20TB 20年，发光换热谱新篇

记得大约是5年前，SSD的（单体）最大容量首次超过硬盘。我突然萌生了一个幼稚的想法，要查一查全球NAND Flash（闪存）的产能有多少……这个“幼稚”当然是全方位的，核心驱动力还是想了解：如果机械硬盘（HDD）真如某些个人消费者所愿的凭空消失了，光靠（基于闪存的）SSD，容量缺口会有多大？

现如今，在售硬盘的最大容量为20TB，而固态盘（SSD）的最大容量已经在30TB以上，超出一半还多。然而，到了需要为信仰充值的市场上，容量的主要贡献者仍然是硬盘。

2020年的硬盘和SSD市场（来源：Trendfocus）

2021年2月，Trendfocus公布了2020年NAND/SSD出货统计，有两个“首次”：

• SSD的出货量首次超过硬盘，达3.33亿，硬盘非常接近2.6亿；
• 硬盘总容量首次突破1ZB（1018EB），SSD仅为207EB——几乎5倍的差距。

单体容量大不算大，单位容量大才叫大。根据Trendfocus的数据统计出单位平均容量，SSD不到630GB，硬盘接近4TB，是前者的6倍以上。结合其他数据也不难得出结论：SSD对硬盘的替代主要发生在客户端，数据中心和云一侧的容量需求还是要靠硬盘来满足。

IDC对全球8个超大规模用户（美国FAMGA+中国BAT）2019年存储使用情况的统计表明，硬盘总容量在SSD的9倍以上。调查范围扩大到10家，硬盘存储数据的占比仍然超过90%。

全球领先的云数据中心，约90%的数据存储在大容量硬盘上

原因很简单，在大容量区间，硬盘的成本比SSD有明显的优势。SSD的单位容量价格是硬盘的10倍左右，需要存储的数据越多，越不可能无视这么大的价差，毕竟地主家也没有余粮呀……譬如Facebook就曾表示，当SSD的价格（下降）到硬盘的2～3倍时，才会考虑完全转用SSD。

不过，我们要用发展的眼光看问题。如果在最大单体容量上，SSD能持续拉开与硬盘的差距，那么总有一天，“中小容量”的SSD就可以与大容量硬盘PK价格了，届时硬盘还有什么优势呢？数据保存时间吗？

以单位容量成本而言，机械硬盘仍低至SSD的十分之一左右

“（从历史数据来看）NAND价格下降稳定在每年不超过20%，这样SSD也要10年才能达到今天硬盘的价格水平。”可是，假设硬盘的容量提升从现在起突然停滞，那么，只需要6年左右的时间，SSD的价格就可以下降到2～3倍于硬盘的区间……岌岌乎殆哉。

不管你是乌龟还是兔子，躺下睡觉，或是原地踏步，被追上的时间都会提前到来。

世纪之交，昙花一现

核心技术的重大突破，是高科技产品走向黄金时代的开路先锋。

1988年，巨磁阻（Giant Magneto-Resistance，GMR）效应被发现。几年之后，IBM率先研制成功基于巨磁阻效应的读出磁头，并于1997年率先应用在其硬盘驱动器（Hard Disk Drive，HDD）产品中。

随着各种MR磁头乃至GMR磁头的广泛应用，硬盘的容量在世纪之交迎来高速增长。1999年初，我在为《微型计算机》撰稿的过程中，发现市售硬盘的磁录密度（面密度，areal density），在一年间翻了一番，不由得感慨“存储密度的增长速度连摩尔定律也自愧弗如”——在类似表述的克莱德定律（Kryder's law）被提出的2005年，硬盘存储密度的增速已经明显回落了。

那段时间的硬盘行业有多“膨胀”呢？说个零零后可能不会相信（或者说并不关心）的事实：当时机械硬盘在微型化上颇有建树，甚至打入了以iPod mini为代表的MP3播放器市场。

不难想象，以手机、平板电脑为代表的移动设备，对存储部件在形状/尺寸适应性、健壮性（如抗冲击）、访问特性等各方面的诉求来看，固态存储原本就比机械硬盘更合适。但是，硬盘仅仅凭借那几年存储密度的狂飙突进，就可以容量优势“越界”抢固态存储的饭吃；那么，待到增长之势逆转，招致全面反击也就是意料中事了。

