Новые технологии жестких дисков

Высокоскоростные SSD-носители все еще пользуются огромной популярностью. Однако это временное явление — вскоре они будут вытеснены быстрыми винчестерами очень большой емкости. Сегодня многие уверены, что магнитные жесткие диски слишком медлительны, ненадежны и технически устарели. В то же время твердотельные накопители, напротив, находятся на пике своей славы: в каждом мобильном устройстве имеется носитель информации на основе флеш-памяти, и даже настольные ПК используют такие диски. Однако их перспективы весьма ограничены. Согласно прогнозу CHIP, SSD еще немного упадут в цене, плотность записи данных и, следовательно, емкость дисков, скорее всего, удвоятся, а затем настанет конец. Твердотельные накопители емкостью 1 Тбайт всегда будут слишком дорогими. На их фоне жесткие магнитные диски аналогичной вместимости выглядят весьма привлекательно, поэтому говорить о закате эпохи традиционных накопителей рано. Однако сегодня они стоят на распутье. Потенциал текущей технологии — метода перпендикулярной записи — допускает еще два годичных цикла, в течение которых будут выпущены новые модели увеличенной емкости, а затем будет достигнут предел.

Если три основных производителя — Seagate, Western Digital и Toshiba — смогут выполнить переход на одну из представленных в этой статье новых технологий, то 3,5-дюймовые жесткие диски емкостью 60 Тбайт и выше (что в 20 раз больше по сравнению с текущими моделями) перестанут быть недостижимой роскошью. Одновременно с этим возрастет и скорость чтения,достигнув уровня SSD, так как она зависит непосредственно от плотности записываемых данных: чем меньше расстояние, которое необходимо преодолевать считывающей головке, тем быстрее работает диск. Поэтому, если наш «информационный голод» продолжит расти, все «лавры» достанутся жестким магнитным дискам.

Метод перпендикулярной записи

С некоторых пор в жестких дисках используется метод перпендикулярной записи (на вертикально расположенные домены), обеспечивающий более высокую плотность данных. В настоящее время он является нормой. Последующие технологии сохранят данный способ.

Записывающий элемент воздействует на домены магнитным полем, чтобы придать определенную ориентацию магнитному полю частиц. При этом мягкий подслой обеспечивает дополнительную стабильность частиц относительно друг друга.

6 Тбайт: лимит почти достигнут

Через два года диски с методом перпендикулярной записи дойдут до предела плотности данных на пластине.

В современных жестких дисках емкостью до 4 Тбайт плотность записи магнитных пластин не превышает 740 Гбит на квадратный дюйм. Производители обещают, что накопители, использующие методом перпендикулярной записи, смогут обеспечить показатель в 1 Тбит на квадратный дюйм. Через два года выйдет последнее поколение подобных дисков: емкость моделей форм-фактора 3,5 дюйма достигнет 6 Тбайт, а 2,5-дюймовые смогут предоставить чуть более 2 Тбайт дискового пространства. Однако столь скромные темпы роста плотности записи уже не поспевают за нашим постоянно усиливающимся информационным голодом, что демонстрируют следующие графики.

В ближайшие несколько лет потребность в накопителях большей емкости, вызванная необходимостью хранения больших объемов данных, возрастет в пять раз. Жесткие магнитные диски смогут удовлетворить ее лишь в том случае, если не позднее 2015 года будет осуществлен переход на новую технологию.

Проблема выбора материалов

Винчестеры с перпендикулярным методом записи не способны удовлетворить растущие потребности в сфере хранения данных, так как при плотности записи немногим более 1 Тбит на квадратный дюйм они вынуждены бороться с эффектом суперпарамагнетизма. Данный термин означает, что определенного размера частицы магнитных материалов не способны длительное время сохранять состояние намагниченности, которое может внезапно измениться под действием тепла из окружающей среды. То, при каком размере частиц наступает данный эффект, зависит от используемого материала (см. таблицу ниже). Пластины современных HDD с перпендикулярной записью изготавливаются из сплава кобальта, хрома и платины (CoCrPt), частицы которого имеют диаметр 8 нм и длину 16 нм. Для записи одного бита головке необходимо намагнитить около 20 таких частиц. При диаметре 6 нм и меньшем частицы данного сплава не способны надежно сохранять состояние своего магнитного поля.

