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来源 seagate 白皮书
克服硬碟机速度与静音的二大挑战：流体动力轴承马达 流体动力轴承马达正加速成为硬碟机工业的标准化设计，理由有二：为了达到更高的磁录密度和资料传输率（以提高硬碟机效能并维护高可靠性）以及降低噪音（符合消费者电子设备市场的要求）。流体动力马达能在较低的不可复原偏转(nonrepeatable runout; NRRO)和定位错误讯号(position error signal; PES)前提下达到更高转速，确保下一代硬碟机可靠地从极窄的磁轨存取资料。一如Internet革命，硬碟机也即将推动另一波革命，深入人类生活的每一环节。流体动力轴承的独特功能，例如低噪音和高耐震，将显着改善硬碟机品质，乃至于人类生活品质。
新流体动力马达虽符合下一代效能需求，不过它们仍需面对一些主要的挑战，包括降低制造成本（降至相当于滚珠轴承马达的成本层级）、确保不会发生润滑油外泄、以及提高硬碟机寿命等。希捷已成功量产二个世代的流体动力轴承马达硬碟机，并已发表第三代产品，带领业界平顺转移到下一代硬碟机马达。
传统硬碟机马达是采用滚珠轴承：金属球在连接转子(rotor)和轴(shaft)的轴承环内旋转。这些转轴马达轴承通常使用8到12颗球。轴承球并非完美的圆，而且球和轴承环二者都会在预负载(preload)下略为变形。金属球的圆度(roundness)或供其旋转用的轴承环若出现任何不完美情形，即可能在转动时出现偏转(runout)现象，而这种偏转并未与马达的旋转同步化。此种类型的马达即称为NRRO，有别于可复原的偏转(repeatable runout)；后者是与马达的转速同步。硬碟若仅呈现可复原的偏转，则每一个磁轨将是完美的圆形。相反的，当硬碟机呈现不可复原的偏转时，其磁轨将呈现不规则。
硬碟机设计已遭遇一些路障，并且严重局限了线性位元密度的提高。这意谓着未来硬碟机容量大体上必须仰赖磁轨密度的提升，以达到更高容量。迄今，硬碟机设计师已藉由利用硬碟机层级伺服修正(servo correction)机制补偿轴承偏转，以克服此一问题。不过，滚珠轴承马达可能无法适用于下一代硬碟机所要求的磁轨密度。
提高转轴速度
滚珠轴承马达的另一主要限制在于，无法提供所需的速度提升以达到持续的缩减存取时间。存取时间已成为一项越来越具关键性的因素，特别是必须跨越网路或Internet同时为数百或数千使用者服务的伺服器硬碟机。存取时间大体上取决于硬碟机的延迟，亦即正确磁扇到达读写头位置所需的等候时间。硬碟转速越快，则磁扇到达读写头的时间越快，因此延迟时间较低。平均而言，延迟时间是碟片转完一周所需时间的一半。为减少延迟和缩短存取时间，硬碟机制造商无不致力于设计更高转速的产品，每一新世代硬碟机大约提高50%转速。刚开始出货的最新世代马达转速为15,000 rpm，并已计画在几年内推出22,000 rpm马达。当滚珠轴承马达转速达到15,000 rpm以上时，将无法提供符合要求的寿命预期和长期可靠性，原因是硬碟机作业温度将提高到足以影响轴承润滑品质。
硬碟机作业音量问题越来越受到重视，同时也成为促使流体动力轴承马达发展的主要动力。当滚珠轴承马达转速增加一倍时，其作业噪音将增加四倍。以目前的电脑而言，散热风扇噪音超过硬碟机，因此在降低硬碟机噪音方面尚未出现太大的压力。然而，新一代消费者电子应用设备正加速发展中，它们并未安装风扇而且作业音量比电脑安静。个人录影机(personal video recorder; PVR)就是例子之一，它可能安装在消费者的卧室，并且使用者可能设定将深夜播映的电视节目录制到机器内的硬碟机。配备风扇的标准PC，典型上要求硬碟机于闲置状态下符合30 dB范围噪音，并允许搜寻时噪音比闲置状态超出3到4 dB。相对的，新兴消费者设备也许要求mid-20 dB范围的闲置噪音，而搜寻时间允许超过闲置状态2.5 dB以内。虽然滚珠轴承马达的噪音已逐年改善，不过它似乎已达到某种极限，很难再出现显着的改善。
耐震效能
轴承马达的耐震性是决定硬碟机效能的一项关键要素。在大量震动负载下，滚珠轴承马达内的金属球会被迫进入轴承道并造成一些小凹部。这些凹部会增加马达的NRRO，并因此可能超出伺服系统的修正能力而导致错误。马达产生的燥音也随之增加。典型滚珠轴承马达可承受达15 Gs。虽然各种类型硬碟机都将耐震力的提高视为优先性，不过特别重要的是使用于新一代消费者产品的硬碟机，因为预期它们将比企业产品承受更严峻的使用状态。