在这点上，和经济一样，保增长是关键。

水平极限，垂直急转

根据我个人对市售硬盘的统计，3.5英寸硬盘的单碟容量（单张盘片的容量，在盘片尺寸不变的情况下，可以大致对应磁录密度）年增长率达100%的高光时刻，只维持了4年（1999～2002）。从2003年开始，单碟容量的年增长率就暴跌至三分之一以下了。

虽然来自NAND Flash（闪存）的威胁尚未显现，硬盘行业已经着手从纵向磁记录过渡到垂直磁记录。

一些宏观的想法往往具备跨不同细分领域的适用性，哪怕是并无“血缘关系”的NAND闪存和磁记录技术。

不太严谨的说，磁盘的盘片也好，闪存的芯片也好，都是通过在单位面积上增加存储单元的数量来达成更高的密度。在存储单元只分布在介质表面的二维状态下，存储密度的提升通常对应着存储单元体积的缩小。

闪存单元缩小、靠近后的互相干扰

在存储介质使用的材料没有改变的情况下，存储单元体积的缩小，意味着其可用的原子或电子总数的减少，所具有的总能量降低，更容易受到环境（如温度）或相邻存储单元的干扰而改变状态，影响数据存储的稳定性。当这种情况严重到一定程度，存储密度就不能继续提升了。

磁记录的1个数据位（本文所称的“磁位单元”）由多个磁粒组成，当超过一定比例的磁粒翻转（如图中红线圈住的白色六边形），导致信噪比（SNR）过低，数据位便无法正确读出

具体到硬盘，有个对应的术语叫“超顺磁”效应（superparamagnetic effect），即是说当磁粒的体积缩小到一定程度，只需要很小的能量（譬如室温下的热能）就可以使其磁化方向翻转，导致磁位单元保存的数据位（bit）被破坏，无法再正确地读出。

不能无休止的减小存储单元（尺寸），又想继续提升存储密度？那就改变存储单元的排列方式，以延缓其体积的下降。

纵向（水平）磁记录与垂直磁记录

上个世纪的硬盘基本上都采用纵向磁记录（Longitudinal Magnetic Recording，LMR）技术，磁位单元的磁化方向与盘片表面平行，沿着盘片旋转的方向（圆周）排列构成磁道，磁极相邻，首尾相接，即所谓的“纵向”（longitudinal也有“水平”之意）。不过，垂直磁记录的历史也不算短，（开山祖师IBM的）第二代硬盘就试图采用之，1976年已有完善的理论支撑。

垂直磁记录（Perpendicular Magnetic Recording，PMR）的“垂直”是指，磁位单元/磁粒的磁化方向与盘片表面相垂直，由原来两个磁极和整个磁体都位于盘片表面，转为只有一个磁极位于盘片表面，而磁体和另一个磁极都埋入磁层中的结构。如此一来，可以通过增加磁层厚度，抵消磁粒占据盘片表面积的缩小。

这种将存储（基本）单元翻转90°排列的方式，是不是让你想起了后来的3D NAND？这个“起手式”看起来确实很相似，但是机械硬盘读写头与存储介质相分离、通过磁场去改写或读取数据的特性，决定了磁位单元不能多层堆叠，也就是依然停留在2D，并没有继续发展为3D的“后手”。少了一个维度，增长潜力自然不可同日而语——就像平房很难和楼房比总的建筑面积一样。

2D变3D的关键一步，就是闪存单元结构方向的改变（步骤2）

3D的威力着实了得，一投入量产就是24层，到了第三代的48层，就帮助固态盘（Solid State Drive，SSD）实现了单体容量对硬盘的超越。不到八年的时间，3D NAND已经奔着200层去了。

作为对比，我们可以看一下机械硬盘在盘片层面的堆叠。通过填充密度低、阻力小的稀有气体氦（Helium）并密封盘体的手段，所谓的“氦气密封硬盘”能够把标准构型（1英寸厚）3.5英寸硬盘所容纳的盘片数量，从4～5个提升到8～9个——也不过就是一倍而已，何况NAND闪存在芯片层面的堆叠更凶残，还是拼不过。

