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不斷向不可能挑戰的硬碟世界
文.圖◎1983級系友 郭曉民
█ 郭曉民(左三)與同事於美國加州矽谷的Seagate研究中心前合影。
硬碟機,一個不太亮眼的高科技產品,默默的邁著穩健的腳步,年復一年的不斷自我突破,為大數據的新世界,提供越來越便宜的資料儲存技術。很多人沒意識到的事是,沒有硬碟技術的進步,互聯網及智慧移動裝置的四大天王Google、Facebook、 Apple 及Amazon是無法茁壯的。因為他們都得仰賴大量便宜的數據來提供服務。可以說近代人類生活的巨變,硬碟技術是重要的支柱之一。

硬碟發展  體積變小售價親民
回顧硬碟機的發展歷史,從1956年IBM 推出RAMAC系統,擁有5 Mbytes的儲存容量,由50片12英吋的大碟組成,體積有一個冰箱大,售價近 40萬美金,到今天1.5Tbytes,由2片2.5英吋的薄碟組成,手掌般大,成本不到40美元。六十年間,就如同半導體的摩爾定律般,硬碟技術的進步是呈不斷的幾何式成長。這是怎麼達成的?當然巨額、持續的技術投資,與緊密的橫跨科系技術合作與進步是必要因素。但在各領域不斷的向不可能挑戰,才是真正的致勝之道。那些被不可能打敗的硬碟公司,而沒有持續創新的,都在歷史的洪流中消失了,或是倒閉,或是被併購,如今只有三家硬碟公司還屹立,持續在大數據時代,提供重要的技術。
細觀硬碟技術,我只能用瞠目結舌來形容。20多年前,頂著柏克萊機械博士的頭銜,加入了硬碟機研發行列,才發現所學嚴重不足,不僅對原子世界的物理、化學、材料科技一無所知,對半導體製程、電子訊號處理等電機常識一知半解,連機械系的動力振動、控制學,也只有課本的知識。要解決問題,還差得遠呢!而這些科技知識,正是研發硬碟技術所需要的基礎。沒辦法,只好放下身段虛心求教,自我努力學習,隨著研發需要,不斷的充實自我。直到今天還得不斷的學習新知識,才有辦法在硬碟研發中不斷的進步。

研發技術  打破不可能向前邁進
說到對不可能的挑戰,在這20多年的硬碟研發中,可說是精采絕倫。許多大師,重量級的研發人員,基於學術理論,總結的極限說,總是一次又一次的被打破。記得剛工作時,有人說硬碟研發只能再撐兩年,理由是磁頭讀寫的訊號太微弱了,以當時inductive head的技術,極限已將到了,結果不久IBM以得諾貝爾獎的MagneticResistive(MR)head的技術,突破了瓶頸,又持續了硬碟研發好幾年,而沒投資MR技術的公司,倒了好幾家。又隔了幾年MR head又不行了,需要GMR (Giant Magnetic Resistive Head)的技術,又有人說做GMR head得將薄膜的精度,控制在Angstroms level是不可能量產的。結果希捷公司,第一個證明大家是錯的,如今每個硬碟機都在使用GMR的技術。
█ 郭曉民(左一)與兩個兒子於美國大峽谷合影。

在磁盤的技術發展上,也演出了類似的故事,在原來水平儲存的技術上,不少人預測硬碟機只能做到100Gbits/in2,而研發近20年的垂直儲存技術有太多技術的瓶頸,看似無法克服。結果希捷公司在2005年,頭一個衝破瓶頸,推出了量產的垂直儲存的硬碟機。之後又有人以物理理論推論說,垂直儲存技術只能達到500Gbits/in2,受制於所謂的tri-lemmas,即磁顆粒的大小受到熱穩定性,磁頭能提供的磁場強度,與磁性材料的磁性剛度限制。但這理論極限又一次的被打破,因為聰明的科技人員,找到突破性的解決方案,以多層磁薄膜,用domino的方式來switch磁顆粒,這些薄膜的厚度也必須控制到Angstrom的精度。在大面積的磁盤量產上,也一度被視為不可能,但今日已成習以為常的量產技術。
硬碟機在機械技術的進步上也不遑多讓。記得當我們公司的Motor group,在研發Fluid bearing來取代ball bearing時,許多人持異議,認為motor oil不可能不漏出,這技術是不可行的,但他們不斷的研發,終於解決了所有的問題。因為有了fluid bearing,硬碟機突破了track width的瓶頸,如今可達到50奈米的track width以50奈米的track width磁頭飛行的定位,要精準到5奈米,硬碟的機械工程師又克服了許多不可能,量產了dual stage actuators的技術來達到此精度。另一項不可能的任務是保持磁頭的飛行高度在1奈米加減幾個Angstroms的精度,而不能碰撞磁盤。這好比駕馭一架高速飛行的747客機,控制飛行高度在1英吋。這不可能的任務又被硬碟工程師給達成了。

面對挑戰  繼續勇敢向前行
如今硬碟工程師再次碰到了瓶頸,需要創新技術帶領,去超越1.5Tbits/in2的垂直儲存的極限。
HAMR (heat assisted magnetic recording)與BPM (bit patterned media)是兩個重要創新技術,挑戰性極高。又有許多人評論這兩個技術都不可能,硬碟技術的極限已到。但經歷了這麼多化不可能為可能的歷史,只有努力往前行,才是正道。最近我帶領的團隊,結合了HAMR與BPM的技術,在北京舉行的國際磁學研討會,發表了5Tbits/in2的磁盤製程,再一次展示了技術上的許多可能。
走在技術的尖端,常常是喜懼參半。當技術有突破時那種驚喜是不可言喻的,當技術遇著困難沒有進展時,常常懷疑是否有明天。這一趟走過來,在磁碟研發20多年,回首來時路,許多高潮與低潮,但總是勇敢的向前行,努力的將不可能化為可能。僅與此與諸位機械系的學長、學弟們互勉。 (作者為1983級系友、美國加州大學柏克萊分校機械博士,現職為Sr. Director HDM Lead Science Park, Patterned Media, Media Technical Invention Review Board Chair)


█ 郭曉民(左一)與母親於台北合影。