情報記録技術研究のすすめ
栗原義武*

Introduction to Research on Information
Storage Technology
Yoshitake KURIHARA

Abstract
You can study cutting-edge worldwide technologies in a certain area such as signal processing ofdigital recording systems while sitting in the comfort of your home, Shikoku section of Japan.
Magnetic recording technology has a long history in Japan. Japan has lead magnetic recording
technologies for a long time. Hard disk drive (HDD) has played a key role in the area of storage
technologies.
In 1977 perpendicular magnetic recording was invented by a Japanese scientist who won the Japan
Prize in 2010. Signal processing technology such as PRML (partial response maximum likelihood)has studied in Ehime University since 1980’s.
Keywords: Perpendicular magnetic recording, Signal processing, Partial response, Viterbi detection,
PRML system1.

緒言

タビュー等の報道では，四国の一地方においても，優れた研究を行うことができるという発言が成されていた．

昨今，ますます少子化が進んでいる．大学進学を希

技術立国日本は，様々な分野で世界的に優れた多く望するほとんどの学生が，定員の上では大学へ入学での技術を保有し，研究が行われている．磁石や磁気に関きる状況にまでなってきた．

連した技術もまた，わが国が世界を牽引するものの一重要な点は，どこの大学に入ったかではなくどんな勉強や研究をしたかであるにもかかわらず，一部には，いわゆる受験産業によるランキングや偏差値などを真つである．本稿では，パーソナルコンピュータ (PC) に利用されるハードディスク装置 (HDD) の高密度化を達成する磁気記録技術について，日本人が発明した垂直に受けて，大学名や学科名の名前だけで進路を決定し磁気記録技術が数年前に実現化したこと，高密度化にてしまう者が居る．さらには，研究室配属でも楽な所か厳しい所かで判断する学生も居るように見受けられる．
各大学の各研究室においては，それぞれ優れた研究よる再生信号の歪みや波形干渉の問題に対して PRML(partial response maximum likelihood) 信号処理技術を採用することにより SN 比を向上できたこと，等をが行われている．2014 年に 3 名の日本人がノーベル物理学賞を受賞したことは記憶に新しい．その中の一名，中心に述べる．

中村修二氏は現在米国で研究を続けているが，愛媛県2.

出身で徳島大学を卒業し，徳島県内で行われた研究成果に対しての受賞である．受賞が決まった当時のインノーベル賞と日本国際賞ノーベル賞を日本人が受賞すると，国内では世間の注目を集めることとなる．2015 年 3 月に電子情報通信学会* 香川高等専門学校 機械電子工学科総合大会が草津市の立命館大学で開催された．大会中，69

独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要6(2015)

ノーベル物理学賞受賞の天野浩による「青色 LED 開発

イノベーションの芽を育む科研費

4.と今後のエレクトロニクス」，中村修二による「LnGaN

わが国で研究を進めるに当たって，科研費は研究費

系ダブルヘテロ構造高輝度青色 LED の開発と将来の個確保のために重要な役割を果たしている．数年前から体発光素子」，日本国際賞受賞の末松安晴による「光科研費パンフレットの事例として，東北工業大学理事

通信と半導体レーザの研究を振り返って」と題した特長・東北大学名誉教授の岩崎俊一による垂直磁気記録別記念講演が企画された 1 )．日本国際賞は，世間では方式の開発の事例は，科研費に応募する研究者であれノーベル賞ほどよく知られてはいないものの，国際的ば誰でも一度は目にしているであろう．垂直磁気記録に価値の高い賞として評価を受けている．
日本国際賞は，ノーベル賞に先立って受賞したり，ノーベル賞と同時に受賞したりする場合もある．例えの研究の本流は，東北大学電気通信研究所である．同大学の門下生が，東芝や日立で研究開発を続け，実用化に成功した 6 )．

ば，2007 年のノーベル物理学賞は巨大磁気抵抗効果を利用した GMR (giant magnetive resistance) ヘッドの研究に対して独仏の二研究者が受賞した 2 )．この 2 名インパクトファクター

5.

