检索结果-内蒙古大学图书馆

软件学报 2022年第12期33卷 4851-4868页

作者：吴坤尧柴云鹏张大方王鑫数据工程与知识工程教育部重点实验室(中国人民大学) 北京100872 中国人民大学信息学院北京100872 天津大学智能与计算学部天津300350

近年来,传统磁记录的存储密度增长已经达到极限,为了满足快速增长的数据容量需求,多种新型存储技术不断涌现,其中瓦记录(shingledmagneticrecording,SMR)技术已实现商业化,在企业实际应用.由于瓦记录磁盘的叠瓦式结构,磁盘在随机写入时... 详细信息

近年来,传统磁记录的存储密度增长已经达到极限,为了满足快速增长的数据容量需求,多种新型存储技术不断涌现,其中瓦记录(shingledmagneticrecording,SMR)技术已实现商业化,在企业实际应用.由于瓦记录磁盘的叠瓦式结构,磁盘在随机写入时会引起写放大,造成磁盘性能下降.这一问题在部署传统的高可靠存储方案(如RAID5)时会变得更加严重,原因在于校验数据更新频率很高,磁盘内出现大量的随机写请求.研究发现瓦记录内部其实存在具有原位更新能力的“可覆盖写磁道(freetrack)”,基于“可覆盖写磁道”,提出了一种专门针对瓦记录盘的高可靠数据存储方法——FT-RAID,以替代经典的RAID5方法,实现一种廉价、大容量、高可靠的存储系统.FT-RAID包含两个部分:“可覆盖写磁道映射(FT-mapping)”和“可覆盖写磁道缓冲区(FT-buffer)”.FT-mapping实现了一种瓦记录友好的RAID映射方式,将频繁更新的校验块数据映射至“可覆盖写磁道”;FT-buffer实现了一种瓦记录友好的两层缓冲区结构,上层确保了热数据能够原位更新,下层提高了缓冲区的容量.基于真实企业I/O访问记录的实验结果表明,与传统RAID5相比,FT-RAID能够减少80.4%的写放大率,显著提高存储系统整体性能.

关键词：瓦记录 RAID 磁盘存储容错

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瓦记录RAID5非顺序写关键技术研究

瓦记录RAID5非顺序写关键技术研究

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作者：张强中国科学院大学

学位级别：博士

希捷和IDC白皮书预测全球数据圈将从2018年33ZB增至2025年175ZB，数据暴涨对数据中心存储容量提出了更高的要求，而HDD的单盘容量已经到达上限，在多种新技术中，瓦记录（Shingled Magnetic Recording，SMR）技术被日本信息存储研究推... 详细信息

