Magnetyczne dyski twarde? Wielu przecież uważa, że tego typu nośniki są obecnie zbyt powolne, delikatne i osiągnęły już kres swoich możliwości. To rzekomo dyski SSD są przyszłościowymi nośnikami danych. Pamięć flash, z której one korzystają, znajduje się teraz niemal w każdym urządzeniu mobilnym i wielu stacjonarnych. Przyszłość dysków SSD nie rysuje się jednak w różowych barwach. Ceny tych urządzeń mogą jeszcze trochę spaść, gęstość zapisu, a tym samym pojemność być może wzrośnie nawet dwukrotnie, ale to koniec. Dysk SSD 1TB, nawet gdy technologicznie będzie osiągalny (co teoretycznie już dziś ma miejsce), będzie zawsze zbyt drogi, by w swoim komputerze mógł go użyć zwykły Kowalski.
Tymczasem tradycyjne dyski magnetyczne nie powiedziały jeszcze ostatniego słowa. Aktualnie stosowana technologia zapisu prostopadłego osiąga kres swoich możliwości (patrz infografika powyżej), ale w perspektywie naukowcy nakreślili już wyraźny obraz alternatywnych metod zapisu. 3,5-calowy dysk o pojemności 60 terabajtów lub nawet większej? Tak, uzyskanie ponad 20-krotnie większej pojemności w porównaniu z dzisiejszymi modelami dysków magnetycznych jest możliwe, pod warunkiem że trzech producentów dysków – Seagate, Western Digital oraz Toshiba – zdecyduje się na wdrożenie przyszłościowych technologii opisywanych w artykule w swoich fabrykach. Wraz ze wzrostem pojemności wzrośnie również szybkość odczytu i zapisu danych, w efekcie przyszłe dyski magnetyczne będą oferowały wydajność wyższą od efektywności dysków półprzewodnikowych. Dyski SSD nie mają przyszłości – ta wciąż należy do znanych od ponad pół wieku, stale rozwijanych, magnetycznych technologii zapisu i odczytu danych.
AKTUALNIE 6 TB: Na granicy możliwości
Dyski korzystające z technologii zapisu prostopadłego osiągną kres możliwości w ciągu najbliższych dwóch lat. Później do przechowywania danych będą potrzebne nowe technologie. W przypadku gęstości przechowywania danych na dyskach twardych ich producenci operują miarą gęstości określaną w stosunku do powierzchni o rozmiarze cala kwadratowego. Dzisiejsze dyski twarde umożliwiają przechowywanie do 4 TB danych na jednym talerzu dysku magnetycznego. Oznacza to gęstość rzędu 740 gigabitów na cal kwadratowy. Uda się zwiększyć tę wartość do 1 terabitu na cal kwadratowy, ale nie więcej. Na dysku 3,5-calowym z prostopadłym zapisem spodziewana pojemność wyniesie 6 TB, natomiast dyski 2,5-calowe zmieszczą nieco ponad 2 TB danych. Ten wzrost nie zaspokoi rosnącego w błyskawicznym tempie zapotrzebowania na pojemne nośniki informacji.
Dylemat materiałowy
Rozwój dysków z zapisem prostopadłym jest hamowany przez tzw. efekt superparamagnetyczny występujący w sytuacji, gdy gęstość zapisu przekroczy 1 terabit na cal kwadratowy. Efekt polega na tym, że materiał magnetyczny będący nośnikiem danych nie jest w stanie przechować trwale zapisanej informacji, jeżeli rozmiar zbioru cząsteczek nośnika przechowującego jednostkę informacji jest zbyt mały. W momencie gdy energia cieplna otoczenia jest większa niż energia wymagana do utrzymania takiej grupy cząsteczek w odpowiednim stanie magnetycznym, informacja jest rozpraszana, a zapis staje się nietrwały. Moment występowania efektu zależy nie tylko od rozmiarów takiej grupy cząsteczek, ale również od użytych stopów metali stanowiących podłoże dla zapisywanych danych. Talerze dysków korzystających z technologii prostopadłego zapisu danych pokryte są cząsteczkami stopu kobaltu, chromu i platyny (CoCrPt). Jedna cząsteczka tego stopu ma 8 nm (nanometrów) średnicy i 16 nm długości. Głowica zapisująca musi namagnetyzować około 20 takich cząsteczek, by przechować pojedynczy bit informacji. Cząsteczki stopu CoCrPt nie są w stanie utrzymać się w stanie uporządkowanym przy średnicach mniejszych niż 6 nm.
