头磁盘接口路线图的面密度Tbit /²

文摘

本文综述头磁盘的状态接口(HDI)技术,特别是head-medium间距(HMS),对于今天的和未来的硬盘驱动器。当前存储磁盘上的磁录密度具有每平方英寸表面迅速接近一个t比特信息能力,虽然复合年增长率已大幅减少从~ 100% /年在1990年代末到现在的20 - 30%。现在这个速度低于历史,摩尔定律相当于~ 40% /年。必要推动者HMS高磁录密度,或阅读的底部的距离传感器的飞行头的旋转磁盘上的磁介质。介绍了各种组件的HMS和各种场景和挑战如何实现的目标4.0 - -4.5 nm的4 Tbit /²密度点。特殊注意事项也将给颠覆性技术的含义,如密封驱动在惰性气氛和小说记录方案如有图案的媒体和热辅助磁记录。

1。介绍

作为商业硬盘驱动器的磁录密度具有每平方英寸的里程碑(正在迅速接近t比特信息能力1- - - - - -5)(图1),需要改善头磁盘接口的可靠性(HDI)和进一步降低head-medium间距(HMS)变得eversmore重要[3,6,7]。低HMS是一个必要的推动者,良好的可写性以及强烈的重复复诵信号完整性(8,9]。据估计,HMS很快就需要穿过7纳米具有每平方英寸马克为了达到这个t比特信息能力密度点(2,6]。值得重视的是意识到存储数字信号的误码率,正在读回提高约2 x每0.3 - -0.5纳米的HMS下降。除了无情的对小说的需求,超薄保护电影的大衣和润滑剂,和subnanometer气隙之间的磁盘和头部,替代记录技术目前正在酝酿涉及加热盘超过500°C (heat-assisted磁记录或HAMR) (10- - - - - -12)和/或物理上隔离磁位小岛sub-30海里的物理维度(bit-patterned记录或BPR) (13- - - - - -16]。

摘要路线图的磁录密度每平方英寸4位将讨论。特别强调将各种间距组件组成HMS budgetand其物理极限。录音技术的各种影响合并HAMR和/或BPR也将得到解决。

2。历史的角度

硬盘技术不断进化实现磁录密度持续增长。一种技术如纵向记录已经达到极限,等另一个垂直记录了(18]。随着的进步,媒体,信号处理,和伺服技术,面密度增长持续通过改善头磁盘接口(HDI)。Head-media间距(HMS)是最重要的人类发展指数参数与磁录密度增长(6]。摩擦学的磁盘驱动器的设计持续发展保持头的可靠性/磁盘接口尽管减少间距。

长期趋势的分析表明,HMS稳步下降(图2)。最近产品的历史趋势表明,HMS是钻头长度(图的~ 60%3)[6]。HMS记录示威通常更激进,在~ 50%的长度。

研究财团等信息存储产业联盟(INSIC -www.insic.com/),存储研究联盟(SRC -http://www.srcjp.gr.jp/),和先进的存储技术联盟(ASTC -http://www.idema.org/?page_id=3193)包括在HDI技术开发合作。对于每个面密度,HMS设定的目标通常是记录子系统(RSS)组。过去和目前的HMS趋势不同的财团在图所示4。HMS趋势通常是数据的总体趋势2和3相当好。HMS路线图发布的2003 - 2010年INSIC趋势往往低于SRC。当前更新(2012),高于SRC ASTC趋势。

ASTC主要的磁录密度目标2 Tb /²和4 Tb /²,安排产品介绍的2016年和2020年,分别。当前HMS目标这两个密度点~ 5 - 6和4 - 5纳米,分别比INSIC那么咄咄逼人。4 Tb /²HMS目标将讨论更多的细节部分4。

3所示。Head-Media间距组件的定义

磁盘驱动器的容量和性能得到了改善,机械接口已经进化。头之间的间距和媒体稳步下降达到面密度的快速进步。图5是一个图head-media间距(HMS)。飞的HMS由身高和涂料(磁盘和磁盘大衣,润滑剂)。

在图的图5 (b),表面是假定为完全smooth-they不包括表面形貌等因素和可变性的飞行高度。飞行高度表示中心线之间的间距和磁盘表面的头。之间的间隙表示间距近点的表面。飞行高度和间隙之间的区别在图中进行了描述6。

下面是一些常用的术语的定义,由人类发展指数/摩擦学社区。(1)Head-media间距(HMS):磁层的顶部之间的间距和换能器的表面。(2)在飞行高度飞行间隙:差异或保证金名义操作和接触头和磁盘。(3)滑翔雪崩/着陆高度(TDH):滑块最低飞行高度高于平均粗糙度水平没有显著slider-disk接触(4)飞行高度=间隙+着陆飞行高度(5)媒体润滑剂厚度:平均厚度的润滑剂,认为是媒体的大衣(6)媒体cvercoat厚度:媒体的平均厚度大衣,假定遵循底层的地形表面(7)大衣:头粘附层(例如,硅)+类金刚石碳(DLC)

