【摘要】文章对硬盘涉及的几项关键技术：记录技术、盘片技术、磁头技术、安全存储技术作了总体介绍，并分别根据各项技术的发展进程，对不同发展阶段技术的基本原理、特性加以逐一介绍。
【关键词】记录技术 盘片技术 磁头技术 安全存储技术
硬盘从上世纪诞生至今已有五十多年的历史，由于它的大容量、高速度和低成本等特点，及其关键技术的不断创新，使得数据存储行业一直将其作为首选，并在与光存储和半导体存储的竞争中不断壮大。硬盘涉及的技术主要有：记录技术、盘片技术、磁头技术、安全存储技术、伺服技术、控制与接口技术、微电机技术、净化与防静电技术和精密机械技术等，本文将重点介绍其中几项关键技术。
1 记录技术
硬盘尺寸的减小是个循序渐进的过程，从早期的24"、14"升级到8"、5.25"，再发展到目前的3.5"、2.5"、1.8"和1"。随着硬盘尺寸的缩小，所有组件也都同步变小，在硬盘尺寸缩小到一定程度或者存储面密度提高到一定水平的时候，相应的读写记录方式也就随之进行了改进和创新，图1描述了硬盘记录技术的发展轨迹，从早期的纵向记录到现在的垂直记录以及今后将要采用的纳米洞记录、晶格介质记录和热辅助记录等。
◆纵向记录技术
多年以来，硬盘一直采用磁场的磁化方向与盘片表面平行的纵向记录技术（见图2）：磁化单元沿着盘片旋转的方向排列，磁极相邻，首尾相接顺序从磁头下方通过。整整一圈下来，就是一个磁道，盘片上的所有磁道都是同心圆。存储面密度的提高，就意味着代表每个数据“位”的磁单元和组成它的磁粒的体积（主要是在盘片表面上所占的面积）要相应减小，其所具有的能量自然随之下降，发展到一定程度之后，只需要很小的能量——譬如室温下的热能——就可以将磁粒翻转（磁单元保存的数据便被破坏），这就是所谓的“超顺磁性”效应（Super paramagnetic Effect）。为了避免磁粒在室温下自动反转磁路，可以使用具有高矫顽力（将其反转需要较多的能量）的材料作磁层以提高热稳定性，但这样又会给磁头正常的改写数据带来困难。
◆改进的纵向记录技术
由于超顺磁性效应的影响，即使硬盘处在正常的环境下，所保存的数据也会随着时间的推移而逐渐丢失。其实，超顺磁性效应对硬盘正常工作的影响并非最近才开始显现，2001年创新的AFC（Anti-Ferromagnetic-Coupled，反铁磁体耦合）介质就可以用来对抗超顺磁性效应。这种被称为Pixie dust（仙女之尘）的技术采用了一种“三明治”结构，即两个磁层中间夹着一层厚度只有3个原子左右的稀有金属（钌）层，上下两层对应位置的磁粒具有相反的磁路方向，彼此互相稳定。图3显示了传统磁介质与AFC磁介质的对比。RU layer即钌层，其所形成的夹层结构无疑比单纯增加磁层厚度更为有效。
◆垂直记录（PMR）技术
夹层结构在磁层厚度上做文章的思路很好，不过随着磁单元和组成它的磁粒在盘片上所占的面积越来越小，磁路方向上的长度也越来越短，保持稳定的难度与日俱增。因此，垂直记录技术干脆将对厚度的利用发挥到了极致：磁单元的磁路方向改变90°与平面相垂直（Perpendicular）（见图4）。这样，磁单元在盘片上所占的面积可以继续减小，而在磁路方向上的长度（已变成磁层厚度）却能够保持不变甚至适当增加，从而保证了热稳定性。垂直记录的磁头设计很巧妙：其信号极（Signal Pole）很窄，磁通量密度较高，足以使通过它下面的磁单元发生磁路反转；返回极（Return Pole）很宽，磁通量密度较低，因此它下面的磁单元是相当安全的。