(на основе IRDS Mass Data Storage © IEEE 2023)
Развитие индустрии HDD невозможно без постоянного внедрения передовых технологий, таких как HAMR, SMR и MAMR. Эти инновации не только увеличивают плотность записи, но и помогают жестким дискам сохранять конкурентоспособность на фоне стремительного развития SSD. В этой части статьи мы детально рассмотрим технологические достижения, производственные процессы и перспективы дальнейшего развития HDD.
Рекомендации по приоритетным технологиям
Ключом к сохранению жизнеспособности индустрии магнитных накопителей является инновационное развитие в широком спектре технологий. К ним относятся: магнитные свойства головок для улучшения характеристик записи и соотношения сигнал/шум при считывании, магнитные носители для поддержки более высокой плотности записи, улучшенные материалы, усовершенствованные интерфейсы и конструкции воздушных подшипников, прецизионные механические компоненты, контроль загрязнений, высокоскоростная электроника и технологии обработки сигналов. Накопители размером менее 1,8 дюйма исчезли, вероятно, навсегда. Диски размером 2,5 дюйма все еще выпускаются, но их число будет сокращаться по мере замедления продаж HDD для ПК на фоне растущего использования SSD. Форм-фактор HDD 3,5 дюйма, особенно высокоемкие накопители для nearline-приложений, останется единственным в течение нескольких лет.
SMR
Один из подходов к увеличению плотности записи в жестких дисках — это черепичная запись (SMR). При минимальных изменениях в существующих головках и дисках эта технология продемонстрировала практическое увеличение плотности записи на 10–18 процентов (технология UltraSMR от Western Digital с OptiNAND обеспечивает на 18% большую емкость по сравнению с традиционной магнитной записью или CMR). Черепичная запись (см. рис. 8.) использует головку записи с более сильным, но асимметричным магнитным полем записи. Эта головка применяется для последовательной записи дорожек с шагом, который значительно меньше эффективной ширины магнитного поля записи головки. Процесс записи с перекрытием оставляет за собой дорожку, которая, хотя и намного уже, чем ширина головки записи, легко считывается еще более узкой головкой чтения TMR.
Рис.8. Принцип работы черепичной записи
Стоит отметить, что черепичная запись уже много лет используется в магнитной записи на лентах. Черепичная запись была введена в ленточные продукты LTO-2 в 2003 году (почти за десятилетие до ее внедрения в жестких дисках в 2013 году).
Хотя эта технология поддерживает произвольное чтение, она не позволяет эффективно выполнять произвольные записи. Из-за особенностей процесса записи ряд дорожек, смежных с записываемой, перезаписываются или стираются полностью или частично в направлении наложения дорожек, что создает так называемые «зоны» на носителе, аналогичные блокам стирания в NAND флеш-памяти. Это означает, что для каждой зоны записи или группы зон должны быть предусмотрены специальные области на носителе, чтобы обеспечить возможность произвольной записи. Либо произвольные записи должны кэшироваться в отдельной энергонезависимой памяти.
Кроме того, процесс записи последовательных данных должен быть максимизирован для минимизации записи случайных данных. Для этого в архитектуре жестких дисков с черепичной записью требуются специальные алгоритмы, кэширование и метаданные (данные, описывающие данные). В 2022 году компания Seagate сообщила, что почти 25% их nearline-дисков использовали SMR, и эта технология также широко применялась во внешних HDD для резервного копирования. WDC сделала аналогичные заявления.
Работа SMR наиболее подходит для последовательных записей и может негативно сказываться на производительности в приложениях с интенсивной случайной записью. Для более эффективного управления этими последствиями в корпоративных системах, в частности увеличением задержки записи, были разработаны стандарты, позволяющие управляющей системе контролировать характеристики записи устройства SMR.
Гелиевые герметичные диски
Плотность гелия составляет одну седьмую плотности воздуха, что дает такие преимущества, как меньшая сила сопротивления, воздействующая на вращающуюся стопку дисков, тем самым значительно уменьшая требуемую мощность двигателя шпинделя. Силы потока воздуха, воздействующие на диски и рычаги, также существенно уменьшаются, что позволяет располагать диски ближе друг к другу и размещать дорожки данных ближе. Более низкие силы сдвига и более эффективная теплопроводность гелия также означают, что диск работает при более низкой температуре и издает меньше акустического шума. Наконец, использование гелия позволяет использовать диски большего диаметра, что увеличивает общую емкость накопителей.
Тепловая магнитная запись (HAMR)
Перпендикулярная запись используется во всех коммерческих продуктах для жестких дисков. Плотность записи была продемонстрирована на уровне 2 Тбит/кв. дюйм с использованием перпендикулярной записи. Несмотря на этот прогресс, перед продолжением использования чистой перпендикулярной записи без каких-либо улучшений стоят серьезные вызовы. Традиционная перпендикулярная запись или так называемая традиционная магнитная запись (CMR) не может быть расширена намного выше 1 Тбит/кв. дюйм. Плотность CMR ограничена (а) необходимостью уменьшения размера зерен среды для более высокой плотности записи, (б) необходимостью увеличения магнитной анизотропии для поддержания термической стабильности среды и (в) физическими пределами полей записи на носителе. Эти ограничения обычно называют “Трилеммой магнитной записи”.
