Seagate：存储与硬盘技术趋势（HAMR 详解）

数据存储前沿技术

发布于 2025-04-09 13:33:30

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存储与硬盘技术趋势

图片展示了全球数据圈在未来几年的巨大增长趋势。

预计到 2028 年，全球产生的数据量将达到 394 ZB ，是 2023 年的三倍。这突显了数据存储和管理在未来将变得越来越重要。

1ZB 存储究竟是什么概念？

理解 1 ZB 的存储量，可以尝试用一些夸张但能帮助理解的方式来类比：

想象一下，一部高清电影的大小约为 5 GB。

1 TB 可以存储大约 200 部高清电影 (1024 GB / 5 GB ≈ 204.8)。
1 PB 可以存储大约 20 万部高清电影 (1024 TB * 200 部/TB ≈ 204800 部)。
1 EB 可以存储大约 2 亿部高清电影 (1024 PB * 20 万部/PB ≈ 209715200 部)。
1 ZB 可以存储大约 2000 亿部高清电影 (1024 EB * 2 亿部/EB ≈ 214748364800 部)。

这相当于可以连续观看这些电影超过 2000 万年！

另一个角度来看：

假设地球上所有的人（大约 80 亿）每人每天产生 1 GB 的数据（包括照片、视频、邮件等等），那么：

每天全球产生的数据量约为 80 亿 GB = 8 EB。
一年全球产生的数据量约为 8 EB/天 * 365 天 ≈ 2920 EB ≈ 2.9 ZB。
那么，1 ZB 大约相当于目前全球一百多天产生的所有数据量！

图注：企业数据存储的冷热占比

图片展示了企业数据的分布情况以及不同类型工作负载对存储容量和数据传输时间的要求。

绝大部分 (90%) 企业数据属于高容量类别，主要包括分析、文件服务、对象存储等通用型工作负载，这些数据中大约 80-90% 存储在传统的机械硬盘 (HDD) 上。这类数据的传输时间要求相对较低（名义时间数据传输）。
中等容量的数据占 10%，包括电子商务、VDI、游戏、CRM/ERP/CMS 和数据库等。这类数据的传输时间要求为实时数据传输。
低容量的数据仅占 1%，但对性能要求极高，属于超实时数据传输类别，包括 AI/ML 训练、实时图形渲染、金融与科学模拟以及基因组测序等。这些工作负载通常需要更快的存储介质，例如固态硬盘 (SSD)，以满足其性能需求。

Note

作为HDD厂商，强调非实时数据的容量属性，从而凸显HDD在当前阶段的经济效益，且数据归档和持久化的整体生命周期也比较长，随着数据价值的不断挖掘，高性价比的容量将成为数据存储的核心关切，性能会逐渐在新场景中凸显价值。

前沿关注的是性能，中长尾关注的是容量。

图片展示了人工智能 (AI) 数据在计算和存储集群中的流转过程，并强调了海量存储的重要性。

计算集群负责 AI 模型的训练和推理，其中使用了处理器、高带宽内存 (HBM)、动态随机存取存储器 (DRAM) 和本地固态硬盘 (SSDs) 来实现高性能计算。
存储集群则用于存储大量的 AI 训练数据和模型，包括网络固态硬盘 (Network SSDs) 和网络硬盘 (Network hard drives)。这表明 AI 数据从最初的收集到最终的存储都离不开大容量的存储解决方案。
图片下方用箭头标明，计算集群对性能的要求很高，数据传输速率以拍字节每秒 (PB/s) 来衡量，而部署规模相对较小，以太字节 (TB) 为单位。
存储集群则相反，对性能的要求相对较低，数据传输速率以兆字节每秒 (MB/s) 来衡量，但部署规模非常庞大，达到多艾字节 (Multi EB) 的级别。

用 NAND 替代所有 HDD 的 EB 级容量在成本上是不可行的

图片通过图表和文字说明了用 NAND 闪存完全取代传统机械硬盘 (HDD) 在成本上是极高的，甚至可以说是不可行的。

图表显示，到 2027 年，NAND 闪存行业的预计产量为 963 EB，价值 729 亿美元。然而，如果要完全取代所有 HDD 的容量，NAND 闪存行业需要生产 2723 EB 的容量，价值高达 2060 亿美元。

