磁記錄是利用磁的性質(zhì)進行信息的記錄的方式。在存儲和使用的時候通過特殊的方法進行信息的輸入和讀出，從而達(dá)到存儲信息和讀出信息的目的。
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當(dāng)今世界正處于數(shù)據(jù)大爆炸的時期。據(jù)IDC預(yù)測，截至2025年，全球數(shù)據(jù)增量將從2020年的64ZB增加到近180ZB（1ZB等于1萬億GB）。越來越多的大公司正在將大數(shù)據(jù)提煉為洞察信息，并利用這些信息做出了更好的決策，從而在全球范圍內(nèi)取得市場成功的同時獲取更多的利潤。因此，機械硬盤必須通過不斷提高數(shù)據(jù)存儲的能力來滿足全球增長的數(shù)據(jù)。
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在這180ZB的數(shù)據(jù)增量中，其實只有很小一部分需要長周期存儲。大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是基于既定目的，用后即棄。有些數(shù)據(jù)則會短期保留至毫無用處之后，被新數(shù)據(jù)覆蓋。當(dāng)然，還有相當(dāng)一部分特定類型的數(shù)據(jù)是需要保留數(shù)年或數(shù)十年之久的。
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這些多樣化的數(shù)據(jù)存儲需求會給云服務(wù)提供商、企業(yè)和消費者的數(shù)據(jù)存儲帶來極大的困難。為應(yīng)對這種情況，機械硬盤（以下文中簡稱硬盤）必須提高存儲效率和容量。這是整個硬盤發(fā)展歷史上最振奮人心的時刻，引入了多種存儲技術(shù)和磁記錄格式，持續(xù)解決了業(yè)界所面臨的各項挑戰(zhàn)。
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01 提升硬盤容量
存儲單位磁密度（ADC）
存儲單位磁密度（以下文中簡稱磁密度）是指磁盤表面每平方英寸可存儲的數(shù)據(jù)量，通常以Gb/in2或Gbits/in2表示。它是驅(qū)動硬盤容量增長的核心因素。
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有很多種方法可以提高硬盤的容量，如采用更大物理尺寸的驅(qū)動器可使用更多或更大的磁碟（例如2.5”盤vs3.5”盤，或增加垂直高度如7mmvs15mm的2.5”硬盤），在不增加磁密度的情況下提高硬盤的容量。增加硬盤內(nèi)碟片的周長也可以獲得更多的物理面積來存儲數(shù)據(jù)（例如將3.5”硬盤碟片的直徑從95mm增加到97mm）。雖然可以通過增加碟片數(shù)量提高硬盤的容量，但這是有物理空間限制的。隨著時間推移，增加磁密度已成為提高硬盤容量的最重要的驅(qū)動因素。
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圖1中顯示了用于確定和衡量磁密度的兩種關(guān)鍵參數(shù)：每英寸磁道數(shù)（TPI）和每英寸位磁比特（BPI）。如圖所示，磁碟的存儲介質(zhì)上由很多同心圓磁道組成，每根磁道的磁軌都有固定的寬度，相鄰磁道的中心間距叫磁道間距。若以更緊密的方式排列磁道，減小磁道間距，可以增加TPI，從而提高磁密度。
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同樣，磁比特是分布在磁道上的最小磁紋理，磁比特紋理的寬度為磁道的寬度，長度為讀磁頭能夠成功識別單一數(shù)值所需的最小距離。磁比特紋理沿磁道圓周依次排列。縮短磁比特紋理的長度可以增加BPI，從而提高磁密度。
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TPI和BPI的提升本質(zhì)上是通過改變磁記錄的格式實現(xiàn)的。具體就是在磁碟介質(zhì)上使用更有效的磁比特排列方式，以及通過調(diào)整磁頭和磁碟介質(zhì)的磁性能等技術(shù)，從而縮小磁比特的實際物理尺寸。
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02磁記錄格式
物理/邏輯扇區(qū)大小
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對于早期的硬盤，并沒有標(biāo)準(zhǔn)化的扇區(qū)大小。硬盤只是一個簡單的物理設(shè)備，硬盤控制邏輯存在于硬盤之外的主機中。扇區(qū)的字節(jié)數(shù)取決于硬盤制造商、操作系統(tǒng)或主機上的應(yīng)用程序，并且由主機負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)完整性的錯誤檢測和糾正機制。上世紀(jì)80年代，西部數(shù)據(jù)成功研發(fā)了電子集成驅(qū)動器（IDE）接口，將磁盤控制器從物理上移到了硬盤內(nèi)部。并據(jù)此創(chuàng)建了用于主機與硬盤交互的標(biāo)準(zhǔn)化命令集。該指令集將邏輯扇區(qū)長度定義為512字節(jié)（1字節(jié)=8比特）。