此外其下增加的软磁底层还有助于改善写入时的稳定性。垂直记录的另一个好处是，相邻的磁单元磁路方向平行，磁极的两端都挨在一起，虽然不像前述的夹层结构那样上下两层间形成反向耦合，但与纵向记录相邻的磁单元只在磁极一端相接的情况比起来，互相稳定的效果还是较为明显的。采用垂直记录技术的数据记录密度已可达到每平方英寸500Gb。但要把数据密度提高到每平方英寸1Tb以上，则需采用纳米洞（Nonohole）技术、晶格介质（Patterned Media）技术和热辅助磁记录（HAMR，Heat Assisted Magnetic Recording）技术。
◆纳米洞（Nano-hole）记录技术
具有纳米孔排列纹路的技术，成功地将每个独立的位元记录在纳米孔排列纹路的盘片上，而且达到将磁头飞行在旋转的磁片上，并且能对每一个纳米孔作基本的读写。具有纳米孔纹路的盘片是利用现有的加热技术，以纳米平板压印、阳性氧化物和钴电极形成100纳米间距密度的纳米孔纹路盘片，适合于现阶段垂直技术（PMR），并可更充分发挥PMR技术的优点，每平方英寸1Tb的密度将使双盘片的2.5寸硬盘轻松实现1.2TB的容量。
◆晶格介质记录（BPM）技术
在晶格化介质中，磁记录层是由高度统一磁岛的有序阵列组成的，每个磁岛都能够存储单个比特位的信息。晶格介质记录将引入新的工艺步骤，其中最重要的一步是纳米压印刻蚀（NIL，Nanoimprint lithography）。NIL在制造高密度磁性记录器件方面也具有很大的潜力。其中，研究人员在展望未来技术发展时指出，NIL与磁性颗粒自组装技术的结合有可能将存储密度提高到每平方英寸40Tb/以上。NIL技术是通过压模的方法实现纳米结构批量复制的，是公认的低成本、高分辨率、大面积图形加工技术。NIL包括以下几种技术：电子束直写技术（EBDW，Electron-Beam Direct Write）、聚焦离子束刻蚀（FIB）、扫描探针显微系统刻蚀（SPM）、紫外硬化压印光刻（UV-NIL）、热压印刻蚀（HE，Hot embossing lithography）和微米/纳米接触压印光刻（μ/n-CP）等。NIL技术发展非常迅速，目前已经可以达到分辨率小于10nm的水平。
◆热辅助磁记录（HAMR）技术
随着磁单元的进一步减小，必须要采用高矫顽力的材料做磁层，由于其非常难以写入，所以要在写入时用激光照射加热，写入线圈在高温的辅助下将磁路反转，即热辅助磁记录（HAMR）（见图5）。该技术是又一种具有潜力的下一代产品技术。该技术采用激光照射等手段将记录介质上一个非常小的区域瞬时加热，使其温度达到居里点附近，由于介质的矫顽力降低，容易用记录磁场相对较低的磁头在该位置记录一位信息。当热源除去以后，随着记录区域的冷却，该记录区域将很快恢复到原来的高矫顽力状态，所以该记录位将是非常稳定的。采用这种方法既可以克服高矫顽力介质记录的困难，又能改善信息位的热稳定性，从而获得非常高的面记录密度。用这种技术将显著提高硬磁盘的面记录密度，预计可以比现行面密度提高约两个数量级，达到每平方英寸50Tb。热辅助磁记录技术利用新的、非常难以写入的介质，这种介质往往可以更加稳定地写入数据磁介质。通过加热介质记录数据，利用热能简化数据的写入，但是在常温下存储和读取数据。与晶格介质类似，它可以将区域密度提高到每平方英寸Tb级别，并很可能与晶格介质配合使用。
2 盘片技术
硬盘盘片由底层、增生控制层、记录层、涂层和润滑层等构成（见图6），底层的材料目前主要采用铝材和玻璃，最新的研究方向是钢基材料，盘片的关键制造过程为基片研磨、基片抛光和盘片溅射。