希捷和IDC白皮书预测全球数据圈将从2018年33ZB增至2025年175ZB，数据暴涨对数据中心存储容量提出了更高的要求，而HDD的单盘容量已经到达上限，在多种新技术中，瓦记录（Shingled Magnetic Recording，SMR）技术被日本信息存储研究推进机构(SRC)定位为多项新技术中“最可行的技术”。瓦记录技术采用部分叠加相邻磁道的方式增大磁盘碟片的面密度。虽然增大了磁盘容量，但使得瓦记录磁盘(Shingled Write Disk，SWD)无法直接原地更新，直接更新某一磁道上的数据可能会覆盖相邻磁道上的有效数据，引入严重的写放大开销。这一难题在SMR接近20年的研究中一直没有得到有效解决。RAID5是数据中心的重要存储技术，如果能用SWD替换HDD，则可以在不增加物理空间和能耗的前提下数倍提升数据中心的存储容量。对于SWD RAID5来说，在非顺序写场景下，写盘的请求也是非顺序的，单盘性能下降，会极大的影响瓦记录RAID5的非顺序写性能。一般认为数据中心中应用写的占比为30％～50％，并且写密集型应用是重要的（如实时交易系统、邮件服务、传感网络、ERP、数据仓库等）。因此，SWD是否能成功取代HDD，满足数据中心大容量需求，取决于是否能有效解决SWD RAID5的非顺序写性能问题。本文的主要工作及贡献如下:　　提出了一种多条带版本的Band内追加写方法。实现为VRAID5，即Version Based RAID5。VRAID5通过将传统RAID5的条带版本化避免了小写更新的读开销，并采用Band内追加写使VRAID5在SWD上的写模式符合SWD标准，避免了SWD的写放大开销。OLTP的Voter用例测试显示，HDD RAID5的平均写延迟为17.7ms，HDD VRAID5的平均写延迟为7.9ms，降幅55.4％。　　提出了一种以Group为单位的缓存数据聚合方法。实现为Vcache，即VRAID5cache。Vcache以VRAID5的Group为单位管理缓存数据，下刷时以Group为单位批量下刷，使VRAID5可以将Band内的离散数据聚合为更大粒度的Band内追加写，增大磁盘有效写带宽。OLTP的Voter用例测试显示，Bcache+HDD RAID5的平均写盘有效长度为7.8KB，Vcache+HDD VRAID5的平均写盘有效长度为18.2KB，增幅133.3％，有效带宽增幅172.2％。　　提出了一种小粒度版本合并的回收方法。针对Band内追加写会导致空间浪费的问题。本文提出了一种小粒度版本合并的垃圾回收方法来整理Band内空间。方法通过Group动态映射避免回收带来的系统写性能大幅波动。通过以较小的额外空间开销为代价，用小粒度版本合并来降低回收对磁盘带宽的占用程度并实现Band内空间整理。OLTP的Voter用例测试显示，Bcache+HDD RAID5的平均写延迟为1.84ms，最大写延迟为333ms。Vcache+HDD VRAID5的平均写延迟为0.91ms，最大写延迟351ms，额外空间开销10％，依然保持了SWD29.2％的容价比优势。说明回收方法以合理的空间开销为代价，有效避免了传统回收方法带来的磁盘带宽大量占用和系统写性能大幅波动，保证了写性能优势。　　本文采用西部数据的瓦记录模拟器(Emulated SWD，ESWD)来模拟与测试HDD具有相同物理参数的SWD，并与可以代表数据中心主流配置的Bcache+HDD RAID5进行了对比。在OLTP、NoSQL、Hadoop和Filebench等主流企业级应用下，Vcache+ESWD VRAID5的平均写延迟比Bcache+HDD RAID5低3.4％～50.3％，且额外空间开销不超过10％，使SWD保持了29.2％的容价比优势。Vcache+ESWD VRAID5比Bcache+HDD RAID5的平均读延迟增大0.0％～0.9％，读性能相当。

关键词：瓦记录数据存储 Band内追加写缓存数据聚合数据回收

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瓦记录磁盘系统数据组织关键技术研究

瓦记录磁盘系统数据组织关键技术研究

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作者：罗旦华中科技大学

学位级别：博士

瓦记录技术对当前磁盘的磁记录介质和制造工艺只带来很小的改动,是当前提高磁盘存储密度非常有前景的技术。瓦记录技术通过部分重叠磁道的方式来提高存储密度。使用瓦记录技术的磁盘称为瓦记录磁盘,它继承了瓦记录技术的所有特性。因此... 详细信息

