【摘要】：根據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司(IDC)的報(bào)告,全球數(shù)據(jù)產(chǎn)生量在2016就已超過(guò)16ZB,到2025年將超過(guò)160ZB。伴隨著數(shù)字信息量的爆炸式增長(zhǎng),對(duì)大容量存儲(chǔ)設(shè)備的巨大市場(chǎng)需求推動(dòng)了傳統(tǒng)磁記錄和各類新型存儲(chǔ)器件的不斷進(jìn)步。與半導(dǎo)體、光存儲(chǔ)等方式相比,磁存儲(chǔ)在存儲(chǔ)成本、使用壽命和可修復(fù)性等方面依然具有優(yōu)勢(shì),基于磁記錄技術(shù)的硬(磁)盤預(yù)計(jì)未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間仍將作為主要存儲(chǔ)載體而占據(jù)大容量信息存儲(chǔ)市場(chǎng)的大部分份額。隨著磁記錄技術(shù)的快速發(fā)展,硬盤的存儲(chǔ)密度在過(guò)去長(zhǎng)期呈現(xiàn)摩爾定律式的快速增長(zhǎng),存儲(chǔ)密度從早期的2kbpsi增長(zhǎng)至目前商用的1.5Tbpsi~2Tbpsi,這種令人驚喜的增長(zhǎng)速度得益于介質(zhì)、磁頭、頭盤接口、記錄方式等一系列新技術(shù)的運(yùn)用,但隨著存儲(chǔ)密度的提高,磁記錄面臨愈來(lái)愈嚴(yán)峻的“三難”困境,提升趨勢(shì)減緩。為了突破存儲(chǔ)密度瓶頸,磁存儲(chǔ)學(xué)界和業(yè)界提出了交換耦合介質(zhì)、比特圖案化、能量輔助、瓦記錄、二維磁記錄等各種新技術(shù)。針對(duì)記錄介質(zhì)熱穩(wěn)定性難題,交換耦合介質(zhì)由高各向異性的硬磁層和低各向異性的軟磁層借由晶粒間的耦合作用縱向堆疊構(gòu)成磁性顆粒,硬磁層用于保證熱穩(wěn)定性,軟磁層用于促進(jìn)硬磁層的翻轉(zhuǎn),進(jìn)而降低介質(zhì)的翻轉(zhuǎn)場(chǎng)。針對(duì)磁頭寫(xiě)入能力難題,瓦記錄通過(guò)鄰接磁道的相互部分覆蓋,減小磁道寬度,采用寬大的寫(xiě)磁頭產(chǎn)生較強(qiáng)寫(xiě)場(chǎng),提高系統(tǒng)寫(xiě)入能力,無(wú)需對(duì)傳統(tǒng)寫(xiě)磁頭進(jìn)行大的結(jié)構(gòu)改造,易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。針對(duì)數(shù)據(jù)讀取難題,二維磁記錄從信號(hào)處理的角度實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)下的低信噪比數(shù)據(jù)信號(hào)的回讀檢測(cè)和恢復(fù)。通過(guò)微磁學(xué)仿真,分析了交換耦合介質(zhì)下瓦記錄的寫(xiě)入過(guò)程,為寫(xiě)磁頭的設(shè)計(jì)優(yōu)化、交換耦合介質(zhì)制備參數(shù)的選擇和二維磁記錄的讀取提供了理論支持,從存儲(chǔ)介質(zhì)、寫(xiě)磁頭設(shè)計(jì)、讀取信號(hào)處理三方面綜合交換耦合介質(zhì)、瓦記錄和二維磁記錄技術(shù)提升系統(tǒng)性能,為實(shí)現(xiàn)10Tbpsi的存儲(chǔ)密度提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。交換耦合介質(zhì)翻轉(zhuǎn)場(chǎng)理論研究和制備參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)構(gòu)建交換耦合介質(zhì)的單顆粒和多顆粒沃羅諾伊三維有限元模型,分析了軟硬磁層各向異性、交換耦合效應(yīng)及飽和磁化強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)介質(zhì)翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的影響,并以此為理論基礎(chǔ)對(duì)以L10-Fe Pt為硬磁層的交換耦合介質(zhì)制備參數(shù)進(jìn)行了選擇和優(yōu)化。以介質(zhì)翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角相關(guān)性為切入點(diǎn),選擇適合的軟磁層材料,以10Tbpsi為目標(biāo),根據(jù)介質(zhì)翻轉(zhuǎn)場(chǎng)與磁頭寫(xiě)入能力之間的關(guān)系,得到合適的磁性顆粒制造直徑和厚度。瓦記錄寫(xiě)磁頭的建模及優(yōu)化。提出了交換耦合介質(zhì)下的瓦記錄擦除帶寬計(jì)算方法,該方法借助綜合寫(xiě)入誤差計(jì)算擦除帶寬,結(jié)合介質(zhì)翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角相關(guān)性,可以對(duì)瓦記錄擦除帶寬進(jìn)行量化分析,擴(kuò)充了衡量系統(tǒng)性能的參考指標(biāo)。分析了寫(xiě)磁頭斜截角和圓角寫(xiě)磁極對(duì)系統(tǒng)性能的影響,結(jié)果表明,磁頭以較小的斜截角運(yùn)行時(shí),擦除帶寬的變化幅度更小;寫(xiě)磁頭應(yīng)設(shè)置合適的斜截角運(yùn)行范圍,該范圍的下限應(yīng)以能提供足夠大的寫(xiě)場(chǎng)強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn),上限應(yīng)考慮擦除帶寬的大小和增長(zhǎng)趨勢(shì);優(yōu)化的圓角寫(xiě)磁極可以提高寫(xiě)場(chǎng)梯度,降低鄰接磁道受到的逸散場(chǎng),減小擦除帶寬。結(jié)合寫(xiě)磁頭斜截角和圓角效應(yīng),優(yōu)化了瓦記錄磁頭設(shè)計(jì),分析了交換耦合介質(zhì)下磁頭各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)有效寫(xiě)場(chǎng)強(qiáng)度和梯度以及擦除帶寬等性能指標(biāo)的影響。對(duì)二維磁記錄的讀取通道進(jìn)行了建模,提出了用以恢復(fù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)幾率回歸預(yù)測(cè)模型,該模型將有效相鄰比特區(qū)域內(nèi)的回讀信號(hào)作為樣本特征向量,目標(biāo)比特?cái)?shù)據(jù)作為標(biāo)記,通過(guò)對(duì)數(shù)幾率回歸算法預(yù)測(cè)原始數(shù)據(jù)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析誤碼情況,發(fā)現(xiàn)了易錯(cuò)編碼模式,在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)限制這些模式的受限編碼,可以降低預(yù)測(cè)模型的誤碼率。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP333