盘基片加工技术的精细化是关系盘基片技术发展的重要因素。盘基片质量的主要技术参数有表面粗糙度Ra、波纹度Wa 、平面度等。其中，表面粗糙度是主要的技术参数。若设表面形貌构成为高斯分布，则盘基片表面粗糙度的大小决定着盘片磁介质层储存数据的密度和磁头在盘片表面上超低飞行的特性（2纳米）进而影响读写数据的性能。一个平整光滑没有任何表面缺陷的盘基片是磁层储存数据的基础。对于表面粗糙度越小的盘片，理论上其储存的数据密度会越高，也易于磁头以更高飞行速度读写数据。目前盘基片的加工精度已经小于0.1纳米级。
在垂直磁记录硬盘工业应用的短短三年时间，已经发展到第四代，单位面积存储密度从200Gb/平方英寸提高到每平方英寸500Gb。影响盘基片产品质量最重要的一个核心技术是化学机械抛光（CMP）工艺。CMP是化学腐蚀和机械磨削的复合，它借助纳米颗粒的研磨作用使被研磨的介质表面上形成光洁平坦表面。
此外，清洗工艺对盘片的表面质量也有重要影响。清洗工艺增加高频超声与兆声相结合的技术，在清洗时，溶液分子在高能声波的推动下作加速运动，最大瞬时速度可达到30cm/s。兆声波清洗抛光片可去掉盘片表面上小于0.2μm的粒子，选用不同的超声、兆声频率组合，对于清洗效果会有明显改善。
3 磁头技术
磁头是硬盘中对盘片进行读写工作的工具，是硬盘中最精密的部位之一。磁头是用线圈缠绕在磁芯上制成的（见图7）。早期的磁头是整体式的，后来发展了合成式，此后又经历了薄膜感应（TFI）磁头和各向异性（AMR）磁头的发展阶段，目前常用的是巨磁阻磁头（GMR）。
GMR磁头继承了TFI磁头和AMR磁头中采用的读/写技术。但它的读磁头对于磁盘上的磁性变化表现出更高的灵敏度。GMR磁头是由4层导电材料和磁性材料薄膜构成的：一个传感层、一个非导电中介层、一个磁性的栓层和一个交换层。GMR传感器的灵敏度比AMR磁头大3倍，所以能够提高盘片的密度和性能。垂直记录使磁头的写入部分构造改变较大，但读取部分现在仍可以用CIP（Current-in-Plane，电流方向在平面内）模式的GMR读取头，是否需要改用TMR（Tunnel Magneto-Resistance，隧道磁阻）或CPP（Current-Perpendicular-to-Plane，电流方向垂直于表面）模式的GMR读取头主要取决于存储面密度的发展。
此外磁头的起停技术也是硬盘可靠工作的关键，早期的磁头是停放在盘片上的，在记录密度不高和磁头飞行高度不低的情况下是可以的。但是随着飞行高度的减低，磁头和盘片的表面更加“光滑”, 这种方式带来了一个磁头与盘片“粘连”的问题。为了解决这个难题，人们提出了两种解决方案：其一是在盘片的内道，设立一个“停车区”，此区域被故意制造的“粗糙”一些，以此解决了“粘连”的问题，但却浪费了一定的存储面积，同时也阻碍了飞行高度的降低和存储容量的提升；另一种方式是将磁头完全从盘片上移出来，只有当盘片的转速达到额定的要求后，才让磁头“飞”进来，这种技术称为“神奇飞机头”（ LOAD/UNLOAD）起停技术，该技术完全解决了粘连问题，同时又不占用盘片的有效数据存储空间，还可以降低头盘飞行间隙，从而大大提高记录密度和硬盘的可靠性。
4 安全存储技术