取得当前硬盘,HMS减少主要通过减少间隙和磁盘和大衣。不久的将来,这一趋势将持续下去,额外的HMS削减将很快需要notraditional人类发展指数的设计以满足区域密度的要求记录要求超出1 Tb /²。

在旧驱动设计,空气轴承设计和滑块的被动地形决定了传感器的飞行高度和间隙。在更新驱动设计、飞行高度积极控制滑块的形状变化的信号。最常见的方法用于控制是在滑块中嵌入电子电阻加热器,将导致传感器区域突出接近磁盘,如图6(19- - - - - -21]。在某种情况下可能需要的接口设计承受间歇或连续接触(22- - - - - -27]。

当前产品HMS的10 nm或略低于6]。²的1 Tb /产品开发、错口支架可以定义范围,因为这面密度点领域不再是。超过1 Tb /²,实现和拉伸值估计。实现目标所需的技术发展将节中讨论4。评估表明,有承诺实现4 - 6 nm HMS从长远来看。进步在人类发展指数的设计可以显著减少HMS,新的记录方案可以增加挑战新的HMS损失来源:热辅助磁记录(HAMR)将经历高温的影响在接口(28- - - - - -30.],bit-patterned磁记录(BPR)可能问题添加磁盘地形会添加到着陆高度(31日- - - - - -34]。

4所示。ASTC HDI路线图结核病/和主要研究挑战

如图2,一个好的评估HMS的~ 60%的长度,和一些理由这是最近提议(6]。这个项目提供了一个方便的方式未来HMS值,以下简单的方程可以推导出。如果定义了面密度每平方英寸(广告)的位线密度的乘积在每英寸钻头(BPI)和跟踪密度(TPI)广告= BPI·TPI。此外,位宽高比栏通常定义为栏= BPI / TPI;因此,一些长度(提单),在英寸,可以表示为 的HMS近似60%的提单,我们现在有一个非常方便的表达HMS(纳米)与广告(结核/²),对于一个给定的酒吧: 基于数值HMS值(3复制表1在下面。

如表所示1,实现4 Tb /²附近的磁录密度将需要一个号~ 4.4 nm,假设有点宽高比(BAR) 3。表2提供两个场景的HMS分解成它的各种组件。表中,2010年从INSIC投影也提出,以及1 Tb /现实的范围²密度,赞助公司正在努力。4 Tb /²点,“实现”和“拉伸”值,对应大约60 - 100%,<分别为60%的成功机会。很明显从表中,实现~ 4.4 nm的目标是一个高风险,这需要进化以及革命性的改变在原材料、过程和间隙控制方案。硬盘驱动器架构(例如,密封在惰性气氛)可能也需要(35]。这是在以下部分中讨论。

4.1。材料:磁盘和大衣

很明显从表2今天的最大贡献者的HMS是碳的大衣,在磁盘上和头上。结合,他们今天的一半(即1 Tb /²)HMS预算。历史上,大衣厚度减少在两个组件启用了密集的碳,以及流畅的底层表面磁介质(磁盘)和RW元素(头)。头碳已经从气急败坏的plasma-enhanced化学汽相淀积(PE-CVD)过滤阴极弧(f-CAC)碳36- - - - - -39),这增加了密度,sp³/ sp²比,和硬度40]。在磁盘上,f-CAC技术尚未取得了可制造的41,42),主要是因为粒子和沉积速率的挑战,大多数(如果不是全部的话)磁盘运送今天涂以某种PE-CVD沉积非晶碳大衣。相信磁盘沉积工具很快就需要提供新的碳技术,能够密切模仿高sp³保税,f-CAC-type碳膜。在头端,大衣的进化优化技术可能允许达到4 Tb /²的目标~ 1海里,被认为是终极覆盖f-CAC极限。最后,尽管许多的尝试已经由磁盘制造商开发和船舶非穿着大衣磁盘,它仍然是一个悬而未决的问题是否有其他比碳薄膜材料可以硬,密度和化学惰性碳电影(43- - - - - -47]。后者的问题可以缓解如果硬盘可以在惰性环境密封(35]。也相信这样一个急剧变化驱动机械平台有助于减少大衣厚度在两个正面和磁盘,磁介质和读/写合金腐蚀可以得到抑制,或至少大幅减少。这样的好处是我们估计在0.2 - -0.3纳米的范围或更高版本,减少整体的~ 0.5 nm,即大量的HMS总数的10%左右。另一个潜在的替代方法是开发一个磁盘表面改性过程的高度corrosion-susceptible媒体材料表面处理或修改而导致间距损失与创建一个非功能性或削弱媒体表面上磁性材料层(48,49]。