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512字節(jié)的扇區(qū)之外還需要一些額外的物理存儲空間，用于存儲額外的信息包括ECC糾錯碼（用于校驗是否正確的讀取了扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)）。隨著磁密度的提高，磁比特物理尺寸越來越小，數(shù)據(jù)讀取難度加大，讀取錯誤變得更為常見了。為了識別和糾正讀取錯誤，ECC算法隨著時間的推移不斷地改進，變得越來越強大。
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隨著ECC算法性能和復(fù)雜度的提高，硬盤制造商決定將物理扇區(qū)的大小從512字節(jié)增加到4096字節(jié)（以下簡稱4KB），從而提高效率。圖2中顯示了采用1個4KB扇區(qū)是如何小于8個512字節(jié)扇區(qū)總長度的，這提高了存儲格式效率--硬盤總?cè)萘颗c用戶數(shù)據(jù)的比率。本質(zhì)上來說，可通過簡單地增加扇區(qū)中位比特數(shù)量來“免費”地提高硬盤的磁密度。4KB物理扇區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)完成于2005年，并且于2011年正式推向市場。
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當(dāng)然，沒有東西是完全免費的。為了匹配硬盤的4KB邏輯扇區(qū)這項變革，所有主機軟件都需要重寫，這是理想情況雖然實際上不可行。基于4KB物理扇區(qū)的硬盤需要與基于512B扇區(qū)的主機、操作系統(tǒng)和軟件生態(tài)系統(tǒng)向上兼容。因此4KB物理扇區(qū)的硬盤要具備模擬512B邏輯扇區(qū)的能力。并且主機軟件需要在寫入數(shù)據(jù)的時候做好4KB物理扇區(qū)和邏輯扇區(qū)的邊界對齊，否則硬盤將被迫進行“Read-Modify-Write”操作，這樣會嚴(yán)重影響磁盤的性能。
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圖3中概述了三種描述邏輯和物理扇區(qū)格式的方式。部分傳統(tǒng)硬盤和低容量硬盤繼續(xù)保持著512B物理扇區(qū)大小。由于物理和邏輯扇區(qū)的大小相同，這類硬盤被稱為512n（n=native）硬盤。隨著大多數(shù)高容量硬盤切換到4KB物理扇區(qū)，由于許多老舊的主機應(yīng)用程序無法適配4KB邏輯扇區(qū)，因此帶來了很多問題。通過對存儲生態(tài)進行必要的改造，包括讓主機能夠讀寫512e（e=emulation）硬盤，由于該類硬盤物理扇區(qū)是4KB但可以模擬512B邏輯扇區(qū)，因此主機能夠在使用512B邏輯扇區(qū)的同時，將其寫入內(nèi)容與4KB物理扇區(qū)邊界對齊，從而避免進行“Read-Modify-Write”操作。目前，很多新的主機軟件已經(jīng)能夠通過支持512e使用4KB物理扇區(qū)的硬盤，并且不會有任何性能損失。另外，確實已經(jīng)有一些主機應(yīng)用程序完全切換到了4KB邏輯扇區(qū)。用于這些應(yīng)用程序的硬盤稱為4Kn（n=native）硬盤，其邏輯和物理扇區(qū)大小均為4KB。目前，市面上512n、512e和4Kn三種硬盤是共存的狀態(tài)，型號和容量略有不同。
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03 磁道布局
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將數(shù)據(jù)寫到磁碟上和從磁碟中讀取數(shù)據(jù)所采用的物理機制和結(jié)構(gòu)是不同的。簡單說，讀磁頭比寫磁頭窄，這意味著基于寫磁頭而設(shè)定的磁道寬度某種程度上犧牲了磁密度。
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硬盤傳統(tǒng)的架構(gòu)是基于寫磁頭的寬度，而寫磁頭的寬度是磁道間距的決定因素。圖4顯示了同心環(huán)磁道的寬度為寫磁頭的寬度，不同磁道間還會設(shè)有保護帶，以避免相鄰磁道干擾。這種記錄格式之前習(xí)慣上被稱為垂直磁記錄（PMR），但隨著下面將要介紹的疊瓦磁記錄格式的引入，現(xiàn)在通常用傳統(tǒng)磁記錄（CMR）來表示。由于CMR的保護帶以及讀寫磁頭的天然寬度差異會造成空間浪費，因此它并不是最有效的硬盤磁片空間利用方式。CMR的優(yōu)點是系統(tǒng)可以隨意更改任何獨立的扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，即所有數(shù)據(jù)都可以被原地改寫，這得益于磁道之間保護帶的存在。CMR格式下，每個數(shù)據(jù)塊都有對應(yīng)的邏輯地址（L.BA），該邏輯地址出廠時就會映射到一個預(yù)設(shè)的物理地址，當(dāng)然也有一些特殊的例外情況。CMR格式已經(jīng)被采用了幾十年了，因此這種格式的硬盤性能可預(yù)期的范圍已經(jīng)為用戶所熟知。并且操作系統(tǒng)、軟件和評測工具的性能設(shè)定通常是基于CMR硬盤進行開發(fā)的。
