Технология SMR открывает новые горизонты магнитной записи. Технология SMR от Seagate — подробный обзор

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.

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.

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.

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.

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.

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 нап 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.

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.

Разработанная специалистами компании Seagate технология Shingled Magnetic Recording (SMR) уже в ближайшее время позволит увеличить удельную плотность записи данных на пластинах жестких дисков на 25% за счет принципиально новой схемы расположения дорожек. В следующем году будет запущено серийное производство 3,5-дюймовых винчестеров емкостью 5 Тбайт, а к 2020-му максимальный объем подобных накопителей достигнет отметки в 20 Тбайт.

Информационный взрыв

По оценке экспертов, в настоящее время население нашей планеты, составляющее порядка 7 млрд человек, ежегодно генерирует в общей сложности 2,7 зетабайт данных. И не нужно быть специалистом в области информационных технологий, чтобы понять, что с каждым последующим годом этот показатель будет лишь возрастать. Одним из способствующих этому факторов является увеличение пропускной способности каналов, используемых для подключения к Интернету как по фиксированным линиям связи, так и через публичные зоны беспроводного доступа и сотовые сети. Год от года возрастают объемы данных (и прежде всего медиафайлов), загружаемых в облачные хранилища, а также сохраняемых на жестких дисках домашних ПК и NAS-накопителей. И это вполне закономерно. Во­первых, увеличивается разрешающая способность бытовых фото- и видеокамер, а следовательно, и объем сохраняемых изображений и видеозаписей при том же количестве снимков и хронометраже видео. Во­вторых, благодаря повышению пропускной способности каналов доступа в Интернет стало возможным транслировать в потоковом режиме медиаконтент гораздо более высокого качества. Естественно, для хранения видеозаписей высокой четкости (и тем более в стереоскопическом формате) требуется гораздо больше дискового пространства, чем для файлов в формате стандартной четкости.

Серьезным фактором, создающим дополнительную нагрузку на системы хранения данных, является быстрый рост парка мобильных устройств - в первую очередь смартфонов и планшетных ПК. Поскольку подобные гаджеты, как правило, оснащаются относительно небольшим объемом встроенной памяти, у их владельцев часто возникает необходимость задействовать внешние накопители для хранения как генерируемого самостоятельно, так и загружаемого извне медиаконтента.

По словам Джона Райднинга (John Rydning), занимающего пост вице-президента по исследованиям рынка жестких дисков в аналитической компании IDC, в настоящее время отрасль жестких дисков переживает период значительного роста. Совокупная емкость поставляемых накопителей измеряется петабайтами, а ежегодный прирост данного показателя составляет порядка 30%. Однако при этом разработчикам удается увеличивать удельную плотность магнитной записи менее чем на 20% в год.

Таким образом, несмотря на постоянное совершенствование технологий, применяемых в жестких дисках, производители этих компонентов не поспевают за быстрорастущими потребностями рынка. Однако вряд ли можно винить в этом разработчиков, которые и так не покладая рук ищут всё новые и новые способы увеличения плотности магнитной записи.

Например, компания Seagate в 2007 году первой внедрила технологию перпендикулярной магнитной записи (Perpendicular Magnetic Recording, PMR) в серийно выпускаемых жестких дисках. Благодаря ориентации магнитных доменов не параллельно плоскости диска, а перпендикулярно ей, удалось уменьшить размеры дорожки и за счет этого увеличить емкость одной пластины до 250 Гбайт.

Спустя пять лет, благодаря планомерному развитию данной технологии, удалось увеличить удельную плотность магнитной записи в четыре раза и уместить 1 Тбайт данных на одной пластине. Это достижение позволило запустить в серийное производство 3,5-дюймовые жесткие диски емкостью 4 Тбайт. Однако в нынешних условиях и этого уже оказывается недостаточно.

Одним из способов сократить увеличивающийся разрыв между потребностями пользователей и техническими характеристиками выпускаемых жестких дисков является внедрение технологии так называемой черепичной магнитной записи (Shingled Magnetic Recording, SMR), которую разработали специалисты Seagate. Давайте разберемся, в чем заключается суть этого решения.

Принцип черепицы

Большинству читателей наверняка известно, что данные на поверхности пластин жесткого диска записываются на так называемых дорожках, которые можно упрощенно представить в виде совокупности концентрических окружностей (рис. 1). Чем меньше ширина дорожек и интервалов между ними, тем выше удельная плотность записи, а значит, и емкость накопителя при тех же формфакторе и количестве пластин.

