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摘要：日本东芝公司世界首创开发出针对安装在磁头内的“自旋扭矩振荡元件（STO）”振荡状态的评价方法，从而获得最合适的微波，为实现硬盘驱动器（HDD）更大容量的新一代共振型微波辅助磁存储（MAS -MAMR）做出贡献。

关键词：磁头、自旋扭矩振荡元件（STO）、微波、硬盘驱动器（HDD）、磁存储

概要

日本东芝公司聚焦于有望实现硬盘驱动器（以下简称 HDD）更大容量的新一代共振型微波辅助磁存储（以下简称 MAS -MAMR”）技术，世界首创开发出针对安装在磁头内的“自旋扭矩振荡元件（以下简称 STO）”的振荡状态的评价方法。

能够以低成本存储大量数据的 HDD 仍然是重要的存储设备，人们正在寻求进一步提高其存储密度。东芝正在开发MAS-MAMR和热辅助磁存储（以下简称 HAMR）这两项新一代存储技术。特别是在MAS-MAMR方面，东芝凭借自主研发的双振荡型 STO，率先在全球证实了其对存储能力的改善效果。

为实现MAS-MAMR的实用化，需要准确掌握STO的振荡状态，以获得最合适的微波，并将其应用到设计中，但是以往很难对其进行详细分析。

此次，东芝通过和日本物质与材料研究机构（以下简称 NIMS）的合作，开发出一种能够直接评价 STO 振荡状态的新型方法。该方法将加深对包括双振荡型STO在内的STO运行的理解，促进MAS-MAMR技术的发展。东芝将推进MAS-MAMR和HAMR这两项技术的开发，进而推动下一代近线HDD的研发。

开发背景

随着社会数字化的发展，生成式 AI的迅速发展正在使我们的生活发生巨大的变化。信息存储的需求不断扩大，HDD 的出货容量已在 2024 年超过 1ZB，仍然在信息存储设备中扮演着核心角色。预计到 2030 年，HDD市场规模将达到320亿美元，特别是面向数据中心的大容量近线HDD市场有望实现增长。在此背景下，今后HDD的更大容量化备受期待。

实现大容量化的关键在于新的存储方式——能量辅助磁存储技术。东芝正在推进两项能量辅助技术的开发，分别是向磁存储介质照射微波的MAS-MAMR和施加热量的HAMR。

MAS-MAMR中的微波源由位于磁头尖端的 STO 提供。东芝提出并设计了独特的双振荡型STO，并率先在全球证实了MAS-MAMR可提高存储能力。在双振荡型STO中，内部的两个磁性层通过协同振荡，产生最适合MAS-MAMR的微波。

为提高MAS-MAMR的存储密度，微波的稳定性、频率、强度和振动方向等因素至关重要，因而分析和理解作为微波源的STO的振荡状态，对于STO的设计改进和 HDD的更大容量化不可或缺。

然而，磁头结构复杂，直接观察其中安装的纳米级STO并分析其振荡状态极为困难。以往只能通过结合模拟结果和存储特性等多种间接信息来推断振荡状态，然而从直接分析获得的理解才是实现进一步技术开发的关键。

技术优势

东芝与NIMS开展合作研究，开发出全球首个能够详细阐明STO振荡状态的评价方法。该方法通过创新引入评价用天线，通过从外部向STO照射微波，实现了以往难以进行的振荡状态直接评估（图 1）。

图1：MAS-MAMR存储操作和该评估方法的示意图

该方法着眼于STO振荡与从评价用天线照射的微波之间的同步现象。同步现象的有无取决于STO的振荡状态，特别是在双振荡型STO所追求的双振荡状态下，不会出现同步现象。对于传统测定方法下，振荡信号看不到差异的情况，该方法能明确区分双振荡状态和非双振荡状态（图 2）。STO的振荡状态有时会导致多个振荡信号，由于可以在频率层面进行测定，因而能够确定最适合MAS-MAMR的振荡状态的真实频率。

图2：通过该评估方法区分双振荡型STO的振荡状态

尽管磁头结构复杂，但只有STO会对评估用天线发出的微波作出敏锐响应，因此可以进行针对STO的测定。以往为了进行准确评价，需要准备复杂的布线，而该方法只需引入天线即可完成评价。这是全球首个能够直接确定磁头内部以数十GHz高频振荡的 STO 状态的方法。

此外，STO有望应用于模仿人类大脑工作的神经形态计算，以及适合处理时间序列数据的储备池计算等下一代计算系统。该方法不仅适用于MAS-MAMR，还广泛适用于一般的STO。

未来展望

该方法将促进对STO行为的理解，有助于STO的高级别设计改进和 MAS- MAMR技术的发展。东芝将以MAS-MAMR技术和HAMR技术为支撑，加速新一代大容量HDD的开发，为快速增长的数据中心和生成式 AI 等多样化的存储需求提供解决方案。

https://www.global.toshiba/jp/technology/corporate/rdc/rd/topics/26/2601-01.html

https://www.nature.com/articles/s42005-025-02469-4

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首个阐明“自旋力矩振荡器”振荡状态的评估方法——为下一代高容量近线硬盘的开发做出贡献