長久以來，硬碟設備已經廣被電腦、影音設備產品、資料儲存中心所使用。最近這些年，由於使用快閃記憶體為基礎的SSD竄起，已經開始瓜分了原本硬碟設備的一些市場比例。不過，就以記錄容量和Bit/成本比來看，依舊是硬碟設備佔有較大的優勢性。

面對雲端服務的普及，以及動畫內容、影片共存於同一網站等應用的急速擴大，負責管理資料保存的資料中心也不斷提出，更大單一硬碟容量的要求。因此，新世代的硬碟儲存技術，以及實品化的消息也就不斷的被發表出來。

硬碟設備是利用磁性碟片中，微小的磁石進行轉向的原理，來代表著1或0的資料技術與存取動作。自從1956年IBM發表了全球第一台「RAMAC」的硬碟儲存產品後，經過半個多世紀以來，硬碟設備透過讀寫頭，對磁性碟片進行儲存與讀寫的機械性原理基礎，並沒有革命性的改變。

而世代性更替的技術則是磁性技術與密度的突破。在過去，「RAMAC」的基礎下，使用了50片的24英吋磁性碟片下，僅僅只能達到2K Bit的儲存容量，已經今天的眼光來看，幾乎是無法容忍的超低性能比，但是在當時，在儲存產業領域中卻是猶如阿姆斯壯登月第一步似的革命性突破（圖一）。

圖一 : 硬碟儲存技術與演進

就現今硬碟儲存的form factor幾乎為3.5英吋與2.5英吋，而儲存密度方面，已經可以達到每平方英吋為1Tera Bit。就單存的計算而言，硬碟設備的紀錄密度，在過去的60年間，已經增加了5億倍。

此外，過去曾經是主流尺寸的1英吋與1.8英吋的小型硬碟產品，現在已經完全被快閃記憶體（SSD）所取代了。

快閃記憶體所帶來的競爭壓力

面對快閃記憶體的崛起，硬碟設備競爭力的基礎還是在每一Bit的成本。根據威騰（WD）的分析，在10年前，TB級硬碟的成本大約是100多美元，但是與同儲存量的快閃記憶體成本相比，僅僅是快閃記憶體的50~60分之一左右。當然，隨著半導體技術進步所帶動的生產成本降低，使得近幾年的快閃記憶體成本，已經是硬碟設備的20倍左右。

根據Techno System Research資料，將SSD應用區分了4大領域的部分，分別是「企業（Enterprise）」、「資訊電腦（PC）」、「增加（Add-On）」、和「其他」。而其中，對於SSD需求最大的仍舊是資訊電腦（PC）產業，佔了總出貨台數的58%，2018年的全球出貨數比前一年成長了40.1%，市場規模為9700萬台。

其次是「增加（Add-On）」，佔了總出貨數量的24%，成長率方面，比前一年增加了27.4%達到了4070萬台。而在這四大領域中，成長率最高的是企業方面應用，和2017年相比，大幅度的增加了50.9%，數量約達到2410萬台。在其他領域應用方面，市場規模則是為535萬台，成長了約15.1%。

根據日本HDD協會的資料，預計在2020年，SSD的市場銷售金額將會超越傳統的硬式磁碟。不過，雖然SSD的市場規模呈現急速成長的基礎下，SSD在每一記憶單元/成本的部分，即便是到了2023年時，還是硬碟的7.7倍。因此，要讓SSD的每一記憶單元/成本達到和硬碟一樣，仍舊是相當困難的一件事情。

未來，在快閃記憶體多值化（3 Bit的TLC，還是4 Bit的QLC），以及3D立體堆疊技術下，相信成本將會再更進一步的降低。

面對來自快閃記憶體製程進步所帶動的成本降低壓力下，硬碟唯有不斷提升相關技術，才能在儲存市場中，繼續保有領先的地位。因此，在此競爭環境驅動之下，包括MAMR、HAMR等等的新一代技術，就被發表出來，帶動著硬碟儲存設備持續朝向更高密度與更低成本前進，減緩快閃記憶體在性價比上，追上硬碟設備的速度。

