克服硬碟機速度與靜音的二大挑戰

草於

克服硬碟機速度與靜音的二大挑戰：流體動力軸承馬達 流體動力軸承馬達正加速成為硬碟機工業的標準化設計，理由有二：為了達到更高的磁錄密度和資料傳輸率（以提高硬碟機效能並維護高可靠性）以及降低噪音（符合消費者電子設備市場的要求）。流體動力馬達能在較低的不可復原偏轉(nonrepeatable runout; NRRO)和定位錯誤訊號(position error signal; PES)前提下達到更高轉速，確保下一代硬碟機可靠地從極窄的磁軌存取資料。一如Internet革命，硬碟機也即將推動另一波革命，深入人類生活的每一環節。流體動力軸承的獨特功能，例如低噪音和高耐震，將顯著改善硬碟機品質，乃至於人類生活品質。
新流體動力馬達雖符合下一代效能需求，不過它們仍需面對一些主要的挑戰，包括降低製造成本（降至相當於滾珠軸承馬達的成本層級）、確保不會發生潤滑油外洩、以及提高硬碟機壽命等。希捷已成功量產二個世代的流體動力軸承馬達硬碟機，並已發表第三代產品，帶領業界平順轉移到下一代硬碟機馬達。
傳統硬碟機馬達是採用滾珠軸承：金屬球在連接轉子(rotor)和軸(shaft)的軸承環內旋轉。這些轉軸馬達軸承通常使用8到12顆球。軸承球並非完美的圓，而且球和軸承環二者都會在預負載(preload)下略為變形。金屬球的圓度(roundness)或供其旋轉用的軸承環若出現任何不完美情形，即可能在轉動時出現偏轉(runout)現象，而這種偏轉並未與馬達的旋轉同步化。此種類型的馬達即稱為NRRO，有別於可復原的偏轉(repeatable runout)；後者是與馬達的轉速同步。硬碟若僅呈現可復原的偏轉，則每一個磁軌將是完美的圓形。相反的，當硬碟機呈現不可復原的偏轉時，其磁軌將呈現不規則。
硬碟機設計已遭遇一些路障，並且嚴重局限了線性位元密度的提高。這意謂著未來硬碟機容量大體上必須仰賴磁軌密度的提升，以達到更高容量。迄今，硬碟機設計師已藉由利用硬碟機層級伺服修正(servo correction)機制補償軸承偏轉，以克服此一問題。不過，滾珠軸承馬達可能無法適用於下一代硬碟機所要求的磁軌密度。
提高轉軸速度
滾珠軸承馬達的另一主要限制在於，無法提供所需的速度提升以達到持續的縮減存取時間。存取時間已成為一項越來越具關鍵性的因素，特別是必須跨越網路或Internet同時為數百或數千使用者服務的伺服器硬碟機。存取時間大體上取決於硬碟機的延遲，亦即正確磁扇到達讀寫頭位置所需的等候時間。硬碟轉速越快，則磁扇到達讀寫頭的時間越快，因此延遲時間較低。平均而言，延遲時間是碟片轉完一周所需時間的一半。為減少延遲和縮短存取時間，硬碟機製造商無不致力於設計更高轉速的產品，每一新世代硬碟機大約提高50%轉速。剛開始出貨的最新世代馬達轉速為15,000 rpm，並已計畫在幾年內推出22,000 rpm馬達。當滾珠軸承馬達轉速達到15,000 rpm以上時，將無法提供符合要求的壽命預期和長期可靠性，原因是硬碟機作業溫度將提高到足以影響軸承潤滑品質。
硬碟機作業音量問題越來越受到重視，同時也成為促使流體動力軸承馬達發展的主要動力。當滾珠軸承馬達轉速增加一倍時，其作業噪音將增加四倍。以目前的電腦而言，散熱風扇噪音超過硬碟機，因此在降低硬碟機噪音方面尚未出現太大的壓力。然而，新一代消費者電子應用設備正加速發展中，它們並未安裝風扇而且作業音量比電腦安靜。個人錄影機(personal video recorder; PVR)就是例子之一，它可能安裝在消費者的臥室，並且使用者可能設定將深夜播映的電視節目錄製到機器內的硬碟機。配備風扇的標準PC，典型上要求硬碟機於閒置狀態下符合30 dB範圍噪音，並允許搜尋時噪音比閒置狀態超出3到4 dB。相對的，新興消費者設備也許要求mid-20 dB範圍的閒置噪音，而搜尋時間允許超過閒置狀態2.5 dB以內。雖然滾珠軸承馬達的噪音已逐年改善，不過它似乎已達到某種極限，很難再出現顯著的改善。
耐震效能
軸承馬達的耐震性是決定硬碟機效能的一項關鍵要素。在大量震動負載下，滾珠軸承馬達內的金屬球會被迫進入軸承道並造成一些小凹部。這些凹部會增加馬達的NRRO，並因此可能超出伺服系統的修正能力而導致錯誤。馬達產生的燥音也隨之增加。典型滾珠軸承馬達可承受達15 Gs。雖然各種類型硬碟機都將耐震力的提高視為優先性，不過特別重要的是使用於新一代消費者產品的硬碟機，因為預期它們將比企業產品承受更嚴峻的使用狀態。
