大數(shù)據(jù)時(shí)代的磁存儲(chǔ)技術(shù)與磁帶記錄介質(zhì)

|作者：陳允忠? 程琳皓 沈保根??

(中國科學(xué)院物理研究所 磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

本文選自《物理》2026年第6期

摘要在大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的指數(shù)增長對大容量、低能耗、高可靠性且成本可控的存儲(chǔ)技術(shù)提出了迫切需求。目前，與非門閃存、機(jī)械硬盤與磁帶在現(xiàn)代存儲(chǔ)體系中構(gòu)成分層架構(gòu)，其中機(jī)械硬盤和磁帶屬于磁存儲(chǔ)技術(shù)，它們?nèi)匀皇菧乩鋽?shù)據(jù)存儲(chǔ)的首選方案。文章首先對比了當(dāng)前主要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的解決方案，之后詳細(xì)介紹了磁記錄介質(zhì)的物理機(jī)理與磁存儲(chǔ)技術(shù)原理，重點(diǎn)分析應(yīng)用于海量數(shù)據(jù)長時(shí)備份和歸檔的磁帶存儲(chǔ)物理機(jī)制，及新一代超高密度磁帶記錄介質(zhì)M型六角鐵氧體(Ba,Sr)Fe12O19和正交晶系ε-Fe2O3的最新研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞磁存儲(chǔ)技術(shù)，磁帶，垂直各向異性，鐵氧體磁記錄介質(zhì)

01

引 言

隨著數(shù)字化社會(huì)的快速發(fā)展，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)全球數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長。數(shù)據(jù)已經(jīng)成為形成新質(zhì)生產(chǎn)力的關(guān)鍵生產(chǎn)要素，以其獨(dú)特的價(jià)值增值方式促進(jìn)科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，同時(shí)數(shù)據(jù)的爆炸式增長對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1—3]。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司(IDC)預(yù)測[4]，2025年我國新增數(shù)據(jù)量將達(dá)到48.6 ZB，將擁有全球最大的數(shù)據(jù)圈。海量數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中呈現(xiàn)出顯著的訪問異質(zhì)性，通常依據(jù)訪問頻率與應(yīng)用場景劃分為“熱”“溫”和“冷”三類，并采用分層存儲(chǔ)方式加以管理。熱存儲(chǔ)保存需要快速、頻繁訪問的數(shù)據(jù)，支持實(shí)時(shí)分析和事務(wù)性操作。冷存儲(chǔ)用于很少訪問的歸檔數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)需要低成本、長期保留，但可容忍較高的檢索延遲。邊緣計(jì)算、機(jī)器人等需要實(shí)時(shí)處理的“熱”數(shù)據(jù)，通常由半導(dǎo)體存儲(chǔ)中固態(tài)硬盤(solid state drive, SSD)的與非門閃存(negative-AND Flash，NAND Flash)提供支持。磁存儲(chǔ)技術(shù)(以磁性材料的可逆磁化狀態(tài)作為信息載體，通過磁化方向或磁矩分布的受控寫入與讀出，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)長期非易失性保存的一類存儲(chǔ)技術(shù))，特別是機(jī)械硬盤(hard disk drive, HDD)和磁帶，在云數(shù)據(jù)中心及企業(yè)服務(wù)器的溫冷數(shù)據(jù)歸檔場景中展現(xiàn)出不可替代的戰(zhàn)略價(jià)值。

人工智能時(shí)代下溫冷數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)占約80%[5]。其中用于“冷”數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的磁帶技術(shù)由于其成本及能耗的優(yōu)勢近年來顯示出強(qiáng)勁的發(fā)展?jié)摿?。根?jù)IDC的預(yù)測[4]，通過將數(shù)據(jù)的保存地點(diǎn)由機(jī)械硬盤轉(zhuǎn)移到高密度磁帶上，預(yù)計(jì)到2030年可累計(jì)削減碳排放43.7%，約6億6400萬噸，這相當(dāng)于1.4億輛乘用車一年的溫室氣體排放量。目前，最先進(jìn)的企業(yè)級(jí)磁帶機(jī)LTO-9未壓縮容量為18 TB，壓縮狀態(tài)下可達(dá)45 TB[6]，已成為政府、科研、醫(yī)療、金融等行業(yè)歸檔系統(tǒng)的主流解決方案。當(dāng)前先進(jìn)磁帶與HDD記錄原理類似，信息存儲(chǔ)于覆蓋磁帶表面的磁化方向相反的磁記錄介質(zhì)納米顆粒中。讀寫過程受多個(gè)微觀物理參數(shù)影響，包括磁各向異性能、記錄介質(zhì)顆粒熱穩(wěn)定性、記錄比特間距與寫入場強(qiáng)等，其背后的物理機(jī)制，如超順磁極限、能壘翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)與信噪比理論，共同構(gòu)成了磁帶系統(tǒng)性能的理論邊界。此外，記錄密度的提升伴隨著顆粒尺寸的縮小，而顆粒尺寸越小，越容易在熱擾動(dòng)下發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致信息丟失，這是磁帶等高密度磁記錄系統(tǒng)亟需解決的核心物理瓶頸之一。近年來，針對這一物理限制，磁帶系統(tǒng)通過在磁頭、結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)方面的系統(tǒng)性優(yōu)化不斷突破記錄極限，例如引入M型六角鐵氧體等高各向異性磁性介質(zhì)、優(yōu)化寫入磁場分布及降低熱噪聲干擾，顯著提升了系統(tǒng)的信噪比與寫入效率。

