Brian E. Schultz
移动产品技术支持工程师
日立环球存储科技

简介

随着对高容量存储设备的需求不断增长，硬盘厂商不断为基础性的磁记录技术问题寻找创新的解决方案。其中一大挑战是如何在写入时有效地覆盖写入位置原有的数据，这对在不同的操作温度和读写任务负载条件下的可恢复的软错误率(SER)的表现非常关键。影响数据覆盖的一项重要参数是读写磁头与记录磁盘之间的间距，通常称为飞行高度。飞行高度的主要影响因素在于朝着记录磁盘凸出的读写元件。读写元件与记录磁盘的间距随着温度以及的硬盘的读写任务负载而变化。对每代拥有着更高磁记录密度的产品来说，控制磁头读写元件与记录磁盘之间的距离变的日益重要。在日立推出的全新5K160移动产品系列中，引入了热悬浮控制技术，它能通过磁头上内置的加热元件直接控制读写磁头的凸起元件，使读写磁头与记录磁盘之间的间距更稳定。

背景

众所周知，在不同的操作温度下或在磁盘上位置的不同，读写磁头的机械飞行高度也不同。日立的多代产品中都内置了温度感应器以监视硬盘的操作温度，同时录写电流可获相应调整以补偿磁头飞行高度的变化以及适应磁盘介质的矫顽力。采用热悬浮控制技术后，突出的读写元件的不一致也可得到补偿。

凸起在特定环境的温度或气压下读写元件初始位置向磁盘表面延伸的距离。这些凸起的组成元件的制造材料与读写磁头其他部分的材料不同，其膨胀、收缩的速度也比其他部分快。当资料被写入磁盘时，电流将通过磁头的录写线圈，这样产生的一个副作用是使录写元件受热膨胀，导致磁头读写元件向磁盘进一步凸起。因此，磁头读写元件与磁盘之间的有效间距缩短，进而使读写稳定性下降。由于凸起的幅度随着温度而变化，为了保持磁头读写区稳定的温度，我们着手开发了热悬浮控制技术。

热悬浮控制技术 (TFC)

热悬浮控制技术的运用
热悬浮控制技术的概念是指在磁头结构中嵌入独立的加热元件。图1展示了磁头的横切面以及加热器与读写元件的相对位置。这个独立加热器的结构使得读写元件的凸起幅度得到独立控制，摆脱了读写元件在读写程序中所产生的影响。为了给独立的加热元件提供所需电流，须在前置放大器上增加另一电路，同时还需在磁头上加入另外两条线路。加热器的电流由独立的控制功能控制。图2展示当电流通过加热元件时磁头热量分布图。当电流通过加热器元件时，磁头加热会使读写元件的凸起幅度增加，缩短了它与磁盘的间距。图3及4显示无论加热器是否通电，读写元件与磁盘之间的间距变动。在磁头达到稳定温度前有固定的等待时间，因此可在读写程序执行前，预先启动加热器。当间距已达到稳定的目标值时，读写过程便可进行。图5及6显示的是相对于读写过程开始的时间，电流应用于加热器元件的时间。值得注意的是，在录写程序执行期间，录写电流运作，而流向加热器的电流将减少。因为录写元件通电将导致温度上升，继而增加凸起幅度，而减少流向加热元件的电流可消除上述影响。其结果是在整个数据录写过程中，读写元件与磁盘的间距将保持一致。 
 

Heater
加热器
Leading Edge of the Slider
前缘磁头
ABS Surface Side
ABS面层
Write Coil
录写线圈
Upper Shield
上屏蔽
Lower Shield
下屏蔽
磁碟
图1：磁头结构的横切面 
 
Temperature Distribution
温度分布
Suspension
悬浮
Slider
磁头
Air
空气
RW Elements
读写元件
Disk
磁碟
图2：温度加热器启动时的温度分布 
 
Suspension
悬浮
Slider
磁头
Air
空气
RW Elements
读写元件
Heater Power=OmW
加热器能量=OmW
Disk
磁盘
图3：普通读写元件在热悬浮控制技术调整前的凸起幅度 
 
Suspension
悬浮
Slider
磁头
Air
空气
Original Position Without Heating
加热前的初始位置
RW Elements
读写元件
Heater Power=OmW
加热器能量=75mW
Disk
磁碟
图4：读写元件在热悬浮控制技术调整时的凸起幅度 

Spacing
间距
TFC power
热悬浮控制技术的功耗
Write induced protrusion
写入所引起的凸起幅度
Power during read
读取时的功耗
Power during write
录写时的功耗
Write gate
录写控制门
lw is applied
应用lw
Start pre-heat
开始预热
Start write
开始写入
Time
时间
图5：在热悬浮控制技术下进行的录写程序 
 
Spacing
间距
TFC power
热悬浮控制技术的功耗
Power during read
读取时的功耗
Read gate
读取闸
Start pre-heat
开始预先加热
Start read
开始读取
Time
时间
图6：在热悬浮控制技术下进行的读取程序

结论

读写性能的测试显示使用热悬浮控制技术可将软错误率降低30%到40%，这标志着软错误率(SER)的显著改善，因而提升了硬盘整体的性能及可靠性。使用热悬浮控制技术可使写入的数据更趋于一致，因为在整个录写程序中，录写元件与磁盘之间的间距保持了固定的距离，从而更好地覆盖已写入数据，同时所有数据的SER也将更一致化。此外，在广泛的温度范围内达到较一致的数据写入表现可使写入电流在不同操作温度下有更好的表现。与上一代的产品比较，热悬浮控制技术对邻近磁道干扰(ATI)现象也有显著的改善。日立推出的热悬浮控制技术能明显改善其硬盘的数据读写程序。它也有助于日立工程师优化设计以解决由于数据持续写入而导致的数据重写覆盖和ATI之间的设计冲突。对读写元件和磁盘间距的更精确控制，将为日立客户带来更可靠及性能更优越的硬盘。