改造4000个数据中心，美国要从废旧硬盘中提取稀土

快、越快越好，没人会愿意自己的电脑、手机等设备运行起来反应卡顿。

就日常生活中的常规计算机、手机等电子设备来说，影响其运行流畅度的因素主要跟CPU（主频高低、线程多少）、硬盘（大小、转数、材质）、内存条（大小、版本）、散热系统与软件系统优化有关。

为了设备性能越来越强、操作越来越流畅，CPU工艺制程越来越低（手机最低5nm、PC最低7nm）、频率也越来越高，而内存条的频率与颗粒也越来越高、越来越密集，反而硬盘（特指机械硬盘）除了转数已提升至一万转外，似乎再无其他提速手段，索性越来越多消费者将目光投向了速度快几十倍的固态硬盘身上。

那么传统的机械硬盘真的要被淘汰了吗？为什么在固态硬盘横行的时代，谷歌还要研究硬盘（机械硬盘）回收技术？

流水的数据，铁打的硬盘

机械硬盘（HDD）的发展历史与计算机的发展历史高度一致。

1946年世界第一台计算机“ENIAC”诞生，而十年后（1956年），蓝色巨人IBM推出了世界第一块机械硬盘350RAMAC，不过此时的硬盘体积与计算机类似都十分巨大，其盘片直径高达24英寸，重量则是上百公斤，相当于两个冰箱的体积，不过其储存容量只有5MB。

机械硬盘的转机与计算机一样，都出现在20世纪70年代。1973年，IBM提出了“Winchester”技术，并于1973年研制成功了一种新型的硬盘IBM 3340，而IBM 3340由几个同轴的、盘面涂着磁性材料的金属盘片与一个可移动的磁头组成，磁头从旋转的盘片上读出磁信号的变化，与现在的机械硬盘结构已相差无几。

图片源于 络

此后，机械硬盘便开启了“缝缝补补又三年”的缓慢升级之旅。1979年，IBM发明了薄膜磁头技术，减少磁头和磁片的距离，令硬盘的体积更小巧；1991年，IBM公司推出MR（Magneto ResisTIve磁阻）技术，采取磁感应写入、磁阻读取的方式，使盘片的储存密度较之前的20Mbpsi（bit/每平方英寸）提高了数十倍；1997年，GMR巨磁阻效应用于硬盘磁头，使硬盘存储密度10~40Gb/inch2，相对于以前提高了8倍……

而固态硬盘（SSD）相较于机械硬盘的历史则短了不少。固态硬盘的诞生源于商人的投机性，70年代inter最赚钱的产品是RAM，也是在这种背景下1976年Dataram公司开始销售基于RAM的固态硬盘（共8块电路板，每块电路板有18个RAM），不过由于RAM（随机存储）掉电便会失去数据，故后来换成了flash SSD。

机械硬盘的工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据，磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，写的操作正好与此相反，而这个过程中需要通过磁盘的自转让磁头扫描扇区，这就好比你每次找一次东西都需要把屋子翻一遍一样，故机械硬盘的速度较慢。

而固态硬盘主要由 SSD 控制器、FLASH 存储阵列、板上DRAM（可选）、HOST接口（诸如SATA，SAS，PCIe等）组成，其中数据存储主要发生在FLASH 存储阵列上，而Flash的基本存储单元是浮栅晶体管，浮栅晶体管最下面由衬底，源极和漏极，衬底之上有隧道氧化层、Floating Gate(浮栅层)、氧化层、控制栅极，其中Floating Gate被绝缘层包围电子难以进入，因此通过对Floating Gate充放电子便能实现对晶体管进行写入和擦除，这就好比你可以直接在两个抽屉中找东西，因而存储读取速度更快。

不过固态硬盘与机械硬盘相比有一个致命问题——存储单元损坏不可逆，固态硬盘由于每个存储单元里存储了4个电子，每个电子之间都会互相影响，时间一长固态硬盘的存储颗粒就自然坏掉了，一个颗粒坏掉后整个电路板都无法正常工作所以固态硬盘对数据存储并不友好。而机械硬盘由多个磁盘构成，每个磁盘又分成了多个扇区与磁道，即便是有坏道硬盘也可跳过并不影响其他数据的存储与读取，所以机械硬盘一直是数据存储的主力。

Trendfocus的统计数字显示，2020年机械硬盘的总出货量为2.59亿块，其中企业级占比高达63.9%，而随着每年全球数据呈几何式倍增，机械硬盘的地位短期内不会衰落，甚至可能成为焦点。

为什么要硬盘回收

这不，近期在大洋的彼岸的美国政府，就将硬盘列为美国政府数据中心战略数据存储设备和消费电子产品，同时还将其看成能源技术稀土所需原料与应对气候变化的重要一环。除了美国政府方面的动作，科技巨头谷歌也在秘密研究硬盘回收技术。

2019年，谷歌在俄克拉荷马州谷歌数据中心内的一个实验室里，用了六周的时间手工拆解数万个旧硬盘，从中提取一个2英寸长的永磁铁组件，而永磁铁虽然不是硬盘内的核心组件，但它却控制着一个磁头臂，是使设备能够读取和书写数据的关键所在。