Тепловая магнитная запись (HAMR) является альтернативой для увеличения плотности записи на магнитных носителях за счет нагрева в процессе записи. HAMR использует тот факт, что коэрцитивная сила (HC) падает практически до нуля при нагреве магнитного материала до температуры, близкой к его точке Кюри (TC). Процесс записи HAMR использует этот эффект, нагревая носитель до температуры, при которой HC ниже, чем поле записи головки. Нагретая область среды затем быстро охлаждается до комнатной температуры после применения магнитного поля головки для записи на носителе. Это позволяет записывать на носители с более высокой HC при комнатной температуре и с меньшими зернами, чем при традиционной перпендикулярной записи, что приводит к значительному увеличению плотности записи.
Рис.9. Физический принцип HAMR записи
Система записи HAMR требует дополнительной возможности нагрева исключительно малых точек на носителе наряду со всеми функциями традиционной магнитной записи (CMR). В поставляемой системе HAMR от Seagate в качестве источника тепла используется лазерный свет, фокусируемый на преобразователь ближнего поля (NFT). Эта система направляет лазерный свет в специально сформированный световод для передачи света на NFT, формируя глубокую субмикронную тепловую точку на носителе. На рисунке 10 представлена схематическая схема предложенной системы записи HAMR, демонстрирующая её важнейшие компоненты. Рисунок 11 показывает подход, при котором лазер встроен непосредственно в головку.
Рис.10. Cхема предложенной системы записи HAMR
Рис.11. Лазер, встроенный в пишущую головку HAMR
И головка, и носитель HAMR в этих подходах могут быть изготовлены на существующих производственных линиях с некоторыми изменениями в текущих процессах и добавлением дополнительных компонентов (например, лазеров) и оборудования для сборки. В последние несколько лет компания Seagate поставляла накопители HAMR для оценки в центрах обработки данных и корпоративных системах и планирует начать их массовую поставку в 2025 году.
Перпендикулярная магнитная запись с энергетической поддержкой (ePMR)
ePMR — это технология, используемая в настоящее время компанией Western Digital для увеличения емкости их жестких дисков. ePMR увеличивает плотность битов на дюйм (BPI), подавая электрический ток на основной полюс головки записи в течение всего процесса записи. Этот смещающий ток обеспечивает более стабильное и быстрое переключение головки записи, уменьшая временные колебания (jitter). Более высокая плотность BPI достигается за счет записи отдельных битов данных ближе друг к другу, что приводит к увеличению плотности записи. Компания Western Digital открыла этот эффект и является основным пользователем данной технологии.
Магнитная запись с помощью микроволн (MAMR)
Магнитная запись с помощью микроволн (MAMR) — это альтернативная концепция энергоассистированной магнитной записи для увеличения плотности записи (AD). MAMR направлена на улучшение способности записи за счет дополнения перпендикулярного магнитного поля записи локализованным ВЧ-полем, которое обычно генерируется небольшим спиновым осциллятором (см. Рисунок 12).
Рис.12. – Концепция MAMR.
Источник: Mallory et al, IEEE Trans Magn, 50, 3001008, 2014
Моделирование предполагает, что технология MAMR может увеличить плотность записи до почти 4 Тбит/дюйм², если удастся достичь необходимых характеристик спинового осциллятора (STO) и разработать подходящий носитель. На сегодняшний день были публично продемонстрированы лишь ограниченные экспериментальные достижения в увеличении плотности записи с помощью MAMR. Версия MAMR (управление потоком — Flux Control-MAMR) используется компанией Toshiba в некоторых современных жестких дисках высокой емкости, и компания продемонстрировала путь к использованию MAMR с микроволновым переключением (MAS-MAMR) для увеличения емкости жестких дисков в будущем. (См. Рисунок 13).
Рис.13. – Роадмап HDD от компании Toshiba по мнению редактора The Register Криса Меллора (2022).
Двумерная магнитная запись (TDMR). *
Концепция TDMR (двумерная магнитная запись) использует двухмерную магнитную поверхность для достижения более высокой плотности записи и потенциально лучшей производительности чтения. Предполагается развитие нескольких поколений TDMR с прогрессивным увеличением сложности считывающей головки для обеспечения более сложного кодирования данных и увеличения плотности. В частности, она основана на:
- Считывании нескольких смежных дорожек либо с помощью нескольких элементов считывания (см. Рисунок 14), либо с использованием нескольких вращений;
- Совместной обработке этих дорожек.
Концепция TDMR устраняет прямую зависимость между шагом дорожек и профилем считывающей головки по направлению поперек дорожек; она допускает интерференцию между дорожками (ITI), которую можно устранить путем совместной обработки смежных дорожек. Это позволяет выбирать разные показатели линейной плотности (LD) и плотности дорожек (TD) для всей системы, что обеспечивает более высокую плотность записи и, возможно, лучшую производительность чтения. Первые продукты TDMR были представлены Seagate в 2017 году. В настоящее время эта технология используется в ряде моделей жестких дисков высокой емкости.
