硬盘技术纵横谈磁头篇
作者：木 林 来源：湖湘职业技术培训学校 日期：2010-08-26
随着科技进步，电脑发展越来越快，几十年来硬盘作为存储介质的中坚力量，无论从容量还是性能方面都有了翻天覆地的变化，但现在它在个人电脑中必要存储设备的地位依然是不可动摇，在任何个人电脑系统中，硬盘都是最重要的部件之一。目前它也是用户存储数据的主要场所，平时我们所使用的操作系统、应用软件、游戏及其它重要数据等都是存储在硬盘中。
随着电脑中其它配件日新月异，硬盘中出现的新技术也越来越多，看着自己捉襟见肘的硬盘，你对它到底了解多少呢？特别是对现在硬盘中采用的新技术有多少认识呢？这些新技术对于最终用户带了那些方面的好处，用户在应用这些结合有新技术的硬盘时又该注意那些问题呢？在此《硬盘技术纵横谈》专题中，笔者就将就此进行深入探讨。
总的来说，当今硬盘使用的新技术包括硬盘磁头技术、盘片技术、接口技术、数据保护技术、震动保护系统和各类检测技术等。在这些新技术中，不乏有一些技术是在原有技术的基础上优化更新推出的新版技术，例如Data Lifeguard(Enhanced)、ShockBlock(Enhanced)、SeaShield(Enhanced)等。当然，也有一些新技术是完全新创的，例如IBM公司推出的AFC盘片技术和刚刚走近我们的Serial ATA（串行ATA）接口技术。
硬盘磁头技术，顾名思义，就是争对硬盘读写磁头方面的新技术，更好的磁头最明显的一点就是具有更高的读写灵敏度，因此能大幅提升硬盘的单碟容量，单碟容量上去了，硬盘的总容量自然会有提高。这在现在数据急剧膨胀的信息时代，用户对硬盘容量的要求当然是越大越好。硬盘盘片技术，也就是硬盘磁盘片所使用的新技术，更好的硬盘盘片技术最直接的好处也是硬盘的单碟容量可以做的更大，它是与硬盘磁头技术是相辅相成的。
而对于硬盘数据保护技术和震动保护系统都是作为硬盘的辅助性技术，这些技术虽然不能对硬盘容量或性能产生直接的影响，但它们也是不可或缺的，想像一下，当硬盘数据传输率做的越来越高时，靠什么保障数据在高速传输过程中不发生错误或丢失呢？或者硬盘在强烈震动中，又如何保障用户数据的安全性和可靠性呢？这些都是硬盘数据保护技术和震动保护系统所应该做的。硬盘失去了这些辅助性的保护技术是不可想像的。
一切从“头”开始GMR巨磁阻磁头
正如的标题所说明的，硬盘磁头对硬盘是至关重要的，目前市面上的硬盘几乎都在使用GMR磁头，而早些时候，硬盘磁头有薄膜感应（FEI）磁头、各向异性磁阻（AMR）磁头和MR磁阻磁头。此外，除了以上介绍的这四种磁头外，我们还看到了关于CPP-GMR和OAW磁头的相关资料，不过并没有听到使用这些磁头技术的相关产品出现，可能这些都是各厂商的技术储备，也可能是一些不成熟的过旧技术。
GMR(Giant MagnetoResistive)
存储业界一直无休止地探索如何提高面密度和降低每兆字节的价格，其成果就是面密度每年提高50%左右。在这个征途中，最近发明的新技术——巨磁阻（GMR）磁头树起了显赫的里程碑。例如应用于希捷公司Barracuda ATA 硬盘的GMR磁头使面密度超过15Gbit/平方英寸，是现在读/写磁头技术达到的面记录密度的3倍以上。事实证明，GMR传感器是迄今为止从硬盘读取数据的最灵敏元件。
面密度是每英寸磁道上的位数乘以每英寸的磁道数。为了提高面密度，在过去10年中，磁头技术经历了3个重要的发展阶段。它们是：
<> 薄膜感应（FEI）磁头
<> 各向异性磁阻（AMR）磁头
<> GMR