MAMR以及HAMR等等新技術觀念被提出

在過去數十年中，硬碟中的磁性技術，從最早期IBM所開發出來的「RAMAC」後，硬碟高密度的革新技術，便不斷出現新技術觀念被提出來與實用化。例如因為期望克服磁石粒徑大小的問題所造成密度上的物理極限，由LMR（縱向磁紀錄）轉為PMR（Perpendicular Magnetic Recording ; 垂直磁紀錄）。而這項技術，在2004年由東芝發表出領先全球的第一款商品化硬碟設備。隨後，高密度化技術就一直支撐著硬碟設備的發展。

為了改善PMR，機械式硬碟寫頭寬度大於讀頭寬度，而寫頭寬度已達到物理上最小的限制，因此新一代的寫入技術SMR（Shingled Magnetic Recording，疊瓦式磁記錄）就被提出來。簡單的說，PMR就像是一軌軌的資料寫入方式，彼此間沒有重疊。而SMR就是利用碟片上Track（記錄資料時同心圓狀的圓周）的一部分，進行重疊記錄，讓資料軌部分重疊方式進行紀錄，因作法與瓦片交疊方式相仿，所以稱為疊瓦式磁記錄技術。

數據上，如果單純採用PMR技術的話，每平方英吋可以有1T Bit的儲存容量，但是如果同時混合採用PMR和SMR技術，每平方英吋的儲存容量可以提升到1.4 T Bit。

不過，業界並不滿意PMR和SMR的記錄穩定性。這是因為在碟片中不斷地在提升記錄層中磁石的細微化，雖然因為磁石的細微化可以提升記錄的密度能力，但是另一方面，卻會犧牲掉磁石對於磁性的維持能力。因為粒徑越小磁石的熱安定性也愈低，這樣一來對於磁性的保持能力也就會等比降低。

由於低熱安定性的狀況下，經常會發生寫入讀出錯誤，或者資料無端消失等問題。因此，一方面除了不斷降低磁石的粒徑之外，如何能不犧牲磁石對於磁性維持的能力，提高熱安定性也就成了另一層次的研發方向。

面對這樣的問題，技術人員提出利用微波的MAMR技術，以及使用雷射的HAMR等新技術觀念。

透過微波加入的MAMR磁性儲存技術

MAMR技術在寫入時利用自旋力矩振盪器（Spin Torque Oscillator）在磁頭產生電磁場，使磁頭可以在較低磁性條件下進行寫入，可以在寫入顆粒可以再縮小的前提下，正確完成寫入動作，目的是使硬碟碟片上的磁軌密度再次提高，造出更大容量的硬碟（圖二）。

圖二 : MAMR是利用微波的方式來提高磁軌密度。（資料來源:威騰）

在眾多的新技術中，威騰（Western Digital）是偏向MAMR技術。威騰最新MAMR產品，預定將在2019年內推出，初步可提供 16TB（ePMR）、18TB（eSMR）容量，到了2020年則可增加到20TB。

針對大容量硬碟需求的趨勢，日本昭和電工也在其MAMR技術下，不斷增加硬碟儲存媒體的容量。昭和電工正式的宣布，從2019年開始提供可以支援3.5 英吋應用的次世代MAMR碟片。這次昭和電工利用鋁材質基板，開發出單片容量高達2 TB高容量的MAMR碟片，以傳統記錄技術包括CMR、PMR、SMR等世代區分，大約是位於第10世代（表二）。

東芝電子除了現有的TDMR和疊瓦式SMR磁記錄技術之外，還將開發MAMR技術，正式導入日本昭和電工的MAMR碟片。昭和電工也對外宣布，將先提供東芝電子來生產採MAMR技術的大容量硬碟裝置，其可儲存量將高達18 TB。預計在2019年中，正式對外以Near-Line（近線儲存）的硬碟產品型態出貨。

另一方面，東芝電子除了積極發展MAMR技術之外，也不放棄HAMR技術。面對現有市場需求，在較短期的規劃中，東芝電子已計劃提供首批16TB TDMR硬碟，不過CMR和SMR磁記錄技術，也已在積極醞釀中。

利用Laser進行加熱的HAMR技術

正積極開發HAMR（ Heat-Assisted Magnetic Recording，熱輔助磁記錄）技術的希捷（Seagate），也已經開始試產HAMR產品，即將推出16 TB大容量的3.5英吋硬碟「Exos HAMR」系列，預計在2020年時，再推出更大容量的硬碟。

