CN109979490A - 一种多磁头并排的接触式读写硬盘 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种多磁头硬盘的解决方案，改变现有Winchester硬盘结构，大幅提升其读写速度。具体为在盘片的径向和环向布置多个接触式读写磁头，即在读写磁头表面附着一层石墨烯或其他超滑材料，每个磁头臂上有多个分支，且每个分支上有多个磁头，对每个磁头臂采取压电驱动方式进行驱动。对于硬盘顺序读写，读写速度与总体磁头数目大致成正比。对于硬盘随机读写，径向布置的磁头可降低寻道时间，环向布置的磁头可降低旋转延迟，因而可提升硬盘的随机读写速度，进而提高内部数据的传输速度。
Description
技术领域
本发明属于存储设备领域，尤其涉及一种多磁头并排的接触式读写硬盘。
背景技术
现如今，无论在读写速度还是存储密度上，硬盘的发展都面临瓶颈。固态硬盘发展迅速，其读写速度明显高于机械硬盘，但其单位存储成本过高，安全性不足，数据损坏后基本无法修补，使用寿命短等致命缺陷，使其发展受到很大限制。
现有主流机械硬盘，内部数据传输速度一般20MB/s-40MB/s之间，最高的也只有50MB/s左右。想要提高硬盘内部传输速度，就必须提高机械装置的效率。对于顺序读写，硬盘的读写速度应该是与磁头的数目成正比的。然而，对于随机读写，机械硬盘存在访问时间的问题。因此，对于整体读写速度的提升，并不与磁头数目成正比。
硬盘的访问时间是指接到读写命令到硬盘磁头正式开始读或写之间的时间，是一个准备的过程。其主要包括以下四个部分：
(1)寻道时间，即硬盘接到读写命令后，利用音圈电机带动悬臂，将磁头从当前磁道移动到目标磁道的时间。现在，大型服务器里所用专业的高配硬盘寻道时间为4ms左右，而普通的硬盘寻道时间平均约为12ms。
(2)旋转延迟时间，经过寻道时间，磁头到达目标磁道后，还尚未到达目标扇区。这时，需要硬盘转动以将目标扇区送到磁头下。这里的平均时间一般算作硬盘转动半圈所需的时间。对于7200RPM的硬盘，其转动一圈的时间为8ms。因此，平均旋转延迟为4ms。
(3)命令处理时间，这个时间为硬盘内部电路传送指令，协调读和写的时间，这个时间很短，约为3us。
(4)稳定时间。在将磁头移动到目标磁道的过程中，有一定的惯性，会出现overhead。需要做出调整，才能将磁头准确到降落到目标磁道上。这个时间<0.1ms。
访问时间最大的两块是寻道时间和旋转延迟。他们所耗费的时间和硬盘旋转一圈(连续读取一条磁道的数据)所需的时间是相当的。在硬盘的实际使用过程中，硬盘是时时都需要调整轨道的，访问时间对于硬盘整体的读写速度而言占了非常重要的一块，甚至可以说是硬盘性能体现的最重要的一个参数。
事实上，关于多磁头技术，国际上已经有了一些专利的申请。有专利采取了双音圈电机，由两个音圈电机来分别独立控制两个磁头，进而进行独立读写，提高硬盘的读写速度。除了在同一个盘片上布置多个磁头外，现在数据库还采用一种多个硬盘同时读写的方式。对于同一个数据流，采用多个硬盘同时读或写，其实也就相当于多磁头同时读和写，只不过这里的多磁头是分布在多个硬盘里而已。当然，这种方法不适用于个人计算机的需求。
还有一种多读写头同时工作的情况，随着存储密度的提高，磁道越来越窄，其尺寸甚至小于读写头的尺寸，相邻磁道会造成信息干扰。TDMR技术采用两个读写头(而非磁头)。磁头工作时，这两个读写头分布在相邻磁道上同时读写，一前一后一左一右的分布，采取信息处理后，可消除来自相邻磁道的信息干扰。