到头来，终归要靠磁记录技术的进步谋求可持续发展，而垂直磁记录从2006年走向普及以来，硬撑了十多年，潜力已消耗殆尽，却还没等来援军。

尽管，援军的身影甚至更早浮现。

HAMR，“无间道”

垂直磁记录的“援军”中，有一个帮手，一个接班的。

大约在2001年底，希捷（Seagate）公司在纵向记录介质上首次实验了热辅助磁记录（Heat-Assisted Magnetic Recording，HAMR）技术。2002年8月，在位于宾夕法尼亚州匹兹堡的研发中心开幕庆典上，希捷演示了HAMR技术。

我本有机会参加庆典现场观摩，但最终没有去成。据说，按照当时的技术路线图，HAMR被引入市场还需要五六年的时间。

这一年的晚些时候，电影《无间道》在香港上映。在短短一年的时间里，《无间道》三部曲全部面市。

仅从字面意义来说，“无间道”三个字非常适合代称另一项硬盘技术。

我们知道，硬盘盘片上的磁道是一个个的同心圆，彼此间有一定的（径向）距离。随着磁头和介质技术的进步，磁道逐渐变窄，间隙也在变小，但终究还是存在。

“无间道”的主旨就是消灭这些磁道间的空白区域，充分利用盘片的表面积。更确切的说，相邻的磁道之间不仅没有空隙（无间道），而且有一定的重叠，这样一圈压一圈的下来，很像屋顶上层层叠叠的瓦片，所以得名为叠瓦式磁记录（Shingled Magnetic Recording，SMR）。

SMR得以成立的基础是磁头上的读取元件小于写入元件，所有数据仍然可以从宽度变窄的磁道上读取，而不影响数据的完整性或可靠性。再者，SMR涉及的更多是软件层面的变化，并不需要更改磁头和盘片，也不用大幅增加生产投资，或许还真可以跟电影一年出三部类比一下。

既然这么好，为什么没有广泛应用呢？

因为写数据的代价有点大。

问题在于，SMR在原本相互独立的磁道之间建立起了关联性，这种磁道结构只适合顺序写入，或者说是按顺序在后面追加（append）数据。一旦你试图在前面的磁道上重新写入（修改）数据，就会摧毁相邻的一到多个磁道的数据——活在“无间道”上的数据，也是很危险的。

解决之道是把磁道“分区”（zoned），控制写入操作的作用范围。连续的磁道中间需要改写数据，那就是“牵一发而动全身”（起码也要动个半身）——先连同后面磁道上的数据都读入缓存，更改对应的数据后再整体重写。显然，随机写的性能必然会下降。

另一类做法是干脆把SMR定位在顺序写入场景，把分区设置为只能顺序写，或者顺序写优先。

SMR给随机写入数据带来的附加操作，不由得让人想起NAND闪存……但是，SSD能够消化NAND写入的复杂性，不会波及到应用；而SMR的写入要么可能导致性能不可预测，要么需要主机端（上层软件）介入管理，带来额外的开发工作量或兼容性问题。

总之，SMR技术不仅潜力较为有限（容量提升零点几到几倍），更有其适用范围和场景（如归档和冷存储应用），主要还是用来打辅助，没到山穷水尽，不宜全面推广。

尽管SMR本质上是一种磁道组织方式，必须与具体的磁记录技术如PMR配合使用，但在SMR出现之后，单纯的PMR就改称CMR（Conventional Magnetic Recording，常规磁记录），以与暗含PMR的SMR相区分。但是，随着“基石”PMR接近极限，加上SMR这个“放大器”也走不了多远了。

光热转换，排除万难

回到2002年的技术路线图，PMR的定位应该是给HAMR打前站，差不多三年后（2002+6 ≈ 2006+3）就可以交班了。

可谁承想“三年之后又三年，三年之后又三年……”等我拿到20TB的HAMR硬盘，已经19年过去了。

19年什么概念？2007年，巨磁阻效应的发现者们都拿到诺贝尔物理学奖了。

在技术研发期，希捷共制造约1万块HAMR硬盘

当然，这19年中并不都是“三年又三年”式的delay。譬如，在2018年底，希捷就利用HAMR技术达成了当时业界最高的16TB容量，略胜PMR+SMR组合一筹。

想当初，在大致了解HAMR的概念和规划之后，我有两个直觉上略存冲突的感受，对错放一边，可以作为梳理HAMR技术难点的辅线。

首先，感觉6年商用有点过于乐观了，但是也没想到要15年那么久（才接近商用）。

主要的顾虑在于，HAMR上的难度有点大——不仅盘片和磁头全要换，硬盘的复杂度也变得更多维：在原本的机械（力学）、电、磁之外，加入了光学和随之而来的热力学，可以说常见的物理学分支都用上了。