В индустрии производства жестких дисков часто говорят о «трилемме». Производители могут использовать три основных способа увеличения плотности записи: изменение размера частиц, их количества и типа сплава, из которого они состоят. Но при размере частиц CoCrPt-сплава от 6 нм использование одного из способов приведет к тому, что два других окажутся бесполезными: если уменьшить размер частиц, то они будут терять свою намагниченность. Если уменьшить их количество на бит, их сигнал «растворится» в окружающем шуме соседних битов. Считывающая головка не сможет определить, имеет ли она дело с «0» или «1». Сплав с более высокими магнитными характеристиками позволяет использовать частицы меньших размеров, а также допускает сокращение их количества, однако в данном случае записывающая головка оказывается не в состоянии изменить их намагниченность. Данную трилемму можно решить только в том случае, если производители откажутся от метода перпендикулярной записи. Для этого наготове уже есть несколько технологий.

Трилемма HDD

До 60 Тбайт: новые технологии записи

Плотность записи будущих HDD можно увеличить в десять раз — с помощью микроволн, лазеров, SSD-контроллеров и новых сплавов.

Наиболее перспективной разработкой, способной обеспечить плотность записи свыше 1 Тбит на квадратный дюйм, является технология магнитной записи с частичным перекрытием дорожек (метод «черепичной» записи — Shingled Magnetic Recording, SMR). Ее принцип заключается в том, что магнитные дорожки SMR-диска частично накладываются друг на друга, подобно черепице на крыше. Данная технология позволяет преодолеть присущее методу перпендикулярной записи затруднение: дальнейшее уменьшение ширины дорожек неизбежно приведет к невозможности записи данных. Современные диски имеют раздельные дорожки шириной от 50 до 30 нм. Минимально возможная ширина дорожек при перпендикулярной записи составляет 25 нм. В технологии SMR, благодаря частичному перекрытию, ширина дорожки для считывающей головки может составлять до 10 нм, что соответствует плотности записи в 2,5 Тбит на квадратный дюйм. Хитрость в том, чтобы увеличить ширину дорожек записи до 70 нм, обеспечив при этом стопроцентную намагничиваемость края дорожки. Край дорожки не претерпит изменений, если записать следующую со смещением в 10 нм. Кроме того, записывающая головка оснащается защитным экраном, чтобы ее мощное магнитное поле не повредило расположенные под ней данные. Что касается головки, она уже разработана
компанией Hitachi. Однако существует еще одна проблема: обычно на магнитном диске производится прямая раздельная перезапись битов, а в рамках технологии SMR это возможно только на самой верхней дорожке пластины. Для изменения битов, расположенных на нижней дорожке, потребуется повторная перезапись всей пластины, что снижает производительность.

Технология SMR подразумевает, что записывающая головка, обладающая более интенсивным магнитным полем, формирует дорожки с частичным перекрытием. В результате они получаются более узкими, чем при перпендикулярном методе.

Перспективный преемник: HAMR

Тем временем международная организация по дисковым накопителям, материалам и оборудованию IDEMA отдает предпочтение термоассистируемой магнитной записи (HAMR, Heat Assisted Magnetic Recording) и рассматривает именно ее в качестве наиболее вероятного претендента на роль преемника технологии перпендикулярной записи. Марк Гинен из советадиректоров IDEMA прогнозирует появление в продаже первых HAMR-дисков в 2015 году.
В отличие от SMR технология HAMR решает трилемму путем уменьшения магнитных частиц, а для этого требуется переход на новый материал. Для HAMR-дисков необходимо использовать материал с более высокой анизотропной энергией — наиболее перспективным является сплав железа и платины (FePt). Анизотропия определяет, сколько потребуется энергии для устранения намагниченности материала. В FePt она настолько высока, что только частицы размером 2,5 нм сталкиваются с суперпарамагнетическим пределом (см. таблицу в следующем разделе). Данное обстоятельство позволило бы производить жесткие диски емкостью 30 Тбайт с плотностью записи 5 Тбит на квадратный дюйм.

