В течение последних 50 лет плотность записи на жестких дисках, измеряемая количеством битов данных, которые инженеры могут втиснуть в заданную область, увеличивалась почти на 40 процентов в год. Однако, в последнее время этот показатель снизился до 10 процентов.
Каждый, кто работает с магнитным хранилищем, хорошо знает об этой проблеме, но только недавно руководители Seagate Technology и Western Digital, ведущих производителей жёстких дисков, публично высказали предложения о том, как её решить. В параллельных анонсах в октябре 2017 года Western Digital обязалась начать поставки накопителей на основе микроволновой магнитной записи (MAMR) в 2019 году, а Seagate заявила, что представит накопители, которые используют высокотемпературную магнитную запись (HAMR), к 2020 году.
Если решение одной компании окажется превосходным, оно изменит отрасль и курс прогресса в области магнитного хранения. У компаний, которые хотят хранить огромные объемы данных, есть и другие варианты, но жесткие диски HDD по-прежнему являются предпочтительным выбором для корпоративных хранилищ, которые находятся где-то между более быстрыми и более дорогими твердотельными накопителями на флеш-памяти и более медленными и дешевыми магнитными лентами.
В настоящее время Seagate планирует выпустить 20-терабайтный накопитель на основе HAMR в 2020 году, а Western Digital обещает MAMR-накопители в этом году с емкостью 16 ТБ. Ожидается, что Western Digital к 2025 году быстро увеличит объем дисков MAMR до 40 ТБ, в то время как Seagate полагает, что сможет достичь аналогичных мощностей с помощью HAMR, хотя и не объявила публично целевой срок.
Обе компании, по сути, начинают с одного места, с жестких дисков, которые имеют несколько ключевых компонентов. Носитель, например, представляет собой тонкий диск, который покрыт некоторой формой магнитного материала, состоящего из бесчисленных отдельных зерен, каждое из которых намагничено в одном конкретном направлении. Десять или около того зёрен в кластере, все с намагниченностью в одном направлении.
Внутри привода расположен двигатель, который вращает магнитную пластину со скоростью от 5000 до 11000 оборотов в минуту. Всего в 2 нанометрах над диском находится компонент, который Seagate и Western Digital намерены переделать: головка чтения/записи. Эта головка создаёт своё собственное магнитное поле, используя его для изменения магнитной ориентации зёрен, чтобы записать 0 или 1. Датчик на головке считывает данные, измеряя флуктуации магнитного поля над диском.
Со временем инженеры делали эти зёрна всё меньше и меньше, что позволяло сохранять больше битов в одной и той же области на диске. Чтобы продолжить увеличение емкости дисков, зёрна пришлось бы сделать настолько маленькими, что окружающая тепловая энергия могла бы заставить их самопроизвольно переворачиваться, уничтожая данные, которые они хранили.
Пять лет назад самые мелкие зерна на магнитном диске имели диаметр 9,5 нанометров (слева). Сегодняшние диски с лучшими характеристиками имеют ширину всего 7 нанометров [посередине]. С новыми достижениями в головке чтения/записи диски смогут полагаться на зерна размером до 5,6 нм [справа]. Изображения: Seagate
Чтобы предотвратить такое самопроизвольное стирание данных, производители начали использовать новые материалы, такие как железо-платиновые сплавы, для изготовления дисков с магнитно-«твердыми» зернами, которые не будут случайно переворачиваться при комнатной температуре. К сожалению, это изменение также делает невозможным использование традиционных головок чтения/записи, которые не могут генерировать достаточно сильное магнитное поле и фокусировать его на такой маленькой области.
Для создания жестких дисков большей емкости требуется новый способ перемагничивания зёрен. Именно это разработали Seagate и Western Digital.
HAMR и MAMR используют простую стратегию: направляют немного энергии в целевые зерна на жестком диске, и это делает временно возможным изменение их магнитной ориентации с помощью внешнего магнитного поля практической величины. Как только энергия рассеивается, зёрна восстанавливают свою устойчивость к самопроизвольным переворотам при комнатной температуре.
В Seagate намерены использовать лазерный луч, но свет лазера, направленный прямо на диск, нагревал бы слишком большое пятно, вызывая переворачивание и других зёрен. Каким-то образом им удалось сфокусировать энергию лазера в более узкой области, чем длина волны самого светового луча.
Чтобы организовать это, исследователи построили головку, использующую инфракрасный лазером, и направили часть света, который он производит, на крошечную металлическую пластину, которая имеет ширину всего 200 нм. Исследователи Seagate называют эту тарелку «леденцом», потому что она имеет форму круга с коротким колышком, выступающим в одну сторону.
Когда свет достигает «леденца на палочке», он возбуждает поверхностные плазмоны, которые представляют собой сгустки электронов колеблющейся плотности, которые могут возникать на поверхности большинства металлов. Эти плазмоны передают энергию на палочку, чья особая форма обеспечивает путь наименьшего сопротивления энергии, чтобы покинуть «леденец».