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利用讀、寫磁頭的寬度差異，可以最大程度地提升磁密度。具體來說，讓寫磁頭對應(yīng)的寫磁道部分重疊，并確保非重疊部分的寫磁道略寬于讀磁頭加上保護帶的寬度，那么新的磁道間距將比CMR緊湊許多。這種結(jié)構(gòu)有些類似于屋頂上瓦片的疊放方式，因此被稱為疊瓦式磁記錄（SMR）。如果要修復(fù)某個屋頂上疊放的瓦片，那么必須將其上方的瓦片掀起才可以修復(fù)單個瓦片。SMR硬盤也是類似的概念，無法在不損壞重疊磁道的情況下改寫現(xiàn)有數(shù)據(jù)，如圖5所示。SMR會將硬盤碟片物理上劃分成了很多小塊分區(qū)（Zone），每個Zone的大小有數(shù)百兆字節(jié)，如需改寫某個Zone內(nèi)的某個扇區(qū)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，則需對整個Zone從頭進行覆蓋寫入，直至目標(biāo)扇區(qū)位置的數(shù)據(jù)被改寫。
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從性能的角度來看，這樣做是非常不劃算的，所以改寫單個扇區(qū)數(shù)據(jù)的典型做法將是將數(shù)據(jù)寫入新的物理扇區(qū)，并將舊物理扇區(qū)的位置標(biāo)記為廢棄，同時將舊物理扇區(qū)之前對應(yīng)的邏輯扇區(qū)重映射到新物理扇區(qū)的位置。因此，SMR的數(shù)據(jù)的組織方式需要確保數(shù)據(jù)塊的邏輯地址與其物理位置之間沒有任何預(yù)設(shè)的映射關(guān)系，即保持一種動態(tài)映射關(guān)系。這與固態(tài)硬盤（SSD）的架構(gòu)非常相似，其在寫入新數(shù)據(jù)之前必須先對寫入目標(biāo)區(qū)域進行塊擦除操作。SMR和SSD都會采用多種相同的管理技術(shù)，例如垃圾回收。
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業(yè)界共有兩類SMR硬盤，如圖6所示。第一種是硬盤自身管理的疊瓦盤（DM-SMR），其在主機上會被識別為傳統(tǒng)硬盤設(shè)備，硬盤內(nèi)部的固件用于管理邏輯地址和物理地址映射表以及垃圾回收等后臺活動。DM-SMR硬盤通過被主機系統(tǒng)認(rèn)為是CMR盤實現(xiàn)向上兼容。第二種是分區(qū)存儲硬盤，也稱為主機管理的疊瓦盤（HM-SMR）。HM-SMR硬盤會被主機識別為一種新設(shè)備類型，并且需要一套新的命令集支持才可以訪問。SATA接口的HM-SMR指令集叫ZAC， SAS接口的HM-SMR指令集叫ZBC。其實分區(qū)存儲概念也已被用于SSD，該類SSD采用的標(biāo)準(zhǔn)叫ZNS（Zoned NameSpace） NVMe?標(biāo)準(zhǔn)。要使用HM-SMR硬盤，主機系統(tǒng)需要預(yù)先了解SMR盤的磁記錄結(jié)構(gòu)，并支持相應(yīng)的指令集。因此操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和軟件應(yīng)用程序都要進行SMR友好化改造。DM-SMR盤最適合用于PC個人電腦系統(tǒng)，或某些工作負(fù)責(zé)強度不大并且可以確保磁盤有足夠空閑時間做后臺整理操作的場景。由于HM-SMR盤需要對主機系統(tǒng)寫盤軟件進行大規(guī)模改造，分區(qū)存儲設(shè)備最適用于企業(yè)和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用場景，因為這些應(yīng)用場景中的軟件堆棧和應(yīng)用程序可以專為分區(qū)存儲的管理而調(diào)整/優(yōu)化。
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隨著硬盤容量的不斷提高，SMR技術(shù)將會作為提高磁密度的有效方式之一。如需更廣泛的使用HM-SMR疊瓦盤，則要進行大量的軟件適配工作，這一點與之前4KB物理扇區(qū)的變革非常相似，目的就是享受SMR盤帶來的更高磁密度紅利的同時，確保其使用性能不下降。通過針對這些軟件的適配和優(yōu)化，可以賦能HM-SMR盤為更多應(yīng)用場景提供所需的額外能力，諸如更大容量，更高性能。
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04 磁記錄技術(shù)
磁比特的方向
