(на основе IRDS Mass Data Storage © IEEE 2023)
Краткое содержание
Из всех существующих технологий массового хранения данных, жесткие диски занимают наибольшую долю в индустрии по объему хранения. В настоящее время рынок HDD продолжает снижаться в плане объема поставок, главным образом из-за замещения твердотельными накопителями. Однако спрос на nearline накопители для центров обработки данных продолжает расти, и технологические достижения, такие как заполнение гелием, увеличение количества головок и пластин, двойные актуаторы и запись с тепловой поддержкой (HAMR), способствуют дальнейшему увеличению емкости. Дальнейший рост емкости будет зависеть от развития HAMR, а также внедрения новых технологий, таких как следующее поколение TDMR и магнитная запись на нагретые точки (Heated Dot Magnetic Recording).
Анализ ситуации
Среди технологий хранения данных, по поставляемому объёму, жесткие диски доминируют на рынке устройств. С момента своего появления, которое состоялось благодаря IBM в 1956 году, эти устройства играют важную роль в вычислительных системах. В настоящее время рынок HDD переживает изменения в связи со снижением поставок в штуках, но увеличением общей продаваемой ёмкости за счёт ряда тенденций. К ним относится сокращение рынка настольных и портативных компьютеров (что указывает на уход 2,5-дюймового формата в этих сегментах), а также почти полное вытеснение высокопроизводительных корпоративных HDD SSD-накопителями (10k и 15K об/мин диски исчезли с рынка, оставив только диски на 7200 об/мин и медленнее). Эти сокращения компенсируются сильным ростом HDD, как в объёме поставок, так и ещё больше в ёмкости, в сегменте nearline – хранении больших объемов холодных данных в датацентрах.
Ожидается, что рынок nearline стабилизирует общий спад поставок HDD к последней половине этого десятилетия, как показано на рисунке 1.
HDD также переживают значительные изменения в технологии записи. Технология перпендикулярной магнитной записи почти достигла своего предела по плотности около 1,2 Тбит/кв. дюйм. В настоящее время более высокие ёмкости HDD в основном достигаются за счёт увеличения числа пластин в накопителе, что стало возможным благодаря использованию гелия вместо воздуха. Дальнейший рост плотности записи будет зависеть от новых технологий, таких как магнитная запись с подогревом, трёхмерная магнитная запись и магнитная запись на точечные зоны с подогревом.
Технические и коммерческие вопросы
Хотя объемы поставок HDD снизились, с возможным возобновлением роста к концу десятилетия, цены за гигабайт продолжают снижаться. Однако это снижение происходит медленнее, чем в прошлом, из-за более медленного роста плотности записи (как показано на рисунке 2). Этот процесс обусловлен рядом ключевых научных и технических достижений в области магнитных головок, дисков, интерфейсов, механики, обработки сигналов и повышения эффективности производства.
Это сделало решения на базе HDD подходящими для более широкого круга применений, в особенности для потребительских и развлекательных устройств. Однако это также создаёт постоянное давление на компании, разрабатывающие и производящие HDD-продукты, вынуждая их поддерживать прибыльность и жизнеспособность бизнеса. Более стабильные цены на HDD, обусловленные консолидацией отрасли и лучшим контролем производственных запасов, позволили компаниям оставаться прибыльными, что может поддерживать расходы на внедрение следующей волны технологических инноваций.
Оборудование для производства
Производство магнитных накопителей данных зависит от сложного набора производственных инструментов. Критическое оборудование для литографии, экспонирования и напыления, используемое при производстве головок и дисков, похоже на оборудование в полупроводниковой промышленности, с аналогичными критическими размерами, уникальными наборами материалов и некоторыми особыми требованиями к процессам, такими как чрезвычайно тонкие слои напыления (менее 1 нм), ориентация магнитного поля и трехмерная топография в наномасштабе.
Особенностью производства HDD является процесс изготовления воздушной подушки (планера) для магнитных головок. Магнитные головки HDD требуют точной подгонки и полировки с субмикронной точностью для обеспечения контроля зазора между головкой и пластиной, а также геометрии элементов магнитной головки и крепления лазера (для HAMR).
Еще одной уникальной чертой магнитных дисков (а также магнитных лент) является использование непрерывной поверхности, производимой в рамках единого производственного процесса для записи данных (в отличие от полупроводниковых и оптических устройств хранения данных). Механические сборочные инструменты и испытательное оборудование предоставляются рядом поставщиков как из Северной Америки, так и из других стран. Производители также используют программное обеспечение различных поставщиков для планирования производства, управления процессами, контроля запасов и так далее. Капитальные затраты на создание одной производственной линии для HDD могут превышать 50-100 миллионов долларов США, поэтому решения о расширении производственных мощностей принимаются с особой осторожностью. Ключевые факторы включают затраты на оборудование для производства и тестирования (например, для прогонки и тестирования накопителей) и необходимость снижения себестоимости продукции для соответствия требованиям заказчиков.
