR落后了一兩步，原因很簡單，據(jù)他估計，這些年來企業(yè)在開發(fā)HAMR上花費(fèi)了20多億美元，而到目前為止它們在MAMR上只花費(fèi)了1億美元。

最終，希捷和西部數(shù)據(jù)不需要說服對方，他們只需要說服客戶相信其技術(shù)是優(yōu)越的。與此同時，兩家公司都沒有把自己的賭注只押在一種技術(shù)上——希捷在繼續(xù)研究MAMR，而西部數(shù)據(jù)的Nguyen則聲稱其HAMR技術(shù)“與希捷的一樣先進(jìn)”。

兩種技術(shù)可能不會有明顯的優(yōu)劣之分。高級存儲技術(shù)聯(lián)盟（Advanced Storage Technology Consortium）創(chuàng)始人兼顧問Mark Geenen說：“我還沒有與完全只購買其中一種產(chǎn)品的任何一個客戶交談過。我認(rèn)為公司要么會購買其中一種，要么兩種都購買?！?/p>

目前，希捷和西部數(shù)據(jù)的工程師們正在埋頭苦干，努力在截止日期之間完善HAMR和MAMR，并設(shè)法確保這些新技術(shù)能夠在現(xiàn)有的生產(chǎn)線上可靠地大批量生產(chǎn)。當(dāng)每家公司發(fā)布其第一款產(chǎn)品時，那些巨額賭注可能終于開始得到回報。