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在2006年， 硬盤磁記錄技術(shù)取得了一項重大進步， 即從縱向磁記錄（LMR）到垂直磁記錄 （PMR）的演變。LMR的磁比特方向是沿著磁道表面平鋪在介質(zhì)上， 情況類似于端對端水平放置的條形磁鐵，磁比特的南北極沿磁道方向環(huán)形平鋪排列。這種方式會占用很大的盤片面積， 因此，LMR的磁密度上限只能做到每平方英寸100Gb左右（1 00Gb/in2）。
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PMR的磁比特方向是南北極垂直于碟片表面，類似于像多米諾骨 牌一樣垂直擺放的條形磁鐵的樣子。因為只有磁比特的一極露出在磁碟表面， 這會大大節(jié)省物理空間，顯著提高 了磁密度。因此PMR技術(shù)可明顯增加BPI。
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隨著存儲技術(shù)的飛速發(fā)展， 這項2006年就引入的PMR技術(shù)始終在發(fā)揮著非常基礎(chǔ)的重要作用，本文中討論的所有其他新的磁記錄技術(shù)都?xì)w屬于PMR技術(shù)的分支。諸如CMR、SMR以及能量輔助磁記錄技術(shù)如ePMR、?MAMR和HAMR都是以PMR技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來的，因為， 這些新技術(shù)都采用了PMR所固有的垂直方式的結(jié)構(gòu)。
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05 進一步提高磁密度的三角困境
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為實現(xiàn)更高的磁密度，需要平衡多種相互制約的因素，稱之為三角困境：
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·?如需提高磁密度，必須在確保信噪比（SNR）在可接受范圍內(nèi)的同時，縮小磁比特的物理尺寸。若做到了這些，那么翻轉(zhuǎn)磁性所需的能量也會減少，因此磁比特更容易被非預(yù)期的能量引起翻轉(zhuǎn)，從而意外改變數(shù)據(jù)。因此，為防止包括熱能在內(nèi)引起的磁性意外翻轉(zhuǎn)，必須采用更高磁阻的介質(zhì)材料。
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·?磁比特的大小取決于寫磁頭的大小，縮小寫磁頭尺寸可以得到較小物理尺寸的磁比特，然而較小的寫磁頭所產(chǎn)生的寫磁場也較弱。如果需要在高磁阻介質(zhì)上寫入數(shù)據(jù)，則必須使寫磁頭可以產(chǎn)生足以克服更高磁阻介質(zhì)的磁場。為提高寫磁頭的磁場強度，需要重新設(shè)計寫磁頭的幾何結(jié)構(gòu)，增加寫磁頭材料的磁矩，并使寫磁頭寫入數(shù)據(jù)的時候的飛行高度更加貼近磁碟表面介質(zhì)。
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使用傳統(tǒng)的磁記錄技術(shù)，該三角困境越來越難以解決。磁頭的飛行高度已經(jīng)接近極限，寫磁頭的幾何形狀難以進一步優(yōu)化，并且已經(jīng)使用了已知的具有最高磁矩的材料。更糟糕的是，進一步增加磁介質(zhì)的磁阻似乎已經(jīng)不是一個選項，因為在沒有額外寫入場強加持的情況下，信噪比會太低。
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06 能量輔助磁記錄技術(shù)
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要應(yīng)對該三角困境帶來的挑戰(zhàn)，有兩種選擇。第一個是找到方法來施加額外的能量以改變磁寫頭的行為，使其所產(chǎn)生的磁場變得更強或更恒定。如果使場更強或更恒定，就能夠采用更高磁阻的磁介質(zhì)，并且可以使磁比特更小。西部數(shù)據(jù)公司的能量輔助PMR（ePMR）技術(shù)就使用了這一方法。第二種方法是施加額外的能量在寫入數(shù)據(jù)的時候臨時降低磁介質(zhì)的磁阻，讓使用傳統(tǒng)的磁場強度更容易寫入磁比特。目前已經(jīng)有兩種公認(rèn)的方法來做到這一點，分別是微波輔助磁記錄（MAMR）和熱輔助磁記錄（HAMR）。兩者都允許使用更高磁阻的介質(zhì)，從而生成更小尺寸的磁比特，增加磁密度。
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07 ePMR
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西部數(shù)據(jù)目前采用的ePMR技術(shù)，如圖8所示，通過在寫入端施加一個直流偏置電流，該電流會產(chǎn)生一個額外的磁場，該磁場則會為寫磁頭引起的磁性翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個優(yōu)選路徑。該優(yōu)選路徑提高了寫磁場磁力線在磁介質(zhì)上通過路徑的一致性，因而減少了抖動并提高了信噪比。磁場的額外恒定性及可預(yù)測性允許更純粹地寫入磁比特位且磁軌更緊密地靠在一起，因此增加了磁密度。