Профессиональные ассоциации в области хранения данных, такие как Международная ассоциация оборудования и материалов для дисков (IDEMA), Консорциум по исследованиям в области передовых систем хранения (ASRC), Ассоциация индустрии сетевого хранения (SNIA), а в прошлом и Консорциум информационной индустрии хранения данных (INSIC), способствуют повышению видимости производителей оборудования, организуют технические встречи по важным вопросам и создают рабочие комитеты для анализа и принятия общих стандартов для спецификаций компонентов, тестов производства, управления хранением и характеристик продукции.
Производственные процессы
Разработка ключевых производственных процессов может осуществляться внутри компании, предоставляя эксклюзивное конкурентное преимущество для поставщиков накопителей. Секреты производства и тестирования головок и дисков могут быть легко скрыты в производственных процессах, которые сложно скопировать. Однако иногда эти секреты недостаточно хорошо документированы, что затрудняет воспроизведение процесса. На рисунке 3 показаны основные этапы производства магнитной головки для дискового накопителя, начиная с полупроводниковой пластины и до завершенной сборки головки и подвески (HGA).
Рис.3. Производство головки жесткого диска. Источник: Naniwa, I., Sato, K., Nakamura et al. Microsyst Technol 15, 1619–1627 (2009)
Вертикальная интеграция
В прошлом некоторые компании по производству жестких дисков нанимали контрактных производителей для изготовления всех или значительной части своих продукции. Эти компании можно было назвать безфабричными производителями. Сейчас отрасль перешла на почти полную вертикальную интеграцию, когда разработка и производство ключевых технологий головок и дисков все больше осуществляются внутри компании. Например, корпорация Western Digital приобрела активы компаний Read-Rite и Komag для производства головок и дисков. HGST (Hitachi Global Storage Technology — приобретена Western Digital) и Seagate Technology создали собственные мощности для производства головок и дисков. Эта интеграция позволяет обеспечить тесную коммуникацию между производителями компонентов и заводом по производству жестких дисков, чтобы на ранних стадиях производства нового продукта можно было оперативно решать критически важные проблемы процесса. Третья оставшаяся компания по производству жестких дисков, Toshiba, покупает все свои головки у внешних поставщиков — TDK и Showa Denko (теперь часть Resonac). До недавнего времени быстрый рост плотности записи на магнитные носители означал, что производственные циклы были короче, чем во многих других отраслях. Это требовало быстрого наращивания объемов производства и делало разработку производственных процессов ключевым ограничением при внедрении новых продуктов. Это также диктовало необходимость эволюционных, а не радикальных изменений от одного продукта к другому, чтобы снизить риски, связанные с новыми технологиями. Высокие показатели выхода годных изделий жизненно важны для обеспечения способности компании конкурировать в этой быстро развивающейся отрасли. В прошлом многие технически сильные компании были вынуждены покинуть рынок из-за неспособности успешно наращивать объемы производства и контролировать затраты при внедрении новых продуктов.
Материалы
Ведущие компании занимаются разработкой передовых материалов для своих компонентов и конечных продуктов. На рисунках 4 и 5 представлены типичные компоненты магнитного жесткого диска, а рисунок 6 демонстрирует соотношение между головкой и диском, показывая головку, “парящую” над диском, и важные характеристики “ползунка” головки.
Рис. 4. Основные компоненты диска – шпиндель, пластины, подвеска и привод с головками
Рис. 5. Компоненты жесткого диска – шпиндель, пластины, привод и сборка подвески и головок (HGA) в припаркованном положении на рампе
Рис.6. Схематика взаимодействия пластины и головки в жестком диске. Источник: S. Wang and A. Taratorin, Magnetic Information Storage Technology, 1999
Улучшения в материалах и процессах позволили нескольким японским компаниям стать поставщиками критически важных компонентов для индустрии хранения данных с магнитной записью. Примеры включают в себя подложки дисков (высокочистый алюминий, а также стекло) и шпиндельные двигатели (одна компания в Японии (Nidec) поставляет двигатели для всех производителей дисков). Единственным независимым поставщиком головок является японско-китайское партнерство (TDK/SAE). TDK Headway/SAE заняли прочные позиции для обеспечения массового производства современных магниторезистивных головок. Единственной оставшейся независимой компанией, производящей магнитные диски, является Showa Denko (теперь часть Resonac).