2017～2020年间，HAMR磁录密度的增长情况。注意看左边图：左下角紫色圆点代表2016年得出18TB等效容量对应的磁录密度，右上角橙色圆点代表2020年最大实验室演示磁录密度（2600 Gb/in²）

这一系列变化的开端属于化学（材料），即改变（磁记录）介质的“受”性，归根结底还是物理（磁学）需求驱动的。

如前所述，磁记录层无法3D堆叠，SMR又是“杀敌一千自损八百”的神经刀，继续减小磁位单元的尺寸和磁道的宽度（而不是强求“无间”）才是正途。

但是，如何避免超顺磁效应的出现，（起码）在室温下能保持磁化方向的稳定性呢？改用矫顽力（coercivity）更高的材料，譬如高各向异性的铁铂合金（FePt）介质。

是不是一看到“铂”这个字，一股浓浓的“稳定”气息就扑面而来？没错，铂君这“金设”真是稳稳的。

除了高矫顽力和很好的单轴磁晶各向异性，FePt还有很低的超顺磁临界尺寸（纳米级），拓展了继续做小的空间。

通俗的说，矫顽力就是磁性材料保持磁化方向的能力。矫顽力高，别说室温了，温度再上升一些，依然保持稳定。

然而，读写矛盾再次显现：读出来的数据是没问题了，磁头想要（在常温下）写入数据，得要多强的磁场？小小磁头上渺小的写入元件，没有那个能力呀……

HAMR用名字给出了方案：去它的常威……哦不，常温！用（加）热辅助记录（写入）。

利用矫顽力随温度升高而下降的特性，在高温下以正常的磁场强度写入

既然不能加强磁场来“硬的”，先升高温度来“软的”，让磁粒无力抵抗，没有那么直接，确实是辅助性的。

不论强磁还是高温，都要精确控制能量场的作用范围，以防误删了临近的数据。

HAMR使用在人们印象中以“精细”著称的激光作为加热盘片特定区域的外部能量，然而真相远没有看起来这么简单。

这就说到第二个感觉了：“激光束照射到磁记录层上，当被照射记录层的温度达到一定值时，通过外加磁场的作用改变记录层的磁化方向，从而在盘片上写入数据”——不就是磁光（Magneto-Optical，MO）盘么？上世纪80年代中期就有了……（已经无惧暴露年龄）

磁头和介质（盘片上）共同决定磁录密度（areal density），或者说“面密度”，又可以分解为平面内相互垂直的线密度（linear density）和道密度（track density）

难度岂可同日而语？磁光盘最后只发展到GB级别的容量，硬盘（单盘片）的千分之一。这么大的差距，足以完成从量变到质变的过程，不是一个物种了——况且本来也不是。

不要说最高几个GB的MO盘，就是几十GB的蓝光（Blu-ray，与MO原理不同）光盘，其光点尺寸也“高达”238nm（纳米），对超顺磁临界尺寸低两个数量级（2.8～3.3nm）的FePt来说，还是太高了。

经过尝试，希捷发现，即使运用光学技巧和近场记录技术，仍然无法把光束聚焦到100纳米以内。

最后，希捷将古老的表面等离子体激元（surface plasmons）原理——翻译过来挺拗口，但是人类使用它的历史可以追溯到公元七世纪——应用到近场换能器（near-field transducer，NFT）上，称为等离激元（plasmonic）NFT。希捷在2017年底的一份介绍材料中宣称，在HAMR开发过程中，共制造了超过2500万个等离激元NFT。

等离激元NFT由侧面带一个凸起的圆盘构成，光被这个圆盘散射转化为表面等离子体激元，通过圆盘外边缘由凸起向下加热介质的特定点，凸起的宽度就是介质上热点的宽度，远远小于衍射极限

