2001马斌 超高密度磁存储的展望

A5?< # BCDE 65F ?EC=E6GH CI 4EJED KE(L M B# % B’ N FCDE 65F O 图 # 感应式记录磁头的结构示意图 M B# % B’ 为环形磁头两极 O
和畴壁移动读出方式 M UVUU O ，可以使磁光读出突 破衍射光斑的限制 . #!% #/ 0 。图 ; 给出了磁区放大读出
出层又恢复混乱分布状态 % 图 ’ % . & & 。 添加开关层制 备的三层薄膜有利于提高信噪比。选用波长为 已能对 #3 !!2 的记录位进行读出 4 5/6 /0#12 的激光， 5$ 7 。采用短波长的蓝色激光，很容易实现记录位仅 #3 5!2 的信息的读出。除此之外，磁电阻式磁头也 被尝试用于磁光记录。 由此可知， 磁电阻式磁头和磁区放大、 畴壁移动 读出技术使检测 ’#8,9: ; 91! 的记录成为可能。
前， 其突出表现是信息总量和信息交换的剧增 ] &/ " ^ ， 因此， 发展海量存储技术日趋重要 ] 1 ^ 。 磁存储是目前 最常用的海量存储方式。广义而言，除了人们熟知 的硬磁盘记录和垂直磁记录外，磁存储还包括光存
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马斌等 " 超高密度磁存储的展望
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<9=3 ! >9-*?@:*A-:A*B ?C 8>D *B(.B* 图 ! 磁电阻式读出磁头的结构示意图
<9=3 ’ >(=1B:9- .?2(91 BEF(1@9?1 *B(.?A: 图 ’ 磁区放大读出方式的示意图
方式的示意图。记录介质由记录层 % 下层 & 和读出层 % 上层 & 构成。信息存储在记录层上。在反向外磁场 作用下 % 图 ’ % ( & & ，读出层磁化强度矢量混乱取向； 去掉反向场后 % )* + # & ， 在记录层散磁场作用下， 读 出层的磁化强度与记录层的磁化强度平行取向，信 息被映射至读出层 % 图 ’ % , & & ； 在激光加热和外加磁 场方向共同作用下 % 图 ’ % - & & ，该磁畴就会迅速膨 胀，光斑区域内呈单一取向的畴结构，易于信息观 测； 检测过程结束后， 在逆向外加磁场的作用下， 读
作者简介 ! 马斌 + &,-& $ . / 男 / 博士 / 主要从事物质磁性和磁性薄膜研究 0
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功能材料与器件学报
9卷
年就要重复擦写近 ! " #$! 次% 那么% 光盘用上 # & ’ 年就得更换% 而磁盘可用上 #$ & ’$(。所以% 将来磁 存储仍会是唯一的在线外存储设备。 近年来，磁存储的密度越来越高，发展越来越 快。 以硬磁盘为例， )*+ 公司商品化磁盘面记录密 度的年增长率达到 ,$- . !% / 0 1 #222 年，实验室已验 证了面记录密度可超过 #$3456 7 58
信息所占面积仅为 ’< #/$ " #$ : #! =’ ，即 $< #!9!= " 要在如此小的区域内记录信息， 记录磁化 $< #!9!=。 头的尺寸也必须很小。对硬磁盘记录方式而言，写 入磁头采用感应式薄膜磁头，使用高磁感应强度薄 膜材料， 运用平板印刷工艺来制备。 图 # 给出了这种 磁头缝隙 ? 已能做到小于 $< #!=， 切 磁头的结构 . > 0 ， 向记录长度可小到 $< $9,!=。但磁头宽度 @ 很大， 道间距较大， 道密度和位密度有很大差别。 #$$+456 7 58’ 时，道密度和位密度之比为 #：#’< 9，#3456 7 58’ 时， 两者之比为 #： 到 #$3456 7 58’ 时， 两者之比为 ’$， 减少 #： #$< ;。这是为了使磁头场具有大的均匀区， .20 介质不均匀磁化带来的噪声 。由于硬磁盘记录的 位间距已经很小， 进一步减小容易产生不均匀磁化， 因而减小道间距看来更可行。只要将道密度再提高
;
信息读出过程
磁电阻式读出磁头的使用极大地改进了信息的
检测，加速了硬磁盘面记录密度的提高。 #22$ 年， )*+ 公司使用各向异性磁电阻磁头替代感应式磁 头， 突破了 # 3456 7 58’ 的大关； #22/ 年巨磁电阻磁头 将记录密度提高到 /3456 7 58’ 。采用自旋阀结构的巨 磁电阻磁头成为读出磁头的主流，图 ’ 给出了这种 磁头的结构 . ##% #’ 0 。 自旋阀磁头具有很高的灵敏度， 利 用当前水平的电子伺服系统，能够探测 1= P #< / " #$ : #;E=Q 的微小磁矩产生的磁场，目前，已能对 ’$ 3456 7 58’ 的 超 高 密 度 记 录 进 行 检 测 ，误 码 率 优 于 随着其他高磁电阻变化率材料的相继发现， #$ : 9 . #; 0 。 磁场感应的灵敏度还能有大的提高 . #$ 0 ， 可望在 ’$$/ 年实现 >$ 3456 7 58’ 的信息检测。 磁电阻式磁头同样可用于垂直磁记录。使用现 有巨磁电阻磁头， 对于相同剩磁的介质， 如果膜厚增 加 ; 倍， 记录位面积缩小 ; 倍也能有效检测。 在硬磁 盘 #$ 3456 7 58’ 的检测条件下， 垂直磁记录中很容易 ’ 实现 ;$ 3456 7 58 的信息检测。 在磁光记录中， 磁区放大读出方式 M +R++ST O
