机械硬盘与巨磁阻 　　作者：宇筠锋 　　当代个人计算机的主要外部存储设备是机械硬盘，而读写磁头无疑是机械硬 盘的核心部件。半个世纪以来写入磁头依然是电磁式的（即载有信息的电流产生 变化的磁场，它使磁盘上一系列的记录点磁化，并留下随信息而变的剩磁），而 读出磁头却已经历了电磁式、磁阻式和巨磁阻式三次重大的飞跃。随着调制电流 的频率越来越高、写入磁头越做越小（主要是磁头前端的漏磁缝隙越来越细）， 只要电流有足够的强度，信息就能被有效地写入尺度越来越小的记录点内（从最 初的上百微米减至如今的几十纳米，尺寸小了上千倍，相应的记录密度则提高了 百万倍），然而，越来越小的记录点的磁化区域所能引起的感应电流极度微弱， 以致电磁式读出磁头不得不被淘汰。取而代之的先是磁阻式读出头，它利用磁阻 材料在不同方向的磁场中电阻会有所变化（简言之就是电子在磁场中受洛仑兹力 作用而沿更长的轨道运动从而加大了原有的电阻）来读取隐藏在记录点磁场中的 信息。不过，磁阻材料的电阻变化相当有限，一般不超过5%。二十世纪八十年代 发现了巨磁阻材料（两位发现者荣获2007年诺贝尔物理学奖），其电阻变化率可 达40%以上，由它来制造新一代的读出头显然是顺理成章的（1997年相关产品进 入市场）。巨磁阻效应与磁阻效应有着质的不同，最明显的不同之处是它首次用 到了电子的自旋特性，而以往只用到电子的电荷这一种属性。为了更形象地理解 巨磁阻效应，我专门设计了一个用来做类比的奇幻式童话，先来看看吧。 　　在女神世界的辽阔大地上聚集着无数的城邦小国，这些国家分为两类：一类 是神国，里面住着许多女神；另一类是空国，其中人烟稀少一片荒芜。在女神世 界的广袤天空中有一块飞行的国土，这是飞国，其中心城市叫卡城。之所以有这 么个名称，是因为它里面关卡特多，从北门到南门的城市中轴线上居然还建了十 八道大门，每道大门又都各有一百个通道口——其实就是一百个并排的小门构成 了一道大门。守门的都是仙人，每个通道口一位。这些仙人可不一般，他们会随 着不同的环境而在男仙和女仙之间来回变化。飞国一天飞临一个地面之国的上空； 当下方是女神聚居的神国的时候，守门的一千八百位仙人就都变成了男仙；而当 飞国飞越空国的那天，仙人们则按“男女搭配、干活不累”的原则变化，具体来 说就是，要么把守单号门的九百位仙人都变成男仙，而双号门的九百位都变成女 仙；要么相反——单号门女仙，双号门男仙。每天都有一大群精灵要穿过卡城， 男（女）仙人爱跟女（男）精灵搭讪神侃，于是仙人们就总要将异性精灵滞留好 一阵子（平均耽搁一小时）；对于同性的精灵，仙人们则兴趣索然，不愿多说半 句话就打发他们过关了（平均只需一分钟即可通过一道门）。 　　卡城南门外的田野上有位牧童，他跟凡间的男孩没啥不同，只是身处飞国而 已。牧童听说他们的国土是在更大的土地上飞行，而且每天都要飞过一个神国或 一个空国，但身为凡人的他却不可以像仙人那样能够感知脚下到底是哪类国家。 不过，牧童通过观察每日走出南门的精灵的多寡就能做出准确的判断：如果看到 精灵们是三三两两出南门，那今天是飞临空国上方；若见出南门的精灵熙熙攘攘 非常多，则必是神国了。为什么这个聪明的男孩能做出上述推断呢？因为他也知 道仙人变身与神国空国的关系，知道仙人喜与异性精灵攀谈的癖好，他还知道十 八道大门中的每一道都有百位仙人把守百个通道口而同时处理百个精灵的通关事 宜，而且一般都是全天不间断的。了解了这些信息，牧童就做了如下的盘算： “如果飞临空国，那仙人们按‘男女搭配’的方式守门；假如单号门是男仙，双 号门是女仙，那么一位男精灵过单号门要花一分钟，过双号门则要耗费一小时， 通过全部十八道门共需九小时零九分钟。类似地，一位女精灵过卡城也得花这么 长时间……且慢，这九时九分的时间其实与我所见到的出城精灵数的多少并没有 什么直接的关系，要紧的是看精灵们出城的速度，而速度的关键就在于前后紧邻 的两位精灵在时间上的间隔。这怎么算呢？”聪明的牧童专门列了张表格，将各 种可能的情况都填入其中……（具体推算比较繁琐，且涉及概率问题。读者若有 兴趣可自行推演，不过想提醒的是：童话中的这些细节与它要类比的实际情况中 相应的细节之间有相当的差异。现实微观世界中的事物更加微妙奇异，同时在计 算上也更困难，且计算的方法也大相径庭。）最终的结果是：平均来说，相邻两 位精灵的时间间隔是大约半小时（简略来说，对任一门，第一个精灵通过后，第 二个精灵要么再过一分钟就能过，要么得过一小时才能过，平均就是半小时又半 分钟），考虑到每道门都各有一百个通道同时接待一百位精灵（男女各半），那 么精灵出城的平均速度是每小时两百位（男女各半）。如果飞国抵达神国上空， 那么守门的就全是男仙，一位女精灵总共要十八个小时才能穿过整个卡城，而一 位男精灵则只需十八分钟；每小时有五十位女精灵可以走出南门，而男精灵则多 达三千位！