Для индустрии массового хранения данных требуются критические достижения в области магнитных и немагнитных материалов для обеспечения функциональности головок на высоких плотностях записи и высоких частотах. Эти достижения включают: материалы и защитные покрытия для дисков, а также головки, способные поддерживать плотности, превышающие 160 Гбит/см² (1000 Гбит/дюйм² или 1 Тбит/дюйм²); изменения в технологии подложек носителей; и диэлектрические пленки толщиной менее 1 нм для усовершенствованных GMR (гигантское магниторезистивное сопротивление) и TMR (туннельное магниторезистивное сопротивление) головок.
Кроме того, такие технологии, как SMR (магнитная запись с черепичным расположением дорожек), TDMR (двумерная магнитная запись), HAMR (магнитная запись с тепловой поддержкой, пример магнитной записи с энергоподдержкой) и HDMR (магнитная запись с нагревом точек), потребуют разработки новых процессов и материалов для HDD. Технология HAMR требует инвестиций в оптические материалы и обработку, а также в новые материалы для носителей, такие как сплавы на основе FePt. Головки HAMR также нуждаются в соответствующих лазерах для нагрева носителя. Постоянные улучшения в материалах для постоянных магнитов будут критически важны для более эффективного проектирования шпиндельных двигателей и актуаторов, а введение пьезоэлектрических или основанных на MEMS (микроэлектромеханических системах) актуаторов потребует разработки новых материалов.
Дорожная карта необходимых характеристик
Таблица 1 отображает текущий прогноз дорожной карты необходимых ключевых характеристик для технологии хранения данных на жестких дисках (HDD), включая ёмкость и показатели производительности, а также основные характеристики головок, дисков, интерфейсов и каналов передачи данных.
| Ед. изм. | 2022 | 2025 | 2028 | 2031 | 2034 | 2037 | |
| Метрики отрасли | |||||||
| Форм-фактор | дюймы | 3,5, 2,5 | 3,5, 2,5 | 3,5 | 3,5 | 3,5 | 3,5 |
| Ёмкость | ТБ | 1-22 | 2-40 | 6-60 | 7-75 | 8-90 | 10-100 |
| Размер рынка | млн ед. | 166 | 173 | 208 | 249 | 299 | 359 |
| Стоимость/ТБ (средняя) | $/ТБ | 13,6 | 6,91 | 3,46 | 2,60 | 2,00 | <2,00 |
| Дизайн/Производительность | |||||||
| Плотность записи | Тб/дюйм² | >1,0 | >2,0 | >4,0 | >6,0 | >8,0 | >10,0 |
| Время вращательной задержки | мс | 2-12 | 2-12 | 2-12 | 2-12 | 3-12 | 3-12 |
| Время поиска* | мс | 3-5 | 3-5 | 3-5 | 2-5 | 1,5-5 | 1-4 |
| Скорость вращения (RPM) | об/мин | 4,2-10K | 4,2-10K | 4,2-7,2K | 4,5-7,2K | 4,5-7,2K | 4,5-7,2K |
| Скорость передачи данных | МБ/сек | 140-600 | 140-600 | 180-1,200 | 200-1,200 | 210-1,800 | 220-1,800 |
| Потребляемая мощность | Вт | 1.9-14 | 1.9-14 | 3-14 | 3-14 | 3-14 | 3-14 |
| Требования к ключевым компонентам | |||||||
| Головка чтения | тип | TMR | TMR | TMR | TMR | TMR / CPP-GMR | CPP-GMR / LSV |
| Материал пластины | тип | AlMg, Стекло | AlMg, Стекло | AlMg, Стекло | Стекло, Новая подложка | Стекло, Новая подложка | Стекло, Новая подложка |
| Коэрцитивная сила диска | Эрстед | 5,000-6,000 HAMR ≥30,000 | 5,000-6,000 HAMR ≥30,000 | 5,000-6,500 HAMR ≥30,000 | 5,000-20,000 HAMR ≥30,000 | 6,000-40,000 | 20,000-50,000 |
| Технология магнитной записи | Перпендикулярная TDMR, ePMR, HAMR, MAMR, SMR | Перпендикулярная TDMR, HAMR, SMR | Перпендикулярная TDMR, HAMR, SMR | Перпендикулярная TDMR, HAMR, SMR | Перпендикулярная TDMR, HAMR, SMR | Перпендикулярная TDMR, HAMR, SMR, Запись точек с нагревом | |
| Электроника/Канал | тип | LDPC Итеративный GPR (Турбо), Зависимое от шаблона предсказание шума GPR | LDPC Итеративный GPR (Турбо) | LDPC Итеративный GPR (Турбо), TDMR | LDPC Итеративный GPR (Турбо), TDMR | Мягкое ECC, TDMR | Мягкое ECC, TDMR |
| Полоса пропускания канала | МГц | 500-2,000 | 500-2,000 | 500-2,500 | 500-2,500 | >2,500 | >3,000 |
| Отношение сигнал/шум (SNR) | дБ | <20 | <20 | <20 | <20 | <18 | <18 |
| Актуатор | тип | Обычный / Микро, + DSA | Обычный / Микро, + DSA | Микро, + DSA | Микро, + DSA | Микро, + DSA | Микро, + DSA |
| Шпиндель | тип | Гидродинамический | Гидродинамический | Гидродинамический | Гидродинамический | Гидродинамический | Гидродинамический |
Таблицу можно двигать влево, вправо.