【圖文】：

1.1 引言隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)獲取信息的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，特別是近些年互聯(lián)網(wǎng)的普及使人們能夠更加便利地上傳和下載各種數(shù)據(jù)，個(gè)人和機(jī)構(gòu)在日常生活中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)快速增長(zhǎng)，全社會(huì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量早已到達(dá) ZB 級(jí)，人類社會(huì)已進(jìn)入到大數(shù)據(jù)時(shí)代。預(yù)計(jì)未來(lái)數(shù)據(jù)的年增長(zhǎng)率可能會(huì)超過(guò) 45%，這其中不僅有越來(lái)越多的個(gè)人和企業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量，而且還有人們生活中接觸到的各種電子產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。2017 年 4 月希捷聯(lián)合 IDC 公司發(fā)布了《Data Age 2025 Study》報(bào)告[1]，如圖1.1 所示：到 2025 年，全球產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量預(yù)計(jì)將超過(guò) 160ZByte，而 2018 年，數(shù)據(jù)量還只是 33ZByte，這些數(shù)據(jù)也將給廣大用戶一個(gè)全新的體驗(yàn)和商業(yè)機(jī)會(huì)。如此龐大的數(shù)據(jù)有三個(gè)主要來(lái)源：（1）核心（Core）：公司的數(shù)據(jù)中心和云端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；（2）邊緣（Edge）：核心數(shù)據(jù)外的其他公司企業(yè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；（3）終端（Endpoint）：個(gè)人設(shè)備，如個(gè)人電腦、手機(jī)等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)代社會(huì)數(shù)字信息量的爆炸式增長(zhǎng)及大數(shù)據(jù)分析的需要，對(duì)大容量存儲(chǔ)設(shè)備了巨大的市場(chǎng)需求，這推動(dòng)了傳統(tǒng)磁記錄技術(shù)和各類新型存儲(chǔ)器件及相關(guān)技術(shù)斷進(jìn)步。大規(guī)模數(shù)據(jù)中心采用包括硬盤和基于 NAND-Flash、SSD 的各種新興存術(shù)，同時(shí)在其他領(lǐng)域，特別是對(duì)于存檔或較少訪問(wèn)的數(shù)據(jù)集，硬盤、磁帶和光儲(chǔ)依然是數(shù)據(jù)中心廣泛采用的存儲(chǔ)技術(shù)。與半導(dǎo)體存儲(chǔ)和光存儲(chǔ)等方式相比，儲(chǔ)具有顯著的單位存儲(chǔ)成本和綜合性能優(yōu)勢(shì)，據(jù) IDC 公司最新研究報(bào)告顯Where in the world is Storage），如圖 1.2 所示：在 2000 年，光存儲(chǔ)是首選的存儲(chǔ)，其份額一度達(dá)到了 60%，但由于綜合性價(jià)比劣勢(shì)，其市場(chǎng)份額逐年下降；磁儲(chǔ)一直是需要長(zhǎng)期存儲(chǔ)和備份領(lǐng)域常用的介質(zhì)；由于各種電子設(shè)備，特別是手興起，閃存的市場(chǎng)份額開(kāi)始顯現(xiàn)，未來(lái)可能會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大；這里特別需要提到的是 2017 年，基于磁記錄技術(shù)的硬（磁）盤在各種存儲(chǔ)介質(zhì)中的份額已增長(zhǎng)至 6（磁）盤在未來(lái)仍將是大容量特別是企業(yè)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的主體[2]。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文小其尺寸則難以獲得高分辨率的回讀信號(hào)，無(wú)法為信息位的恢復(fù)提供足夠高的比。3)高噪音背景下回讀信號(hào)處理難題。當(dāng)磁記錄密度達(dá)到一定程度時(shí)，每個(gè)信的大小將和磁性顆粒的大小相當(dāng)，在回讀信號(hào)中存在較強(qiáng)的沿磁道方向上的碼擾和跨磁道方向上的道間串?dāng)_，即讀寫(xiě)通道表現(xiàn)為二維串?dāng)_特征，回讀信號(hào)的需從這些串?dāng)_信號(hào)中提取出目標(biāo)信息位信號(hào)，這會(huì)增大回讀信號(hào)處理的難度，地影響信號(hào)的質(zhì)量。為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，突破磁記錄密度增長(zhǎng)的瓶頸，高級(jí)存術(shù)協(xié)會(huì) ASTC 提出了用以提高面密度的磁記錄技術(shù)發(fā)展路線，如圖 1.3 所示[5]。

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