接下來將首先簡要介紹磁存儲(chǔ)技術(shù)與其他主要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案的比較，之后分析磁帶存儲(chǔ)的讀寫物理機(jī)制與超高密度磁存儲(chǔ)介質(zhì)材料及最新研究進(jìn)展，最后為總結(jié)與展望未來發(fā)展。

02

磁存儲(chǔ)與其他主要存儲(chǔ)技術(shù)比較

當(dāng)前主流的大容量存儲(chǔ)介質(zhì)體系由NAND、HDD以及磁帶共同構(gòu)成，三者在性能、成本與應(yīng)用場景上呈現(xiàn)顯著的互補(bǔ)性。NAND以其卓越的隨機(jī)訪問速度和極低延遲成為處理“熱”數(shù)據(jù)的核心介質(zhì)，但其高昂的單位存儲(chǔ)成本及有限的寫入壽命限制了其在大規(guī)模持久化存儲(chǔ)中的普及。HDD在容量密度與成本之間實(shí)現(xiàn)了相對平衡，因而仍是數(shù)據(jù)中心中在線存儲(chǔ)和備份的主力介質(zhì)，盡管其能耗水平相對較高。相比之下，磁帶在順序訪問性能上的不足被其在壽命、能耗以及單位成本上的優(yōu)勢所彌補(bǔ)，使其成為“冷”數(shù)據(jù)歸檔與長期保存的理想選擇。由此可見，NAND、HDD與磁帶在現(xiàn)代存儲(chǔ)體系中構(gòu)成分層架構(gòu)，以滿足人工智能時(shí)代數(shù)據(jù)中心的各方面需求。

圖1(a)給出了NAND、HDD、磁帶以及光存儲(chǔ)產(chǎn)品記錄面密度隨年份的變化情況。光存儲(chǔ)曾被視為檔案存儲(chǔ)的一種選擇，但應(yīng)用十分有限[7]，一般只應(yīng)用于CD、DVD、藍(lán)光等領(lǐng)域，它在讀出質(zhì)量和誤碼率之間的權(quán)衡存在一定的局限性。光存儲(chǔ)面臨低容量與提升面密度的挑戰(zhàn)，如圖1(a)所示增長速度明顯低于磁帶存儲(chǔ)，且最新光存儲(chǔ)產(chǎn)品OD-3已于2023年停產(chǎn)。由于“冷”數(shù)據(jù)長時(shí)存儲(chǔ)的要求，光存儲(chǔ)未來面臨的另一大挑戰(zhàn)是如何確保存儲(chǔ)介質(zhì)中的數(shù)據(jù)在數(shù)十年甚至數(shù)百年后仍能被安全準(zhǔn)確地讀出。圖1(c)展示了光驅(qū)、磁帶、HDD以及SSD的讀取速度隨年份變化情況[8]。不斷變化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求不僅影響存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容量，還影響速度要求。磁帶存儲(chǔ)通過增加讀寫磁頭的數(shù)量實(shí)現(xiàn)了并行數(shù)據(jù)讀寫，從而能夠滿足這些需求[5]。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)中最具代表性的閃存技術(shù)是一種基于半導(dǎo)體介質(zhì)的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，能夠在斷電后長期保存數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于U盤、SSD等領(lǐng)域。NAND為最常用閃存類型的一種且允許更密集的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)[9]。從2008年到2024年，NAND存儲(chǔ)密度每年提高約32%，其與磁帶存儲(chǔ)密度的提升增幅均超過HDD。NAND在讀寫速度上顯著優(yōu)于HDD和磁帶，但在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的持久性方面低于磁存儲(chǔ)技術(shù)，其成本也高于HDD和磁帶，如圖1(b)所示。因此，NAND主要用于支撐人工智能時(shí)代下邊緣計(jì)算、機(jī)器人、自動(dòng)駕駛等需納秒級(jí)數(shù)據(jù)訪問能力的“熱”數(shù)據(jù)處理場景。

用于“溫”數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的HDD主要用途是提供高性價(jià)比的存儲(chǔ)空間，當(dāng)前HDD采用垂直磁記錄介質(zhì)，其基本工作原理依賴于精密的機(jī)械與電磁協(xié)同操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速旋轉(zhuǎn)的盤片磁層上，通過可移動(dòng)的讀寫磁頭訪問，因此數(shù)據(jù)讀取速度受限。當(dāng)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭懸浮在盤片上方納米級(jí)高度，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)精準(zhǔn)定位至目標(biāo)磁道，磁頭產(chǎn)生磁場改變下方介質(zhì)磁化方向。當(dāng)數(shù)據(jù)讀取時(shí)，磁頭感應(yīng)盤片磁場變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。HDD訪問機(jī)制為隨機(jī)存取，磁頭臂可徑向移動(dòng)直接定位目標(biāo)磁道與扇區(qū)，無需順序遍歷[10]，憑借其機(jī)械結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)隨機(jī)訪問，因此更適合“溫”數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。HDD的優(yōu)勢在于每GB成本低于SSD且容量選擇更多，并且適合順序和隨機(jī)訪問操作。其面臨的挑戰(zhàn)包括與SSD相比訪問速度較慢、延遲較高以及與磁帶相比能耗更高。自2010年以來，由于磁記錄介質(zhì)已接近其物理極限，HDD的面密度增長速度放緩。近年來，希捷與西部數(shù)據(jù)公司已成功實(shí)現(xiàn)基于熱輔助磁記錄(heat-assisted magnetic recording, HAMR)和微波輔助磁記錄(microwave-assisted magnetic recording, MAMR)技術(shù)的超大容量硬盤量產(chǎn)。希捷于2023年率先量產(chǎn)32 TB HAMR硬盤[5]，并通過采用L10FePt高Kμ (磁各向異性常數(shù))介質(zhì)、新型近場光學(xué)極化激元與高效熱管理，解決了納米尺度熱穩(wěn)定與高精度寫入的難題，預(yù)計(jì)未來單盤容量將突破50 TB。盡管希捷公司最近推出了32 TB的HAMR磁記錄產(chǎn)品，但近年來的密度增幅僅為每年6%。與此同時(shí)磁帶存儲(chǔ)密度持續(xù)提升，如圖1(a)所示，IBM公布的2019—2029信息存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(Information Storage Industry Consortium, INSIC)磁帶技術(shù)路線圖[8]預(yù)計(jì)磁帶將保持每年34%的面密度提升。此外，混合能量輔助磁記錄 (hybird energy-assisted magnetic recording)技術(shù)被提出作為MAMR的改進(jìn)方案。該技術(shù)結(jié)合微波自旋進(jìn)動(dòng)與局域熱調(diào)制，使磁矩翻轉(zhuǎn)過程更可控，理論上可在不犧牲穩(wěn)定性的前提下提升約30%的寫入效率[11]。