Критические вопросы бизнеса
Жизнеспособность
Продолжающаяся жизнеспособность и успех в индустрии жестких дисков (HDD) критически зависят от способности компаний поддерживать удовлетворительную прибыльность в условиях конкурентной среды, характеризующейся постоянным глобальным снижением цен и растущим давлением со стороны альтернативных технологий. Способность справляться с неизбежным снижением цен потребует постоянного улучшения эффективности разработки и операционной деятельности, в то время как инновации в области технологий и производства позволят сохранить лидерство по отношению к конкурирующим технологиям.
Темпы роста плотности записи
Как упоминалось в этом отчете, существуют несколько перспективных технологий, таких как HAMR, HDMR (магнитная запись с нагревом точек), TDMR, двухступенчатые актуаторы, высокочувствительные считывающие головки и другие, которые, вероятно, позволят достичь более высокой плотности записи. См. Рисунок 20. Однако разработка и вывод этих технологий на рынок обходятся дорого, и они могут повлечь за собой более высокие затраты на производство и риски, связанные с выходом годных изделий. В настоящее время на рынке дисков осталось меньше игроков, и меньшее количество финансирования поступает от правительства США на развитие передовых технологий в этой области. В отрасли с низкой маржинальностью, такой как индустрия жестких дисков (HDD), нехватка финансирования может серьезно затруднить коммерциализацию. Таким образом, вероятно, что новые технологии HDD продолжат увеличивать годовой темп роста плотности записи, но маловероятно, что средний темп роста плотности записи на уровне 50% и выше, наблюдавшийся в прошлом, вернется. Дорожная карта ASRC для плотности записи предполагает среднегодовой темп роста в 20% с 2022 по 2035 годы.
Рис.7. Роадмап ASRC по развитию технологий в жестких дисках
Конкуренция со стороны SSD
Твердотельные накопители оказывают давление на жесткие диски в сегменте низкой ценовой категории, например, в портативных компьютерах, где требуемые емкости относительно скромны, а стартовая стоимость, форм-фактор и энергопотребление играют в пользу SSD. В высокопроизводительном сегменте превосходные показатели SSD (время доступа) постепенно вытесняют жесткие диски из сектора высокопроизводительных корпоративных решений (серверов). Оставшийся рынок с потенциалом роста для жестких дисков – это хранение данных большого объема в виде nearline-хранилищ в центрах обработки данных.
Потребление энергии
Потребление энергии жесткими дисками стало все более важной проблемой по мере роста затрат на энергию и увеличения осознанности клиентов в вопросах экологии. Часть потребления энергии жесткими дисками можно снизить, сделав сами накопители более эффективными (лучшие источники питания, более эффективная электроника, использование гелия вместо воздуха и т. д.), но значительная часть проблемы связана с чрезмерным временем, которое многие диски проводят в режиме простоя, т. е. когда диск вращается, но данные не передаются. SNIA (Ассоциация сетевого хранения) сотрудничала с EPA (Агентством по охране окружающей среды) по вопросам сокращения времени простоя в массивах и разработки рейтинга Energy Star для жестких дисков. Герметичные гелиевые диски, включая многие HDD для центров обработки данных и корпоративного сектора, позволяют снизить потребление энергии в режиме простоя более чем на двадцать процентов.
Безопасность
Шифрование на уровне жесткого диска с использованием FDE (полное шифрование диска) является отличным решением для защиты данных на HDD. Со временем эта технология внедряется в большем количестве типов жестких дисков и постепенно находит признание на рынке. Компании-производители жестких дисков предлагают встроенное шифрование во многих своих моделях HDD.
Подводя итог можно сказать, что жесткие диски продолжают оставаться основой систем хранения данных. Их надежность, энергоэффективность и современные технологии защиты позволяют адаптироваться к вызовам рынка и сохранять конкурентоспособность даже в условиях растущего давления со стороны SSD.
Отслеживать