PW50對于磁盤DLC層厚度變化的檢測

【摘要】伴隨著社會的發(fā)展，人類所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)每兩年翻一番。到2020年，人類的數(shù)據(jù)總量可能會達到35千萬億兆，后續(xù)每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)更將可能達到4～5個Zeta Byte，這要求每年四到五億片1TB的硬盤存儲。硬盤已經(jīng)成為了IDC的核心TCO，因此硬盤的性能質(zhì)量對整個云存儲有著關(guān)鍵影響。在硬盤結(jié)構(gòu)中，磁盤媒介作為關(guān)鍵的存儲部件，其有著復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)用于保護磁場數(shù)據(jù)。其磁場媒介厚度不均的問題，對硬盤整體壽命和存儲信號有著致命的影響。本文通過對硬盤磁頭讀信號的研究，提出利用磁頭半脈沖讀信號寬度（PW50）來檢測磁盤存儲媒介厚度不均的問題，在實驗室環(huán)境中達到了預(yù)期的效果，有效地檢測出磁存儲媒介厚度的異常。

【關(guān)鍵詞】PW50;硬盤;DLC層

一、研究背景及意義

云計算是目前世界范圍內(nèi)、特別是IT行業(yè)的熱門話題，全球云計算產(chǎn)業(yè)的浪潮正逐步形成。云計算與政府、企業(yè)界和學(xué)術(shù)界緊密關(guān)聯(lián)，涉及云安全、云開發(fā)、云應(yīng)用、云成本及管理、云架構(gòu)，云存儲等許多方面。而硬盤作為云存儲的核心部件，其性能和使用壽命對云存儲有著關(guān)鍵和深遠(yuǎn)影響，而影響硬盤使用壽命的關(guān)鍵性危險因素便是磁頭劃碰。

在硬盤的生產(chǎn)和用戶使用過程中，有許多潛在關(guān)鍵因素會造成磁頭劃碰，從而破壞磁場，引起數(shù)據(jù)信號讀寫失真。其中最關(guān)鍵的因素便是存儲介質(zhì)在生產(chǎn)過程中形成的DLC層厚度不均。傳統(tǒng)的檢測辦法必須拆開硬盤，然后用特殊激光儀器照射存儲介質(zhì)碟面，通過分析光譜來檢測是否存在厚度不均。這種檢測技術(shù)雖然有效，但是只能運用在實驗室環(huán)境，沒有能力進入工廠對量產(chǎn)過程進行產(chǎn)品測試。因此在硬盤產(chǎn)品工廠生產(chǎn)測試中，如果可以對DLC厚度進行實時檢測，這對硬盤使用壽命的提高、返修率和生產(chǎn)成本的降低有著非常巨大的實驗價值和現(xiàn)實意義。

二、硬盤DLC厚度失效分析

硬盤是電腦上以使用堅硬的旋轉(zhuǎn)盤片為基礎(chǔ)的非揮發(fā)性存儲設(shè)備，它在平整的磁性表面存儲和檢索數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，信息通過離磁性表面很近的磁頭，通過電磁流改變極性的方式被電磁流寫到磁盤上，信息可以通過相反的方式讀取。例如磁頭經(jīng)過紀(jì)錄數(shù)據(jù)的上方時磁場導(dǎo)致線圈中電氣信號發(fā)生改變。硬盤的讀寫是采用隨機存取的方式，因此可以以任意順序讀取硬盤中的數(shù)據(jù)。硬盤包括一至數(shù)片高速轉(zhuǎn)動的磁盤以及放在執(zhí)行器懸臂上的磁頭。

磁盤或者硬盤碟面作為存儲數(shù)據(jù)的介質(zhì)，有著非常復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)?？傮w而言磁盤碟面分為五個存儲層，這五層疊加在基層上，因此基層必須保證持久耐用。大部分的基層的材質(zhì)是鋁，而只有移動硬盤的基層材質(zhì)是用玻璃制造，從而保證更輕更薄。這五層分別是內(nèi)層，襯層，磁存儲層，外套層（DLC層），潤滑層。其中內(nèi)層用于防腐蝕，襯層承載存儲層，磁存儲層用于儲存數(shù)據(jù)，DLC層用于防止介質(zhì)腐蝕以及磁頭劃碰，潤滑層用于保護磁頭劃碰以及減少磁頭和磁面的靜摩擦。

圖2.1 失效分析OSA Mapping

通過對返修硬盤的失效分析，大部分的碟片劃傷或者磁頭劃傷都是由于DLC層的厚度不均造成。DLC層的厚度不均存在于磁道方向，而同一條磁道的磁頭飛行高度通過測試是固定的，因此造成的磁頭劃碰如圖2.1所示。磁頭劃碰是一種硬盤故障，在硬盤讀寫磁頭和旋轉(zhuǎn)的硬盤片接觸時發(fā)生，在磁盤表面的介質(zhì)產(chǎn)生永久不可恢復(fù)的損害。

因此如何有效地在硬盤測試過程中檢測到DLC層厚度不均，成為存儲行業(yè)中實現(xiàn)硬盤精益生產(chǎn)的一個重要課題。而磁盤DLC層厚度的不均首先影響到的便是磁頭飛行高度（HMS：Head Media Space），而對于飛行高度變化最為敏感的便是磁頭讀取的數(shù)據(jù)信號。如果可以對磁頭的讀信號進行數(shù)學(xué)建模，然后過濾出可以精確表示磁頭飛行高度的分量，便可以在實驗室環(huán)境中表征硬盤磁表面DLC層的厚度不均。