圖1 (a)NAND、HDD、磁帶以及光存儲(chǔ)產(chǎn)品(CD、DVD、藍(lán)光、AD、UBD、OD-3等)記錄面密度隨年份的變化情況；(b)NAND、HDD以及磁帶每TB采購成本(美元)隨年份變化情況；(c)光驅(qū)、磁帶、HDD以及SSD的讀取速度隨年份變化情況[5，8]

磁帶作為一種成熟的存儲(chǔ)技術(shù)，憑借其極低的單位存儲(chǔ)成本與功耗，在“冷”數(shù)據(jù)歸檔、備份及災(zāi)難恢復(fù)等場景中占據(jù)關(guān)鍵地位。盡管其訪問方式為順序讀寫，但通過不斷提升線性密度、面密度及并行通道數(shù)量，磁帶在容量與數(shù)據(jù)速率方面持續(xù)取得進(jìn)展，為應(yīng)對數(shù)據(jù)量的指數(shù)級(jí)增長提供了經(jīng)濟(jì)高效的綠色存儲(chǔ)方案。因此，進(jìn)一步提升磁帶系統(tǒng)的面密度和容量，對于滿足未來海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求具有重要意義[12]。而且磁帶在遇到HDD目前面臨的挑戰(zhàn)之前，仍存在很大發(fā)展空間。

03

磁記錄介質(zhì)與磁帶存儲(chǔ)中的物理機(jī)制

磁帶存儲(chǔ)與HDD均基于磁記錄原理，但二者在具體讀寫結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式上存在明顯不同。磁帶存儲(chǔ)中數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)于涂有磁性材料介質(zhì)的柔性帶上，如圖2(a)所示，當(dāng)磁帶在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)運(yùn)行時(shí)，寫頭(主要由線圈和磁性薄膜材料構(gòu)成)產(chǎn)生變化的磁場，使磁性顆粒按特定方向磁化以對應(yīng)二進(jìn)制0或1，完成寫入；當(dāng)磁化磁帶經(jīng)過讀磁頭下方時(shí)，磁性顆粒方向變化在讀頭中感應(yīng)微弱電流，驅(qū)動(dòng)器檢測電流變化并解碼為0和1，完成讀取[13]，如圖2(b)所示。讀頭中的核心技術(shù)為巨磁阻(giant magnetoresistance, GMR)與隧道磁阻(tunnel magnetoresistance, TMR)技術(shù)，其能檢測更微弱、更細(xì)小的磁場變化，是實(shí)現(xiàn)更高存儲(chǔ)密度的關(guān)鍵，該類技術(shù)的發(fā)明與改進(jìn)是磁帶存儲(chǔ)容量提升的重要因素之一。磁帶的訪問方式為順序訪問，讀取中間數(shù)據(jù)需驅(qū)動(dòng)器快進(jìn)或倒帶，無法像HDD那樣直接定位指定位置，但是易于通過延長磁帶的長度來增加存儲(chǔ)容量。

圖2 (a)磁帶涂層示意圖；(b)磁帶存儲(chǔ)(垂直記錄)讀寫機(jī)制示意圖

3.1 磁存儲(chǔ)介質(zhì)中的超順磁極限

鐵磁性材料的磁化行為與樣品尺寸密切相關(guān)，呈現(xiàn)從多疇、單疇到超順磁的逐級(jí)轉(zhuǎn)變過程(圖3)。這一演化不僅決定材料磁性能，更從根本上限定其在高密度磁存儲(chǔ)應(yīng)用中的適用性。宏觀尺寸下，為最小化總磁能(尤其是退磁場能)，鐵磁體自發(fā)形成多個(gè)磁疇，磁化前雖然每個(gè)疇內(nèi)部磁矩高度有序，但相鄰疇間磁矩方向相反或交錯(cuò)，形成疇壁結(jié)構(gòu)以降低磁化引起的外磁場能量。這種多疇結(jié)構(gòu)在降低能量的同時(shí)，使材料具有較小矯頑力與較大剩磁調(diào)節(jié)能力，適用于磁芯、變壓器等低能耗磁通導(dǎo)向型器件。

圖3 磁性材料磁疇變化曲線，其中右側(cè)區(qū)域?yàn)槎喈?、中間區(qū)域?yàn)閱萎?、左?cè)區(qū)域?yàn)槌槾?。棕色部分為磁性材料微觀磁疇示意圖(磁化后)，紅色曲線為矯頑力隨磁性材料尺寸變化