瓦记录技术对当前磁盘的磁记录介质和制造工艺只带来很小的改动,是当前提高磁盘存储密度非常有前景的技术。瓦记录技术通过部分重叠磁道的方式来提高存储密度。使用瓦记录技术的磁盘称为瓦记录磁盘,它继承了瓦记录技术的所有特性。因此,瓦记录磁盘存在一个固有的写访问限制：写入数据到一个磁道会损坏后续磁道中的数据,即如果后续磁道存在有效数据,更新当前磁道的数据必须重写后续磁道的数据。因此,一个写操作可能能会带来大量的额外读写操作,产生写放大问题。为了把瓦记录磁盘整合到现有的存储系统中,必须克服瓦记录磁盘物理特性带来的写访问限制。因此,必须设计新的数据组织方式来解决这个问题,同时提高瓦记录磁盘的性能。自治式瓦记录磁盘可以直接替换传统磁盘,应用到现有的存储系统中。自治式瓦记录磁盘通过瓦记录转换层来屏蔽写访问限制,它的作用类似于SSD中的闪存转换层。为了提高自治式瓦记录磁盘的性能,设计了一种基于段的瓦记录转换层SSTL(Segment-based Shingled Translation Layer)。首先,SSTL把瓦记录区在径向方向上划分为段,段结构的瓦记录磁盘把写放大单元从区大小减少到段大小。其次,在一个段内,SSTL采用段内动态块映射的方式存储数据,有效地减少了数据的写放大倍数。最后,SSTL使用一个小容量的非易失性设备来缓存频繁访问的数据,最近最久未被访问段的缓存替换算法被设计来管理非易失性缓存。实验结果表明：在六种不同的工作负载下,SSTL相比于循环日志结构瓦记录磁盘Sblock:提供了2.1-8.4倍的加速比。磁盘阵列技术广泛应用于当前的存储系统中。但是,现有的磁盘阵列技术是为传统磁盘设计的,并没有考虑瓦记录磁盘的读写特性。针对这一问题,为瓦记录磁盘提出了一种动态可变长条带的磁盘阵列技术DVS-RAID (Dynamic Variable-width Striping RAID),用于减少校验块更新开销。在数据布局上,DVS-RAID把阵列的整个地址空间划分成条带组。DVS-RAID的核心思想是：在一个条带组内,DVS-RAID从来不覆盖旧数据块,无论是新写入的数据块还是更新的数据块,DVS-RAID总是使用这些数据块动态生成一个新的条带,然后以追加的形式写入到磁盘。条带的大小是可以变化的,可以是满条带,也可以是部分条带。同时,DVS-Cache的写缓存管理算法被设计来管理阵列的缓存。实验结果表明：对于一些以读为主的,或者以顺序访问为主的,亦或是数据更新频率低的工作负载,DVS-RAID提供的性能比基于传统磁盘的IAID5的性能还要好：而对于数据更新频率很高的工作负载,DVS-RAID的性能比基于传统磁盘的RAID5也只稍差一点。为了把瓦记录磁盘应用到对象存储系统中,本文设计了一种基于对象的瓦记录转换层OSTL (Object-based Shingled Translation Layer)。OSTL建立在日志式文件系统的基础上,向上层提供ANSI T10一样的对象访问接口。在数据组织上,OSTL把频繁更新的瓦记录区信息表和目录树的索引信息存储在瓦记录磁盘的随机访问区,把日志和文件数据存储在瓦记录区,从而提高数据的访问速度和垃圾回收的效率。OSTL使用对象地址转换机制来维护磁盘上对象的索引信息,该机制消除了B+树的递归更新问题,内存中使用B+树来维护对象的索引信息。由于不能从市面上得到Host-aware类型的瓦记录磁盘,开发了一个符合ZBC规格的瓦记录磁盘模拟器。通过向Ceph添加一种新的存储引擎,实现了OSTL的原型系统。与Ceph中原有Key/Value的存储引擎对比,在Postmark基准测试下,OSTL的执行时间减少了13.7%：在Vdbench基准测试下,OSTL的写性能提高了7%左右。

关键词：瓦记录瓦记录磁盘瓦记录转换层磁盘阵列对象存储

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瓦记录磁盘写特征研究与优化设计

瓦记录磁盘写特征研究与优化设计

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作者：周志华华中科技大学

学位级别：硕士

据IDC调查统计2011年全世界产生的数据达到了1.8ZB（18000亿GB）并且全球信息数据总量每过两年就会增加一倍而现有的磁记录密度将达到极限。针这一问题，存储领域已经开始研究新的存储技术，瓦记录（Shingled Magnetic Record，SMR）即... 详细信息