此技術提供了資料讀寫後，再確認正確性的動作，因此可以確保和過去技術型態硬碟的互換成功性。希捷計畫每30個月將儲存密度提高一倍，也就是說，到2025～2026年之後，硬碟的儲存容量將會高達100 TB以上。

HAMR技術是在寫入時利用Laser對碟片的寫入區域進行加熱，使寫入顆粒可以再縮小，同時不影響資料的正確性。並且在磁性讀寫頭上，配裝有小型雷射二極體，因此可以透過雷射進行加熱的方式，提高Data Bit磁氣性穩定性。

因此透過HAMR的技術，可以解決在過去技術中，較小的磁性區域會因為溫度變化，與來自相鄰位的干擾，發生磁極性轉換，進而導致二進位位值變化。

根據希捷的說法，藉由標準硬碟的最適化測試後發現，針對企業需求所研發的HAMR技術，無論是作為讀出/寫入用的讀寫頭，在可靠度及壽命方面的測試數值，皆高於現下主流技術的20倍左右。

更進一步在Plug and Play的互換性上，也能夠確保穩定與安全。因此，希捷確認，透過採用HAMR的技術，能夠和過去的硬碟進行相當簡單化的互換動作，另外在相同的尺寸下，可以大幅度的提高儲存容量，並且因此能夠降低硬碟的總成本。

MAMR與HAMR白熱化爭奪下一代主流儲存技術

目前來看，仍無法確定是MAMR或HAMR會制霸次世代的主流技術，但就成本角度來看，或許MAMR較為有利些。另外，透過採用微波的方式，所產生的溫度和傳統的PMR差不多，也不會因為產生溫度而對資料的儲存與讀寫帶來影響，這些都是MAMR所能表現出來的優勢點。因此在記錄密度能達到4.5T bit/平方英吋的目標下，在目前主流技術8片碟片組合的硬碟基礎下，單一硬碟的儲存量就有可能高達40TB。

而HAMR技術中，需要花費數奈秒的時間進行加熱與冷卻的動作，如此一來，高溫會對讀寫頭的最前端造成一定程度的劣化，在長時間累積下，將會影響讀寫頭的使用壽命，這也是目前HAMR急待改善的問題點。

不過，由於HAMR技術的高密度化特色，使得在相同的面積中，可以出現更高的儲存容量，因此，對於超過50TB的大容量化目標，以HAMR技術為基礎，是完全可以被期待的。（圖三）

圖三 : HAMR技術是在寫入時利用 Laser 對碟片的寫入區域進行加熱。（資料來源:ArsTechnica）

面對更高容量需求的次世代革命性技術

以將來更大量儲存需求而言，4.5～5T bit/平方英吋已經難以滿足了，因此10T bit/平方英吋超高容量的儲存技術就開始被提出來討論。而在此目標之下，傳統的磁性媒介是相當難以達到。因此，革命性記錄方式紛紛地被發展出來。

圖四 : MAMR與HAMR的比較表

現階段，強誘電記錄（ferro-electric Recording）以及3D記錄是相當熱門討論的技術方向。

所謂的強誘電記錄技術，就是利用強誘電自發分極的方向，來達到記錄位元資料的方式，這有點類似PMR的記錄技術，但卻是以電氣的方式來實現。目前ASRC（Advanced Storage Research Consortium）所發表的技術報告，透過強誘電記錄的技術，已經可以完成4 Tbit/平方英吋的能力。

在3D記錄技術方面，東芝已發表了關於在記錄層透過3D結構下進行多層化，然後再透過多層化的磁性碟面進行儲存和讀寫的動作。這個多層化結構的碟片，是利用具有相異強磁性共頻的磁性體來完成製程，透過強磁性共頻所對應的微波來進行記錄印加。因為只有在特定的磁性體層下，才能夠進行磁性震動的勵起現象，而被磁性震動所勵起的記錄層，可以降低磁化反轉所需的能源，因此可以達到磁化反轉的可能性。

現今種種被提出的新一代技術，無不是為了即將到來2025年產業環境應用，例如透過磁性讀寫頭、多層記錄等，都是為了達到儲存裝置的更高記錄容量所準備的。但相信，達到這些技術目標前，所須要面對的問題，必定是相當多且困難。