左上角的图标进一步强调了这种成本效益的差距，暗示为了实现完全替代，需要投入巨大的成本才能获得相对较小的回报。

因此，这张图片表明，在可预见的未来，HDD 仍然将在数据存储领域中扮演重要的角色，尤其是在对成本敏感且容量需求巨大的应用场景中，NAND 闪存虽然在性能上具有优势，但在成本和大规模替代方面仍然面临巨大的挑战。

NAND 与 HDD 的市场占比与未来格局

在以下两篇文章中讨论了NAND 和 HDD 的市场占比和未来竞争格局：

一、市场占比情况 • 在当前市场中，HDD占据主导地位，如在云端安装存储容量分布里，HDD占81%，SSD仅10%，磁带占9%。并且预计到2028年，HDD仍将占据主导地位，只是份额略微下降至80%，SSD占比增长到13%，磁带占比减少到7%。

二、未来竞争格局 • HDD具有成本优势，在对价格敏感且对性能要求不高的场景会继续存在，如温/冷数据存储领域。而SSD虽然目前占比小，但具有高性能、低能耗优势，在需要高性能的场景使用，并且随着技术发展，其市场份额预计会逐步扩大。不过，HDD的大容量、低成本特点使其在大数据存储方面短期内难以被完全替代。

图注：HDD和NAND 介质与应用场景发展趋势

赋能世界的数字基础设施

图片展示了硬盘驱动器 (HDD) 和固态硬盘 (SSD) 这两种主要的存储技术在不同历史阶段和应用领域的发展和演变。

时间轴从左到右代表了技术发展和应用领域的变迁，从早期的大型机时代，到个人电脑的普及，再到互联网的兴起，以及当前的云计算、人工智能与机器学习和未来的边缘人工智能。
在时间轴上方，分别列出了硬盘驱动器和固态硬盘/闪存在不同阶段采用的关键技术。
- 硬盘驱动器的技术从早期的 LMR 发展到 PMR、SMR，以及最新的 HAMR 技术。
- 固态硬盘/闪存的技术则从 2D NAND 的 SLC 和 MLC 发展到 3D NAND 的 TLC 和 QLC。
图片的开头强调，硬盘和固态硬盘在过去几十年里共同支撑了全球的数字基础设施，并且在未来将继续在市场上共存。这暗示了两种技术各有优势和适用场景，不会完全互相取代。

图注：HDD的组成单元

硬盘由许多精密部件组成，其中磁头和磁盘是最重要的两个部件。

半导体式的晶圆加工技术实现了磁头的经济高效制造，这些磁头用于在磁盘上读写数据。

晶圆 (WAFER) --> 磁头臂条 (BAR) --> 滑块 (SLIDER) --> 磁头悬架组件 (HGA) --> 磁头组件 (HSA)

磁头组件 (HSA) + 盘片 (MEDIA) + 电子元件/其他组件 + 外壳 (CASE) = 硬盘 (HDD)！

图片下方是硬盘主要组件的图示：

晶圆 (WAFER): 用于制造磁头的半导体晶圆。
磁头臂条 (BAR): 从晶圆切割出的条状结构。
滑块 (SLIDER): 包含读写磁头的微小部件。
磁头悬架组件 (HGA): 将滑块连接到磁头臂的组件。
磁头组件 (HSA): 包括磁头臂、悬架和滑块的完整组件。
盘片 (MEDIA): 存储数据的磁性盘片。
硬盘外壳 (DISK DRIVE CASE): 包含所有组件的外部保护壳。

图片中还用绿色箭头标注了“HAMR 创新的关键领域 (Key Areas of HAMR Innovation)”，指向晶圆和磁头组件，暗示 HAMR 技术主要在这些部件上进行创新。

如何正确理解此处的 WAFER ？

HDD 中的“晶圆 (Wafer)”： 在 HDD 的语境中，当提到“晶圆”时，它指的是用于制造读写磁头的材料。这通常不是我们所熟知的硅晶圆。制造磁头的晶圆可能由其他半导体材料或混合材料构成，其目的是为了通过半导体式的工艺（如薄膜沉积、光刻等）在上面制造出精密的磁头结构。您在上一张图片中看到的“WAFER -> BAR -> SLIDER -> HGA -> HSA”这个流程，就是指利用这种晶圆来制造磁头组件的过程。
逻辑芯片中的“晶圆 (Wafer)”： 当我们谈论 CPU、内存芯片、SSD 控制器等逻辑芯片时，这里的“晶圆”指的是硅晶圆。硅是一种半导体材料，通过在其表面进行复杂的蚀刻、掺杂等工艺，可以制造出大量的晶体管和其他电子元件，从而构成逻辑电路。