Попав в палочку, плазмоны разряжают энергию в узкую полоску диска через, так называемый, эффект громоотвода. Этот электрический разряд нагревает диск и в течение очень короткого периода намагниченность зерен в небольшой области может быть переориентирована полем, создаваемым головкой чтения-записи, прежде чем встроенный в диск теплоотводящий слой заберёт энергию.
Эта схема работала достаточно хорошо в ранних тестах, но Ян-Ульрих Тиле, управляющий технолог и старший директор по исследованиям и разработкам в Seagate и его команда вскоре столкнулись с серьезной проблемой: колышек леденца, который был сделан из золота, постепенно «таял». Это будет работать в течение нескольких минут, а затем превратится в крошечный золотой шарик, делая диск бесполезным.
Чтобы сделать приводы HAMR более надежными, команда Тили переработала головку, чтобы лучше направлять избыточный свет и тепло от леденца на палочке, переключилась на новый материал и сделала леденец толще. Теперь, говорит Тиле, головка HAMR может записывать петабайты данных без сбоев, и Seagate создала более 50000 жестких дисков HAMR в своем стремлении усовершенствовать технологию.
Но некоторые клиенты могут испугаться такой технологии из-за опасений по поводу долговременного воздействия тепла на диск.
«Вероятно, большинству корпоративных клиентов технология MAMR понравится больше», – говорит Джон Риднинг из аналитической компании IDC. – «У них будет немного больше уверенности в том, что технология со временем не станет подвержена проблемам с надежностью, потому что не будет производить столько тепла».
Western Digital считает, что MAMR обладает таким же потенциалом, как и HAMR, и заслуживает места в дорожной карте отрасли, в которой в настоящее время указан только HAMR.
«Мы предложили параллельный путь, но Seagate продолжает настаивать на том, что HAMR имеет долгосрочную жизнеспособность, с чем мы не согласны», – говорит Тао Нгуен, старший вице-президент Western Digital по операциям с головными офисами.
В случае MAMR считывающая/записывающая головка модифицируется для включения устройства, называемого осциллятором с вращающим моментом, который состоит по меньшей мере из двух магнитных слоев. Когда постоянный ток проходит через первый, спины электронов становятся поляризованными. Затем электроны проходят через второй слой, который намеренно построен, чтобы иметь противоположное магнитное выравнивание. На этой второй стадии спин-поляризованные входящие электроны влияют на электроны в магнитном слое, слегка смещая свою намагниченность, прежде чем перейти на другую сторону.
Взаимодействие создает колебания в магнитных моментах электронов во втором слое. Этот процесс испускает микроволновое поле, которое можно настроить на резонансную частоту магнитного материала, покрывающего жесткий диск, – около 15-20 гигагерц. Когда это поле колеблется, оно вызывает аналогичное колебание в узком кусочке зёрен на диске внизу, облегчая их переворачивание.
Нгуен утверждает, что MAMR в 50 раз надежнее HAMR. Но Тиле и Стив Хванг, вице-президент Seagate по развитию, скептически относятся к тому, что генератор с крутящим моментом может производить частоты достаточно высокие, чтобы влиять на более мелкие зёрна, которые будут использоваться для жестких дисков в будущем.
«MAMR, в лучшем случае, разовая игра», – говорит Хванг. – «С точки зрения плотности площадей, это хватит ещё на одно поколение или, может быть, на два».
Цзянь-Ган (Джимми) Чжу, директор Центра систем хранения данных в Университете Карнеги-Меллона, не беспокоится о способности МАМР масштабироваться. По его расчетам, генератор с вращающим моментом может генерировать частоты до 40 ГГц, что позволяет MAMR поддерживать в четыре или пять раз большую емкость современных жестких дисков.
«На мой взгляд, это не аргумент», – говорит он. – «Частота вообще не проблема».
Нгуен также утверждает, что Western Digital отметила «другие эффекты», которые он описывает как «больше, чем микроволновка», в экспериментальных приводах MAMR. Отчасти из-за этих эффектов он говорит, что компания достигла мощностей, превосходящих их ожидания. Хотя он отказывается сообщить подробности, но ожидает, что Western Digital опубликует свои выводы в научном журнале в течение года или двух.
Объявление Western Digital в октябре 2017 года о планах по коммерциализации MAMR вызвало бурную деятельность в штаб-квартире Seagate.
Чжу, чьи модели и теоретическая работа легли в основу разработки MAMR, считает, что MAMR отстает на шаг или два просто потому, что по его оценкам компании потратили на разработку HAMR более 2 миллиардов долларов США за эти годы, тогда как они потратили всего 100 миллионов долларов на МАМР.
В конечном счете, Seagate и Western Digital не должны убеждать друг друга – им нужно только убедить клиентов в том, что их технологии надежны.
На данный момент инженеры Seagate и Western Digital работают над совершенствованием HAMR и MAMR под давлением установленных сроков и выясняют, как гарантировать надежное производство этих новых технологий на существующих производственных линиях в больших объемах. Затем, когда каждая компания выпустит свой первый продукт, тогда крупные вложения в разработку, наконец, начать окупаться.