Wśród producentów dysków panuje przekonanie, że w przypadku kłopotów związanych z rozwojem dysków mamy do czynienia nie tyle z dylematem, co z “trylematem”. Wytwórca, chcąc zwiększyć gęstość zapisu, może manipulować trzema parametrami: wielkością cząsteczki materiału nośnego, ilością cząsteczek w grupie przenoszącej bit informacji oraz typem cząsteczek. Zbytnia redukcja wielkości oznacza utratę informacji z powodu wystąpienia efektu superparamagnetycznego. Redukcja liczby cząstek na bit powoduje zakłócenia i utratę lub przekłamania w przechowywanych danych. Zmiana używanego stopu mogłaby teoretycznie pozwolić na zmniejszenie rozmiaru pojedynczej cząsteczki, ale stosowane głowice odczytu/zapisu są zbyt słabe, by zmienić stan namagnesowania mniejszych cząstek. “Trylemat” może być rozwiązany tylko przez porzucenie technologii prostopadłego zapisu danych. Działy badawczo-rozwojowe mają na szczęście sporo pomysłów.
NIEDŁUGO 60 TB: Pokonywanie barier
Gęstość zapisu w przyszłych dyskach twardych może być zwiększona nawet dziesięciokrotnie. Dzięki laserom, mikrofalom, kontrolerom SSD i nowym stopom metali.
Technologia Shingled Magnetic Recording (SMR) jest uznawana za pierwszą próbę przekroczenia granicy gęstości zapisu wynoszącej 1 terabit na cal kwadratowy. Ścieżki zapisu na dyskach SMR są pokrywane czymś na kształt mikroskopijnego gontu. Bariera zapisu prostopadłego powoduje, że nie można zapisać cieńszych (od pewnej granicy) ścieżek, ale już odczytać tak. Najnowsze dyski z zapisem prostopadłym mają ścieżki o grubości pomiędzy 50 a 30 nm. Granicą technologiczną dla nich jest ścieżka o grubości 25 nm. W przypadku SMR szerokość ścieżki może wynosić 10 nm i dalej będzie odczytywalna. Odpowiada to gęstości zapisu rzędu 2,5 terabitu na cal kwadratowy.
W SMR zwiększono szerokość ścieżki zapisu do 70 nm, a zapis dokonywany jest z przesunięciem 10-nanometrowym. Głowica zapisująca została wyposażona w osłonę, dzięki czemu silne pole magnetyczne nie wpływa na zapisane dane, mimo że element zapisujący ma większą szerokość niż ścieżka. Element odczytujący jest mniejszy i potrafi odczytać ścieżki 10-nanometrowe. Firma Hitachi opracowała głowice typu SMR, ale pojawił się problem. Dotychczas bity danych zapisywane były bezpośrednio. W SMR zmiana nawet jednego bitu informacji wymaga ponownego przepisania bloku danych, co oznacza spadek wydajności. Rozwiązania są dwa: dzieli się elementy SMR na sekcje (jedna z nich potrafi tylko zapisywać i kasować dane) lub korzysta się z kontrolera podobnego do stosowanych w dyskach SSD. Dyski SSD również nie mogą zapisać ani wykasować pojedynczego bitu informacji.
Obiecujący następca: HAMR
Dla organizacji IDEMA przyszłością jest HAMR – Heat-Assisted Magnetic Recording. HAMR radzi sobie z “trylematem” zapisu prostopadłego przez zmianę wielkości cząsteczek magnetycznych i użycie innego materiału nośnego. Dyski HAMR muszą korzystać z materiału o wyższej energii anizotropii magnetycznej. Jest nim stop żelazowo- platynowy (FePt). Anizotropia określa, ile energii potrzeba, by zmienić stopień namagnesowania danego materiału. W przypadku FePt wymagana energia jest tak wysoka, że efekt superparamagnetyczny występuje dopiero przy cząsteczkach o rozmiarach 2,5 nm. Oznacza to, że przy wykorzystaniu opisanej technologii oraz FePt możliwe jest uzyskanie dysków o gęstości zapisu ok. 5 terabitów na cal kwadratowy, co przekłada się na 3,5-calowy dysk o pojemności 30 TB. Zaletą technologii HAMR jest też to, że do przechowywania i odczytu bitu informacji potrzeba mniejszej liczby cząstek FePt niż w przypadku CoCrPt. Dyski prostopadłe wymagają 20 cząstek na bit. W HAMR bit przechowujemy już w 10 cząstkach.
