巨磁電阻效應(yīng)帶來的硬盤革命還未終結(jié)，而新的技術(shù)革命已經(jīng)迫近，未來我們的"存儲生活"將會迎來怎樣的改變？

【財(cái)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)版專稿】對于那些MP3、IPOD音樂播放器，或者筆記本電腦、移動硬盤不離身邊的年輕人而言，可能很少會意識到硬盤中到底蘊(yùn)藏著什么樣的奇跡。

直到今年北京時間10月9日，2007年諾貝爾物理學(xué)獎?wù)绞谟枇藘晌?quot;硬盤技術(shù)之父"–69歲的法國巴黎大學(xué)阿爾伯特費(fèi)爾特（Albert Fert）和68歲的德國尤利希研究中心的彼得格倫博格(Peter Grünberg)。正是由于這兩人幾乎同時獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的巨磁電阻效應(yīng)（GMR：Giant Magnetoresistance），此前發(fā)展幾乎陷于停滯的硬盤，其容量才得以幾十倍甚至上百倍的提升。

我們或許這才明白，在習(xí)以為常的消費(fèi)產(chǎn)品中間，都在閃爍著科技的光芒。諾貝爾獎并不總是代表著深奧的理論和艱澀的知識，它往往就在我們身邊。

磁場里的舞蹈

如果追溯歷史的話，世界上第一個計(jì)算機(jī)磁盤存儲系統(tǒng)，應(yīng)該是在1956年，由IBM的科學(xué)家雷諾德約翰遜（Reynold Johnson）發(fā)明的。此人后來，也被公認(rèn)為硬盤的"親生父親"。

但以今天的眼光看來，這第一個硬盤系統(tǒng)，可能外型上有些奇怪，因?yàn)樗怯?0片直徑24英寸、涂著磁粉的圓盤，加上馬達(dá)、磁頭和控制系統(tǒng)組成的。通過利用磁頭改變或判斷圓盤上每個扇區(qū)中磁場的方向（相反的方向即為0或1），就可以在圓盤上寫入和讀取數(shù)據(jù)。磁盤上由一圈圈的磁道組成，而每條磁道有被分成若干個扇區(qū)，磁頭可以從每個扇區(qū)中讀寫512kb的數(shù)據(jù)。

也就是說，這個體積龐大的系統(tǒng)，當(dāng)時只能存儲5兆的數(shù)據(jù)。

微觀地看，盤片上的磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細(xì)小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。這些微小的磁顆粒極性可以被磁頭快速改變，且一旦改變之后可以較為穩(wěn)定地保持，磁記錄單元間的磁通量或者磁阻變化分別代表二進(jìn)制中的0或者1。

最早的磁頭，是采用錳鐵磁體制成，它通過電磁感應(yīng)讀寫數(shù)據(jù)。但是，由于使用這種磁頭讀取數(shù)據(jù)要求磁場達(dá)到一定的強(qiáng)度，磁道密度不能太大，因此使用傳統(tǒng)磁頭的硬盤最大容量只能達(dá)到每平方英寸20兆。

直到1980年代末期，IBM研發(fā)成功了MR（Magneto－Resistive）磁阻磁頭技術(shù)，才實(shí)現(xiàn)了第一次飛躍：磁阻磁頭核心是一片金屬材料，其電阻隨磁場的變化而變化。這種磁頭采用分離式設(shè)計(jì)，由感應(yīng)磁頭寫、磁阻磁頭讀，此舉令硬盤的磁道密度得以大幅度提高，達(dá)到每平方英寸3G到5G。

然而，隨著信息技術(shù)發(fā)展對存儲容量的要求不斷提高，即使這樣的存儲密度，也很快難以滿足實(shí)際需求。因?yàn)椴捎眠@一技術(shù)，磁致電阻的變化也僅在1％到2％之間，磁場還不能太弱，所以磁道也沒法做得太密。

到了1988年，新的"硬盤革命"的曙光終于開始顯露。在這一年中，法國巴黎大學(xué)的費(fèi)爾特教授和德國尤利希研究中心的皮特格倫博格各自發(fā)現(xiàn)，在鐵、鉻相間的多層膜電阻中，微弱的磁場變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍。