4.2。材料:磁盘润滑剂

表2显示0.2 nm减少润滑剂的厚度从1.0 -1.2 - 0.8 -1.0是必要的。似乎这并不多,但与今天的极其严格的可靠性/ HMS利润,这种变化是显著的,相信发明需要达到这些目标(50,51]。润滑油行业现在是比以前更加多样化,和新润滑剂结构现在通常提供的至少三个不同的公司。还有待观察是否传统润滑剂化学(功能化perfluoropolyether)能够达到这个厚度的目标。也许非常规的方法,比如直接表面处理/功能化磁盘的大衣需要(48]。

4.3。TDH:地形

触地得分高(TDH)在全球范围内定义所有剩余磁盘和地形,防止头进入靠近磁介质(图6)。它是受波浪状(~ 1 - 1000μ波长范围)和粗糙度(< 1μ米)的基质52- - - - - -54),以及磁的nanoroughness film-overcoat磁盘结构(55]。与材料厚度(润滑剂,大衣),TDH不是要求适当的硬盘的可靠性和可能,在理论上,将为零。它假定工程进化优化抛光(磁盘基片,滑块)和沉积(媒体/大衣)过程将可能实现HMS的目标。最后,它提出了磁盘润滑剂“粗糙度”,都在纳米尺度上(构象)[56)和微尺度(厚度调制或“大亨”[57)和“涟漪”[58,59]),也有助于TDH,润滑优化,正如前面所讨论的那样,还需要降低其贡献。

4.4。头磁盘清理

HMS贡献者,间隙可能已经表现出最大的减少在过去10年左右,由于热飞行高度控制(TFC-Figure的出现7)[19,21]。这种革命性的方法使得硬盘行业实现从ca间隙减少10倍。十年前10 nm ~ 1.5 nm今天(表2)。要达到0.6 nm ASTC间隙的目标和轻松地补偿间隙引起的温度变化,高度,或湿度,进一步增强间隙控制闭环交通控制等需要。“冲浪”的光接触记录也被建议(26),但这种方法还有待观察是否可以可靠。

5。摩擦学和人类发展指数挑战替代技术

正如前面所讨论的,推进硬盘磁记录超出了~ 1 Tb /与PMR²认为可行的,HAMR和BPM技术正在开发中。相信HAMR将首先被介绍。超越~ 6 Tb /², ASTC路线图显示,HAMR将增强BPM录音技术(11]。虽然这些将使磁录密度显著提升,他们将挑战人类发展指数。

HMS而言,这些技术的效果所示“HMS加法器”列的表2。着陆高度增加是由于添加媒体粗糙度HAMR或残余地形BPM (32,60]。也增加粗糙度驱动器需要添加媒体大衣厚度保持足够的覆盖率。关于间隙,HAMR需要添加保证金作为可能的热guardband突出的近场传感器(非功能性测试)10),而BPM需要间隙保证金作为对残余guardband地形可能诱发磁头磨损。相信BPM不需要头大衣厚度加法器。

硬盘产业走向HAMR录音技术的引入,有高需求的人类发展指数来演示鲁棒性在更高的温度30.,61年- - - - - -63年]。如果当前磁盘大衣和润滑剂的电影不能够承受记录温度(> 500°C),需要新材料。在头端,目前认为温度应限于~ 150°C,以提供长期接口可靠性当前大衣材料。在任何情况下,进一步发展在摩擦学的材料为两头和媒体可能需要为了保证适当的HAMR接口的可靠性。

后来引入BPM录音技术将进一步挑战人类发展指数的设计。BPM制造过程留下的残余地形挑战空气轴承设计师设计一个滑块,可以更好地遵循剩余地形(34,64年,65年)以及媒体制造商有一个统一的大衣和润滑剂的报道媒体表面。此外,残留媒体地形可能导致过度诱导润滑剂粗糙度对微尺度(润滑剂大亨和波纹)除非可以设计一个新的润滑剂。

6。结论

总之,head-media间距仍然是一个推动者持续3月增加面密度来抵挡攻击和侵犯的非易失性固态存储器技术。保持硬盘领导和竞争优势在数据存储领域,这个行业必须继续开发新的组件技术来支持这个面密度。然而,要想成功,头磁盘接口的设计必须是一个综合的努力,音乐会中所开发的组件技术来解决系统问题。面密度增长的成功将取决于我们如何成功,作为一个产业,在整合这一发展。

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