在過去50年的大部分時(shí)間里，硬盤的面密度——一個(gè)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(chǔ)工作的人都很清楚這個(gè)問題，但只是在過去一年左右的時(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)價(jià)值240億美元的行業(yè)，并為磁存儲(chǔ)技術(shù)未來十年的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。希望存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的公司確實(shí)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(chǔ)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(dòng)器，而西部數(shù)據(jù)承諾，MAMR驅(qū)動(dòng)器的容量將在今年晚些時(shí)候達(dá)到16 TB左右。西部數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)，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(shí)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(shí)間。

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

在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，電機(jī)以每分鐘5000至11000轉(zhuǎn)的速度轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)于如何改造該組件分歧嚴(yán)重。這個(gè)磁頭產(chǎn)生自己的磁場，當(dāng)需要寫入0或1時(shí)，會(huì)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(dòng)來讀取數(shù)據(jù)。

隨著時(shí)間的推移，設(shè)計(jì)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(chǔ)在磁盤的相同區(qū)域內(nèi)。但如果要存儲(chǔ)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(huì)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?yàn)樗鼈儫o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(shí)性地用一個(gè)有實(shí)效的量級(jí)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(huì)恢復(fù)對(duì)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(huì)加熱一個(gè)太大的點(diǎn)，導(dǎo)致其他顆粒也會(huì)翻轉(zhuǎn)。他們不得不以某種方式將激光的能量集中到一個(gè)比光束本身的波長更窄的區(qū)域上。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)這一過程的精密控制，研究人員制作了一個(gè)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(gè)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(gè)金屬盤為“棒棒糖”，因?yàn)樵谛螤钌纤褚粋€(gè)帶有伸向一側(cè)的短樁的圓形物。

當(dāng)光到達(dá)棒棒糖時(shí)，它會(huì)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(gè)小窄條上。這種放電會(huì)將磁盤加熱，在非常短的時(shí)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(gè)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(jí)主管Jan-Ulrich Thiele和他的團(tuán)隊(duì)很快就遇到了一個(gè)大問題:由黃金制成的棒棒糖的短樁一直在熔化。它會(huì)工作幾分鐘，然后變成一個(gè)小小的金色斑點(diǎn)，使驅(qū)動(dòng)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(gè)短樁就會(huì)消失。”

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(huì)熔化并從磁盤表面消失。圖片來源：希捷。

他回憶起時(shí)任首席執(zhí)行官的Steve Luczo在2012年使用原型HAMR 驅(qū)動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)器，并派了一名工程師陪同Luczo，這樣，如果第一個(gè)驅(qū)動(dòng)器（或第三個(gè)驅(qū)動(dòng)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(shí)那些驅(qū)動(dòng)器持續(xù)了大約10個(gè)小時(shí)。但它們的持續(xù)時(shí)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(shí)間，而你不知道你要用的那個(gè)能持續(xù)多長時(shí)間。”

為了讓HAMR的驅(qū)動(dòng)更加可靠，Thiele的團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)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(gè)HAMR磁頭可以寫入PB量級(jí)的數(shù)據(jù)而不會(huì)崩潰，希捷已經(jīng)制作了5萬多個(gè)HAMR驅(qū)動(dòng)器來完善這項(xiàng)技術(shù)。

但是，一些客戶可能會(huì)因?yàn)閾?dān)心熱量對(duì)磁盤的長期影響而回避這項(xiàng)技術(shù)。IDC的John Rydning表示：“大多數(shù)企業(yè)客戶可能會(huì)更喜歡MAMR技術(shù)。，他們對(duì)這種技術(shù)隨著時(shí)間的推移不太可能出現(xiàn)可靠性問題的信心略高一些，因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生那么多熱量。”

在傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動(dòng)器中，寫入元件產(chǎn)生一個(gè)磁場來翻轉(zhuǎn)顆粒并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。但在下一代驅(qū)動(dòng)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(huì)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(duì)于MAMR，由一個(gè)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）。“我們提出了一條平行路徑，但希捷堅(jiān)持認(rèn)為HAMR具有更長期的生存能力，這一點(diǎn)我們并不認(rèn)同。”西部數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)總部運(yùn)營的高級(jí)副總裁Thao Nguyen說。

就MAMR來說，讀/寫磁頭被修改為包括有一個(gè)稱為自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器的器件，該器件由至少兩個(gè)磁層組成。當(dāng)直流電通過第一個(gè)磁層時(shí)，電子的自旋就會(huì)極化。然后，電子通過第二個(gè)磁層，這一層被有意設(shè)計(jì)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(huì)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(dòng)。這個(gè)過程會(huì)發(fā)射出一個(gè)微波場，這個(gè)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(gè)磁場振蕩時(shí)，它會(huì)在下方磁盤上的一小片顆粒中激起類似的擺動(dòng)，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(duì)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(huì)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(chǔ)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(jì)算，一個(gè)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(dòng)器的容量。他說：“在我看來，這是沒有爭議的。頻率根本不是個(gè)問題。”

Nguyen說西部數(shù)據(jù)已經(jīng)注意到了實(shí)驗(yàn)性MAMR驅(qū)動(dòng)器的“其他效果”。他說，部分由于這些效果，公司已經(jīng)實(shí)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(jì)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(jì)劃，這在希捷總部引發(fā)了一系列活動(dòng)。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)。”

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(jì)，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(duì)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(shí)，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(huì)有明顯的優(yōu)劣之分。高級(jí)存儲(chǔ)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(gè)客戶交談過。我認(rèn)為公司要么會(huì)購買其中一種，要么兩種都購買。”

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(shí)，那些巨額賭注可能終于開始得到回報(bào)。