硬盘也许会成历史----新技术解读

王寨

10月9日，诺贝尔三大自然科学奖之一——诺贝尔物理学奖终于揭晓。法国巴黎大学69岁的阿尔伯特?费尔特和德国尤利希研究中心68岁的彼得?格林贝格尔，因为几乎同时独立发现了有助于读取硬盘数据的“巨磁电阻”效应(GMR) 而获奖。两位科学家将分享1000万瑞典克朗(约合154万美元)的奖金。诺贝尔奖评审委员会盛赞道，两位科学家“偶然的发现”，给硬盘产业带来了革命性影响。
　　
　　
　　据美国科普新闻网站“每日科学”9日报道，这届诺贝尔奖与往届的宇宙黑洞、量子效应相比，最大的不同是，它就在我们身边。你正听得手舞足蹈的MP3，正在网上冲浪的电脑都与此次获奖息息相关——它们所使用的硬盘就是基于“巨磁电阻”效应的产品。正如评委会主席佩尔?卡尔松的解释，想象一下50多年前那如庞然大物的电脑和如今小如手掌的“笔记本”，你就能感知到该发现的重大意义。
　　
　　小硬盘里乾坤大
　　如今一提起硬盘，每个人都不会感到陌生。对，它就是一张用来储存信息的磁盘，看起来“貌不惊人”，永远不会像航天飞机、豪华跑车那样给你带来一场视觉风暴，然而，它却同样是我们离不开的。
　　一张小小的硬盘可以可以装下很多本《大英百科全书》的内容，一张体积不算太大的硬盘就可以成为一所中等规模图书馆的“数字版”，这些都得益于“巨磁电阻”效应带来的技术革命。虽然年轻一代因为已经适应了变化而感觉不到其重要性，但人们不应该忘记，十几年前科学家为找到更好的存储技术而做出的艰辛努力。
　　“磁阻效应”，指的是某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象，硬盘读取技术正是利用的这一原理。通常说的硬盘也被称为磁盘，这是因为在硬盘中是利用磁介质来存储信息的。一般而言，在密封的硬盘内腔中有若干个磁盘片，磁盘片的每个磁盘面都相应有一个数据读出头，每个存储点上的磁场方向代表二进制的0或1。硬盘信息读取的原理是，利用电极扫过这个磁场，磁阻效应会引起电极电阻的改变，从而改变电流强度。电极输出电流的高低就代表了0或1，这样原始的二进制码就被读了出来。
　　随着数字化浪潮席卷全球，人们希望硬盘的“肚量”变得更大，即让单位面积的磁盘能储存更多的信息。然而这时问题却来了，当硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。而一般情况下磁阻效应只能引起电阻1％到2％的改变，在弱磁环境下不能引起清晰的电流变化，读取数据也就无从谈起。人们需要更加灵敏的数据读取技术，使很弱的磁信号依然能够被清晰读出，并且转换成清晰的电流变化。
　　1988年，费尔特和格林贝格尔各自独立发现，在铁、铬相间的多层膜电阻中，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍。其中费尔特观察到50％的变化，并把这种效应命名为“巨磁电阻效应”。由于膜厚度不同，格伦贝格尔所观察到的变化较小，但也高达6％。上世纪70年代发展起来的纳米技术帮了他们大忙，他们制造出了只有几个原子厚度的磁金属材料膜。格林贝格尔最早看到这种技术的应用前景，在发表论文的同时就申请了专利。
　　
　　三万次实验造出iPOD
　　两位科学家的发现立即震惊了科学界，因为在英国著名科学家开尔芬勋爵1857年第一次发现磁阻效应起，此后的 100多年里人们还未在实验室观察到如此显著的磁阻效应。然而轰动效应过后一切归于平静，他们的发现并没有引起业界足够的重视。他们最初的实验是在低温强磁场环境下进行的，而所用材料也是实验室里一点点生成的，极为稀少和繁杂，很多人不看好这项技术的推广应用。