當(dāng)磁性顆粒尺寸減小時(shí)，疇壁的形成會(huì)導(dǎo)致體系總能量升高，材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱萎牻Y(jié)構(gòu)，當(dāng)磁疇晶粒達(dá)到臨界單疇尺寸Dsd時(shí)，永磁體表現(xiàn)出 最大矯頑力。其中Dsd與磁各向異性常數(shù)Kμ成正比，與飽和磁化強(qiáng)度MS成反比[14]。在單疇粒子中，所有自旋統(tǒng)一指向某一方向，磁化翻轉(zhuǎn)主要通過整個(gè)磁矩協(xié)同反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。該狀態(tài)(圖3中間區(qū)域)具有高飽和磁化、高矯頑力特性，是磁記錄介質(zhì)的理想基礎(chǔ)單元。繼續(xù)減小顆粒尺寸，盡管材料仍保持單疇結(jié)構(gòu)，但此時(shí)磁各向異性能所提供的能壘E=KμV與熱能KBT趨于可比，磁矩將因熱擾動(dòng)在易磁化方向間自發(fā)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致磁性穩(wěn)定性喪失，系統(tǒng)最終進(jìn)入超順磁態(tài)[15]。盡管顆粒本身仍為單疇，但其行為類似順磁體，不再表現(xiàn)出穩(wěn)定磁滯，用Dsp來表示最小穩(wěn)定顆粒直徑，Dsp與熱能KBT成正比，與Kμ成反比[14]。當(dāng)晶粒尺寸小于Dsp，顆粒表現(xiàn)為超順磁行為，當(dāng)顆粒尺寸大于Dsd，這些晶粒分裂為多個(gè)疇，在磁記錄中，為了保證磁介質(zhì)顆粒的有效翻轉(zhuǎn)，其工作尺寸位于單疇區(qū)域。超順磁狀態(tài)的特征翻轉(zhuǎn)時(shí)間τ由Néel—Arrhenius公式?jīng)Q定：τ=τ0exp(KμV/KBT)，其中τ0是磁矩嘗試翻轉(zhuǎn)的特征時(shí)間，V為單個(gè)磁顆粒體積。當(dāng)τ小于測量時(shí)間尺度時(shí)，顆粒磁性表現(xiàn)出近似零的凈磁化，從存儲(chǔ)角度看意味著數(shù)據(jù)無法保持。因此，實(shí)現(xiàn)超高密度磁存儲(chǔ)需材料具有盡可能大的Kμ，且磁各向異性能所提供的能量勢壘KμV與熱能KBT需滿足特定條件。

圖4 磁記錄介質(zhì)尺寸對應(yīng)矯頑力的變化曲線(圖中星號(hào)代表傳統(tǒng)磁帶記錄介質(zhì)，方框代表機(jī)械硬盤磁記錄介質(zhì)，圓圈代表高密度磁帶記錄介質(zhì)，其中實(shí)線為擬合曲線)[16—23]

圖4為典型磁記錄介質(zhì)尺寸與矯頑力的對應(yīng)關(guān)系，它間接反映了不同材料的記錄密度與穩(wěn)定性[16—23]。對于磁帶的存儲(chǔ)介質(zhì)，其可分為四類：(1)傳統(tǒng)的γ-Fe2O3和CrO2等；(2)FeCo合金基金屬粉；(3)鋇/鍶鐵氧體粉；(4)合金薄膜磁帶。圖中星號(hào)代表傳統(tǒng)磁帶記錄介質(zhì)，20世紀(jì)中后期使用的γ-Fe2O3，CrO2尺寸大且矯頑力低，不適用于高密度磁記錄。方框代表硬盤常用磁記錄材料，其中FePt-L10和CoCrPt是金屬基磁記錄介質(zhì)單疇臨界尺寸小于10 nm的典型材料，F(xiàn)ePt-L10常用于HDD中的HAMR技術(shù)[24]，CoCrPt常用于MAMR技術(shù)[25]，其矯頑力與尺寸的關(guān)系印證當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化硬盤的存儲(chǔ)密度高于磁帶，但如前所述，HDD容量增長乏力，存儲(chǔ)密度接近物理極限，進(jìn)一步提升密度，技術(shù)成本高昂。圓圈代表當(dāng)前以鐵氧體為主的垂直磁帶磁記錄材料，自1995年以來，高密度磁帶多以磁性金屬顆?；蜾^鐵氧體粉為主要存儲(chǔ)介質(zhì)。其中以垂直各向異性FeCo合金為存儲(chǔ)介質(zhì)的高密度磁帶商業(yè)產(chǎn)品，面密度存儲(chǔ)密度已達(dá)1.2 Gb/in2。2018年，IBM和索尼的聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在實(shí)驗(yàn)中利用CoPtCr-SiO2的磁控濺射薄膜作為存儲(chǔ)介質(zhì)，展示了目前金屬基磁帶最高水平的201 Gb/in2的存儲(chǔ)面密度[26]。隨著M型鐵氧體的發(fā)現(xiàn)，其優(yōu)異的磁結(jié)構(gòu)使其成為垂直記錄理想材料，CoFe2O4因此被淘汰。FeCo合金金屬顆粒(metal particulate,MP)雖在一定尺寸下具有合適矯頑力，但其穩(wěn)定性差且需包裹防氧化層，相比于金屬磁性顆粒，M型磁鉛石鋇鐵氧體材料屬六角結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的磁晶各向異性(易磁化軸垂直于粒子平面)，其磁化強(qiáng)度和矯頑力隨顆粒尺寸降低，性能基本不變，且作為氧化物其本身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕及耐摩擦能力強(qiáng)，這些優(yōu)點(diǎn)使得鋇鐵氧體材料一直是高密度存儲(chǔ)磁帶最有潛力的材料之一。值得一提的是，?-Fe2O3能在小尺寸 下表現(xiàn)出高矯頑力被認(rèn)為下一代突破面密度極限的更高密度磁帶記錄介質(zhì)[16]。

