克莱德定律

与不断增长的硬盘容量相比,处理器速度每18个月翻一番简直是龟速,而马克·克莱德计划挤入更多的比特

多年来,人们一直在谈论摩尔定律,以及计算机半导体的功率和内存每18个月翻一番如何推动技术进步。但在马克·克莱德看来,另一种力量至少同样强大,甚至更强大:将尽可能多的比特塞进不断缩小的磁性硬盘驱动器中。

这位61岁的工程师可能有所发现。自从1956年推出磁盘驱动器以来,其记录信息密度已从微不足道的2000比特飙升至1000亿比特(千兆比特),全部挤在一个平方英寸的小空间内。这代表着5000万倍的增长。即使是摩尔的硅芯片也无法夸耀这种进步。

克莱德并非贬低更快的计算机处理器的重要性,但他说,至少,这两种数字元素彼此需要。如果没有不断地将比特挤压到不断缩小的硬盘驱动器上,我们今天和明天的信息世界将会陷入停顿。


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信息存储一直是克莱德职业生涯中最关注的领域。作为卡内基梅隆大学数据存储系统中心的创始人和主任,以及现在作为硬盘驱动器制造商希捷科技的首席技术官,他经常率先突破,提高了硬盘密度(并加速了其相应的价格下降)。但如今,他说,完全出乎意料的趋势正在兴起:更小、高容量的驱动器不仅催生了新产品和新应用,还催生了全新的行业。

“谁会预料到手持数字音频播放器的成功?”克莱德问道。“我们完全没有预见到iPod的到来。”现在,他指出,“磁盘驱动器正在汽车的GPS系统中出现,并使我们能够在TiVo和数字有线电视系统上录制和播放高清电视。”

这些设备可能会将摩尔定律降至次要地位。“今天,硬盘驱动器上可以获得的信息密度对于实现新应用比半导体技术的进步更重要,”克莱德评论道。如果没有它们,苹果电脑公司的iTunes音乐商店就不会售出数亿首歌曲,按需电视仍将是一个白日梦。

但在克莱德看来,这些新服务仅仅是开始。现在,微小、大容量的硬盘驱动器正在取代低容量的闪存卡,后者使用带电晶体管而不是移动部件来记录信息。很快,硬盘驱动器将迁移到手机、照相机、PDA、汽车和日常家用电器中。“在几年内,美国普通消费者将在他经常使用的设备中拥有10到20个磁盘驱动器,”克莱德预测。这些进步迫使制造商变得更加灵活,因为他们的市场正在扩大。为Xbox或汽车的诊断系统优化驱动器与为翻盖手机创建超薄、坚固的一英寸驱动器截然不同。

克莱德在20世纪70年代开始探索数字存储,当时他在加州理工学院做博士后研究。后来,他在IBM托马斯·J·沃森研究中心工作了五年,在那里他研究了磁泡存储器,它通过磁化钆镓石榴石上的小圆圈来记录数据。当他在1978年加入卡内基梅隆大学时,克莱德继续他的磁泡存储器工作,但很明显,这项技术在巡航导弹和其他利基应用中使用,作为主流产品面临着一个障碍:钆镓石榴石很昂贵。当新兴的个人计算机行业将硬盘驱动器作为其首选存储设备时,克莱德改变了方向,在1982年召集了一个硬盘驱动器行业专家会议,并要求他们说出他们最大的研究需求。接下来,他说服了IBM和3M等企业支持开发这些技术的努力。1983年的结果是:磁技术中心(MTC),美国唯一的同类机构。在接下来的五年里,该中心培育了效率越来越高的硬盘驱动器技术,同时培养了该领域的顶尖思想家。[中断]

但克莱德说,MTC倾向于对行业的需求做出反应,而不是突破界限。因此,在1987年,在与国家科学基金会(NSF)讨论后,他致力于创建一个制定技术议程的组织。1990年,MTC成为数据存储系统中心(DSSC),是NSF资助的少数几个工程研究中心之一。克莱德立即设定了一个雄心勃勃的目标:演示可以在每平方英寸磁盘空间中存储4千兆比特信息的硬盘驱动器。在当时,40亿比特代表着一个巨大的飞跃。当时的密度徘徊在1亿比特左右。但在短短四年内,DSSC就达到了新的基准,增长了40倍。

到1998年,当克莱德加入希捷公司组建其高级研究中心时,DSSC设定了一个更高的目标:到21世纪初,将100千兆比特挤入一平方英寸。2005年,仅仅七年后,希捷公司开始出货110千兆比特的驱动器。在十五年内,硬盘的容量增加了1000倍,英特尔创始人戈登·摩尔本人称之为“令人震惊”的速度。

但现在,当前的硬盘驱动器技术正遇到新的瓶颈。硬盘通常使用一个微小的磁头来存储信息,该磁头在磁盘表面上飞过,并在水平空间中磁化数十亿个离散区域,这些区域根据它们是顺时针还是逆时针方向代表零或一。磁化区域正变得如此之小,以至于它们很难保持稳定。

克莱德和他的团队正在恢复一种称为垂直记录的方法来解决这个问题。它将电荷从北向南翻转,允许在可以存储更小比特的介质中使用更强的磁场。希捷的匹兹堡实验室已经对这种方法进行了原型设计,该方法应在未来两年内在每平方英寸内封装至少200千兆比特。最终,克莱德认为垂直驱动器将在四年内记录400或500千兆比特。由于这对于硬盘驱动器的世界来说只不过是一眨眼的功夫,克莱德已经设定了他的下一个目标:每平方英寸1太比特,并且他已经让希捷的100名博士致力于开发更奇特的记录系统来实现这一目标。

一个项目正在研究一种称为热辅助磁记录(HAMR)的新方法,该方法使用热脉冲,以便驱动器的磁头可以更轻松地磁化更小的表面。当磁盘冷却时,磁场稳定下来。除此之外,他预见到图案化介质记录,理论上这将使驱动器能够磁化10倍的信息。

令人惊讶的是,他的团队不会从事全息存储的研究,全息存储被许多人认为是终极存储技术。全息术使用所有三个维度来存储数据,目标是将1太比特的数据塞进一个方糖大小的空间。但克莱德预测,在大约六年左右的时间里,硬盘驱动器将达到太比特基准,届时它们将比全息系统更小更便宜。

克莱德并没有预测所有这些无处不在的微型驱动器将走向何方。对他来说,最大的问题与其说是如何在驱动器上挤入更多比特,不如说是了解这些驱动器将如何塑造未来的行业。

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