Рис. 1. Схема расположения дорожек
на поверхности магнитной пластины

При традиционном способе магнитной записи минимальная ширина дорожки определяется физическими размерами записывающего элемента головки жесткого диска (рис. 2). К настоящему времени уже достигнут предел миниатюризации элементов магнитных головок, и дальнейшее уменьшение их размеров при использовании существующих технологий невозможно.

Рис. 2. При традиционной схеме расположения дорожек их минимальная ширина
ограничивается размером записывающего элемента магнитной головки накопителя

Технология SMR позволяет обойти данное ограничение и увеличить удельную плотность записи за счет более плотного расположения дорожек, которые частично накладываются одна на другую подобно элементам черепичной кровли (рис. 3). В процессе записи новых данных дорожки с ранее сохраненными данными как бы обрезаются. Поскольку ширина считывающего элемента магнитной головки меньше, чем записывающего, все имеющиеся на пластине данные по-прежнему можно считать с обрезанных дорожек без ущерба для целостности и сохранности этой информации.

Рис. 3. При использовании технологии SMR дорожки располагаются более плотно,
частично перекрывая одна другую

Пока всё просто и понятно. Однако при необходимости записать новые данные поверх уже имеющихся возникает проблема. Ведь в этом случае придется перезаписать не только непосредственно этот фрагмент, но и блоки данных на следующих дорожках. Поскольку записывающий элемент магнитной головки шире считывающего, в процессе перезаписи будут уничтожены данные, ранее сохраненные на сопряженных участках близлежащих дорожек (рис. 4). Таким образом, для обеспечения целостности ранее записанной информации эти блоки необходимо предварительно сохранить в буфер и затем записать обратно на соответствующую дорожку. Причем эту операцию придется последовательно повторить для всех последующих дорожек - до тех пор, пока не будет достигнута граница рабочей области магнитной пластины.

Рис. 4. В процессе перезаписи данных на одной
из дорожек будет затронут участок соседней дорожки

С учетом этой особенности дорожки в жестких дисках с технологией SMR разделены на небольшие группы - так называемые пакеты (рис. 5). Такой подход обеспечивает возможность более гибкого управления процессом добавления и перезаписи данных, а главное, позволяет уменьшить количество дополнительных циклов перезаписи и за счет этого повысить производительность накопителя. Даже если пакет уже заполнен, то при замене блока данных в нем потребуется перезаписать участки лишь ограниченного количества дорожек (до границы данного пакета).

Рис. 5. Схема расположения дорожек в пакете

Структура пакетов на накопителе может быть разной в зависимости от сферы применения той или иной модели. Таким образом, для каждого семейства жестких дисков можно создать уникальную структуру пакетов, оптимизированную с учетом специфики использования этих накопителей.

Важно отметить, что для внедрения технологии SMR не требуется вносить значительных изменений в конструкцию магнитных головок и перестраивать процесс производства данных комплектующих. Это позволит сохранить себестоимость новых накопителей на прежнем уровне, а за счет более высокой емкости достичь еще более привлекательных показателей удельной стоимости хранения данных.

Заключение

Итак, технология SMR является весьма эффективным решением, позволяющим в короткие сроки и с минимальными затратами удовлетворить растущую потребность в увеличении максимальной емкости жестких дисков. На первом этапе внедрения технологии SMR она позволит увеличить удельную плотность записи данных на 25% - с 1 до 1,25 Тбайт на одну пластину 3,5-дюймового формфактора. Таким образом, уже в следующем году станет возможным выпуск жестких дисков емкостью 5 Тбайт.

Важно отметить, что в случае внедрения технологии SMR увеличение емкости накопителей достигается без наращивания количества магнитных головок и/или пластин жесткого диска. Таким образом, новые винчестеры большей емкости будут столь же надежны, как и ранее выпускавшиеся модели аналогичного формфактора. Кроме того, как уже было упомянуто выше, внедрение технологии SMR не требует внесения значительных изменений в конструкцию жесткого диска. Это, в частности, позволяет использовать такие же магнитные головки и пластины, которые устанавливаются в ныне выпускаемых моделях.

Еще одним достоинством SMR является возможность комбинирования данного решения с различными технологиями магнитной записи. В настоящее время она применяется в жестких дисках с перпендикулярной магнитной записью, однако в перспективе может быть использована в сочетании с другими решениями, которые позволят достичь еще большей удельной плотности записи.