+ &0 中国科学院上海冶金所磁光盘实验室，上海 "###%#( "0 兰州大学磁性材料研究所，兰州 -1#### . 摘要： 磁性存储是最常用的海量存储技术， 其记录密度越来越高， 发展也越来越快。本文通过对信 息记录、 读出和存储三个过程的分析， 对比了硬磁盘记录、 垂直磁记录和磁光记录的优缺点， 指出了 采用垂直记录模式、 非晶结构合金薄膜或铁氧体薄膜介质是实现超高密记录的方向， 光辅助磁记录 是很有希望的记录技术。同时， 还指出量子磁盘技术是未来极高密记录的方向。 关键词 ! 磁性存储( 高密硬磁盘记录 ( 垂直磁记录( 磁光记录 中图分类号! 23"文献标识码! 4
: #$ :2
; 倍，就可以在现有基础上实现 ;$3456 7 58’ 的超高 记录密度。 垂直磁记录方式采用单极型磁头进行记录
.20
，
磁化区域取决于磁头的尺寸。要实现 $< #!9!= " $< #!9!= 信息位的写入，单极磁头的尺寸在 >$8= 左右， 磁头到介质的距离在 #$8= 左右。使用气垫悬 浮式磁头， 目前开发的接触 #$8= 的间距已能实现， 式磁记录头能将头盘间距进一步降低，而 >$8= 的 单极型磁头在工艺上也没问题。 磁光记录方式采用激光头加热的方法进行记 录， 记录位尺寸与光斑相当， 但由于衍射光斑大小的 限制， 记录密度的提高很困难。近年来， 随着蓝色激 光的应用，爱里斑的尺寸可减小到 $< !!=；采用固 体浸入式透镜
’ . ,% 9 0
， 光斑尺寸可再降低 # 7 8’ 倍， 8为
’
信息记录过程
要实现 ;$3456 7 58’ 的超高记录密度，则每一位
透镜材料的折射率，若使用玻璃透镜 M 8 P #< , O ，也 能实现 ;$3456 7 58’ 。 另外，使用光纤引导的近场光 记录 方法 ，已能 获得 >$8= 的记录 尺寸 ，相 当于 #$$3456 7 58’ 。 由此可知， 实现 ;$3456 7 58’ 的记录是可行的。
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+ &0 3?@7=LD $ MNL6O?K P?Q0/ 8H?7@H?6 A7RL6LCL= D> 3=L?KKCS@T/ UH67=R= 4O?V=W6O D> 8O6=7O=/
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前言
信息化时代随着计算机技术的普及来到我们面
储中的磁光存储技术。 与光存储相比， 磁存储具有优 异的可擦写特性 / 经 &#’ 次重复擦写后， 误码率几乎 仍为零， 保证了信息存储的可靠性。 而可擦写光盘经 &#% 次重复擦写后 / 误码率急剧增加。在 IA;<MI8 "### 操作系统中，每次读写文件都要重写分区表， 擦写一次 ( 假设外存储器 + 硬盘 . 每天擦写 &## 次/ 一
. #$ 0
#$ & #$ 录 密 度 可 实 现 ;$3456 7 58’ % /( 后 可 实 现 #$$3456 7 58’ 。如何实现这些目标，成为磁存储研究的前沿课 题。 本文试图通过对记录、读出和保存三个过程的 讨论， 为提高磁存储记录密度指明方向。
% 误码率在 之间。依目前的发展趋势， ’、 ;( 后面记
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现有技术条件下，可实现 "# $%&’ ( &)* 的记录和读 出。但作为信息存储材料，最重要的特性是信息必 须能长期保持，这就要求信息存储状态必须是稳定 的。通常情况下， 磁化状态是很稳定的， 但在超高密 记录条件下， 状态的稳定变得困难， 需要对不同记录 方式进行分析。 晶粒间晶界的磁化强度一般较低，单位信息位 内的磁化强度的变化是读出噪声的重要来源。读出 信号的信噪比 +,- 可用下式表示 . /0 1 ： %&’ !"# $ /#23 (* 其中， % 为最小过渡区长度 4 相邻反向畴之间的 退磁磁化区域 5 ，’ 为磁道宽度，( 为晶粒尺寸。为 获得检测所需的信噪比， 记录位内的晶粒需在 /### 个左右。 随着记录密度的提高， 单位信息位越来越小， 晶 粒尺寸也越来越小。当晶粒体积小到一定程度后， 就会受到分子热运动的干扰，改变集合体的磁矩取 向。磁性材料的这种性质称为超顺磁性，它将导致 信息的丢失。热扰动对微粒磁特性的影响可用剩磁 随时间的变化来表示 . 6 1 ： $ )#（ : * ） )（ *） #） 789（ ! / ; ,+#789（ ） ! ./ 式中， )- 为记录介质剩磁， * 为测量时间， ! 为弛豫 时间，+# 为频率因子 4 约 /#6 ( < 5 ，, 为磁各向异性常 数，- 为微粒体积，. 为玻尔兹曼常数，/ 为测量温 度。 弛豫时间 ! 决定了磁化状态的稳定性。 当!与 * 相当时， 就能观测到明显的剩磁变化； 只有当 != = 才观测不到热起伏的效应， 也就是通常所说的 * 时， 稳定状态。一般地， 则得： != = /# < 4 约 /#> 5 ，