Niestety, nawet najmocniejsze znane obecnie głowice zapisujące nie są w stanie zmienić namagnesowania cząstek FePt bez wspomagania. Dlatego głowica HAMR jest zintegrowana z laserem. Laser podgrzewa nośnik na obszarze kilku nanometrów do około 400 stopni Celsjusza. Za słaba w normalnej temperaturze głowica dzięki “wspomaganiu” jest w stanie zmienić uporządkowanie cząsteczek stopu FePt. W marcu br. firma Seagate osiągnęła już w dysku z talerzem FePt gęstość rzędu 1 terabitu na cal kwadratowy, czyli graniczną dla dotychczasowej technologii zapisu prostopadłego. A to dopiero początek. Oprócz większej gęstości w technologii HAMR należy się spodziewać szybkości odczytu danych na poziomie 400–500 MB/s. Nawet najszybszy dysk SSD nie może temu dorównać.
Alternatywą dla promienia laserowego jest zastosowanie mikrofalowego oscylatora. Transmisja mikrofal w bezpośrednim sąsiedztwie cząstek nośnika (FePt) również czyni je nagrywalnymi dla głowicy, która w normalnych warunkach (bez wspomagania) nie podołałaby zmianie stanu cząstek. Mikrofale powodują swego rodzaju poluzowanie cząstek, dzięki czemu głowica o niższej energii może zmienić ich magnetyczne ułożenie. Technologia MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording) jest obiektem badań w różnych laboratoriach. Na tegorocznej konferencji Intermag 2012 zespół z japońskiego Uniwersytetu Keio wspólnie z fi rmą TDK zademonstrował działający prototyp dysku MAMR o gęstości zapisu wynoszącej 500 gigabitów na cal kwadratowy. Z kolei Hitachi zaprezentowało symulację pokazującą, że w dyskach MAMR można uzyskać gęstości zapisu sięgające 6,3 terabitu na cal kwadratowy.
Współczesna granica możliwości
Technologia BPM (Bit Patterned Media) to kolejne rozwiązanie uważane za następcę współczesnych technologii. BPM radzi sobie z “trylematem” przez oddzielenie od siebie cząsteczek magnetycznych izolacją z tlenku krzemu. W technologii BPM obszary nośne są wyznaczane w procesie litografi cznym podobnym do używanego podczas produkcji układów scalonych. Oznacza to wysoki koszt wytwarzania dysków BPM. Liczba cząstek przechowujących bit może być zredukowana, bo izolacja eliminuje zakłócenia. Toshiba już w 2010 roku zaprezentowała dysk, w którym odizolowane obszary magnetyczne miały średnicę 17 nm. Odpowiada to gęstości rzędu 2,5 terabitu na cal kwadratowy. Problemem jest głowica odczytująco-zapisująca, która zdolna byłaby do kontrolowania rozmieszczenia bitów na nośniku BPM. Pozostałe technologie (SMR, HAMR itp.) mogą korzystać ze zmodyfi kowanych istniejących głowic. Szacuje się, że połączenie struktury cząstek właściwej dla BPM z technologią HAMR pozwoli osiągnąć gęstość zapisu rzędu 10 terabitów na cal kwadratowy, co dla 3,5-calowego dysku oznaczałoby pojemność 60 TB. Toshiba już współcześnie zaprezentowała dysk BPM ze stopem FePt właściwym dla HAMR, charakteryzujący się gęstością zapisu wynoszącą aż 5 terabitów na cal kwadratowy – to właśnie jest prawdziwa granica dzisiejszych technologii.