自1973年IBM发明Winchester硬盘以来，硬盘的核心机械结构基本没有发生大的变化，我们无法大幅度降低硬盘的访问时间，这是目前硬盘内部传输性能不佳的主要问题。而只是采用多磁头来提升硬盘的读写速度，效果也是不明显的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要针对现有技术的缺陷，提供一种多磁头并排的接触式读写硬盘及硬盘多磁头并排的接触式读写方法，具体为在盘片的径向和环向布置多个接触式读写磁头，即在磁头部件表面附着一层石墨烯或其他超滑材料，对于每个磁头臂，采取压电驱动方式进行驱动。对于硬盘顺序读写，读写速度与总体磁头数目大致成正比。对于硬盘随机读写，径向布置的磁头可降低寻道时间，环向布置的磁头可降低旋转延迟，因而可提升硬盘的随机读写速度，进而提高内部数据的传输速度。
为此，本发明提供一种多磁头并排的接触式读写硬盘，包括：磁盘盘片、磁头架，其特征在于：所述磁头架包括多个磁头臂，所述磁头臂设置有多个子磁头臂，所述子磁头臂上设置一个或多个磁头。
所述磁头部件包括：磁头、超滑材料和驱动器件。
所述磁头包括磁头滑块和磁头极尖部分。
所述超滑材料为设置于所述磁头和/或驱动器件底部的多个超滑片。
所述驱动器件包括压电器件。
所述磁头臂上的所述多个子磁头臂呈对称方式设置于所述磁头臂两侧。
位于所述磁头臂两侧的所述多个子磁头臂呈均匀分布。
所述子磁头臂呈圆弧形。
所述子磁头臂上的多个磁头呈圆弧形排布。
每个所述磁头臂上的所述子磁头臂的长度从磁头架的中心位置起，沿径向方向逐渐增加。
本发明还提供一种多磁头并排的接触式读写硬盘的读写方法，所述多磁头并排的接触式读写硬盘包括：磁盘盘片、磁头架，其中所述磁头架包括多个磁头臂，所述磁头臂设置有多个子磁头臂，所述子磁头臂上设置一个或多个磁头，其特征在于：当执行读写操作时，所述磁头架和所述磁头臂保持不动，通过转动所述磁盘盘片和驱动所述磁头执行寻址和读写。
通过上述的技术方案，本发明具有以下优点：
1，基于超滑材料形成的接触式读写多磁头硬盘，通过微加工技术集成磁头臂，避免了结构设计的复杂性，也降低了多磁头的整体结构成本。
2，采用压电的方式对每个磁头进行驱动，有效减小多磁头运动带来的能耗增加。
3，显著减少寻道时间及旋转延迟，硬盘读写速度随并排磁头数目成倍增加。
4，接触式读写有效减少传统硬盘飞高，从而提高读写分辨率，可大幅度提高硬盘存储密度。
5，磁头与磁盘直接接触，可提高硬盘使用稳定性及数据安全性。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的一种多磁头并排的接触式读写硬盘设计俯视图；
图2是根据本发明的实施例的硬盘整体侧视图；
图3是根据本发明的实施例的单根磁头臂多磁头侧视图；
图4是根据本发明的实施例的采用圆弧形子磁头臂的硬盘设计俯视图；
图5是根据本发明的实施例的采用不同长度的子磁头臂的硬盘设计俯视图；
图6是根据本发明的实施例的接触式磁头部件的侧视图和仰视图；
图7是根据本发明的另一实施例的接触式磁头部件的侧视图和仰视图。
附图标记：1为磁盘盘片，2为磁头架，3为磁头臂的固定及驱动系统，21为磁头，22为超滑材料，23为压电器件，24为磁头臂，25为磁头架中心，31为连接控制压电信号连接线，211为磁头滑块，212为磁头极尖部位，213为基底，214为弹性粘胶。
具体实施方式