* Примечание редакции: на самом деле, название технологии не совсем корректно. Использование TDMR предполагает не изменение технологии записи, а изменение считывающей головки с добавлением одного или более дополнительных сенсоров, которые позволяют считывать более широкую полосу за один проход и с помощью сложной обработки сигнала от нескольких сенсоров получать более высокое соотношение сигнал/шум.
Рис.14. – Концепция TDMR из патента US9286926B1 (2015, Western Digital/HGST). На рисунке видны два сенсора, каждый из которых перекрывает читаемую дорожку и часть соседней.
Запись с подогревом на структурированный носитель (HDMR)
Для достижения плотности записи 10 Тбит/дюйм² потребуется сочетание технологий HAMR и структурированных носителей (называемой точечной магнитной записью с нагревом — HDMR). Структурированные носители содержат дискретные элементы магнитного материала, упорядоченно распределенные по поверхности диска. Эти структурированные точки становятся магнитными битами, когда головка записывает на них. Сочетание структурированных носителей с технологией HAMR позволит достичь плотности записи 10 Тбит/дюйм² в течение следующих 15 лет (оптимистично – ред.). На рисунке 15 представлено сравнение традиционной магнитной записи с носителями со структурированными точками.
В структурированных носителях информация сервопривода определяется литографией. Это потенциально позволяет снизить затраты на оборудование для записи сервоприводов, однако точность позиционирования информации, определенной литографией, требует улучшения для практического использования. Эти риски, а также предполагаемые капитальные расходы на переход к структурированным носителям, привели к тому, что индустрия жестких дисков рассматривает их как предмет для углубленных исследований, с возможным внедрением в массовое производство не ранее чем через 10 лет.
В структурированных носителях размер дорожек и битов на наномасштабе будет определяться исключительно литографией. Существует несколько технических кандидатов для применения этой улучшенной литографии.
Рис.15 – Сравнение обычной неструктурированной магнитной пластины (слева) и структурированной, изготовленной литографическим способом. Источник: HGST
Вероятный подход к созданию физических структур на носителе — использование самосборки блочного сополимера и умножения шаблона (например, SADP, SAQP, SAOP) для уменьшения шага, аналогично тому, как это делается в полупроводниковой промышленности. Использование самосборки ди-блочного сополимера (DBCP) может быть применено для определения структурированного носителя. Затем этот шаблон должен быть перенесен для формирования структурированного носителя. Этот метод позволил достичь плотности записи 5 Тбит/дюйм² с шагом около 15 нм. Технология DBCP основана на определенных физических и химических свойствах уникальных полимерных веществ.
Эти вещества обладают свойствами самосборки с высокой однородностью шага, которые можно комбинировать с направляющим шаблоном большой протяженности, таким как простой, низкоплотный шаблон, созданный с помощью электронно-лучевой литографии. Это сокращает время записи электронно-лучевой литографией, так как созданные шаблоны служат метками для упорядочивания процесса самосборки. Кроме того, этот метод можно использовать для создания предварительно структурированных матриц для печати, что, следовательно, может снизить затраты на изготовление матриц для электронно-лучевой литографии.
Рисунок 16 показывает, как блочные сополимеры могут использоваться для создания этих шаблонов. Для повышения отношения сигнал/шум (SNR) желательно, чтобы биты на носителе были прямоугольными, а не круглыми. Компании WDC и Seagate наложили печать концентрических колец с радиальными линиями для получения прямоугольных битов. Seagate продемонстрировала запись с плотностью до 1,6 Тбит/дюйм².
Рис.16 – Самосборка блочных сополимеров (IBM).
Заключение
В заключение, индустрия магнитной записи быстро развивается благодаря инновационным подходам, таким как черепичная магнитная запись (SMR), магнитная запись с тепловой поддержкой (HAMR), магнитная запись с помощью микроволн (MAMR) и точечная магнитная запись с нагревом (HDMR). Каждая из этих технологий направлена на решение задачи увеличения плотности записи при сохранении баланса между стоимостью, производительностью и технологичностью производства.
С введением таких передовых методов, как структурированные носители и самосборка блочных сополимеров, компании, такие как Seagate и Western Digital, стремятся к повышению емкости хранилищ данных, нацелившись на плотности, приближающиеся к 10 Тбит/дюйм² в ближайшие годы. Однако эти достижения требуют значительных капиталовложений, точных производственных технологий и новых материалов, что создает как технические, так и экономические трудности.
Необходимость в nearline-хранилищах большой емкости для центров обработки данных, вероятно, сохранит спрос на жесткие диски, несмотря на растущую конкуренцию со стороны SSD, особенно в сегментах высокопроизводительных и потребительских решений. По мере того как отрасль продолжает инновации в ответ на эти вызовы, ожидается, что технологии жестких дисков останутся востребованными, а разработки будут сосредоточены на максимизации плотности хранения, энергоэффективности и общей экономичности для крупномасштабных приложений хранения данных.
Отслеживать