据IDC调查统计2011年全世界产生的数据达到了1.8ZB（18000亿GB）并且全球信息数据总量每过两年就会增加一倍而现有的磁记录密度将达到极限。针这一问题，存储领域已经开始研究新的存储技术，瓦记录（Shingled Magnetic Record，SMR）即是其中的一种，它可以通过对现有硬盘磁道进行部分重叠覆盖而减小磁道宽度来提高记录密度。瓦记录技术的记录方式导致瓦记录磁盘的写性能问题：由于磁道变得很窄，在将数据写入某一个磁道中时将会对其相邻一定数量的磁道中的数据产生写覆盖而使它们失效。现有的解决方法一般是在写数据前先读出将会被覆盖的数据然后再写入数据和补写失效的数据，从而使瓦记录磁盘写操作的性能变得很糟糕。在研究瓦记录磁盘的写特征以及分析个人用户数据存储特征的基础上设计了一种优化写性能优化方案：动态映射表管理方案（Dynamic Mapping Tables Management, DMTM），DMTM通过对会发生数据覆盖的写操作进行写入位置迁移来避免数据覆盖从而减少冗余的数据读写操作来优化瓦记录磁盘的写性能。 DMTM方案设计了瓦记录磁盘的存储结构；通过拆分现有的单一逻辑块地址为一对映射逻辑地址来实现数据位置迁移的透明性；并且完成了各环节的详细设计：包括逻辑块地址映射表等表项的管理操作，数据写入位置迁移方法，存储空间碎片回收等。从仿真实验的结果看DMTM方案对瓦记录磁盘的写性能有比较显著的优化效果，验证了此方案的可行性。

关键词：瓦记录写操作动态映射表优化仿真

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瓦记录文件系统的设计与实现

瓦记录文件系统的设计与实现

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作者：陈诗杨华中科技大学

学位级别：硕士

在过去的近三十年当中,单个磁盘的存储容量一直在快速增长,但是已经逐渐接近了由超顺磁效应所限定的理论上限。目前提出的多项新技术中,瓦记录技术在对当前的磁盘结构改变较小的前提下大幅度提升了存储密度,被认为是其中最可行的技术。... 详细信息

在过去的近三十年当中,单个磁盘的存储容量一直在快速增长,但是已经逐渐接近了由超顺磁效应所限定的理论上限。目前提出的多项新技术中,瓦记录技术在对当前的磁盘结构改变较小的前提下大幅度提升了存储密度,被认为是其中最可行的技术。然而,瓦记录技术牺牲了磁盘的随机写性能,不能够直接替代传统的硬盘。为了解决瓦记录随机写性能差的问题,设计并实现了瓦记录磁盘模拟器和基于FUSE开发的文件系统,磁盘模拟器用来模拟真实的瓦记录磁盘的读写,文件系统用来操作模拟磁盘上的数据,两者相互配合,协同工作。瓦记录文件系统分为非瓦记录区域和瓦记录区域,分别存放系统元数据和文件数据,实现了缓存模块、文件日志模块和垃圾回收模块。缓存模块用来加载磁盘模拟器中的数据,系统对文件的操作都是放在缓存中进行,提高了系统处理文件的速度。日志模块记录了文件的添加和删除情况,用来区分磁盘上的有效数据和无效数据。研究了瓦记录文件系统中的垃圾回收机制,从不同的角度出发,探讨了三种不同的垃圾回收策略,以此解决文件系统更新和删除文件时产生无效数据的问题。测试结果表明,随着瓦记录文件系统处理数据量的增加,额外操作带来的时间开销逐渐降低至5.9%,因此文件系统比较适合于大数据负载的工作环境。此外,还测试了三种不同垃圾回收策略的性能,证明了文件系统长期使用时,冷热数据区分策略的性能最好。

关键词：存储技术瓦记录文件系统垃圾回收

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瓦记录磁盘驱动器的I/O调度算法研究及其实现

瓦记录磁盘驱动器的I/O调度算法研究及其实现

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作者：丁佐林华中科技大学

学位级别：硕士

伴随着数字时代各种事物的数字化进程，信息量正以前所未有的速度急剧的增长，对存储系统容量的需求也在同步增加，存储系统逐渐成为信息系统里的一大瓶颈。而传统磁盘是信息的最主要的存储载体之一，但是，受超顺磁等效应的影响，磁盘... 详细信息