は，ノーベル賞受賞の直前に，第 23 回日本国際賞も受
最近の若い研究者の中には，研究成果がインパクト賞していた 3 )．この時は，日本人でなかったため，国ファクターの高い論文誌や海外の一流誌に掲載される内ではそれほど大きな報道ではなかった．

ことを目的としている節がある．一流誌に論文が掲載されることが重要なのではなく，その論文が読まれ，引表 1: ノーベル賞と日本国際賞用され，その後の研究に貢献できることこそ重要なの研究

国日本国際賞

ノーベル賞

光通信

日2014

?

GMR
垂直磁気記録独仏20072010

2007
?

日である．
米国 IBM において，1986 年の Wood らによる詳細な検討

7)の後，1990 年に IBM の HDD 0681 に PR4ML方式とよばれる信号処理方式が搭載されその有効性が実証された．この Wood らの論文 7 )が参照していた中に2010 年の第 26 回日本国際賞は，垂直磁気記録方式の発明に対して岩崎俊一が受賞した．ひょっとすると，将来，ノーベル賞の日本人受賞者に加わることになるある文献番号 8 と文献番号 18 の 2 つの論文は H. Osawaらの研究であった 8 )．
その後も，米国 IBM の R. Wood が，1T ビット/(インチ)2 で動作する HDD の実現可能性を検討した論文かもしれない (表 1)．

を発表した 9 )．同論文は和訳されて，日経エレクトロ
10)

ニクスにも掲載された

3.

垂直磁気記録と信号処理技術• Osawa ら11)(文献番号 15) が示しているように，さらに高次の検出器を用いることも可能であろう．

近年，HDD は，PC の周辺記憶装置として重要な役割を果たし，記憶容量も年々増えている．HDD の記録密度は，1990 年代までは 10 年間で 10 倍の割合で順調• 提案した信号処理を改善する余地は大いにあり，に伸びていた．HDD を支える磁気記録技術に対して

11)

チャネルに適した検出器は，以前より限界が近いといわれながらも，当時，新Osawa らの文献11)を引用した．
PRML 方式の基礎と実際12)は，磁気ディスクの信号処理方式としての PRML 方式についてまとめた書籍でPRML 方式とよばれる信号処理方式を採用することにより，10 年間で 100 倍を超える急激な記録密度の上昇
4)(文献番号 15) などを用いる方法がある

しい技術として磁気抵抗効果を利用した MR ヘッドやを達成した．これらの論文中，R. Woodは，以下のように述べ，．

わが国では，磁気記録に関する研究が古くから盛んある．その中で，PRML 方式の開発経過の主要項目を，に行われている．2005 年頃に世界ではじめて製品への表 2 に示す．

導入が発表された垂直磁気記録技術は，1997 年に東北

表 2 には記載されていないが，同書籍中に「パーシャ大学電気通信研究所で提案されて以降研究が進められルレスポンス方式における雑音の相関特性と，誤り性てきた．また，磁気記録の信号処理技術の理論的検討

能に及ぼす影響などの基礎的な研究が大沢らによりなについては愛媛大学において 1980 年頃から続けられてされた」との記述がある

12)

いた 5 )．

70．

栗原義武：情報記録技術研究のすすめ

表 2 の 1997 年の項目は，垂直磁気記録国際会議であ1965

表 2: PRML 方式の開発経過
パーシャルレスポンスの提案

1967(E.R. Kretzmer)
ビタビアルゴリズムの提案

1970

1972
1980

る PMRC’97 (perpendicular magnetic recording con-ference) で発表され，日本応用磁気学会 (現日本磁気学会) 誌の別冊にも掲載11)されたもので，先に述べたように，米 IBM 社の R. Wood の論文 9 )に引用された．

(A.J. Viterbi)
パーシャルレスポンスとビタビアルゴリズムの磁気記録チャネルへの適応を提案

このように，わが国では，愛媛大学の田崎，大沢 (H.