Nowym celem naukowców jest technika dwuwymiarowego zapisu magnetycznego (TDMR – Two Dimensional Magnetic Recording), która radzi sobie z “trylematem” w zakresie zaszumienia informacji przy zbyt małej liczbie cząstek użytych do przechowania jednostki informacji. W przypadku TDMR uporano się z problemem szumu poprzez fi ltrację zniekształconego sygnału, co wymaga kilku skanów tego obszaru lub jednoczesnego odczytu dwuwymiarowej powierzchni za pomocą kilku głowic. Następnie dekoder wykonuje analizę obrazu powierzchni nośnika i przekazuje prawidłowe ułożenie bitów. TDMR wydaje się obiecującą technologią, przydatną w przypadku przyszłych dysków łączących rozwiązania znane z technologii SMR, HAMR oraz BPM i charakteryzujących się gęstością zapisu jeszcze większą od 10 terabitów na cal kwadratowy. Pojemność takich dysków przekraczałaby 60 TB, a transfer danych byłby większy od 1 GB/s, ale to wciąż tylko teoria.
ZAPOTRZEBOWANIE NA DYSKI BĘDZIE ROSNĄĆ
Wymagania dotyczące przestrzeni archiwizacyjnej w ciągu kilku najbliższych lat wzrosną ponad pięciokrotnie w stosunku do dzisiejszego zapotrzebowania. Dyski magnetyczne mogą sprostać temu wyzwaniu tylko pod warunkiem wdrożenia nowych technologii już w roku 2015.
“TRYLEMAT” MAGNETYCZNEGO PRZECHOWYWANIA
Gęstość zapisu talerzy dysków bazujących na technologii prostopadłego zapisu nie może przekroczyć granicy 1 terabitu/cal kwadratowy: mniejsze cząsteczki nośnika oznaczają spontaniczne rozmagnesowanie, a mniejsza liczba cząstek w grupie przechowującej bit informacji oznacza zbyt słaby sygnał.
PROSTOPADŁY ZAPIS = PIONOWE NAMAGNESOWANIE
W przeciwieństwie do wcześniej stosowanych rozwiązań zapis prostopadły opiera się na pionowej strukturze cząsteczek, co pozwoliło zwiększyć jego gęstość. Dziś to standardowe rozwiązanie, które zostanie uwzględnione również w przyszłych technologiach przechowywania danych.
SMR:
ZAPISYWANIE ŚCIEŻEK Z ZAKŁADKĄ
W technologii Shingled Magnetic Recording głowica dysku zapisuje ścieżki z niewielkim przesunięciem względem każdej kolejnej ścieżki. Dzięki temu możliwy jest odczyt ścieżki mniejszej niż wielkość elementu zapisującego, a specjalny mikroskopijny “gont” chroni zapisane ścieżki przed niepożądaną zmianą stanu.
NOWE STOPY METALI DLA DYSKÓW HAMR
Stop żelaza i platyny (FePt) charakteryzuje się wyższą energią anizotropii i silniejszym namagnesowaniem. Dzięki temu można użyć znacznie mniejszych cząsteczek stopu niż w przypadku zapisu prostopadłego.
HAMR:
ZAPIS WSPOMAGANY PRZEZ LASER
Głowica zapisująca jest w stanie zmienić uporządkowanie namagnesowanych cząstek dysku HAMR tylko wtedy, gdy wcześniej zostaną one na chwilę podgrzane przez promień laserowy do wielkości sięgającej – ale nigdy nieprzekraczającej – tzw. temperatury Curie (w której dany materiał traci całkowicie właściwości magnetyczne).
MAMR:
NAMAGNESOWANIE ZA POMOCĄ MIKROFAL
Zamiast lasera wykorzystywanego w dyskach HAMR możliwe jest użycie oscylatora mikrofalowego w celu “rozluźnienia” siły uporządkowania cząstek nośnika, a tym samym umożliwienie zmiany ich namagnesowania przez głowicę zapisującą.
BPM:
IZOLOWANE MIKROMAGNESY
Liczba namagnesowanych cząsteczek przechowujących bit informacji może być zredukowana poprzez izolowanie każdego bitu. Dzięki temu głowica dysku zawsze rozpozna sygnały reprezentujące właściwe
informacje.
TDMR: DEKODOWANIE SŁABYCH SYGNAŁÓW
Dzięki technologii dwuwymiarowego zapisu magnetycznego sygnał przenoszący dane może być łatwo odróżniony od szumu tła. Głowica musi dokonać analizy obrazu 2D powierzchni cząstek przenoszących dane, aby należycie odczytać prawidłowy ciąg bitów.
