超高密度二维磁记录读磁头阵列及其记录系统关键技术研究

In the times of big data, the explosive increasing of digital information quantity produces a huge market demand for the massive data storage devices. Correspondingly the magnetic recording plays an important role for the data storage due to its significantly high storage/price ratio. The magnetic recording density keeps increasing and hence causes the inter-symbol interference along the down-track direction and the inter-track interference along the cross-track direction (i.e. 2-D interference). Additionally the media noise caused by the irregular magnetic grain boundaries is increasingly severe. As a consequence, how to accurately and efficiently recover the recorded data at such a low signal to noise ratio (SNR) environment becomes a great technology challenge. Correspondingly, the two-dimensional magnetic recording (TDMR) utilizes a novel read heads array to obtain both the main and adjacent tracks’ signals, and such signals are processed with the efficient 2-D signal processing and error correcting coding technology to realize the accurate acquisition and error correction for the signals at both the ultra-high track density and linear density. This project is planned to accurately model and analyze the TDMR write and read channel, design the read heads array, study the 2-D signal processing and coding technology. Such TDMR modeling and realization provide the theoretical and technological support for reaching the goal of 10Tb/in2 ultra-high recording densities.

在大数据时代，数字信息量的爆炸式增长对大容量数据存储设备产生了巨大的市场需求，磁(硬)盘因其具有显著的容量价格比优势而在大规模数据存储系统中占有非常重要的地位。磁记录密度的不断提升导致沿磁道方向的码间干扰和跨磁道方向的道间干扰（即二维干扰），以及磁介质不规则边界形成的噪声问题异常突出，在此条件下从磁盘介质中准确高效地恢复磁记录信息成为巨大的技术挑战。二维磁记录技术通过新的读磁头阵列化设计，同时获取目标磁道及其相邻磁道的信号，采用高效的二维信号处理和差错控制编码技术，消除二维干扰和介质噪声对回读信号的影响，实现高密度环境下记录信号的获取和纠错，达到超高密度磁记录的目标。本项目拟对二维磁记录读写通道进行分析和建模，对读磁头阵列、二维信号处理算法和编解码技术等进行研究，以建立二维磁记录模型和实现方法，为实现10Tb/in2超高磁记录密度提供理论和技术支持。

随着人工智能、大数据和物联网等新技术的发展，全球数据总量正在爆发式增长，数据存储需求巨大，在各类存储介质中，磁存储具有低成本、高密度、大容量和高可靠的优点，在企业级存储中磁盘占存储介质80%以上。为满足未来海量信息存储需求，保障数据安全，超高密度磁记录技术的研究对于信息存储技术的发展具有重要的战略意义。.二维磁记录技术是实现更高密度磁存储的关键手段，也是未来热辅助磁记录、比特图案化磁记录和热点磁记录发展的重要基础。本项目系统地研究了二维磁记录系统的写磁头设计、记录过程和存储介质，提出了写磁头结构的优化设计方案、读磁头阵列设计的方法及基于神经网络的二维信号处理算法，为实现更高密度磁存储提供了理论与技术支持。项目的主要贡献包括：.（1）通过微磁学仿真，建立了基于交换耦合（ECC）介质的单颗粒和多颗粒的沃洛诺伊模型，得到了适合高密度存储的ECC介质软硬磁层材料及其制备参数。提出了基于ECC介质的擦除带宽计算方法，对写磁头进行了设计与优化，提高了写入性能。对磁盘数据读写技术进行了研究，建立了二维磁记录技术的读通道模型。.（2）对热辅助磁记录的光系统进行了研究。提出了波导谐振场与激发近场换能器的表面等离子激元耦合机制，设计了高性能的微环谐振器系统，光吸收效率达近11%，显著高于业界5%的平均水平。设计了高性能的半环谐振系统，将光斑大小降低到20-40nm，记录位降低至12×12nm²。.（3）对二维磁记录中的读头阵列结构和二维信号检测算法进行了研究，提出一种4-读头阵列结构及信号检测算法和二维均衡算法。4-读头阵列系统的性能优于传统的单读头检测和3-读头阵列检测。研究发现,当四个读头的信噪比相同时辅助读头偏移10%可以显著降低误码率。.（4）提出了一种二维调制编码算法，有效消除了有害的输入数据图案，提高了信号检测器的检测性能。.（5）研究了基于神经网络的二维均衡及检测技术，有效抑制了沿轨道方向的码间串扰、跨轨道方向的道间串扰、介质噪声和系统的电子噪声等非线性串扰，显著降低了磁盘数据恢复的BER，当BER为10⁻⁶时，神经网络均衡检测方法比传统算法具有4-6dB的增益。.项目组对二维磁记录关键技术进行了深入研究，显著提高了二维磁记录系统的数据存取性能，为提高磁存储系统可靠性和存储密度提供了科学的理论指导，为下一代超高密度磁存储的发展奠定了基础。.