流体动力轴承马达是解决上述大部份挑战的最佳方案。在一个液体动力流体轴承(hydrodynamic fluid bearing)内，轴承功能是由一层润滑膜（比人类头发厚度的十分之一还要薄）承担。由轴承支撑的转子绕着轴旋转。润滑膜对于转子和轴之间的相对运动也具有阻尼效应，非常类似耐震器和充气轮胎在跳动路面上为车体提供的阻尼作用。流体动力轴承免除了金属和金属之间的接触，因此免除了因表面不完美所造成的NRRO。流体动力轴承马达科技的这项特性，允许硬碟机缩减磁轨间距并提高磁轨密度。由于流体轴承没有金属与金属之间的接触，因此也可以接受远超过滚珠轴承的转速，足以支援硬碟机制造商更多世代的产品发展。
符合静音要求
流体轴承马达的静音效能也获得显着改善，这同样是因为它免除了金属与金属之间的接触。流体动力轴承提供一种更顺畅且更完美的圆周转动，有着极低的振动和接近静音的作业。它们不会像滚珠轴承那样可能在制造程序或消费者安装时遭受损坏而提高噪音与振动。潜水艇是率先利用流体动力轴承的应用之一，它藉由这项科技以避免被敌方声纳侦测。流体动力轴承马达硬碟机是未来硬碟机挑战更严格静音作业的一个重要发展里程。
流体轴承马达也会显着改善硬碟机的耐震效能。硬碟机所能承受的力量，通常是局限于转轴设计的强韧性。在流体轴承方面，马达的可动部件是由一个薄层的油膜隔开，而油膜作用类似吸震器，可预防对马达造成损坏。希捷已让流体轴承马达接受过高达1,200 Gs的测试，而没有造成任何损坏。流体动力轴承马达也显着改善疲劳寿命；由于没有金属和金属之间的接触，因此理论上拥有无限的疲劳寿命。
量产挑战
流体轴承在回转仪和高精密机具方面已有约50年的使用史。不过，在硬碟机内利用这项科技，代表一项更严峻的挑战。大家都知道，硬碟机是一项极重视成本因素的事业。目前使用于硬碟机马达的滚珠轴承造价不到一美元，而流体动力轴承也将必须符合成本竞争力条件。另一重要问题是，硬碟机所采用的流体动力轴承必须以一种自成一体的型式供应，可以使用五年以上而无需维护。由于存在这些挑战，因此流体动力轴承直到最近数年尚未能使用于量产应用。Phillips Electronics是这个领域的应用先锋，使用于录影机马达。
当希捷于1997年发表第一款采用流体动力轴承马达的量产硬碟机时，该公司工程师们认为该产品必须成功，因为失败的话对于这项科技将是一大致命伤。希捷克服许多工程上的挑战，以确保产品成功。硬碟机绝对不容许发生任何流体外泄问题。为预防马达润滑油外泄，工程师们进行严密的12个月设计与测试，确保新马达的润滑油达到完美密封。润滑油的选择也是另一关键问题。如果温低降得过低，润滑油可能变得过黏。如果润滑油温度过高，则可能蒸发和损毁。希捷工程师针对这些挑战，开发出一种特别处方的润滑油。
另一项严峻的挑战在于，延展轴承设计参数以达到量产规模同时维护其超微层级的容许度。希捷了解科技需求和市场潜能，并且提前投资建立制造基础设施。这些努力让希捷得以领先大量制造精准的流体动力轴承，同时确保高良品率。
确保可靠性
当然，牺牲可靠性以换取更高效能的作法，将永远无法被市场接受。工程师们为了绝对确保第一个希捷流体动力轴承产品的成功，特别设计了一套高挑战性的压缩生命周期测试。这项测试包括在100℃下进行六个月的作业测试，相当于五年的持续作业，远超出滚珠轴承马达的承受极限。新的流体动力轴承马达通过测试，其结果就是1997年后期推出的希捷Medalist Pro 9140硬碟机，获得市场高度的成功，销售量超过200万台，并且产品生命周期非比寻常的长。流体动力轴承马达协助这台硬碟机创下突破性的转速，成为第一台7,200-rpm桌上硬碟机，同时也是当时最高磁轨密度的产品，而其非比寻常的静音作业则是成功的一大因素。
首次采用流体动力轴承的这台硬碟机，由于十分强调可靠性，因此意谓着将制造成本视为次要条件。不过，当产品发表后不久，希捷工程师即着手朝大幅降低成本方向努力。他们认为，滚珠轴承转轴至少有五个部件，而二个轴承也至少各有十个部件，总计有25个部件。相对的，流体动力轴承一般包含六到八个部件，因此，长期而言应可达到更经济的制造成本。希捷工程师面对的挑战在于，部件量产时如何维护其1-micron误差容许度。他们开始投资并开发客户化的机具，同时累积经验，目的是为了将科技移植到较简易的机具，以降低采购和操作成本。今天，希捷已即将能把成本降至滚珠轴承马达之下。
虽然这个第一代马达提前问市（比真正需要流体轴承的时间提前好几年），不过其发展经验为今日提供了完美的准备，因为现在这些马达绝对需要突破磁录密度和转轴速度障碍。未来一年中，流体动力轴承将取代希捷硬碟机的所有传统滚珠轴承马达。希捷相信在这个领域拥有一项显着的优势：当其他厂商开始发表第一代流体轴承硬碟机时，希捷已宣布第三代产品。很明显的，对于流体动力轴承独特功能的初期开发，例如趋近于零的NRRO和10X的耐震力，已为它们在硬碟机未来舞台上提供一项必要的角色任务。