Osawa)，岡本 (Y. Okamoto) らの研究グループが世界に先駆けて磁気記録装置への信号処理方式を適用する(H. Kobayashi)
符号間干渉チャネルの最尤復号理論基礎的研究を続けている．栗原 (Y. Kurihara) は，同グループを経て，1997 年当時は新居浜高専に，現在は香(G.D. Forney)
パーシャルレスポンスを磁気記録チャネル(ディジタル VTR) に適用し，その有効性川高専高松キャンパスに所属している．同校詫間キャンパス副校長の福永もまた，田崎らの研究グループの一員である．

を検証 (S. Nakagawa and K. Yokoyama)

1986

パーシャルレスポンスとビタビアルゴリズ

6.

ムを磁気記録チャネル (ディジタル VTR)に適用し，その有効性を検証 7 )日本語で論文を書いていても国際的に相手にされな(R.W. Wood and D.A. Petersen)
1987

いので，英語で論文を書いて世界に発信しないといけ

磁気記録チャネル用高次パーシャルレスない類のことを，耳にしたことはないだろうか．一般

ポンス提案 (H.—Thapar and A.—Patel)

1989
1995

PRML 方式の LSI 化 (F. Dolivo)
トレリス上の計算簡略化とアルゴリズムの提案 (G. Fettweis and H. Meyer)

1997

単磁極ヘッドと 2 層膜媒体による垂直磁的には，正しく，もちろん英語は大切である．
磁気記録研究の分野は特殊であった．垂直磁気記録をはじめ，世界初の発明や技術開発の事例も多く，磁気記録関連技術は日本のお家芸であった．1980 年代の録画装置は，ビデオテープレコーダ VTR (video tape

気記録における正係数 PRML 方式を提案recorder) であった．磁気記録技術を駆使した製品であり，わが国が数多くの特許を有し，家庭用 VTR の世界11)1998(H. Osawa, Y. Kurihara, Y. Okamoto,etc.)
非対称レスポンス導入による高次 PRMLシェアのほとんどを日本企業が独占しているといっても過言ではなかった．

方式の高性能化

米国では，日本語で書かれた磁気記録の関連論文の(S. Mita and H. Sawaguchi)
2000

日本語で論文を書いても情報でも入手したい状況であった．実際，1986 年に発マルコフ性雑音に対する最尤推定法の決表された米国 IBM 社の Wood の論文 7 )に引用された

定 (A. Kavcic)

文献番号 18 の論文 8 )は日本語で書かれた論文である．
さらに，当時の IEEE Magnetics Society 会長が 1984

実際，表 2 における 1986 年の項目は，既に述べた年の米国連邦議会上院で，日本の磁気記録論文を翻訳す

Wood らによる詳細な検討のことである 7 )．そこで引用されている文献とは，1980 年のテレビジョン学会 (現べきと証言し13)，1985 年 4 月から 1994 年 6 月までの約10 年間，IEEE Translation Journal on Magnetics in映像情報メディア学会) 年次大会で大沢らが発表し，翌Japan が出版された14)．これは，表紙に日本語で「応用磁気翻訳ジャーナル」とも書かれて出版された．例え年の 1981 年にテレビジョン学会誌に掲載 8 )されたもので，長手磁気記録の信号処理方式として PR4 方式

ば，1991 年 8 月に出版された H. Osawa, Y. Kurihara,
K. Ono による論文15)は，1990 年に日本の磁気記録研究会で発表された日本語の原稿16)が英語に翻訳されたとビタビ復号法の組合せである PR4ML 方式が高記録密度においては良好な特性を与える 5 ) という内容である．ここで，PR4 方式とは，表 2 の 1965 年の項目にものである．当時の栗原 (Y. Kurihara) の所属は愛媛ある E.R. Kretzmer によって提案されたパーシャルレ大学であった．

スポンス等化の分類のうちクラス 4 に属する方式のこかつて，ソ連 (現ロシア) が世界で初めて人工衛星をとである．また，PR4ML 方式とは，PR4 等化に最尤打ち上げたときに，アメリカでは当時ロシア語で書か(maximum likelihood) 検出の一種であるビタビ検出を組合せた方式のことである．

れたソ連の物理学会雑誌の翻訳を始めた．1980 年代の日本に対しても，同様の状況であったと思われる．

71

独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要6(2015)7.