这下牧童清楚了：每小时约200位精灵出南门的那天飞国是处于空国 上方，每小时3050位的那天则是飞抵神国。 　　好了，“童话”剧可以落幕了，让我们来看看“演员表”吧（剧中出现的角 色包括景物在破折号的前边，后边是相应的真实事物）：女神大地——硬盘中的 磁性金属盘片；神国——磁盘上被磁化的一个微小区域，它所记录的信息可以是 一个二进制数“1”；空国——未磁化区域，记录一个“0”；飞国——硬盘的磁 头；卡城——作为读出磁头核心部件的具有巨磁阻效应的纳米多层膜；男女仙人 ——多层膜中有铁磁性的那层膜里磁化方向相反的两种磁化状态；男女精灵—— 有着相反自旋方向的两种电子；聪明的牧童——硬盘中检测电流大小的电子线路 或相关的芯片。 　　硬盘工作时，磁盘高速旋转，盘片与只有少许移动的磁头表面都吸附有一薄 层空气。这两层空气之间有很高的相对速度，在它俩的交界面附近，空气分子彼 此猛烈碰撞。由此形成了一个微小的气垫，把磁头和磁盘隔开，不让两者直接接 触。于是，读盘时，磁头是悬浮在磁盘上方几微米的平面内快速掠过各个区域以 读取那里记录的磁化或未磁化的信息。这就宛如童话中的飞国在女神大地的半空 中航行。 　　纳米多层膜由十几层一两个纳米厚的铁磁材料（如铁）与差不多同样厚度的 非铁磁材料（如铬）交替相间叠合而成。当由此多层膜制造的读出磁头处于盘片 的未磁化区域上空时，相邻铁层的磁化状态自发地反平行排列——假如第一层铁 磁化方向是左侧为南极（S极）右侧为北极（N极）的话，那隔了一层铬的第二层 铁就反过来是左侧北极右侧南极，第三层又是左S右N……这正像卡城内仙人们按 “男女搭配”的方式守门时的状况。当读出磁头来到磁盘的被磁化区域时，这里 的磁场就迫使多层膜中所有的铁层都沿相同的方向磁化，就像卡城飞抵神国上空， 仙人们就都变成了男仙一样。 　　电子除了常参与平动（即其空间位置不断改变的那种运动），它还总在不停 地“自转”着。电子（其他微观粒子也类似）的自转与宏观物体（比如陀螺）或 宇观天体（比如地球）的自转至少存在着两点重大的差异（其根源是令大多数人 都感迷惑的量子力学）：首先，陀螺或地球的自转速度至少在原则上是可大可小 的，而电子自转的“速度”（实际上确切地说应该是电子的自旋角动量）却是固 定不变的；其次，陀螺或地球的自转方向可以是任意的（只要有足够的力量使之 改变）——它们的自转轴可以朝向任何方向，而电子自旋的方向要么处于原则上 也不能确定的状态，要么相对于特定的物理环境而只能取两种彼此相反的自旋方 向。电子带有负电荷，它的自旋使自身成为一个小小的环状电流，从而使其又相 当于一块小磁铁。在铁层磁化的情况下，电子小磁铁的磁场方向有顺着和逆着铁 层磁化方向这两种可能。正因为它只有两种取向，童话里才可以用精灵的男女两 性来类比。倘若电子小磁铁的取向也像宏观大磁铁那样可以有任意多种，那么精 灵的两种性别就远不够对应这无数种取向了。 　　铁磁金属的导电由自旋相反的两种传导电子共同承担，可以把这些数量上大 致相同的、不同自旋的电子看作是构成了两个导电通路，并且这两条通路是并联 关系。铁膜的磁化方向和传导电子的自旋方向若是同向，则电子容易通过该铁层， 这层铁膜就表现为低电阻；若反向，电子就难通过，呈现为高阻态（这种自旋相 关导电的双通路模型的细节再次需要难懂但好用的量子力学来具体描述）。这正 是童话里仙人们阻滞异性精灵而漠视同性精灵所要模拟的情形。 　　“0”记录点的零磁场下各铁层的磁化自发地交替着反平行排列，并联的两 条电通路都是由若干高阻段和低阻段串联而成。假设电子难通过的高阻段铁膜的 电阻是9欧姆，而低阻段为1欧姆（实际差别没有9倍这么大，为了计算方便和便 于比较才这样假设），铁膜共20层，那么，每一条通路的总电阻是10×1+10× 9=100（欧姆），两通路的并联值是50欧姆。这时整个多层膜总体上处于高阻态， 通过的总电流较小。“1”记录点的磁场使各铁层的磁化方向都相同，导电双通 路中的一条全是高阻段相互串联，依上假设，该通路的总电阻是20×9=180（欧 姆）；另一条通路全是低阻段，总电阻是20×1=20（欧姆），两通路的并联值是 18欧姆。这时多层膜整体呈低阻态，通过的总电流较大。硬盘的集成线路可以辨 认出流过纳米多层膜的电流的这种大小的变化，从而读出盘片上的01信息。这就 如同童话里的牧童通过观察出城精灵的多少即可判断飞抵哪国一样。 　　机械硬盘乃至全部存储技术的每一次重大突破都与物理基础研究的新理论新 发现密切相关。继巨磁阻之后，又发现了庞磁阻材料，其磁阻变化量在一定条件 下高达上万倍，而巨磁阻还不到一倍。不难预料，庞磁阻有可能被用于进一步提 高读出磁头的灵敏度。然而，机械硬盘作为大容量高速度存储设备霸主的地位， 已受到来自可擦写式光盘以及场效应管式闪盘等存储技术的严峻挑战。IBM不是 曾宣称要终结硬盘时代吗？到底鹿死谁手？让我们拭目以待那精彩纷呈的未来吧！