Статья подготовлена по материалам компании Seagate

Однако и развитие «железных» технологий - крайне интересная тема. Будущее в сфере хранения информации не дает покоя визионерам, инженерам и ученым – уже сейчас в мире ведутся разговоры о таких экзотических вариантах хранения данных как, например, генетические хранилища. В этой связи использование «старых добрых» HDD может показаться вчерашним днем, однако представители индустрии не советуют спешить с выводами – ниже мы расскажем, почему.

Накопители на жестких магнитных дисках [англ. hard disc drive, HDD] имеют долгую историю – первые из них были созданы еще в середине 50-х годов ХХ века. И если кто-либо полагает, что с появлением твердотельных накопителей [англ. solid-state drive, SSD] HDD канут в лету, то издание Anandtech.com в своей статье готово с этим поспорить. Авторы ссылается на мнение представителей Seagate Technology, которые полагают, что технология HDD останется актуальной по меньшей мере еще 15-20 лет, правда, не без существенных технических улучшений в ближайшем будущем.

«Я считаю, что жесткие диски просуществуют еще как минимум 15-20 лет», – заявил Дэвид Мортон, главный финансовый директор Seagate, в ходе своего доклада на 33-й конференции Nasdaq Investor Program Conference.

HDD: еще не все потеряно

По оценкам Seagate Technology и Western Digital Corp, общий объем рынка HDD упал до 118 миллионов единиц в третьем квартале 2015 года. Для сравнения: в третьем квартале 2010 года производители жестких дисков продали около 164 миллионов единиц своей продукции, как заявили два ведущих игрока рынка.

Судя по этим цифрам, продажи HDD постепенно сокращаются (из-за падения спроса на ПК, а также популяризации SSD и облачных хранилищ). Однако, как считает Anandtech.com, конкурентам вряд ли удастся превзойти технологию HDD в одном – она имеет наименьшую стоимость за гигабайт, и даже снижение цен на SSD неспособно пошатнуть лидирующее положение HDD в этой области – а значит, жесткие диски еще долго будут использоваться для хранения больших объемов данных. И это не говоря уже о том, что твердотельные накопители иногда оказываются далеко не такими надежными, как может показаться на первый взгляд – о странной истории, произошедшей с SSD-дисками на проекте Algolia, на Хабре уже писали раньше (хотя в том конкретном случае в итоге дело оказалось в ядре Linux).

Для сохранения конкурентоспособности жесткие диски должны увеличивать свою емкость. И, как предсказывают эксперты, именно это и должно произойти в ближайшие годы: издание Anandtech.com приводит в пример организацию Advanced Storage Technology Consortium, которая предсказывает рост емкости HDD до 100 Тб к 2025 году.

Источник: статья Anandtech.com

Технологии записи: PMR, SMR и другие

Основу современных жестких дисков составляют технологии перпендикулярной [англ. perpendicular magnetic recording, PMR] и черепичной магнитной записи [англ. shingled magnetic recording, SMR]. Диски на базе технологии PMR активно использовались в последние десять лет и останутся популярными благодаря относительно высокой производительности последовательной записи, низкой стоимости за гигабайт и высокой надежности.

Диски с технологией SMR проигрывают HDD с технологией PMR в производительности, однако обеспечивают высокую плотность записи HDD (до 1,1 Тбит на квадратный дюйм и выше). Дело в том, что технология SMR предполагает запись новых магнитных дорожек так, что они перекрывают часть ранее записанных дорожек, а это, в свою очередь, снижает скорость записи.

Производители HDD с технологиями PMR и SMR для увеличения их емкости вынуждены устанавливать до шести пластин в стандартный 3,5-дюймовый HDD. Такая операция предполагает заполнение винчестеров гелием – это позволяет поместить до семи пластин в один винчестер и уменьшить расход энергии приводов HDD, правда, требует больших затрат.

По словам автора, массовым выпуском жестких дисков с использованием гелия занимается сейчас только компания HGST, дочернее предприятие Western Digital (в третьем квартале 2015 года компания продала 1,1 млн. таких HDD). Однако, спрос на этот тип жестких дисков сейчас растет, поэтому в нынешнем году производство гелиевых HDD, вероятно, развернут и другие компании.

Новые решения: TDMR и HAMR

Несмотря на успех технологий PMR и SMR, производители пытаются использовать и внедрять новые решения, позволяющие жестким дискам оставаться конкурентоспособными. Например, по словам автора статьи в Anandtech.com, Seagate готовится запустить производство жестких дисков с технологией двухмерной магнитной записи [англ. two dimensional magnetic recording, TDMR].