　　如果不是一次偶然，“巨磁电阻”效应也许会被埋没更久。几年后的一天，国际商用机器公司(IBM)阿尔马登研究中心的一位研究员斯图尔特?帕金在浏览旧报纸时看到了他们的成果，公司总部十分重视，立即组成了两个研究小组着手研究。为节省成本，帕金不想用昂贵的机器去制造纳米薄膜。他运用特殊的喷涂技术制备了由普通磁介质材料组成了薄膜，令他意想不到的是，竟然也观察到了“巨磁电阻”效应。
　　要真正地将“巨磁电阻”效应应用于硬盘读取技术，就必须让其发生条件不再那么苛刻——在室温、常规磁场下也能发生。同时为了大规模生产的需要，对膜材料的选择也是千里挑一。最重要的一点当然是，能在常规环境下精确地读出硬盘的磁信息；其次是材料必须易于制得并且价格经济合理；再次是材料的化学性质要稳定，不能轻易地发生腐蚀或降解。
　　研究人员共进行了3万多次试验，对数万种不同的磁介质及其他金属材料进行了一一组合，终于研制出了一种特殊的膜结构。这种膜结构共分为4层，前3层是两层磁介质夹一层非磁性材料膜的“三明治”结构，第4层则是一层由强反铁磁体组成的膜材料。当外界施加一个很弱的磁场时，第一层膜即自由层的磁排列会发生有规律的震荡，在平行排列和反平行排列间轮流变化，引起整个结构电阻的显著变化。在物理学上这种结构被称作“自旋阀(SV)”。
　　帕金和同事们经过了数年的努力，不但对巨磁阻多层膜进行改进，终于研制出了可作商用的数据读出头。1994年 IBM研制出了一种全新的16.8G硬盘存储器，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达到了5G比特／平方英寸(1平方英寸约合6.45平方厘米)，引起业界强烈关注。此后基于“巨磁电阻”效应的硬盘更是风光无限，成为电脑、音乐播放器、移动存储设备的标准组件。据统计，从1997年真正的商用巨磁阻磁头问世到如今，每年超过10亿个使用这种技术的硬盘和MP3涌入市场。以美国苹果公司畅销的“iPOD”音乐播放器为例，如果没有帕金及同事们的艰苦努力，这种存储量大而又“身材小巧”的音乐播放器恐怕就不会诞生了。正如法新社(AFP)在报道中指出，“巨磁电阻”效应使iPod 成为可能。
　　
　　硬盘也许会成历史
　　由于这一发现的巨大意义，费尔特和格伦贝格尔曾多次一起获得有关奖项。距离当初发现“巨磁电阻”效应快20年了，他们的成果已经走进了千家万户，积大地促进了网络化、信息化的发展。于今终于赢来了诺贝尔奖的加冕，可谓众望所归。
　　然而，在这个网络日渐“进入寻常百姓家”的时代，如今的硬盘技术是否会过时呢？正如《纽约时报》设想的那样，在不久的将来，电脑的普及程度将会高得令人难以置信——它不仅会放在你的桌面上，还会在你的汽车、电视机、音响设备甚至烤面包机里起到关键作用，人们需要更加小巧、存储密度更大的装置。
　　在目前新材料、新技术快速发展的条件下，人们确实在蕴酿着另一场存储革命。很多科学家普遍预测，掀起存储技术下一轮革命的，很可能是靠电子自旋方向来存储数据的自旋电子学(Spintronics)。
　　帕金正在致力于将“巨磁电阻”效应技术衍生的半导体多层膜(TMR)技术和自旋电子学应用于磁性随机存储器(MRAM) 技术，以取代目前计算机随机存储器(RAM)中所使用的DRAM技术。MRAM由于利用磁场存储数据，不像用电容储存数据的DRAM那样关闭电源后会导致数据丢失。所以日后的计算机将不需要在开机后等待将系统程序从硬盘调入缓存，硬盘也许会成为历史。