其中，費(fèi)爾特觀察到50％的變化，并把這種效應(yīng)命名為"巨磁阻效應(yīng)"。由于膜厚度不同，格倫博格所觀察到的變化較小，達(dá)到10％。

現(xiàn)代材料科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，已經(jīng)極大地壓縮了從物理原理發(fā)現(xiàn)到技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的距離。僅僅六年之后，1994年，IBM即把這種技術(shù)應(yīng)用到了硬盤上：IBM的工程師斯圖爾特帕金（Stuart Parkin）根據(jù)這一物理原理，研制出信號變化靈敏度更高的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍。

美國喬治亞理工大學(xué)教授王中林對《財(cái)經(jīng)》表示，費(fèi)爾特和格倫博格的發(fā)現(xiàn)得益于上世紀(jì)80年代中期開始的納米技術(shù)的進(jìn)步。這使得他們可以在真空環(huán)境中制造只有幾個原子厚的金屬薄膜，而這在以前是無法想象的。

也是因?yàn)槿绱耍缃耠S著納米技術(shù)的突飛猛進(jìn)，只要在"巨磁電阻"效應(yīng)依然起作用的尺度范圍內(nèi)，未來硬盤體積還能夠進(jìn)一步縮小，硬盤容量還可以提得更高。

2007年9月13日，全球最大的硬盤廠商希捷科技（Seagate Technology）在北京宣布，其旗下被全球最多數(shù)字視頻錄像機(jī)（DVR）及家庭媒體中心采用的第四代DB35系列硬盤，現(xiàn)已達(dá)到1TB（1000G）容量，足以收錄多達(dá)200小時的高清電視內(nèi)容。

不過，由于傳統(tǒng)硬盤存在盤片、電機(jī)和磁頭等組件，這種被稱為"Winchester"結(jié)構(gòu)的設(shè)備免不了大量機(jī)械部分，無論是耗電量還是穩(wěn)定性都難以令人完全滿意，它的正常工作會受到震動、高溫的影響。

因此，盡管目前"Winchester"結(jié)構(gòu)硬盤還占據(jù)硬盤的主流，高端MP3和MP4也多采用硬盤來實(shí)現(xiàn)大容量的存儲。但隨著采用電子式的存儲、不存在機(jī)械運(yùn)動的閃存的逐漸成熟，閃存又繼光盤之后開始向傳統(tǒng)硬盤發(fā)起沖擊。

動靜之間的抉擇

與傳統(tǒng)硬盤相比，閃存（flash memory）是一種長壽命的非易失性的存儲器，采用晶體管存儲結(jié)構(gòu)。由于其斷電時仍能保存數(shù)據(jù)，閃存通常被用來保存設(shè)置信息，如在電腦的BIOS、PDA、數(shù)碼相機(jī)中保存資料等。目前，閃存分為NOR和NAND兩個方向。

NOR技術(shù)雖然容量不大，但穩(wěn)定性出色，適于頻繁讀寫少量數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)與PDA中；NAND技術(shù)則主要應(yīng)用在各種數(shù)碼存儲卡與U盤中，由于其并不直接對單晶體管操作，而是操作區(qū)塊，因此更適于讀寫大量數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)大容量。

那么，有沒有可能把閃存和傳統(tǒng)硬盤的優(yōu)勢，完美在結(jié)合起來？近年開始出現(xiàn)的固態(tài)硬盤（solid-state disk，SSD），就是采用了NAND型閃存技術(shù)開發(fā)硬盤的一種嘗試。

根據(jù)三星公布的技術(shù)資料，與現(xiàn)行硬盤相比，SSD產(chǎn)品功耗減少5%，延長電池壽命逾10%，而重量僅有目前硬盤產(chǎn)品的一半。在三星看來，SSD固態(tài)硬盤是相當(dāng)可靠性的儲存裝置，可以適應(yīng)極端溫度或濕度下，適合工業(yè)用或軍事用途。