3.2 磁存儲(chǔ)介質(zhì)中的“三難原則”

磁存儲(chǔ)介質(zhì)中的“三難原則”是指在高密度磁記錄中，熱穩(wěn)定性、寫入能力與記錄密度三者相互制約、難以同時(shí)優(yōu)化。其中熱穩(wěn)定性由KμV/KBT衡量[15，27]，具體表現(xiàn)為：為提升容量而縮小記錄單元體積以增加記錄密度時(shí)，熱穩(wěn)定性急劇下降，因?yàn)閂減小直接導(dǎo)致KμV值降低，顆粒易受熱擾動(dòng)產(chǎn)生超順磁效應(yīng)，引起磁化方向隨機(jī)翻轉(zhuǎn)與數(shù)據(jù)丟失。通過提升Kμ或V來維持足夠的KμV/KBT以保障穩(wěn)定性時(shí)，又要求磁頭產(chǎn)生更強(qiáng)磁場以實(shí)現(xiàn)高Kμ介質(zhì)的磁化翻轉(zhuǎn)[28]。同時(shí)，顆粒縮小或Kμ變化可能引入噪聲，降低信噪比與讀出可靠性。因此，KμV/KBT的平衡極為脆弱。追求高密度必然威脅穩(wěn)定性，保障穩(wěn)定性又損害可寫性和密度潛力，這構(gòu)成磁帶技術(shù)持續(xù)提升容量的核心物理瓶頸。突破“三難原則”的物理限制，已成為磁存儲(chǔ)技術(shù)持續(xù)演進(jìn)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。早期幾代磁帶采用表面涂覆有鈍化層的鐵鈷基金屬顆粒，若將顆粒體積減小到3000 nm3以下，則難以保持足夠矯頑力以確保記錄數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定性，限制了其縮放潛力[26]。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，近年來研究者通過開發(fā)新型磁記錄介質(zhì)顆粒突破“三難原則”。

3.3 高密度磁記錄介質(zhì)的最新進(jìn)展

M型六角鐵氧體(如BaFe12O19(BaM)和SrFe12O19(SrM))，憑借單軸磁晶各向異性、高矯頑力及高居里溫度，成為當(dāng)前磁帶記錄介質(zhì)(如LTO-9)的重要材料。國外主要廠商一直在加大對鋇鐵氧體存儲(chǔ)介質(zhì)的研發(fā)力度，2012年以來，IBM商業(yè)磁帶產(chǎn)品已經(jīng)采用鋇鐵氧體存儲(chǔ)介質(zhì)，其最先進(jìn)磁帶產(chǎn)品LTO-9[6]的存儲(chǔ)密度為11.9 Gb/in2。在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)層面，2020年，富士膠片公司與IBM合作利用鍶鐵氧體磁性顆粒替代鋇鐵氧體磁性顆粒，進(jìn)一步提高了磁帶的數(shù)據(jù)記錄密度。通過調(diào)整微量元素的添加量和原材料的混合條件，控制顆粒的生長，從而使顆粒體積減少到了現(xiàn)有鋇鐵氧體磁性顆粒的60%以下，成功生產(chǎn)出適合涂布在磁帶上的超細(xì)鍶鐵氧體磁性顆粒。同時(shí)，采用新型分散劑實(shí)現(xiàn)超細(xì)鍶鐵氧體磁性顆粒的均勻分散與納米級(jí)排列控制，從而有效降低介質(zhì)噪聲并提升讀出信噪比。以鍶鐵氧體磁性顆粒為存儲(chǔ)介質(zhì)的磁帶，其記錄密度已高達(dá)317 Gb/in2 [3]。

最近，我們課題組系統(tǒng)研究了用于高密度垂直磁帶記錄的超精細(xì)磁記錄介質(zhì)材料BaM和SrM鐵氧體納米顆粒以及下一代ε-Fe2O3磁粉。對于M型鐵氧體介質(zhì)，如圖5(a)所示，其具有典型的磁鉛石型六方結(jié)構(gòu)(P63/mmc)，F(xiàn)e3+占據(jù)5類不同晶體學(xué)位置(12k、2a、2b、4f1、4f2)，其中12k，2a，2b磁矩向上，4f1與4f2磁矩向下。這種自旋排布導(dǎo)致凈磁矩不完全抵消，賦予材料強(qiáng)單軸磁各向異性與高剩磁等重要的硬磁特性。在納米顆粒制備方面，玻璃結(jié)晶法是目前制備超精細(xì)顆粒的主要技術(shù)[29]，圖5(b)，(c)為采用玻璃結(jié)晶法制備的M型鐵氧體磁粉的掃描電子顯微鏡(SEM)形貌圖，納米尺度六角形顆粒清晰可見且晶粒尺寸分布均勻。通過Ba-Sr聯(lián)合取代，我們成功制備出平均尺寸為27.3 nm，接近日本學(xué)者制備的BaM磁粉(D=25.1 nm)[30]與SrM磁粉(D=18.8 nm)[3]，獲得磁粉的飽和磁化強(qiáng)度MS=55.4 emu/g(圖5(f))，剩磁Mr=26.6 emu/g，矯頑力Hc=2699 Oe，達(dá)到高密度磁帶對超精細(xì)磁記錄介質(zhì)的要求。此外，基于傳統(tǒng)的溶膠凝膠法[31]改進(jìn)的溶膠凝膠鹽浴法可制備出顆粒規(guī)則、分散均勻且磁性能適合的超精細(xì)六角形片狀M型鐵氧體磁粉。進(jìn)一步的，通過Co、Ti取代Fe位可改變不同磁子格的交換作用，使磁粉的矯頑力從4616 Oe下降至2918 Oe，大幅改善寫入性能。該方法制備的M型鐵氧體磁粉形貌如圖5(d)，(e)所示，六角片狀顆粒形狀規(guī)則且分布均勻，MS=62.6emu/g，Mr=31.4 emu/g，Hc=2918 Oe，性能接近玻璃結(jié)晶法制備的先進(jìn)磁粉。雖然此方法制備的磁粉粒徑D=41.5 nm，較玻璃結(jié)晶法制備的磁粉尺寸偏大，但此方法在制備成本和規(guī)?；瘽摿Ψ矫婢哂忻黠@優(yōu)勢，也是國際上首次實(shí)現(xiàn)低成本方法大規(guī)模制備50 nm以下磁記錄M型鐵氧體磁粉。