在1990年至1995年间，硬盘采用TFI读/写技术。TFI磁头实际上是绕线的磁芯。磁盘在绕线的磁芯下通过时会在磁头上产生感应电压。TFI读磁头之所以会达到它的能力极限，是因为在提高磁灵敏度的同时，它的写能力却减弱了。
90年代中期，希捷公司推出了使用AMR磁头的硬盘。AMR磁头使用TFI磁头来完成写操作，但用薄条的磁性材料来作为读元件。在有磁场存在的情况下，薄条的电阻会随磁场而变化，进而产生很强的信号。硬盘译解由于磁场极性变化而引起的薄条电阻变化，提高了读灵敏度。AMR磁头进一步提高了面密度，而且减少了元器件数量。由于AMR薄膜的电阻变化量有一定的限度，所以AMR磁头的灵敏度也存在极限。这导致了GMR磁头的研发，而GMR磁头是IBM公司在MR磁头技术的基础上更新推出的。
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传感器的灵敏度比AMR磁头大3倍，所以能够提高硬盘的面密度和性能。GMR磁头工作原理是依赖于自旋的电子散射。为了说明GMR磁头的工作过程，引入了自旋阀（SV）这个术语。下面如表1 所示就是GMR读磁头薄膜结构。
这种结构使自由层的磁化角度（自旋）的变化转变成电阻值的变化和电压输出的变化，所以称之为自旋阀。为了可靠稳定的工作，这些1.5纳米厚的薄层（头发丝直径为10万纳米）必须有很高的晶体质量和极少的物理与磁性缺陷，否则就难以承受严酷的硬盘工作温度条件。
CPP-GMR和OAW磁头
CPP-GMR
CPP-GMR磁头，中文全称即垂直平面电流模式的大型抗磁化磁头，它是日本计算机制造商富士通公司开发出了一种新型读写磁盘磁头技术。使用这一技术的硬盘驱动器的记录密度可高达每平方英寸300GB。硬盘记录密度的增加将提高笔记本电脑和桌上型电脑的存储容量，而价格只是略有上升。
富士通公司表示，目前2.5英寸硬盘的每个磁盘片存储容量为30GB，如果这一新型磁盘技术在2到4年内实现商业化，那么将使得每个磁盘片的存储容量提高到180GB，即是目前每个磁盘片容量的3倍。与现有的GMR磁头相比，这一突破性的新型磁盘磁头对信号更为敏感，而且读写数据的紧凑程度是现有GMR磁头的三倍。富士通公司预计在两年内实现商业化生产基于这种CPP-GMR磁头的驱动器，主要用于PC和笔记本电脑中，尤其是用于期待市场繁荣的基于驱动器的消费电子产品中，如游戏控制台和个人视频录像机等。
据富士通公司介绍，高容量的2.5英寸硬盘驱动器最终将取代笨重的3.5英寸硬盘驱动器。根据国际磁盘驱动器设备制造商协会（IDEMA）的统计，在过去的十几年中，磁盘存储容量的提高甚至要快于数据处理能力的提高，但制造商却发现很难把自己的专门技术转化为实际利益。硬盘存储价格已经从1988年的每兆字节11.54美元降到了目前的每兆字节1美分，而独立的硬盘制造商数量也从原来的75个减少到了目前的13个。
OAW
OAW英文全称是英文Optically Assisted Winchester，即光学辅助温氏技术。该技术是Seagate正在开发的一种新型磁头技术，它把传统的磁读写头和低强度激光束结合在一起，激光束通过光纤进入磁头，再通过一个微电机驱动的镜子反射到磁盘表面，从而实现磁头的精确定位。希捷公司认为OAW技术能够在1英寸宽的范围内写入多于105000个磁道，硬盘单碟容量可达36GB以上，但该技术要进入实用阶段还需二三年的时间。不过，现在硬盘的单碟容量已经达到了80GB，因此看来，OAW这项技术的市场前景不容乐观。
总之，磁头技术与硬盘单碟容量是息息相关的，只有更加先进的磁头技术，才可能有更加敏感的磁头部件，从而使更高容量的硬盘问世。