瓦记录磁存储系统的微磁学仿真分析

发布时间：2020-08-26 18:31

【摘要】：根据国际数据公司(IDC)的报告,全球数据产生量在2016就已超过16ZB,到2025年将超过160ZB。伴随着数字信息量的爆炸式增长,对大容量存储设备的巨大市场需求推动了传统磁记录和各类新型存储器件的不断进步。与半导体、光存储等方式相比,磁存储在存储成本、使用寿命和可修复性等方面依然具有优势,基于磁记录技术的硬(磁)盘预计未来较长时间仍将作为主要存储载体而占据大容量信息存储市场的大部分份额。随着磁记录技术的快速发展,硬盘的存储密度在过去长期呈现摩尔定律式的快速增长,存储密度从早期的2kbpsi增长至目前商用的1.5Tbpsi~2Tbpsi,这种令人惊喜的增长速度得益于介质、磁头、头盘接口、记录方式等一系列新技术的运用,但随着存储密度的提高,磁记录面临愈来愈严峻的“三难”困境,提升趋势减缓。为了突破存储密度瓶颈,磁存储学界和业界提出了交换耦合介质、比特图案化、能量辅助、瓦记录、二维磁记录等各种新技术。针对记录介质热稳定性难题,交换耦合介质由高各向异性的硬磁层和低各向异性的软磁层借由晶粒间的耦合作用纵向堆叠构成磁性颗粒,硬磁层用于保证热稳定性,软磁层用于促进硬磁层的翻转,进而降低介质的翻转场。针对磁头写入能力难题,瓦记录通过邻接磁道的相互部分覆盖,减小磁道宽度,采用宽大的写磁头产生较强写场,提高系统写入能力,无需对传统写磁头进行大的结构改造,易于实现产业升级。针对数据读取难题,二维磁记录从信号处理的角度实现高密度存储下的低信噪比数据信号的回读检测和恢复。通过微磁学仿真,分析了交换耦合介质下瓦记录的写入过程,为写磁头的设计优化、交换耦合介质制备参数的选择和二维磁记录的读取提供了理论支持,从存储介质、写磁头设计、读取信号处理三方面综合交换耦合介质、瓦记录和二维磁记录技术提升系统性能,为实现10Tbpsi的存储密度提供理论基础和技术支持。交换耦合介质翻转场理论研究和制备参数优化。通过构建交换耦合介质的单颗粒和多颗粒沃罗诺伊三维有限元模型,分析了软硬磁层各向异性、交换耦合效应及饱和磁化强度等参数对介质翻转场的影响,并以此为理论基础对以L10-Fe Pt为硬磁层的交换耦合介质制备参数进行了选择和优化。以介质翻转场的角相关性为切入点,选择适合的软磁层材料,以10Tbpsi为目标,根据介质翻转场与磁头写入能力之间的关系,得到合适的磁性颗粒制造直径和厚度。瓦记录写磁头的建模及优化。提出了交换耦合介质下的瓦记录擦除带宽计算方法,该方法借助综合写入误差计算擦除带宽,结合介质翻转场的角相关性,可以对瓦记录擦除带宽进行量化分析,扩充了衡量系统性能的参考指标。分析了写磁头斜截角和圆角写磁极对系统性能的影响,结果表明,磁头以较小的斜截角运行时,擦除带宽的变化幅度更小;写磁头应设置合适的斜截角运行范围,该范围的下限应以能提供足够大的写场强度为标准,上限应考虑擦除带宽的大小和增长趋势;优化的圆角写磁极可以提高写场梯度,降低邻接磁道受到的逸散场,减小擦除带宽。结合写磁头斜截角和圆角效应,优化了瓦记录磁头设计,分析了交换耦合介质下磁头各项结构参数对有效写场强度和梯度以及擦除带宽等性能指标的影响。对二维磁记录的读取通道进行了建模,提出了用以恢复写入数据的对数几率回归预测模型,该模型将有效相邻比特区域内的回读信号作为样本特征向量,目标比特数据作为标记,通过对数几率回归算法预测原始数据。通过统计分析误码情况,发现了易错编码模式,在写入数据时通过限制这些模式的受限编码,可以降低预测模型的误码率。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP333
【图文】：

数据量,增长趋势,全球,数据

1.1 引言随着社会的发展，人们对获取信息的需求愈发强烈，特别是近些年互联网的普及使人们能够更加便利地上传和下载各种数据，个人和机构在日常生活中产生的数据快速增长，全社会产生的数据量早已到达 ZB 级，人类社会已进入到大数据时代。预计未来数据的年增长率可能会超过 45%，这其中不仅有越来越多的个人和企业在互联网上产生的数据量，而且还有人们生活中接触到的各种电子产品联网时产生的数据量。2017 年 4 月希捷联合 IDC 公司发布了《Data Age 2025 Study》报告[1]，如图1.1 所示：到 2025 年，全球产生的数据量预计将超过 160ZByte，而 2018 年，数据量还只是 33ZByte，这些数据也将给广大用户一个全新的体验和商业机会。如此庞大的数据有三个主要来源：（1）核心（Core）：公司的数据中心和云端产生的数据；（2）边缘（Edge）：核心数据外的其他公司企业产生的数据；（3）终端（Endpoint）：个人设备，如个人电脑、手机等产生的数据。

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现代社会数字信息量的爆炸式增长及大数据分析的需要，对大容量存储设备了巨大的市场需求，这推动了传统磁记录技术和各类新型存储器件及相关技术断进步。大规模数据中心采用包括硬盘和基于 NAND-Flash、SSD 的各种新兴存术，同时在其他领域，特别是对于存档或较少访问的数据集，硬盘、磁带和光储依然是数据中心广泛采用的存储技术。与半导体存储和光存储等方式相比，储具有显著的单位存储成本和综合性能优势，据 IDC 公司最新研究报告显Where in the world is Storage），如图 1.2 所示：在 2000 年，光存储是首选的存储，其份额一度达到了 60%，但由于综合性价比劣势，其市场份额逐年下降；磁储一直是需要长期存储和备份领域常用的介质；由于各种电子设备，特别是手兴起，闪存的市场份额开始显现，未来可能会继续扩大；这里特别需要提到的是 2017 年，基于磁记录技术的硬（磁）盘在各种存储介质中的份额已增长至 6（磁）盘在未来仍将是大容量特别是企业数据中心市场的主体[2]。

磁记录技术,发展路线

华中科技大学博士学位论文小其尺寸则难以获得高分辨率的回读信号，无法为信息位的恢复提供足够高的比。3)高噪音背景下回读信号处理难题。当磁记录密度达到一定程度时，每个信的大小将和磁性颗粒的大小相当，在回读信号中存在较强的沿磁道方向上的码扰和跨磁道方向上的道间串扰，即读写通道表现为二维串扰特征，回读信号的需从这些串扰信号中提取出目标信息位信号，这会增大回读信号处理的难度，地影响信号的质量。为了应对上述挑战，突破磁记录密度增长的瓶颈，高级存术协会 ASTC 提出了用以提高面密度的磁记录技术发展路线，如图 1.3 所示[5]。

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