三、PW50信號數(shù)學(xué)模型

在分析磁頭讀信號之前，我們首先要研究磁頭讀取信號的數(shù)學(xué)過程，在硬盤數(shù)據(jù)的讀取過程中，磁頭首先檢測到碟面上所需要讀取邏輯存儲塊地址的磁場變化，同時磁通量將被磁頭通過線圈轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓e0，感應(yīng)電壓與磁通量的變化率成正比如下公式3-1所示。

（3-1）

在該公式（3-1）中D表示讀頭的效率函數(shù)，它所表示的電流脈沖信號很難區(qū)分出有效信號和噪聲信號，讀脈沖信號必須經(jīng)過全波整流以及過零檢測，才能成為可讀信號，被硬盤SOC解碼以及糾錯處理。讀脈沖的數(shù)學(xué)模型對于硬盤信號解調(diào)器以及平衡電路的設(shè)計有著重要的意義，而描述讀脈沖的一個重要參數(shù)是信號半幅值脈沖寬度，也就是PW50。PW50的數(shù)據(jù)模型可以用高斯時域方程來表示如（3-2）所示：

（3-2）

根據(jù)高斯原理，該信號幅值函數(shù)以及其自相關(guān)函數(shù)可以由方程（3-3）和（3-4）分別表示。通過方程轉(zhuǎn)換，我們可以得到PW50的數(shù)學(xué)模型如方程（3-5）所示。

（3-3）

（3-4）

（3-5）

圖3.1 飛行檢測模塊

因此如果我們要讀取一條磁道的PW50數(shù)據(jù)，就需要計算出信號幅值函數(shù)的自相關(guān)系數(shù)。通過研究硬盤SOC的規(guī)范文檔，我們可以看到讀信號在經(jīng)過整流放大后，將會進入信號通道控制器如下圖（3.1）所示。而在信號通道控制器芯片中，飛行檢測模塊是用于測量磁頭飛行過程中讀取的信號脈沖寬度。通過對飛行檢測模塊進行編程，便可以輸出ADC信號自相關(guān)系數(shù)，以及維特比自相關(guān)系數(shù)。通過對自相關(guān)系數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，便可以得到讀脈沖自相關(guān)系數(shù)的數(shù)學(xué)方程如（3-6）所示。其中a0～a1表示模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出信號的自相關(guān)系數(shù)，t0～t1表示維特比輸出信號的自相關(guān)系數(shù)。

（3-6）

四、PW50對于檢測DLC厚度的可行性實驗

由于PW50對于磁頭讀信號具有極其重要的表征意義，而讀信號又可以在一定程度上反應(yīng)磁頭飛行高度的變化，從而檢測出碟面DLC層厚度。在這里我們通過一系列實驗來證明PW50與磁頭飛行高度具有非常明顯的線性關(guān)系，從而推導(dǎo)出PW50可以檢測出DLC厚度的變化。

實驗一，驗證PW50和磁頭飛行高度是否存在線性關(guān)系。在實驗中，我們分別在不同的磁盤位置外圈，中圈和內(nèi)圈選取三條不同的磁道，然后線性增加飛行高度來模擬DLC厚度的不均勻，然后通過固件SOC編程，分別在不同的飛行高度下讀取磁道數(shù)據(jù)，同時監(jiān)測提取PW50數(shù)據(jù)，得到如圖（4.1）所示數(shù)據(jù)分析，可以看到PW50和磁頭飛行高度呈線性關(guān)系變化。

實驗二， 驗證固件所測到的PW50和實際PW50的數(shù)據(jù)匹配度。如上文所述，對于DLC層厚度的檢測可以通過用特殊激光儀器照射存儲介質(zhì)碟面，然后分析其光譜得到，因此我們也可以通過光譜來推導(dǎo)出PW50數(shù)據(jù)（數(shù)學(xué)推導(dǎo)模型將不在本文討論）。我們通過固件SOC編程，通過圖（4.2）所示流程圖進行迭代讀寫，并監(jiān)測提取PW50數(shù)據(jù)。并對同樣磁面位置進行光譜分析得到的PW50數(shù)據(jù)進行對比，可以得到如圖4.3所示的數(shù)據(jù)分析圖，我們看到兩者趨勢相同，具有很強相關(guān)性。因此我們可以得出結(jié)論，通過固件編程得到的PW50對于DLC厚度的檢測具有很強準(zhǔn)確性。

通過以上的數(shù)學(xué)模型以及實驗分析，我們可以得出結(jié)論，PW50對于磁盤DLC厚度不均具有非常有效和準(zhǔn)確的檢測意義。通過固件對SOC的編程，可以非常有效的導(dǎo)入到硬盤的生產(chǎn)檢測中，從而有效的提高硬盤產(chǎn)品的質(zhì)量。

參考文獻

[1]呂興棟，舒萬艮，石鵬途，楊明楚.硬盤磁頭-碟界面潤滑劑失效機理及添加劑X-1P的性能研究[J].化學(xué)物理學(xué)報，2004（01）.

[2]郝紅千.硬盤的日常維護[J].天津科技，1996（05）.

[3]張寧.硬盤維護完全手冊[J].大眾硬件，2003（08）.

[4]Rick Trebino.Measuring Ultrashort Laser Pulses.http：//public.me.com/ricktrebino.

[5]Khizroev Sakhrat，Litvinov Dmitri.Perpendicular Magnetic Recording.Kluwer Academic Pub，2004，8.

作者簡介：吳迪（1983—），女，江蘇揚州人，工程碩士，蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校講師。