• 田中は，PRML 方式を用いたチャネルの研究で藤尾フロンティア賞ほか有名な愛媛大学に協力を仰ぐ．

映像情報メディア学会の第 8 回平成 11 年度藤尾フロ• 同大学には，スピンスタンドと大型計算機を組み合せて，記録再生系から得た波形をソフトウェンティア賞が，超高密度垂直磁気記録システムの信号処理方式に関する研究に対して，垂直磁気記録用信号処理研究グループ (愛媛大学) に授与された17)．

アチャネルに通してビット列を再生できる装置があった．

2008 年 (平成 20 年度) 日本磁気学会優秀研究賞は，
5)

PRML の提案と高密度ストレージ信号処理の研究 に対して，大沢に授与された．

• 他のメーカに情報が漏れないように，担当者はこっそりと四国に向かった．

大沢は受賞のあいさつの中で以下のように述べている．PRML の研究を始めた当初は，磁気記録分野では• 松山市の中心部，松山城と道後温泉の間にある愛信号処理はマイナーな研究分野であり肩身の狭い思い媛大学へ，記録媒体とヘッドを持参して訪れた．

をしたが，今では情報ストレージの高密度化に必須の技術として認められるようになり，隔世の感がある 5 )．など，このように，理論的に信号処理方式の有効性を示す段階から，実際に信号処理 LSI の開発により実証が可能になったことで，信号処理技術は HDD の高密8.

度化のために必要不可欠なものとなっていき，信号処

垂直磁気記録 30 年の苦闘

理技術の研究機関として，愛媛大学は国内外から高い
最初に実用化したのは田中 (Y. Tanaka) らが率いる東芝であった 6 )．岩崎による垂直磁気記録の発明から，評価を得るようになった．

実際に HDD の製品に垂直磁気記録技術が採用されるま9.

でに約 30 年を要した．日経エレクトロニクスの記事に結言

18)

おいて特集が組まれた ．日経エレクトロニクス 2006

磁気記録分野における信号処理の研究は，四国の愛

年 6 月 5 日号の垂直磁気記録 30 年の苦闘「(4) パソコ

媛大学で活発に行われている．

ンに忍ばせて世界各地へ」の記事から垂直磁気記録に昨年のノーベル物理学賞を受賞した中村は，当時のおける信号処理技術に関する部分を以下に示す．

インタビュー等で，四国の徳島での研究成果に対する貧弱な実験環境受賞であり，地方の四国の中でも研究できる等と述べ• ライバルの日立製作所が垂直記録方式へ本腰を入れ出したのとちょうど同じ時期，東芝での取り組みも始まった．ていた．
本稿では，同じ四国地方で世界に先駆けて行われた研究成果の別の一例として，愛媛県でディジタル磁気記録の信号処理に関連する研究について述べた．

• 研究リーダは田中である．日立製作所の高野公史と同様，垂直記録方式を生んだ岩崎俊一の愛弟子

もちろん，磁気記録分野に限らず重要な研究は，様々な分野において多くの大学や高専で行われているであが，図らずも研究を率いる形になった．

ろう．大都市だけでなく，地方においても行われている点については，上記の例のように明らかである．

こっそり愛媛大学へ• ヘッドを浮上させて再生波形を取り出すところまでは東芝の設備でもできた．問題はその先である．
再生波形から記録したビット列を復元する手段がないのだ．

学生が進路を決定する際には，よく考えもせず大都市にある有名な大学等に入ったものの，後になってから自分に合った研究分野が存在しなかったということにならないよう，各自の将来の進路については前もってよく考えておいて欲しい．できれば磁気記録分野へ• 垂直記録方式の再生波形は長手記録方式と違うの進む研究者や技術者が増えることを期待したい．