在六周的时间里，谷歌的实验人员科学家们收获了6100块永磁铁，通过对比发现这些永磁铁与全新的永磁铁没有任何差异，随后这些被拆除下来的永磁铁被运到泰国的一家硬盘制造工厂，并在那里被放入新的硬盘中，最终被重新部署到世界各地的数据中心。

虽然这与每年从北美数据中心废弃的大约2200 万块硬盘相去甚远，但谷歌用这次实验表面硬盘回收是可行的。在此之前，数据中心被更换下来的旧硬盘（每三到五年交换一次）只有一个命运——被机器粉碎掉（对数据有严格的管控）。

不过话说回来，为何每年出货量高达2.59亿块的机械硬盘会被美国政府与科技巨头同时盯上呢？

一方面源于利。普渡大学工业可持续发展博士生卡利·弗罗斯特表示：”数据中心有数百万个硬盘，运营这些数据中心的公司希望以最好的方式处理这些数据，同时推动这些数据中心的可持续性。仅美国就生产了近17%的废旧硬盘驱动器，占全球最大份额。一个由美国研究人员、科技公司、硬件制造商和电子废物回收商组成的财团，最近开始探索如何让这些稀土得到重新利用并获得第二次生命。”

另一方面源于弊。前面提到，永磁铁是机械硬盘的重要组件，而永磁铁的制程需要大量稀土（下游应用磁材占比最高达到25%）。亚利桑那大学研究稀土回收的科学家金红月（Hongyue Jin）表示：”硬盘回收之所以重要，主要其中的永磁铁含有稀土中的钕（Nd）和镝（Dy），在17种不同的稀土元素中，这两种元素对电动汽车和风力涡轮机至关重要。”

稀土被称为“万能之土”，催化剂、玻璃、抛光、冶金等都离不开稀土，在多国都将其列为战略储备资源。而从《中国稀土资源情况与国际地位研究 告》来看，2018年全球稀土储备量为1.2亿吨，其中我国稀土储量为4400万吨，占全球储量的为37%，而美国仅占全球1%的稀土储量。醉翁之意不在酒，硬盘回收的真正目的是稀土。

硬盘回收可行吗

以上利益相关者发布了一份 告，确定了一系列潜在的策略，包括擦除和重复使用整个硬盘驱动器、去除和重复使用磁铁组件、研磨旧硬盘磁铁、使用粉末制造新磁铁，以及从切碎的驱动器中提取纯化稀土元素。不过这些策略中都有一个共同挑战——手工拆卸磁铁组件是劳动密集型的，而用化学技术提取稀土可以是化学或能源密集型的，前者绩效差、后者与战略相悖。

尽管如此，一些公司已经开始迈出第一步。2018年，谷歌与硬盘制造商希捷和电子翻新商Recontext（原Teletplan）进行了一个小型演示项目，该项目涉及从6个硬盘驱动器中去除永磁铁组件，并将其放置在新的希捷驱动器中。

也是这次演示直接推动了2019 年后科技巨头对硬盘回收技术的研究，刊登在《journal Resources, Conservation, and Recycling》杂志上的研究表明，不仅硬盘中永磁铁可以大规模收获和再利用，而且对环境有显著的益处，重复使用的磁铁组件的碳排放比新的低86%。

不过遗憾的是谷歌拒绝透露是否有后续项目在进行中，但指出Grisist正朝着其公开宣布的目标推进，即开发可扩展的稀土磁铁回收工艺。谷歌供应商环境影响项目经理、这项新研究的合著者InesSousa表示：“在实现这一目标之前，仍有一些挑战需要克服，其中包括磁铁回收过程中需要极端的清洁度，因为硬盘需要无尘环境才能正常运行，并且还要面对硬盘每隔几年所产生新的磁铁设计。”

在谷歌之外，硬盘制造商希捷也在探索硬盘回收技术。希捷发言人格雷格·贝罗尼表示：“公司致力于解决稀土回收的复杂性，与戴尔等客户的密切合作，正在探索一种不同的回收方法。”

2019 年，戴尔推出了一个与希捷和 Recontext 一起的试点计划，通过将硬盘中收集而来的永磁铁粉碎提取稀土，并利用它们制造新的磁铁。迄今为止，通过这种合作已收获约19000磅永磁铁进行回收利用。不过戴尔发言人梅尔·德罗姆（MelDerome）表示：“该项目仍在寻找扩展规模的方法，还是一个试点项目。”

除此之外美国政府也加大了对硬盘回收的投入，据悉美国增幅通过艾姆斯国家实验室的关键材料研究所，已经为几个项目提供资金，这些项目的重点是开发更清洁、更高效的磁铁回收稀土元素的工艺。而在最近的一份关于加强供应链抗灾能力的 告中，明确提出了要为美国政府运营的4000个数据中心，提供硬盘永磁铁回收研究资助。

“为6000个硬盘建立一个新的流程在商业上并不真正可行，但是如果对4000 个数据中心进行改造，那么改变供应链并实施新的再利用和回收途径将变得更为可行，所以我真的很高兴听到这个消息。”金红月说道。