伴随着数字时代各种事物的数字化进程，信息量正以前所未有的速度急剧的增长，对存储系统容量的需求也在同步增加，存储系统逐渐成为信息系统里的一大瓶颈。而传统磁盘是信息的最主要的存储载体之一，但是，受超顺磁等效应的影响，磁盘的面密度也即将达到上限。瓦记录技术的概念比较简单，其基本思想是：利用硬盘驱动器读写通道强大的检纠错能力，在写入数据时，通过重叠相邻磁道的一部分，使得实质上的有效磁道宽度变窄，从而提高盘片的面密度，其面密度可达现有磁盘的10倍以上，但这是以牺牲磁盘的随机写性能为代价的。在现有的技术条件下，只需对硬盘的结构和磁头进行小的改动，这种记录方式就能够实现。用于瓦记录磁盘驱动器的I/O调度算法的研究，目的是要减少在改写重叠区扇区数据时，需要额外补写的扇区的数目。在简要介绍了瓦记录的基本原理的基础上，设计了瓦记录磁盘驱动器的简易模型；分析了目前Linux系统中五种基本的调度算法，并结合瓦记录磁盘的数据组织方式特点后，提出在主机操作系统层次上，I/O调度层中，按照物理扇区号增长的原则设计了I/O请求的排序模块，采用预测等待的机制设计了I/O请求的预测等待模块；在块设备驱动层中，实时监测当前磁头位置，根据就近的原则设计了I/O请求的选择模块，根据I/O请求的最后一个扇区所处的位置划分I/O请求所属的重叠区，设计了I/O请求拆分与合并模块；I/O请求的下发模块将选择出的多个符合条件的I/O请求，连同生成的重叠区受干扰扇区位图数据信息，一并下发到瓦记录磁盘驱动器上执行。仿真和测试结果表明，瓦记录磁盘驱动器I/O调度算法，能够减少约15%到40%的需要补写的扇区数目，减轻了瓦记录磁盘大幅提高磁盘记录密度的同时所带来的写性能急剧下降的损失。

关键词：数字化瓦记录 I/O调度重叠区

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瓦记录磁盘驱动器的读写方式研究与优化设计

瓦记录磁盘驱动器的读写方式研究与优化设计

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作者：周磊华中科技大学

学位级别：硕士

伴随着数字化进程，对数字存储系统容量的需求也在同步增加。而传统磁盘是信息的最主要的存储载体之一，但是，受超顺磁等效应的影响，当前磁盘介质的面密度也即将达到上限。瓦记录存储技术的出现，使得磁盘容量的大幅提升成为可能，并... 详细信息

伴随着数字化进程，对数字存储系统容量的需求也在同步增加。而传统磁盘是信息的最主要的存储载体之一，但是，受超顺磁等效应的影响，当前磁盘介质的面密度也即将达到上限。瓦记录存储技术的出现，使得磁盘容量的大幅提升成为可能，并可能成为传统磁盘的替代品。利用强大的通道技术，通过不改变原有磁性介质，而是通过在原有的磁盘写头的一侧加入屏蔽层，从而改变其写操作的磁化范围，实现了部分区域的覆盖磁化，来提高实际可磁化的密度。但是，瓦记录存储驱动器的随机写性能十分不理想，也成为了制约其普及的因素。提出了以STL（Shingle Translation Layer，瓦记录转换层）为核心的方案。提出了将磁盘组织为“区域”、“瓦记录块”及“普通块”三维结构的方案，提升了瓦记录磁盘性能。在映射处理过程中分别采用不同的映射策略提升性能。垃圾回收模块通过特定算法，提高了随机性数据访问的回收效率。在数据迁移模块，提出物理区域划分，提升了磁盘性能。引入瓦记录转换层后掩盖了瓦记录磁盘不能直接更新的特点，透明支持多种通用文件系统。仿真和测试结果表明，STL方案在使瓦记录磁盘面密度大幅提高的同时，瓦记录磁盘随机写性能接近传统磁盘的25%，连续写请求时表现出较好的性能。

关键词：瓦记录瓦记录转换层瓦记录块垃圾回收地址映射

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瓦记录磁盘数据组织方式设计与实现

瓦记录磁盘数据组织方式设计与实现

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作者：曾锐华中科技大学

学位级别：硕士

根据摩尔定律，磁存储容量按照年60%的复合增长率递增。然而，受到超顺磁效应的影响，存储面密度无法超越1Tb/in2的限制。为了进一步提升磁存储面密度，热辅助记录（heat-assisted recording, HAMR）和晶格记录（bit patterned media, ... 详细信息