除了三星之外，希捷、西部數(shù)據(jù)、日立、東芝、富士通等其它幾大硬盤巨頭，也都在研制自己的SSD產(chǎn)品。但是，由于其成本過高，或許首先會被軍事和工業(yè)部門采用。要真正普及到一般消費(fèi)者，還需要假以時日。

而一種折中的方案，是采用閃存和傳統(tǒng)硬盤的混合式結(jié)構(gòu)。混合式硬盤能讓傳統(tǒng)機(jī)械式硬盤在使用時進(jìn)入睡眠狀態(tài)，數(shù)據(jù)讀寫和存取在閃存中進(jìn)行。

微軟在推出Windows vista操作系統(tǒng)的時候，就特地強(qiáng)調(diào)了對混合式硬盤的支持。據(jù)微軟預(yù)計(jì)，使用混合式硬盤最高可節(jié)省80%的耗電。實(shí)際上，2006年以后，結(jié)合了閃存和傳統(tǒng)硬盤優(yōu)勢的混合硬盤開始陸續(xù)上市。

但是NAND技術(shù)也并不是無懈可擊，其在可擦寫壽命以及保存時間方面有著先天性缺陷，而且其寫入速度展示也難以令人滿意。NAND會隨著使用次數(shù)的增加而產(chǎn)生壞塊，而且數(shù)據(jù)可以保存10年以內(nèi)，甚至可擦寫次數(shù)也僅僅是十萬次左右；NAND的SDD固態(tài)硬盤讀取速度不錯，但是寫入速度以及隨機(jī)讀取速度還很不理想。

目前，斯圖爾特帕金正在IBM研制的MRAM（Magnetic Random Access Memory，磁性隨機(jī)存儲），或許將成為下一個突破口。

MRAM的結(jié)構(gòu)與硬盤類似，但靠電子自旋表示數(shù)據(jù)，靠TMR（隧道效應(yīng)磁阻）磁頭讀寫，速度和DRAM一樣快，卻不會像DRAM一樣雖斷電而丟失數(shù)據(jù)。

斯圖爾特帕金的助手、斯坦福大學(xué)電子工程系的蔣信博士對《財(cái)經(jīng)》表示，現(xiàn)在MRAM產(chǎn)品很快就可以推出。

而實(shí)際上，據(jù)《財(cái)經(jīng)》了解，除了MRAM之外，帕金的小組還正在研究或許更具革命性的產(chǎn)品。

這種最新技術(shù)，被帕金稱為"RACETRACK"（賽道）。其原理是，在硅片上設(shè)置上百億個超細(xì)線圈，并用電流操作微小的磁粒子在線圈上下移動，以代表0或者1。

帕金曾經(jīng)表示，如果這種技術(shù)取得成功，這就意味著計(jì)算機(jī)的存儲將從目前的兩維存儲過度到三維存儲時代。隨著維度的增加，摩爾定律也將被打破；摩爾曾經(jīng)預(yù)測，硅片上晶體管的數(shù)量，將每18個月翻倍；而一旦過渡到三維存儲的話，或許根本用不到18個月，晶體管的數(shù)量就可以翻番了。

IBM研發(fā)部門副總監(jiān)馬克迪恩（Mark Dean）則強(qiáng)調(diào)，這種技術(shù)一旦成功的話，不僅將顛覆我們存儲數(shù)據(jù)的方式，也將顛覆我們處理數(shù)據(jù)的方式。

蔣信指出，新技術(shù)帶來的硬盤讀寫技術(shù)的提高，將是驚人的：目前硬盤的讀寫速度是微秒和毫秒量級，由于通過電流操作而沒有機(jī)械運(yùn)動，RACETRACK的速度可以提高上萬倍，達(dá)到納秒量級。

不過，他也承認(rèn)，由于目前還在尋找最合適的磁介質(zhì)、制造工藝，以及探索電流如何更有效地移動磁結(jié)構(gòu)，估計(jì)拿出產(chǎn)品，"還要十年的時間。"

多易