下面将参照附图更加详细地描述根据本发明的硬盘设备的具体实施例。
如图1所示，本发明的实施例的多磁头并排的接触式读写硬盘，包括：磁盘盘片1、磁头架2和磁头臂的固定及驱动系统3。其中，磁头架包括多个磁头臂以及设置在磁头臂上的多个磁头。在图1所示的硬盘中，平均分布4个磁头臂，然而也可以平均设置2个、3个、5个或更多个磁头臂。
图2为本发明的实施例的硬盘的整体侧视图，磁头架设置于磁盘盘片1上方，其中磁头架包括：磁头臂24、磁头架中心25和设置于磁头臂24上的多个磁头部件，每个磁头部件包括：磁头21、超滑材料22和压电器件23。此外，还进一步包括连接控制压电信号连接线31。
首先采用微加工的方式将多个读写磁头并列排布于磁头臂24上，磁头臂24上含有用于控制磁头的压电陶瓷材料23，在每个磁头21和/或压电陶瓷材料23的下表面附着一层石墨烯或其他具有超滑性质的材料22。例如，只在磁头21的下表面设置有超滑性质的材料22，或只在压电陶瓷材料23的下表面设置有超滑性质的材料22，或同时在磁头21和压电陶瓷材料23的下表面设置有超滑性质的材料22。磁头架置于磁盘中心且不与磁盘轴承接触，磁头臂24沿磁盘径向排布，磁头臂24上磁头数目即为径向磁头数目，多个磁头臂24平均分布于磁头架上，磁头臂24末端分别连接基座以固定并连接压电控制元件以驱动磁头臂24进而控制磁头，磁头臂24数目即为环向上的多个磁头数目。
如图1、3所示，在多个磁头臂24上分别进一步设置多个子磁头臂，并在子磁头臂上设置多个磁头21，此举可进一步增加环向布置的磁头数量，从而进一步减少磁盘盘片的旋转延迟。图1、3所示所示的每个磁头臂24包括多个子磁头臂，子磁头臂与磁头臂24呈垂直方向设置，每个子磁头臂的长度相等，且相邻子磁头臂之间的间距相等。
然而，也可以通过对子磁头臂的设置方式进行进一步优化，以便更进一步提高读写效率。如图4所示，子磁头臂的形状可以是以磁头架中心为圆心的圆弧形，每个子磁头臂上的多个磁头也可以按照圆弧形的方式排布，从而更好地与磁盘盘片1的磁道相吻合。此外，如图5所示，从磁头架中心位置起，沿径向方向设置的多个子磁头臂的长度逐渐增加，由此可以更好地平衡内侧磁道和外侧磁道的读写速度，提高读写效率。
本发明的实施例中所采用的接触式磁头部件可以采用如图6所示的结构，其包括：磁头滑块211、磁头极尖部位212、基底213、超滑材料22，在使用过程中接触式磁头部件的超滑片22接触磁盘盘片1的上表面。
本发明的另一实施例中也可以采用如图7所示的接触式磁头部件，其包括：磁头滑块211，磁头极尖部位212，超滑材料22，弹性粘胶214。与图6的不同之处主要在于，超滑片22通过弹性粘胶214固定于磁头滑块211底部的凹槽中。
下面将详细阐述制造超滑片的方法。包括如下步骤：
步骤1，提供基底，所述基底可以是石墨，例如高定向热解石墨(HOPG)基底或者天然石墨，或者基底材料的内部原子有局部存在层间非公度接触的可能，或者所述超滑片在下表面铺有石墨或石墨烯等具有结构超滑性质的材料。
步骤2，制备岛状结构并使所述岛状结构达到与基底连接的状态。具体来说，可以包括如下步骤：步骤2-1，在所述基底上依次覆盖保护层和光刻胶，所述保护层可以是SiO2，厚度可以是例如50nm～500nm，可以利用等离子体化学气相沉积法沉积所述SiO2保护层。所述光刻胶可以通过旋转涂布的方式进行覆盖。而后在步骤2-2，构图所述光刻胶，保留多个光刻胶岛。构图光刻胶的步骤即确定了后续步骤中所形成的岛状结构的布局，例如可以利用电子束刻蚀方法构图所述光刻胶，所形成的光刻胶岛平均直径可以是1μm～30μm，光刻胶岛之间的平均间隔为1μm～100μm，这样刻蚀后的岛状结构也具有相应的平均直径和平均间隔。此后在步骤2-3，刻蚀所述基底，以便去除未被光刻胶保护的保护层和部分基底，从而形成多个岛状结构。所述刻蚀可以是例如反应离子刻蚀。