图注：硬盘面密度计算公式

图片解释了硬盘的面密度 (Areal Density) 的概念，它是衡量硬盘存储容量的关键指标。面密度指的是在单位面积的盘片上可以存储的数据量，通常以比特每平方英寸 (bits/in²) 来表示。

图片中的公式表明，面密度是线性密度 (Linear Density) 和磁道密度 (Track Density) 的乘积。线性密度指的是在每英寸的磁道上可以存储多少比特的数据 (BPI)，而磁道密度指的是在每英寸的盘片宽度上可以排列多少条磁道 (TPI)。

通过提高线性密度和磁道密度，可以在相同的盘片面积上存储更多的数据，从而提高硬盘的整体存储容量。这张图直观地展示了比特如何在磁道上排列，以及磁道如何在盘片上分布，帮助理解面密度的构成要素。

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图片展示了一个硬盘盘片的一部分放大视图，用来说明面密度的概念。

磁性介质 (Magnetic Media): 指的是硬盘盘片上用于存储数据的磁性材料。
磁道 (Tracks): 盘片上环形的存储区域。图示中显示了多条平行的磁道。
比特 (Bits): 存储在磁道上的数据单位。图示中用红色和蓝色的小方块代表不同的比特值（例如 0 和 1）。
BPI (Bits Per Inch): 每英寸磁道上存储的比特数，代表了线性密度。图示中用一个水平的箭头标示。
TPI (Tracks Per Inch): 每英寸盘片上分布的磁道数，代表了磁道密度。图示中用一个垂直的箭头标示。

图注：磁性晶粒的稳态极限性

图片解释了在硬盘容量增长的过程中面临的一个基本挑战：提高存储密度会导致数据存储的稳定性下降。

随着硬盘面密度的增加，存储每个比特所需的物理空间越来越小。这意味着构成每个比特的磁性晶粒也必须变得更小。然而，更小的磁性晶粒具有更低的热稳定性，更容易受到周围环境热波动的影响，导致其磁性方向随机翻转，从而造成数据丢失或损坏。

为了维持数据的可靠性，每个比特中需要包含足够数量的磁性晶粒以保持一定的信噪比。但当比特变得非常小时，即使保持晶粒数量，单个晶粒体积的减小也会导致整体热稳定性下降。

图片中还给出了一个用于计算平均翻转时间的公式，并指出 KV/kT 的比值在 60 时被认为是可接受的，这代表了维持数据稳定所需的能量壁垒。

在追求更高硬盘存储容量的同时，必须克服由于比特尺寸减小而导致的热稳定性降低的挑战，这需要新的技术和材料创新来确保数据的长期可靠性。

图注：热辅助磁记录的原理与磁头结构

图片介绍了 HAMR (热辅助磁记录) 技术，这是一种解决硬盘容量增长挑战的关键方案。正如上一张图片所描述的，提高存储密度会导致比特尺寸减小，从而降低热稳定性。

HAMR 技术通过在写入数据时使用激光加热盘片上的一个极小的区域，将该区域的磁性介质的矫顽力暂时降低。这样，即使使用较小的磁头磁场，也能够在高密度介质上写入数据。写入完成后，加热区域迅速冷却，介质恢复到高矫顽力状态，从而保证了数据的长期稳定性。

这种技术允许在盘片上更紧密地排列磁性晶粒，显著提高硬盘的面密度和存储容量，同时克服了传统磁记录技术在更高密度下遇到的热稳定性问题。HAMR 通过引入精确的加热和冷却过程，使得在更小的磁性颗粒上稳定地存储数据成为可能，从而推动了硬盘容量的持续增长。

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图片展示了 HAMR (热辅助磁记录) 技术的工作原理。