で，これをそのまま使うわけにはいかない．

• しかも，垂直記録方式ではどのような信号処理が適しているか手探りの状態だ．

謝辞• ここでソフトウェアで実装したチャネルを用いるところである．ところが，東芝はこの技術を持っていなかった．

みなさまに感謝いたします．また，国立高専機構香川愛媛大学，東北大学をはじめ，磁気記録研究関係の高専と新居浜高専の栗原研究室の卒業生のみなさまにお礼申し上げます．本稿で述べた内容の一部は，平成72

栗原義武：情報記録技術研究のすすめ

14 年度から平成 16 年度までに受けた科研費 (若手 B)

15) H. Osawa, Y. Kurihara, K. Ono, “Performance

14750326 または平成 8 年度に受けた科研費 (奨励 A)
08750469 の助成によるものを含む．記してここに感謝いたします．

of Partial Response System for (2,7) RLL Code,”IEEE Transl. J. Magn. Jpn., vol. 6, no. 8, pp.

参考文献

698–708, Aug. 1991.
16) 大沢寿, 栗原義武, 小野和雄, “(2,7)RLL 符号に対するパーシャルレスポンス方式の誤り率特性,” 信1 ) http://www.ieice.org/ (電子情報通信学会 2015 年総合大会 立命館大学 びわこ・くさつキャンパス)Mar. 2015.

学技報, MR90-24, pp. 21–28, Jul. 1990.
17) http://www.ite.or.jp/contents/about us/awards
winner/04.html (映像情報メディア学会 藤尾フロンティア受賞者).

2 ) http://www.nobelprize.org/nobel prizes/physics/
laureates/2007/ (ノーベル物理学賞 2007)18) 河合基伸, “垂直磁気記録 30 年の苦闘 (4) パソコン3 ) http://japanprize.jp/prize past 2007 prize01.html(2007 年 第 23 回日本国際賞受賞者)
4 ) 高野公史, “9. 進化するハードディスク,” 信学誌，vol. 89, no. 11, pp. 988–993, Nov. 2006.
5 ) 大沢寿, “PRML の提案と高密度ストレージ信号処理の研究,” まぐね，vol. 4, no. 3, pp. 130–135,Mar. 2009.
6 ) Y. Tanaka, “Development of Perpendicular Magnetic Recording Hard Disk Drive,” 信学技報, vol.
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7 ) R.W. Wood and D.A. Petersen, “Viterbi Detection of Class IV Partial Response on a Magnetic
Recording Channel,” IEEE Trans. Commun., vol.
COM-34, no. 5, pp. 454–461, May 1986.
8 ) 大沢寿, 池谷章, 田崎三郎, “NRZI 記録符号に対するビタビ復号法の信号検出方式に関する性能比較,”テレビ誌，vol. 35, no. 7, pp. 570–575, Jul. 1981.

9 ) R. Wood, “The Feasibility of Magnetic Recording at 1 Terabit per Square Inch,” IEEE Trans.
Magn., vol. 36, no. 1, pp. 36–42, Jan. 2000.
10) R. Wood, “1T ビット/(インチ)2 の HDD を実現する (上/下),” NE(日経エレ), no. 758/no. 759,
1999.11.29 号/1999.12.13 号, pp. 161–168/pp. 181–185, Nov./Dec. 1999.
11) H. Osawa, Y. Kurihara, Y. Okamoto, H. Saito,
H. Muraoka, and Y. Nakamura, “PRML Systems
for Perpendicular Magnetic Recording,” J. Mag.
Soc. Jpn., vol. 21, no. S2, pp .399–405, Oct. 1997.
12) 三田誠一, 西谷卓史, 澤口秀樹, 松井一, “磁気ディスクの信号処理技術—PRML 方式の基礎と実際—,”
森北出版，東京，2010.

13) http://obio.c-studio.net/science/188.htm (ヴォイニッチの科学書 Chapter-188 日本人が発明した垂直磁気記録) Jan. 2008.
14) 日経エレ編, “超高密度外部記憶装置の新展開,” 日経 BP 社，p. 26, Jan. 1998.

73に忍ばせて世界各地へ,” NE(日経エレ), no. 927,2006.6.5 号, pp. 116–119, Jun. 2006.