根据摩尔定律，磁存储容量按照年60%的复合增长率递增。然而，受到超顺磁效应的影响，存储面密度无法超越1Tb/in2的限制。为了进一步提升磁存储面密度，热辅助记录（heat-assisted recording, HAMR）和晶格记录（bit patterned media, BPM）成为研究热点。但是由于HAMR技术需要磁头技术的突破，BPM技术需要磁介质材料技术的突破，两个技术都无法实用化。瓦存储技术采用磁道堆叠的方式存储数据，不需要对磁头和介质本身进行修正，就可以将存储密度提高2-3倍，成为最有可能实用化的技术之一。然而瓦记录由于采用覆盖写的技术而导致随机写性能严重衰减。如何解决此问题成为当今研究的热点。采用日志方式修改地址映射逻辑，可有效的解决随机写性能衰减的问题。将瓦记录磁盘划分为很多存储单元，当一个存储单元中的数据需要修改时，将修改追加到单元内记录的末尾；当存储单元的空间写满后，直接重新分配一个新的存储单元，并将旧单元中的有效数据移动至新单元。存储设备上的软件维护了一个从逻辑地址到物理地址的映射表，并且执行将垃圾存储单元回收整理的工作。提出了一种可行的瓦记录数据组织策略，逻辑地址被映射为段、区、道、块。通过虚拟块设备的方式，建立瓦记录模拟器。并将传统虚拟磁盘和瓦记录虚拟磁盘进行性能横向对比。实验结果表明，采用提出的新型数据组织方式，瓦记录磁盘在随机读写小数据时性能与普通磁盘相当甚至略有提升，在顺序读写大数据时性能仅有10%左右的下降。

关键词：磁盘瓦记录虚拟块设备数据组织方式

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瓦记录磁盘驱动器的数据组织技术研究及其实现

瓦记录磁盘驱动器的数据组织技术研究及其实现

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作者：陈祥华中科技大学

学位级别：硕士

由于材料科学以及其自身的特点,使其存储系统在计算机系统中逐渐成为了瓶颈,操作系统中包括文件系统,驱动等层次模块不得不为其进行优化(如磁盘模型)。虽然近几年来,材料科学取得了较快的发展,如磁盘的磁记录密度的提高,伺服控制的进步... 详细信息

由于材料科学以及其自身的特点,使其存储系统在计算机系统中逐渐成为了瓶颈,操作系统中包括文件系统,驱动等层次模块不得不为其进行优化(如磁盘模型)。虽然近几年来,材料科学取得了较快的发展,如磁盘的磁记录密度的提高,伺服控制的进步,使得磁性硬盘的性能取得较高的提升。但是超剩磁等效应,制约着磁盘面密度的无限提高。瓦记录存储技术的出现,使得磁盘容量的大幅提升成为可能,并可能成为磁带的替代品。其通过不改变原有磁性介质,而是通过在原有的磁盘写头的一侧加入屏蔽层,从而改变其写操作的磁化范围,实现了部分区域的覆盖磁化,来提高实际可磁化的密度。但是,瓦记录存储驱动器的随机写性能十分不理想,也成为了制约其普及的因素。瓦记录存储磁盘驱动器的数据组织技术的研究,主要是完成在其特性下提高系统读写性能。在对于数据组织技术的研究和实现中,映射模块针对随机写操作进行优化建模,提出了分区间映射的方法,采用“瓦记录页”页映射和“瓦记录块”块映射的混合映射管理机制。缓存模块,正对提高随机写操作,提出了热点缓存算法;在垃圾回收模块,通过动态最优算法,提高了随机性数据访问的回收效率。在垃圾回收模块,通过动态最优算法,提高了随机性数据访问的回收效率。.在数据迁移模块,提出了分区间算法,提高了冷热数据分离的效率。数据组织相关技术的实现实现是利用过滤型驱动进行,实现了相关的模块和算法。并通过测试表明,利用本文所提出的算法和实现,在提高了5倍的面密度的同时,大幅的提高了瓦记录存储磁盘驱动器的读写能力,减少了平均响应时间。但是,连续读写性能有所降低。