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ePMR技術(shù)路線還會繼續(xù)發(fā)展，未來除了提供更一致性的寫場強，還可以增加寫磁場強度，從而使用更高磁阻的磁介質(zhì)。
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08 熱輔助磁記錄技術(shù)（HAMR）
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HAMR是通過向磁介質(zhì)本身施加熱能，可以使該區(qū)域的磁介質(zhì)更容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而臨時減小目標(biāo)寫入?yún)^(qū)域的切換磁介質(zhì)磁性的磁場強度（即矯頑磁性）。當(dāng)該能量一旦被移除后，則該區(qū)域磁介質(zhì)會立刻恢復(fù)高磁阻的矯頑磁性。
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HAMR施加的熱能會高溫加熱局部磁介質(zhì)，磁阻下降，磁介質(zhì)的受熱區(qū)域更容易被寫入。當(dāng)它冷卻下來的時候，磁阻恢復(fù)，且磁介質(zhì)恢復(fù)不容易被改寫的特性，因此不宜受到常規(guī)溫度變化的影響。通過僅加熱需要寫入的區(qū)域，可以繼續(xù)使用傳統(tǒng)的寫磁頭，并且仍然有效地寫入比傳統(tǒng)PMR所使用磁介質(zhì)高得多的磁阻介質(zhì)。HAMR通過使用激光和光學(xué)傳感器將磁介質(zhì)的局部區(qū)域加熱到其居里溫度以上從而使其失去磁矩來實現(xiàn)這一點，該區(qū)域在被寫入并冷卻后，期望的磁顆粒極性將會非常穩(wěn)定。
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微波輔助磁記錄（MAMR)會繼續(xù)在西部數(shù)據(jù)的整體產(chǎn)品戰(zhàn)略中發(fā)揮重要作用。今天西數(shù)最先進的硬盤產(chǎn)品中采用的ePMR技術(shù)創(chuàng)新就是來源于多年來在MARM方面的研發(fā)結(jié)果。ePMR等令人期待的技術(shù)創(chuàng)新，以及OptiNAND?等配套技術(shù)，會成為PMR和HAMR的技術(shù)過渡。
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09 磁記錄技術(shù)的分類
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SMR磁記錄格式技術(shù)和能量輔助磁記錄技術(shù)是各自獨立發(fā)生的，它們并不相互競爭。如圖12所示，磁記錄技術(shù)與磁記錄格式可以結(jié)合使用，ePMR、MAMR和HAMR等技術(shù)通過推高磁密度來推動硬盤存儲的未來。對于能夠良好使用SMR硬盤的應(yīng)用程序和工作負(fù)載，SMR技術(shù)會進一步推高磁密度的增長。
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未來，尤其是大容量企業(yè)盤，無論使用何種底層磁記錄技術(shù)，CMR和SMR都將共存。每個應(yīng)用程序都可以根據(jù)需求在容量、性能和成本中找到的平衡點。
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SMR在能量輔助技術(shù)之上的磁密度優(yōu)勢將在許多使用場景引人注目。
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SMR和EAMR的組合將在未來十年后繼續(xù)推高硬盤容量。在過去的幾年里，硬盤技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了巨大變化并將繼續(xù)保持快節(jié)奏的發(fā)展速度。新的發(fā)明和技術(shù)需要確保世界上快速增長的數(shù)據(jù)能夠可靠且經(jīng)濟地被存儲。
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世界每年都在創(chuàng)造驚人的數(shù)據(jù)量，并對存儲行業(yè)提出了需要滿足這些數(shù)據(jù)存儲的要求。從這些新的需求中涌現(xiàn)出了大量的磁記錄技術(shù)創(chuàng)新，圖13中做了一個完整的磁記錄分類樹。隨著SMR越來越受歡迎以及EAMR的不斷創(chuàng)新，硬盤在未來許多年都將能夠確保滿足這些需求。
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