«Последние два года мы много говорили о технологии двухмерной магнитной записи. Мы будем готовы к ее запуску через один или два года», – заявил Дейв Мосли, президент по операциям и технологиям в Seagate, на сентябрьской конференции аналитиков и инвесторов компании по вопросам стратегических изменений.

Технология двухмерной магнитной записи позволяет повысить плотность записи жестких дисков, делая дорожки винчестеров более узкими. При этом, использование технологии TDMR позволяет избежать «наложения» дорожек друг на друга – данные считываются с нескольких смежных дорожек и затем определяется, какие именно данные были запрошены. Существует несколько способов реализации технологии TDMR: можно использовать описанный выше способ, когда одна головка считывает данные с нескольких смежных дорожек (при этом снижается производительность HDD), а можно использовать несколько головок (этот метод обеспечивает высокую производительность, но сложен в реализации).

По оценкам сотрудников Seagate, технология TDMR позволяет производителям HDD повысить плотность записи на 5-10% […] Логично ожидать, что в скором времени все производители HDD будут использовать в своих накопителях технологию двухмерной магнитной записи.

Другое решение – технология магнитной записи с применением нагрева [англ. heat-assisted magnetic recording, HAMR], еще не готова к массовому производству. Как утверждает автор, «второй по величине производитель HDD в мире считает, что надежность устройства базе HAMR недостаточно высока, поэтому технология пока не будет использоваться в коммерческих целях».

Эта технология основана на применении лазерной термической обработки, которая обеспечивает более высокую плотность записи (от 1,5 Тбит на квадратный дюйм) и в будущем может потеснить существующие решения, несмотря на то, что сегодня результаты по ее внедрению разочаровывают производителей.

«Технология HAMR […] пока не готова к внедрению в массовое производство. Я не очень рад тем результатам, которых мы достигли за предыдущие годы, но определенный прогресс все же был. […] Честно говоря, мы уже решили много проблем, и все производство, благодаря различным консорциумам, теперь сосредоточено на решении оставшихся. После того, как все они будут решены, мы сможем внедрить технологию HAMR в массовое производство», – Дейв Мосли, президент по операциям и технологиям в Seagate.

Первых продаж жестких дисков на базе технологии HAMR от Seagate можно ожидать ориентировочно в 2016-2017 гг., однако массовые поставки таких HDD планируется начать лишь в конце 2017-го – в 2018 году.

Большое будущее HDD

Помимо вышеописанных методов существуют и другие решения, которые, как считается, в перспективе смогут улучшить качество производимых жестких дисков. Одно из самых известных – технология размеченного хранения данных [англ. Bit Patterned Media Recording, BPMR] и магнитная запись с помощью СВЧ-излучения [англ. Microwave-Assisted Magnetic Recording, MAMR]. Производители не исключают, что в дальнейшем для создания HDD будут использоваться комбинации тех или иных решений. Еще одно направление – многослойная 3D-запись или ML-3D – принципиально иной подход к расширению возможностей HDD.

TDMR, HAMR и BPMR уже взяли на вооружение не только Seagate, Western Digital и Toshiba, но и ряд консорциумов и научных учреждений: представители отрасли хорошо понимают, что развитие этих технологий важно для всех ее игроков. В компаниях надеются, что такой подход позволит увеличить вероятность технологических прорывов в этой сфере и приблизит их наступление, а инвестиции, которые уже вложены в данное направление, служат залогом тому, что закат HDD произойдет нескоро – уж точно не в ближайшие 15–20 лет. А если HDD просуществует до 2035 года, то, как справедливо замечает автор, этот тип устройств прослужит человечеству около 80 лет – серьезный возраст для человека, не говоря уже о технологии.

Судьба сегмента жестких дисков в течение последних лет, казалось, была ясна. Для повышения емкости магнитных носителей производители сосредоточили свои разработки на технологии термоассистируемой магнитной записи (HAMR), использующей лазер для локального нагревания.

Ассоциация SNIA настолько однозначно определила роль этой технологии, что до последнего все крупномасштабные презентации строились вокруг стандарта HAMR. Поэтому, когда Western Digital недавно объявила, что в будущем полностью перейдет на магнитную запись с использованием микроволнового излучения (MAMR - микроволновая магнитная запись), всеобщее изумление было безграничным.

Облачная жажда памяти

Потребительский сектор на эту дискуссию может отреагировать с удивлением. Практически все хорошие ноутбуки и в настоящее время выпускаются с SSD, а для мобильных устройств накопители HDD и так не имели значения. Но вместе с тем для крупных компаний твердотельные накопители редко когда представляют собой хорошую альтернативу жестким дискам. Для корпоративных клиентов исключительную важность имеет количество петабайтов, которые можно уместить в серверной стойке наименее затратным образом. Твердотельные же накопители используются прежде всего для выполнения задач, требующих очень частого обращения к памяти.