当然也可以不覆盖所述保护层，而直接在基底上覆盖光刻胶并进行岛状结构的刻蚀，从而形成不带保护层的岛状结构。
步骤3，利用机械臂逐个推开所述岛状结构检测其是否具有超滑面，将岛状结构推开后形成下表面具有超滑面的片状结构即为超滑片。
硬盘在具体运作时，磁头架和磁头臂与驱动系统连接固定，保持不动，硬盘盘片转动，磁头通过压电驱动方式对磁头径向进行控制，以微纳米尺寸调整磁头位置对数据进行读写，对于硬盘顺序读写，读写速度与总体磁头数目大致成正比。对于硬盘随机读写，径向布置的磁头可降低寻道时间，环向布置的磁头可降低旋转延迟，环向磁道上的磁头数目与旋转延迟的时间成反比，对于7200RPM的硬盘，现在的旋转延迟为4ms，如果一个磁道上布置有40个磁头，可将旋转延迟降低为0.1ms。此外，磁头滑块底面的超滑片与盘体的顶面可以始终保持原子接触，二者之间处于超滑状态，即摩擦力几乎为零，无磨损或只有微小的磨损存在，不会损坏盘片和磁头，这就实现了读写时磁头滑块与盘体的接触，从而大幅度降低传统的飞行距离。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种多磁头并排的接触式读写硬盘，包括：磁盘盘片(1)、磁头架(2)，其特征在于：所述磁头架(2)包括多个磁头臂(24)，所述磁头臂(24)设置有多个子磁头臂，所述子磁头臂上设置一个或多个磁头(21)。
2.如权利要求1所述的多磁头并排的接触式读写硬盘，其特征在于：所述磁头部件包括：磁头(21)、超滑材料(22)和驱动器件(23)。
3.如权利要求2所述的多磁头并排的接触式读写硬盘，其特征在于：所述超滑材料(22)为设置于所述磁头和/或驱动器件底部的多个超滑片。
4.如权利要求3所述的多磁头并排的接触式读写硬盘，其特征在于：所述驱动器件(23)包括压电器件。
5.如权利要求1所述的多磁头并排的接触式读写硬盘，其特征在于：所述磁头臂(24)上的所述多个子磁头臂呈对称方式设置于所述磁头臂(24)两侧。
6.如权利要求1所述的多磁头并排的接触式读写硬盘，其特征在于：位于所述磁头臂(24)两侧的所述多个子磁头臂呈均匀分布。
7.如权利要求1所述的多磁头并排的接触式读写硬盘，其特征在于：所述子磁头臂呈圆弧形，更优选地所述子磁头臂上的多个磁头(21)呈圆弧形排布。
8.如权利要求1所述的多磁头并排的接触式读写硬盘，其特征在于：每个所述磁头臂(24)上的所述子磁头臂的长度从磁头架(2)的中心位置起，沿径向方向逐渐增加。
9.一种多磁头并排的接触式读写硬盘的读写方法，所述多磁头并排的接触式读写硬盘包括：磁盘盘片(1)、磁头架(2)，其中所述磁头架(2)包括多个磁头臂(24)，所述磁头臂(24)设置有多个子磁头臂，所述子磁头臂上设置一个或多个磁头(21)，其特征在于：当执行读写操作时，所述磁头架(2)和所述磁头臂(24)保持不动，通过转动所述磁盘盘片(1)和驱动所述磁头(21)执行寻址和读写。
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