在当今高度信息化的时代，一方面数据信息量快速增长，另一方面，病毒感染破坏、有害黑客攻击、非法浏览与篡改等对信息安全的危害让人防不胜防，计算机的信息安全成为关乎国家安全、社会稳定的重大课题。硬盘是电脑上数据的存储中心，在数据资料越来越重要的今天，这些数据信息一旦丢失、被篡改或遭窃取，将给信息的拥有者带来不可估量的损失。因此，在信息系统中，数据信息的安全存储，是保护数据的最后一道防线，也是最关键的一环。
安全存储技术采用专用的SoC，通过内置专用固件实现了用户身份认证、全盘数据加解密、多用户引导、信息备份和即时还原五种技术的集成。
◆身份认证技术
专用芯片SoC对应唯一的64位注册码（例如：制作过程中的光刻码），注册码用于系统对芯片的识别和审计。存储介质划分为程序区和数据区，程序区的内容，在用户计算机上只能读取和运行，不能进行任何写入操作，芯片管理所需要的软件，如：安全中间件、驱动程序存放在程序区，防止被用户误删和病毒感染。硬盘连接电脑后可以自动连接到指定的登录页面，用户输入PIN码后方可使用。新的技术采用软硬件结合的方式实现了存储设备自身的审计功能。在不需要加载任何驱动或代理软件的情况下，芯片能自动采集主机信息（如主机名、用户名、MAC地址等）、文件读写信息以及时戳等关键数据形成日志，并可按用户定制的策略将日志实时保存到存储介质中或发送到管理服务器。从而扩展了基于主机的数据安全防护功能，真正有效保证了存储介质在开放环境中的安全使用。
◆全盘数据加解密技术
采用专用加密芯片和控制芯片，支持可配置的加密模块（如AES128/256、3DES等），对数据进行加密保护（见图8）。用户可以更改文件加密的密钥，定期更改密钥以增强文件加密的安全性。提供数据自锁功能，当口令尝试次数达到用户设定阈值时，存储数据将自动锁定，防止非法用户口令暴力破解。
◆多用户引导技术
完全硬件设计的“个人电脑数据防火墙”可以配置成单引导，双引导或者三引导驱动器，每个引导盘可以安装各自的操作系统和用户验证密码，多用户引导是安全硬盘的内建的基于硬件控制的一个功能，且并不需要任何驱动程序或软件支持。在配置安全硬盘时，用户可以选择配置多用户引导并设定其容量大小、开启/关闭加密功能等等，另外每个引导盘和其它引导盘之间是独立的，使用此引导盘的用户无法访问其它引导盘上的任何内容，如有特别需要及应用，可以提供最多十个引导盘，配合单向式多网过滤技术，能够实现多网隔离功能。当电脑处于上网状态，黑客高手可能进入到本地计算机窃取数据时，本项功能在正常使用下，能有效防止黑客闯入窃取数据。
◆信息备份技术
安全硬盘在初次安装系统软件和应用软件的时候，可以通过“灵活保护模式”中的“备份主存储区”指令，把工作区内的所有内容永久保留下来，并存储在隐藏保护区内，本技术与磁盘阵列中的镜向技术类似。同样，本功能也可以在系统运行一段时间后，新的程序或数据需要永久保存时发挥作用。
◆即时还原技术
即时还原技术使用户可以自动或手动还原全部引导盘的内容至上次保存时的状态，这个功能特别适合于公用计算机。如果采用了还原技术，则安全硬盘将会有三个可选的工作模式。在安装模式下，安全硬盘如同普通存储器。所有写入的数据都将会被保存到主存储区。在标准保护模式下，所有对数据的更改在下次启动时都将被自动清除。也就是说，引导盘每次重启将会自动恢复原状。而灵活保护模式则是专为用户手动还原系统而设计的。★
【作者简介】
邓德新：毕业于华中工学院计算机外设专业，现为深圳易拓科技有限公司总裁助理。主要从事硬盘生产，磁盘控制芯片（SoC）设计以及安全存储和视频存储技术研究。主持“软磁盘机及软磁盘片系列”项目获国家级科技进步二等奖，参与研发“GStor安全存储器”项目获中国电子科技进步奖和深圳市科技创新奖。