关键词：瓦记录固件缓存策略映射机制垃圾回收数据迁移过滤驱动

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超高密度瓦记录关键问题研究与系统设计

超高密度瓦记录关键问题研究与系统设计

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作者：余国生华中科技大学

学位级别：博士

信息技术是当今世界发展最为快速的核心技术之一,对推动人们生活的便利与社会进步发挥着重要的作用,而存储技术为推动信息技术的发展提供了重要的基础。在各种存储技术之中,磁存储以其较低的成本、极高的记录密度以及高可靠性等优点在... 详细信息

信息技术是当今世界发展最为快速的核心技术之一,对推动人们生活的便利与社会进步发挥着重要的作用,而存储技术为推动信息技术的发展提供了重要的基础。在各种存储技术之中,磁存储以其较低的成本、极高的记录密度以及高可靠性等优点在存储领域中占据着重要的位置。然而传统磁记录技术因而临超顺磁效应问题将无法满足信息技术发展对存储密度增长的需求。因此,必须引入新的技术以持续提升磁记录密度。超高密度磁记录是磁存储行业的发展方向,其中如何利用新型的记录介质与创新的磁头结构,以使磁存储系统的记录密度达到10Tbit/in2成为磁存储领域备受关注的战略性研究课题。瓦记录采用与传统磁头结构类似的写磁头,无需大规模改变现有磁头结构,亦能提供更强的写入能力,其实现难度与制造成本低,因此被认为是实现10Tbit/in2磁记录密度的有效途径。目前对瓦记录的研究主要集中在设计新的文件管理方式与数据组织格式等方面,而对高密度瓦磁头设计存在的问题研究甚少。在此背景下,论文旨在系统的研究利用瓦记录实现10Tbit/in2密度存在的关键问题,并探索将瓦记录热辅助磁记录、瓦记录与ECC技术相结合的可行性,为实现超高密度磁记录提供理论依据。论文的创新性工作包括： (1)采用三维有限元与微磁学仿真的方法,对瓦磁头进行了建模与微磁学分析,设计了适用于10Tbit/in2密度下瓦记录系统的写磁头结构,并分析了瓦磁头在不同外加驱动场、ABS面宽度、锥形磁头侧面倾角以及锥形磁头与屏蔽层间隙等因素作用下对瓦磁头有效写场与侧写场梯度的影响。 (2)在深入分析超高密度瓦记录下圆角效应与汇聚效应基础上,提出了利用两种效应进行瓦磁头设计的新方法。随着密度提高,磁头会出现圆角效应与汇聚效应,而利用这两种效应对瓦磁头写角形态的影响,可以使磁头产生高梯度写场、优化边缘场分布以提升记录系统的写性能。此外还研究了瓦磁头在运动过程产生的斜交角效应,利用该效应将磁盘中的热数据保存在一定的斜交角范围内,可以减小磁头对这一区域写过程中的误码率。 (3)提出了一种瓦磁头写角边缘场记录方式中磁头有效写场与侧写场梯度的计算方法,给出了衡量瓦记录性能的标准——误码率的计算方法,为优化磁头设计提供了理论依据。 (4)研究了热辅助瓦记录实现超高密度磁记录的可行性。热辅助瓦记录可以克服热辅助磁记录对磁头和热源的极端限制,同时亦有瓦磁头提供高写场的优势,其在提高磁头写入能力与增大侧写场梯度方面表现优越,研究揭示了通过合理的磁头缺口与热源配置,热辅助瓦记录在持续提高磁记录密度方面比其他记录方式更有优势。 (5)讨论了将瓦记录与ECC介质相结合,实现10Tbit/in2磁记录密度的可行性。ECC有较低的介质翻转场,同时保持超高密度记录所需的热稳定性。但将瓦记录与ECC结合会产生介质矫顽力的角相关性问题。利用ECC位元的合理排布,可以使记录比特位避开高误码率的区域,将ECC介质角相关性带来的记录性能损失降至可以接受的范围。根据上述研究结果设计的瓦记录磁头,增强了磁头写入能力和记录系统的信噪比,为实现10Tbit/in2磁记录密度提供了理论基础。

关键词：微磁学瓦记录图案化介质汇聚效应擦除场带宽磁头斜交角 ECC介质热辅助瓦记录

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