当光在特殊情况下照射到某些金属时，就会变成表面电流。这种表面电流和相关的电磁场称为表面等离子体激元。表面等离子体激元沿金属表面传播，通过控制NFT器件的形状就可以控制（投射在盘片上的）加热点的大小，也就间接控制了磁道宽度——这个加热点的尺寸已被证明可以达到每英寸100万个磁道，是垂直记录磁道密度的3～4倍。

HAMR磁头看起来很像PMR磁头，但是增加了3个主要元件：贴装的激光二极管发出激光，通过集成光波导（光纤是大家相对熟悉的另一类光波导）引向集成在写入元件前侧的NFT，转化为精确定向的热能，预先加热要写入的区域，临时降低其矫顽力，以便于磁头写入数据。

所以，磁头上的写入部分（记录头）是完全为HAMR重新设计了，而盘片也是重新设计的。

因为，解决了加热的问题，还有散热的问题：太快过于耗能，太慢会造成热量扩散并删除临近的数据，找到平衡点是HAMR成功的关键。

从下到上，或者说从里到外，依次是：

1. 由特殊HAMR玻璃材质制造的基板，允许在高温下沉积记录层；
2. 加入的中间层和散热层控制从记录层扩散的热流量；
3. 记录层…使用希捷称为Iron-Platinum（铁-铂）的介质…不用再展开啦；
4. 改变涂层，以在被加热到超过400℃时依旧保持稳定。

按照希捷的介绍，加热、写入、冷却的整个流程耗时约1～2纳秒（ns）——简直可以媲美CPU Cache的访问时延？

业界认为，PMR的磁录密度极限是每平方英寸1Tbit（1 Tbpsi），而基于HAMR可以达到5～10 Tbpsi，也就是起码5倍的提升。从希捷的路线图来看，2026年HAMR硬盘的容量可以达到50TB。

HAMR产品的成熟周期在3～5年

希捷在2019年推出最大容量16TB的Exos X16系列企业级氦气硬盘，平均磁录密度刚刚超过1 Tbpsi（1028 Gb/in²）；随后最大容量18TB的Exos X18系列，平均磁录密度继续挺进到了1.1 Tbpsi之上。

现在，市场终于等来了首款公开发售的HAMR硬盘——希捷Exos X20H，容量达到20TB，磁录密度基本吻合1.2 Tbpsi的预估。接下来请跟随我们的脚步，一同经历HAMR初体验。

右边的Exos X20H是2020年12月中旬生产的，左边的Exos X18要早3个月

牛刀小试，再战十年

作为参照，一同到手的还有18TB的Exos X18——之所以强调18TB，是因为同系列还有16TB的型号。新的16TB与前辈Exos X16同为9碟封装（9张盘片），但有数据显示其少用了半张盘片（只用盘片的一面和1个磁头），因而单碟容量略大一些。

Exos X18的磁录密度比Exos X16高了11%，所以性能也要好上那么一点点，主要体现在最大持续数据传输率。

温习一下面密度、线密度、道密度；水平（纵向）磁记录向垂直磁记录（PMR）的转换，以及PMR的极限

磁录密度是一个平面（面密度）或者说是二维的量，可以分解为径向的磁道密度（道密度）和切向的记录密度（线密度），决定（持续）数据传输率的是后者——换言之，持续传输率的提高速度必然追不上磁录密度的增长幅度（除非道密度是降低的）。

在盘片直径、转速等因素不变的情况下，更高的记录密度通常对应着更高的持续数据传输率。根据希捷产品手册中列出的数据来分析，Exos X18比Exos X16的磁道密度高出近14%，记录密度高出不到6%，最大（外圈）持续数据传输率高出近3.5%，也不难看出持续传输率与磁道密度的关联更为密切。

Exos X20H沿用了Exos X16/18的外观设计，也是氦气密封、9碟封装，外观上的辨识主要靠标签上“X20”后面小号字体的大写“H”，代表HAMR（而不是Helium）。