圖5 (a)M型鐵氧體晶體結(jié)構(gòu)圖；(b)玻璃結(jié)晶法制備的不摻雜BaM形貌；(c)玻璃結(jié)晶法制備的Ba-Sr聯(lián)合取代的M型鐵氧體形貌；(d)鹽浴法制備的不摻雜BaM形貌；(e)鹽浴法制備的Co、Ti共摻雜BaM形貌；(f)室溫下鹽浴法與玻璃結(jié)晶法制備的M型鐵氧體磁滯回線(鹽浴法為Co、Ti共摻雜的BaM，玻璃結(jié)晶法為Ba-Sr聯(lián)合取代的M型鐵氧體)

得益于其強(qiáng)磁晶各向異性，ε-Fe2O3是目前鐵氧體中唯一單疇臨界尺寸小于10 nm的記錄介質(zhì)(圖4)，ε-Fe2O3具有正交晶系結(jié)構(gòu)(Pna21)，其中Fe3+占據(jù)4個(gè)不等價(jià)晶體學(xué)位置，3個(gè)八面體位(FeA、FeB、FeC)和一個(gè)四面體位(FeD)，如圖6(a)所示，其中FeB與FeC產(chǎn)生向上磁矩，F(xiàn)eA與FeD產(chǎn)生向下磁矩，但由于向上磁矩與向下磁矩總量不同，因而靜磁矩不為零。同時(shí)，強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)畸變使不同位點(diǎn)的磁各向異性能貢獻(xiàn)顯著不等，最終導(dǎo)致該材料具備極高的矯頑力(圖6(b))。圖6(c)給出的是利用溶膠凝膠法制備的納米尺寸的?-Fe2O3磁粉的SEM形貌圖，所獲得的片狀顆粒，形狀規(guī)則，分散均勻且晶粒直徑小至D=11.3 nm(圖6(d))。測得的磁性能為MS=13 emu/g，Mr=7 emu/g，Hc=17113 Oe，后續(xù)可通過合適的摻雜調(diào)控磁性能，例如降低矯頑力并適當(dāng)提高剩磁以滿足下一代超高密度磁帶存儲(chǔ)技術(shù)[32]。

圖6 (a)?-Fe2O3晶體結(jié)構(gòu)圖；(b)室溫下溶膠凝膠法制備?-Fe2O3的磁滯回線；(c)溶膠凝膠法制備?-Fe2O3的形貌圖；(d)?-Fe2O3粒度統(tǒng)計(jì)圖

3.4 磁帶存儲(chǔ)讀寫機(jī)制

寫頭：在現(xiàn)代垂直記錄磁帶系統(tǒng)中，寫頭通常采用雙極結(jié)構(gòu)，以在磁帶表面產(chǎn)生強(qiáng)梯度且高度集中的垂直寫入磁場，從而實(shí)現(xiàn)對高各向異性介質(zhì)顆粒的有效翻轉(zhuǎn)。雙極寫頭依靠主極與返磁極之間形成的窄間隙，使磁通在磁帶和空氣界面附近強(qiáng)烈匯聚，輸出高幅度且方向垂直于磁帶平面的記錄磁場。由于磁帶記錄密度的提升對寫入場分布均勻性提出更高要求，寫頭材料多選用具備高磁導(dǎo)率、低渦流損耗的軟磁薄膜，以實(shí)現(xiàn)快速磁通響應(yīng)與低頻響應(yīng)失真。同時(shí)，隨密度不斷提高，寫頭設(shè)計(jì)逐漸強(qiáng)調(diào)磁場梯度控制、軌寬縮小以及磁回路損耗抑制。

讀頭：垂直記錄磁帶系統(tǒng)的讀頭主要依賴磁阻型傳感器如前所述的GMR與TMR來獲取磁帶上記錄的垂直磁化反轉(zhuǎn)信息。與HDD讀頭不同，磁帶讀頭必須在較大的頭帶接觸區(qū)間、復(fù)雜的摩擦磨耗條件以及更寬的軌跡擺動(dòng)范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的磁信號(hào)讀出，因此其設(shè)計(jì)重點(diǎn)不僅在于磁靈敏度，還包括機(jī)械耐久性與噪聲抑制能力。傳感器 內(nèi)部的自由層在通過磁帶局部磁場擾動(dòng)時(shí)發(fā)生微小磁化旋轉(zhuǎn)，繼而引起電阻變化，以實(shí)現(xiàn)對垂直磁記錄信號(hào)的高靈敏讀出。隨著磁帶面密度向數(shù)Tb等級(jí)推進(jìn)，讀頭技術(shù)逐漸向更窄讀敏寬度、更高磁通捕獲效率以及更低系統(tǒng)噪聲方向演進(jìn)。