左侧图表： 展示了磁记录过程中矫顽力 (Coercivity) 随温度的变化。
- PMR Hc (PMR 矫顽力): 在常温下，传统垂直磁记录 (PMR) 的磁性介质具有较高的矫顽力，以保持数据的稳定性。
- 可用磁头磁场 (Available Head Field): 磁头产生的磁场强度。为了写入数据，磁头磁场必须克服介质的矫顽力。
- HAMR Hc (HAMR 矫顽力): 通过加热，HAMR 介质的矫顽力会显著降低。
- 加热介质 (Heat Media): 激光加热写入点。
- 写入位置 (Write Here)： 在加热后，磁头可以在较低的磁场强度下写入数据。
- 冷却介质 (Cool Media): 写入后，介质迅速冷却，恢复高矫顽力，保持数据稳定。
- 存储位置 (Store Here)： 冷却后的介质能够稳定地存储数据。
右侧示意图： 展示了 HAMR 磁头的结构。
- Writer (写入器): 产生磁场用于写入数据。
- NFT (近场换能器): 将激光能量聚焦到非常小的区域，加热盘片上的写入点。
- Reader (读取器): 用于读取已写入的数据。
- Optical Waveguide Reader Shields (光波导读取器屏蔽): 用于引导激光并屏蔽读取器（修正见留言区）。
- Heated Spot on Media (介质上的加热点): 激光加热的微小区域。
- Written Data (已写入数据): 写入后的数据。

图注：HAMR 介质与磁头原理

图片详细展示了 HAMR (热辅助磁记录) 技术的关键组成部分：磁性介质和磁头结构。

磁性介质方面： HAMR 技术采用了一种特殊的磁性材料——高各向异性的铁铂合金 (FePt) 作为记录层。这种材料具有优异的热稳定性和光学特性，使其能够在高密度下稳定地存储数据，并且在激光加热时能够被有效地软化以便写入。图片还展示了随着技术的发展，FePt 晶粒的排列越来越致密，预示着更高的存储密度。

磁头结构方面： HAMR 技术引入了近场换能器 (NFT)。NFT 是一种利用等离子体激元效应的微型光学器件，它可以将激光发出的光线聚焦到非常小的区域，产生足够的热量来局部加热盘片上的磁性介质。这种局部加热使得在具有高矫顽力的 FePt 介质上写入数据成为可能。图片示意了光线如何照射到 NFT 并产生局部加热的区域。

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磁性介质结构：

记录层 (Recording Layer): 由高各向异性的 FePt（铁铂合金）组成，具有优化的热学和光学特性。
中间层 (Interlayer): 位于记录层和散热层/软磁底层之间。
散热层 / SUL (Heat Sink / Soft Underlayer): 用于散热和提供磁屏蔽。
磁盘基板 (Disk Substrate): 硬盘盘片的基底材料。

图片上方展示了磁性介质在不同时间段的微观结构示意图：

2015: 显示了早期的 HAMR 介质结构。
Present (现在): 展示了当前的 HAMR 介质结构，可以看到更致密的晶粒排列。
Future (未来): 预测了未来 HAMR 介质可能实现的更高密度的晶粒排列。

磁头结构：

等离子体近场换能器 (Plasmonic NFT) 设备： 在亚衍射极限的区域内传递电磁能量，实现高密度记录。
近场换能器 (Near-Field Transducer - NFT): 示意图展示了 NFT 的工作原理，光线照射到 NFT 上，在极小的区域内产生强烈的局部加热效应。

图注：HAMR 面密度提升路线图

图中比较了3种磁记录技术的发展趋势：

传统纵向记录（Longitudinal Recording）：早期技术（1998-2005年），面密度仅约400 GB/磁盘。
垂直记录（Perpendicular Recording）：2004年后取代纵向记录，推动面密度至2 TB以上，2018年之后 PMR 技术对面密度的提高效果进入缓慢增长阶段。
热辅助磁记录（HAMR）：HAMV1/V2/V3设计线（紫/粉/绿线）：
- 阶段性目标：分别对应面密度提升至3 TB、4 TB、6 TB/磁盘。
- 实际进展：
  - V1：2010年前后启动实验室演示。
  - V2：2016-2018年实现实验室验证，2018年推进至驱动器原型（Drive Demo）。
  - V3：预计2020年后达成6 TB目标，但图表未明确标出最终成果，暗示仍在研发中。