可能因为这是一款采用全新磁记录技术的产品，我暂时还没看到Exos X20H的数据表。用单碟容量粗略对应磁录密度，那么在盘片数相同的情况下，18TB到20TB的提升比例，略低于16TB到18TB，结合上面的分析，我对最大（外圈）持续数据传输率会不会有肉眼可见的增长，基本上不抱期望。

Exos X18的顺序读写性能与数据表相当吻合

测试结果是：Exos X20H的最大持续数据传输率略低于Exos X18，大约有后者的95%，（持续数据传输率的）最小值和平均值还要低一些。通常而言，这表明磁录密度的增长主要来自磁道密度，倒是可以证明等离激元NFT在加热点尺寸控制上的能力——如此说来，冷却时间的匹配精确度可能是制约记录密度提高的一个重要因素。

Exos X20H的顺序读写性能也很一致

不过，目前拿到的Exos X20H还是工程样品，期待正式量产版本的性能会有进一步提升。

无论如何，（其他条件不变的情况下）硬盘的最大持续传输率必然跟不上容量增长的速度，所以大容量硬盘完整读/写一遍所需的时间，越来越长。以我们测得的持续数据传输率平均值来推算，全盘顺序读或写一遍，Exos X18要用接近一天的时间，Exos X20H则已经超过一天。

在同一条技术路线上，随着硬盘容量的增长，单位容量的I/O性能下降，全盘读写一遍的时间变长

要想更快的读写数据，又不能提高转速，增加磁臂的数量是一个方向，如希捷的MACH.2双磁臂技术，理想状况下可以把硬盘的读写性能提高一倍，将来可能还会有更多的磁臂出现。

翻过来看，近年来硬盘的PCBA（安装于盘体外的电路板组件）布局已经非常紧凑，譬如Exos X18/20H的PCBA，面积不到硬盘（投影）的四分之一。PCBA上的主要芯片，还是硬盘控制器、SDRAM、马达控制器这“老三样”，Exos X20H沿用了Exos X18的硬盘控制器，但SDRAM的容量从256MB翻倍为512MB。

总体上，作为硬盘Cache的SDRAM，容量基本上随着硬盘容量（尽可能地）同步增长。像Exos X16和Exos X18都是256MB的Cache，Exos X20H的容量增幅相同，按理说没必要把Cache容量翻倍，所以我更倾向于认为是出于供应链方面的考虑，未来（量产版本）有可能还是256MB。

随着容量继续增长，为了保持单位容量的性能（如IOPS/TB），HAMR势必会与多磁臂技术合体。多磁臂能直接提高硬盘的性能，包括随机访问性能（IOPS），增大Cache容量并不能取得这样的效果。

更具体的说，在随机读的时候，以不到GB级别的Cache，服务10TB以上的存储容量，命中率可以忽略不计；在随机写的时候，把写入数据先保存在内存里（Write Back），积累到一定容量再尽可能的按顺序写入磁道，肯定可以提高性能，代价是突然掉电时未落盘的数据会丢失。在企业级环境后者显然是不能允许的，所以要求的还是关闭写缓存（Write Cache Disable，WCD）的“裸”性能。

上有政策，下有对策。希捷的高级写缓存技术干脆跳过内存环节，把随机写入的数据直接顺序写入盘片上的特定区域，等到相对有利的时机再将数据取出并写入到真正的目的地。这种类似log的做法在数据库等软件领域久经考验，E企研究院在2019年测试的Exos X16就支持高级写缓存功能。我在Exos X18上体验了一把：当软件停止随机写入操作时，硬盘继续忙个不停（频繁寻道的声音），哪怕立即关机或重启系统的过程中，仍然在咔咔的送数据“归位”。

在4KB对齐的情况下，Exos X20H的4KB随机写入性能，达到Exos X18的一半以上

从4KB随机写入的测试来看，在Exos X18的高级写缓存功能的加持下，队列深度为16（QD16）时，IOPS可以稳定在560左右，是随机读取性能的3倍以上。出于保险起见，Exos X20H还未配备高级写缓存功能，但是随机写入性能最差也可以与随机读取性能相当，体现了不用SMR的价值。

总体而言，Exos X20H可以视为Exos X18的加大容量保守版，让用户先体验到纯粹的容量增长……相比性能上的提升，我更希望这真是新的一个10年的开始。