流體動力軸承馬達是解決上述大部份挑戰的最佳方案。在一個液體動力流體軸承(hydrodynamic fluid bearing)內，軸承功能是由一層潤滑膜（比人類頭髮厚度的十分之一還要薄）承擔。由軸承支撐的轉子繞著軸旋轉。潤滑膜對於轉子和軸之間的相對運動也具有阻尼效應，非常類似耐震器和充氣輪胎在跳動路面上為車體提供的阻尼作用。流體動力軸承免除了金屬和金屬之間的接觸，因此免除了因表面不完美所造成的NRRO。流體動力軸承馬達科技的這項特性，允許硬碟機縮減磁軌間距並提高磁軌密度。由於流體軸承沒有金屬與金屬之間的接觸，因此也可以接受遠超過滾珠軸承的轉速，足以支援硬碟機製造商更多世代的產品發展。
符合靜音要求
流體軸承馬達的靜音效能也獲得顯著改善，這同樣是因為它免除了金屬與金屬之間的接觸。流體動力軸承提供一種更順暢且更完美的圓周轉動，有著極低的振動和接近靜音的作業。它們不會像滾珠軸承那樣可能在製造程序或消費者安裝時遭受損壞而提高噪音與振動。潛水艇是率先利用流體動力軸承的應用之一，它藉由這項科技以避免被敵方聲納偵測。流體動力軸承馬達硬碟機是未來硬碟機挑戰更嚴格靜音作業的一個重要發展里程。
流體軸承馬達也會顯著改善硬碟機的耐震效能。硬碟機所能承受的力量，通常是局限於轉軸設計的強韌性。在流體軸承方面，馬達的可動部件是由一個薄層的油膜隔開，而油膜作用類似吸震器，可預防對馬達造成損壞。希捷已讓流體軸承馬達接受過高達1,200 Gs的測試，而沒有造成任何損壞。流體動力軸承馬達也顯著改善疲勞壽命；由於沒有金屬和金屬之間的接觸，因此理論上擁有無限的疲勞壽命。
量產挑戰
流體軸承在迴轉儀和高精密機具方面已有約50年的使用史。不過，在硬碟機內利用這項科技，代表一項更嚴峻的挑戰。大家都知道，硬碟機是一項極重視成本因素的事業。目前使用於硬碟機馬達的滾珠軸承造價不到一美元，而流體動力軸承也將必須符合成本競爭力條件。另一重要問題是，硬碟機所採用的流體動力軸承必須以一種自成一體的型式供應，可以使用五年以上而無需維護。由於存在這些挑戰，因此流體動力軸承直到最近數年尚未能使用於量產應用。Phillips Electronics是這個領域的應用先鋒，使用於錄影機馬達。
當希捷於1997年發表第一款採用流體動力軸承馬達的量產硬碟機時，該公司工程師們認為該產品必須成功，因為失敗的話對於這項科技將是一大致命傷。希捷克服許多工程上的挑戰，以確保產品成功。硬碟機絕對不容許發生任何流體外洩問題。為預防馬達潤滑油外洩，工程師們進行嚴密的12個月設計與測試，確保新馬達的潤滑油達到完美密封。潤滑油的選擇也是另一關鍵問題。如果溫低降得過低，潤滑油可能變得過黏。如果潤滑油溫度過高，則可能蒸發和損毀。希捷工程師針對這些挑戰，開發出一種特別處方的潤滑油。
另一項嚴峻的挑戰在於，延展軸承設計參數以達到量產規模同時維護其超微層級的容許度。希捷了解科技需求和市場潛能，並且提前投資建立製造基礎設施。這些努力讓希捷得以領先大量製造精準的流體動力軸承，同時確保高良品率。
確保可靠性
當然，犧牲可靠性以換取更高效能的作法，將永遠無法被市場接受。工程師們為了絕對確保第一個希捷流體動力軸承產品的成功，特別設計了一套高挑戰性的壓縮生命周期測試。這項測試包括在100℃下進行六個月的作業測試，相當於五年的持續作業，遠超出滾珠軸承馬達的承受極限。新的流體動力軸承馬達通過測試，其結果就是1997年後期推出的希捷Medalist Pro 9140硬碟機，獲得市場高度的成功，銷售量超過200萬台，並且產品生命周期非比尋常的長。流體動力軸承馬達協助這台硬碟機創下突破性的轉速，成為第一台7,200-rpm桌上硬碟機，同時也是當時最高磁軌密度的產品，而其非比尋常的靜音作業則是成功的一大因素。
首次採用流體動力軸承的這台硬碟機，由於十分強調可靠性，因此意謂著將製造成本視為次要條件。不過，當產品發表後不久，希捷工程師即著手朝大幅降低成本方向努力。他們認為，滾珠軸承轉軸至少有五個部件，而二個軸承也至少各有十個部件，總計有25個部件。相對的，流體動力軸承一般包含六到八個部件，因此，長期而言應可達到更經濟的製造成本。希捷工程師面對的挑戰在於，部件量產時如何維護其1-micron誤差容許度。他們開始投資並開發客戶化的機具，同時累積經驗，目的是為了將科技移植到較簡易的機具，以降低採購和操作成本。今天，希捷已即將能把成本降至滾珠軸承馬達之下。
雖然這個第一代馬達提前問市（比真正需要流體軸承的時間提前好幾年），不過其發展經驗為今日提供了完美的準備，因為現在這些馬達絕對需要突破磁錄密度和轉軸速度障礙。未來一年中，流體動力軸承將取代希捷硬碟機的所有傳統滾珠軸承馬達。希捷相信在這個領域擁有一項顯著的優勢：當其他廠商開始發表第一代流體軸承硬碟機時，希捷已宣佈第三代產品。很明顯的，對於流體動力軸承獨特功能的初期開發，例如趨近於零的NRRO和10X的耐震力，已為它們在硬碟機未來舞台上提供一項必要的角色任務。

chung2374

還是液態軸承的好