HAMR: запись с применением лазера. Записывающая головка сможет изменить магнитное поле частиц только в том случае, если последние будут разогреты лазером до температуры чуть ниже точки Кюри, при которой они полностью теряют свою способность к намагничиванию.

Проблема заключается в том, что самостоятельно записывающая головка не способна изменить магнитную ориентацию частиц сплава FePt. Поэтому в HAMR-дисках в нее встраивается лазер, который на мгновение разогревает частицы на участке площадью несколько нанометров до температуры примерно в 400 °С. В результате записывающей головке требуется меньше энергии для изменения магнитного поля частиц. Исходя из значений плотности записи, диски с термоассистируемой магнитной записью могут иметь высокую скорость чтения (около 400–500 Мбайт/с), которая сегодня достижима только для SSD-накопителей с интерфейсом SATA 3.

Помимо лазера обеспечить возможность записи на пластинах из сплава FePt также способен генератор момента спина (Spin Torque Oscillator), излучающий микроволны. Микроволны изменяют характеристики магнитного поля частиц таким образом, что слабая записывающая головка легко их перемагничивает. В целом, генератор увеличивает эффективность записывающей головки в три раза. Технология микроволновой магнитной записи (Microwave Assisted Magnetic Recording, MAMR), в отличие от HAMR, пока находится в стадии разработки.

Новый сплав металлов для дисков с теромассистируемой магнитной записью

Сплаву FePt в HAMR-диске свойствен более высокий показатель анизотропной энергии и повышенная способность к намагничиванию. По сравнению с методом перпендикулярной записи здесь могут быть использованы частицы меньших размеров.

Что будет после HAMR?

Технология битовых массивов (Bit-Patterned Media, BPM) долгое время считалась самой перспективной. Она предусматривает иное решение трилеммы: в данном случае магнитные частицы отделены друг от друга изоляционным слоем из оксида кремния. В отличие от традиционных магнитных дисков намагничиваемые области наносятся с помощью литографии, как при производстве чипов. Это делает производство BPM-носителей довольно дорогим. BPM позволяет уменьшить количество частиц на бит и при этом избежать влияния шума соседних частиц на сигнал. Единственной проблемой на сегодняшний день является создание головки чтения/записи, которая смогла бы обеспечивать высокую точность управления BPM-битами. Поэтому в настоящее время BPM рассматривается как наиболее вероятный преемник HAMR. Если объединить обе технологии, можно добиться плотности записи в 10 Тбит на квадратный дюйм и производить диски емкостью 60 Тбайт.

Количество частиц на бит можно уменьшить путем их изоляции друг от друга. Благодаря этому считывающая головка способна улавливать даже слабые сигналы BPM-частиц.

Новым предметом изысканий является технология двумерной магнитной записи (Two Dimensional Magnetic Recording, TDMR), которая позволяет решить трилемму путем устранения затруднения, связанного с отношением сигнал/шум. При небольшом количестве частиц на бит считывающая головка получает нечеткий сигнал, так как он имеет низкую мощность и теряется в шуме соседних частиц. Особенность технологии TDMR заключается в возможности восстановления потерянного сигнала. Для этого требуются несколько отпечатков считывающей головки или отпечаток нескольких считывающих головок, которые формируют 2D-изображение поверхности. На основе этих изображений декодер восстанавливает соответствующие биты.

В технологии TDMR количество частиц уменьшено на один бит. Их слабый сигнал восстанавливается на основе нескольких изображений со считывающей головки.