在磁存儲(chǔ)系統(tǒng)中，面存儲(chǔ)密度是決定其性能高低的主要參數(shù)。磁帶面記錄密度D=ρlinear·ρtrack 由線密度ρlinear 與磁道密度ρtrack 決定[33]，其中ρlinear 受介質(zhì)厚度、磁頭間隙等限制，而ρtrack 主要受信噪比和串?dāng)_影響。磁記錄系統(tǒng)的信噪比SNR與信號(hào)體積成正比，與磁記錄顆粒體積成反比，并受熱擾動(dòng)和介質(zhì)噪聲影響，是限制可用信道容量的關(guān)鍵因素[34]。由于磁帶系統(tǒng)帶寬受限，提升信噪比成為突破記錄密度極限的核心途徑，其物理基礎(chǔ)在于在保證熱穩(wěn)定性的同時(shí)減小顆粒體積并增強(qiáng)垂直取向。寫入過程中，寫頭產(chǎn)生的外磁場需滿足Hwrite>Hc=2Kμ/μ0MS，這對高各向異性介質(zhì)的可寫性提出了根本性約束[13]。總體而言，磁帶面密度的持續(xù)提升受熱穩(wěn)定性、信噪比與可寫性的協(xié)同制約。

04

總結(jié)與展望

總之，人工智能時(shí)代海量數(shù)據(jù)集依賴于分層存儲(chǔ)架構(gòu)。用于80%溫冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的磁存儲(chǔ)技術(shù)特別是磁帶存儲(chǔ)具有超高容量、超長壽命及超低能耗。本文討論了人工智能時(shí)代高密度磁帶的相關(guān)研究進(jìn)展，系統(tǒng)梳理了面向“冷”數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的垂直磁記錄磁帶中，高密度記錄介質(zhì)的物理特性及其讀寫原理，并總結(jié)了我們在磁存儲(chǔ)介質(zhì)方面的最新研究進(jìn)展。鋇鍶鐵氧體顆粒介質(zhì)與TMR讀出磁頭的組合已成為最有可能在未來幾代磁帶中使用的技術(shù)路線。與此同時(shí)，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，磁存儲(chǔ)技術(shù)不僅需在材料與物理機(jī)制層面持續(xù)創(chuàng)新，還應(yīng)與各類存儲(chǔ)形成互補(bǔ)協(xié)同，構(gòu)建多層次、高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體系，以支撐對海量數(shù)據(jù)長時(shí)可靠存儲(chǔ)及存算一體的長遠(yuǎn)需求。

隨著記錄密度的持續(xù)提升，高密度磁帶的發(fā)展不僅依賴于磁記錄介質(zhì)材料本身的尺寸與磁學(xué)參數(shù)，還高度依賴于磁粉的涂布工藝。隨著磁性顆粒尺寸不斷減小，顆粒間磁偶極相互作用和范德瓦耳斯力顯著增強(qiáng)，極易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，從而引入介質(zhì)噪聲并降低有效信噪比。因此，高性能分散劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、顆粒表面修飾等已成為高密度磁帶涂覆工藝中的核心技術(shù)環(huán)節(jié)。另一方面，現(xiàn)代高密度磁帶正由傳統(tǒng)的多層厚涂結(jié)構(gòu)向單層超薄磁性涂層演進(jìn)，其磁性層厚度通常小于百納米，以適配垂直磁記錄方式并提高線密度與信噪比。這對涂覆厚度均勻性、顆粒垂直取向控制以及表面粗糙度提出了極高要求。尤其是在采用鋇鍶鐵氧體及ε-Fe2O3等高各向異性材料時(shí)，必須在外加取向磁場、溶劑揮發(fā)動(dòng)力學(xué)與粘結(jié)體系力學(xué)性能之間實(shí)現(xiàn)精細(xì)平衡，以確保磁矩取向穩(wěn)定且可重復(fù)。隨著磁記錄介質(zhì)向高矯頑力、高硬度方向發(fā)展，磁頭與磁帶界面的摩擦磨損與長期可靠性問題日益突出。高密度磁帶不僅要求磁性層具備優(yōu)異的磁學(xué)性能，還需在非磁性層如保護(hù)層、潤滑層以及整體力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化，以保證在長期運(yùn)行條件下仍具備穩(wěn)定的讀寫性能和低誤碼率。因此，未來高密度磁帶技術(shù)的發(fā)展，將不再是單一材料性能的線性提升，而是磁記錄介質(zhì)材料、涂覆工藝、磁頭結(jié)構(gòu)以及信號(hào)處理技術(shù)協(xié)同優(yōu)化的系統(tǒng)工程問題。

參考文獻(xiàn)

[1]Taha K. J. Big Data，2025，12：150

[2]Bhushan B. Microsyst.Technol.，2023，29：1529

[3]Furrer S，Ebermann P，Lantz M A et al. IEEE Trans.Magn.，2021，57(7)：310311

[4]IDC：2025 年中國將擁有全球最大的數(shù)據(jù)圈. https://www.seagate.com/files/www-content/our-story/trends/files/data-age-chinaregional-idc.pdf

[5]Lauhoff G，Sinha R，Imaino W. IEEE Trans.Magn.，2025，61(4)：3100106

[6]LTO-9：Raising the Bar Again for Performance，Capacity，and Data Reliability.https://cdn.allbound.com/iq-ab/2022/12/LTO-9-TB00068A.pdf

[7]Zhao M，Wen J，Hu Q et al. Nature，2024，626：772

[8]Information Storage Industry Consortium (INSIC) 2019-2029 Tape Roadmap. https://www.insic.org/wp-content/uploads/2019/07/INSIC-Technology-Roadmap-2019.pdf

[9]Kim S S，Yong S K，Kim W et al. Adv.Mater.，2023，35：2200659

[10]Atsumi T. IFAC PapersOnLine，2025，59(17)：239

[11]Komine T. AIPAdv.，2023，13：025310

[12]Fontana R E，Biskeborn R G，Lantz M et al. AIP Adv.，2019，9：125222

[13]Lantz M A，F(xiàn)urrer S，Petermann M et al. ACM Trans.Storage，2025，21：1

[14]Ochirkhuyag T，CheolHong S，Odkhuu D. npj Comput.Mater.，2022，8：193

[15]Poperechny I S. Phys. Rev. E，2024，109：044601

[16]Ohkoshi S，Namai A，Imoto K et al. Sci. Rep.，2015，5：14414

[17]Christodoulides J，Bonder M，Huang Y et al. Phys. Rev. B，2003，68：054428

[18]Rong C，Li D，Nandwana V et al. Adv. Mater.，2006，18：2984

[19]Xu Y，Wang J，Su Y.J. Appl. Phys.，2000，87(9)：6971

[20]Srinivasan K，Piramanayagam S，Wong S et al. J. Appl. Phys.，2008，103：07F512

[21]Morales I，Costo R，Mille N et al. Nanomaterials，2018，8：970

[22]Knowles J. IEEE Trans. Magn.，1981，17(6)：3008

[23]Morales M，Walton S，Prichard L et al. J. Magn. Magn. Mater.，1998，190(3)：357

[24]Tozman P，Isogami S，Suzuki I. Acta Mater.，2024，271：119869

[25]Thanos C，Panagiotopoulos I. Magnetism，2023，3：61

[26]Furrer S，Lantz M，Reininger P et al. IEEE Trans. Magn.，2018，54(2)：3100308

[27]Mengesha W G，Muhabie A A. J. Mater. Sci.：Mater.Eng.，2025，20：102

[28]Chen Y，Victora R H. Sci. Rep.，2023，13：1147929

[29]Chen J，Duan J，Anokhin E O et al. J. Mater. Chem. C，2024，12：14865

[30]Shimizu O，Oyanagi M，Morooka A et al. J. Magn. Magn. Mater.，2016，400：365

[31]Cheng L，Huang J，Sun Y et al. Mater. Sci. Eng. B，2025，321：118561

[32]Ohkoshi S，Namai A，Yoshikiyo M et al. Angew. Chem. Int. Ed.，2016，55：11403

[33]Wood R. IEEE Trans.Magn.，2000，36(1)：36

[34]Guzel I，?zbayrak D，Calderbank R et al. IEEE Trans. Inf. Theory，2024，70(7)：4905

（參考文獻(xiàn)可上下滑動(dòng)查看）

歡迎訂閱2026年《物理》雜志

《物理》是由中國科學(xué)院物理研究所和中國物理學(xué)會(huì)主辦的權(quán)威物理類中文科普期刊，注重學(xué)科性與科普性相結(jié)合，秉承“輕松閱讀，享受物理”的辦刊理念，集學(xué)科大家之力，追蹤物理學(xué)成果，服務(wù)物理學(xué)領(lǐng)域，促進(jìn)學(xué)科交叉，讓科學(xué)變得通俗易懂。已成為我國眾多物理專業(yè)的大學(xué)生、研究生、物理學(xué)家案頭常讀的刊物之一。

(期刊訂閱)

訂閱方式：編輯部直接訂閱優(yōu)惠價(jià)240元/年，全國包郵。

方式1微信訂閱

在“物理所財(cái)務(wù)處”微信公眾號(hào)繳費(fèi)，操作如下：公號(hào)下方“業(yè)務(wù)辦理”-“訂刊費(fèi)”-收費(fèi)部門“《物理》編輯部”，之后填寫相應(yīng)信息。如有問題，可添加編輯微信咨詢：18627635857。

(注：僅針對需要對公開電子發(fā)票的讀者，且務(wù)必提供正確的單位名稱和單位稅號(hào))

方式2銀行匯款

開戶行：中國農(nóng)業(yè)銀行北京科院南路支行

戶 名：中國科學(xué)院物理研究所

帳 號(hào)：11250101040005699

（注：請注明“《物理》編輯部”，匯款成功后請及時(shí)聯(lián)系編輯部登記郵寄地址）

編輯部聯(lián)系方式：

咨詢電話：010-82649277；82649029

Email：physics@iphy.ac.cn

(贈(zèng)閱活 動(dòng) ）

為答謝廣大讀者長期以來的關(guān)愛和支持，《物理》編輯部特推出優(yōu)惠訂閱活動(dòng)：凡直接向編輯部連續(xù)訂閱2年《物理》雜志，將獲贈(zèng)《歲月有情- <物理> 50周年紀(jì)念本》。內(nèi)有自1972年至2022年《物理》發(fā)表的50篇精選文章信息，掃描對應(yīng)的二維碼，可重溫經(jīng)典之作，感悟物理科學(xué)的真諦，領(lǐng)略學(xué)科大家的風(fēng)采。希望讀者們愛上《物理》!