Будущее жестких дисков
Компания Western Digital намерена в течение нескольких лет выпустить на рынок жесткие диски емкостью до 40 Тбайт - с технологией MAMR, основанной на излучении микроволн, и гелиевым заполнением корпусов дисков прогноз вполне реалистичный.

Для сервисов архивов особый интерес представляют недорогие жесткие ­диски большой емкости. «Постоянные» данные - это те данные, которые должны быть сохранены, несмотря на вероятность того, что доступ к ним никогда не понадобится (счета-фактуры пятилетней давности, налоговая документация), и которые компании должны держать где-нибудь на своих серверах или в облаке.

Другими словами, для производителей жестких дисков перспективы рисуются по-прежнему радужные. Но на безоблачное небо надвигаются мрачные тучи: технология магнитной записи в настоящее время физически достигает пределов своих возможностей.

Слева — MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording). Генератор спинового момента излучает микроволны рядом с головкой. Возникающий резонанс усиливает магнитное поле. В итоге создается поле более высокой напряженности, что, в свою очередь, позволяет уменьшить размер области, хранящей один бит.

Справа — HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording). Технология, суть которой - в быстром нагреве лазером пластины HDD. Чтобы получить ту же плотность записи, что и с MAMR, нужно не такое большое магнитное поле. Но технология требует значительных ресурсов и не соответствует Plug and Play.

Жесткие диски состоят из ряда наложенных друг на друга металлических пластин, на каждой из которых есть своя считывающая и записывающая головка. Она отвечает за запись, чтение и удаление битов с пластины. Чем больше битов можно записать на пластину, тем больше емкость диска.

Но размеры областей, хранящих отдельные биты, невозможно произвольно уменьшать, поскольку когда-нибудь плотность записи повысится настолько, что носители отдельных битов поменяют или потеряют направление намагниченности. Именно поэтому метод продольной записи (LRS) был заменен на более эффективный метод перпендикулярной магнитной записи (PMR). Образно говоря, носители битов, которые ранее лежали, подняли в вертикальное положение, перпендикулярно плоскости пластины, что позволило повысить плотность записи до достижения эффекта суперпарамагнетизма.

Дорожки, наложенные в виде черепицы

Но ресурсы PMR тоже исчерпаемы. Два года назад был представлен метод черепичной магнитной записи (SMR), позволяющий еще увеличить плотность хранения данных. Дорожки записываются, частично перекрывая друг друга в пределах одной группы. Метод возможен благодаря тому, что считывающая головка жесткого диска меньше в размерах, чем записывающая.

Но если нужно перезаписать диск, сначала считывается целая лента дорожек, данные с них сохраняются в промежуточном буфере, а затем лента дорожек записывается заново. Это обстоятельство - аргумент в пользу того, что технология SMR идеально применима к жестким дискам для архивного хранения данных, которые будут редко перезаписываться.

Больше пластин благодаря гелию

Для повышения емкости также предпринимаются попытки увеличить количество пластин, однако и это становится реальным только при определенных условиях. Из-за возникновения трения между пластиной и считывающей головкой расстояние между дисками невозможно сокращать до бесконечности.

В настоящее время в используется до пяти-шес­ти пластин. Корпус дисков тоже нельзя произвольно менять. Решение нашлось: корпус заполняется гелием. В настоящее время производители применяют этот метод для жестких дисков емкостью 14 Тбайт. Гелий, закачанный в корпус, уменьшает трение компонентов диска, но требует хорошей, а значит, и достаточно дорогой герметизации.

Уплотнение записи с помощью ­микроволн

Для изменения магнитного состояния пластины требуется некоторая энергия магнитного поля, которая в конечном итоге определяет размер области, хранящей один бит. При использовании технологии HAMR лазер перед записью нагревает соответствующую область пластины до 400–700 °C, благодаря чему снижается коэрцитивная сила материала и становится возможным уменьшить размер области бита. Но эта технология требует много ресурсов, а также адаптации ПО.

Суть же MAMR состоит в следующем. Магнитная головка оснащена генератором спинового момента, который излучает микроволны. В результате возникает эффект резонанса, усиливающий магнитное поле головки, необходимое для записи. Высокая напряженность магнитного поля позволяет головке намагничивать более короткие отрезки. Температура пластины при этом не превышает комнатную - она не подвергается термическому воздействию.

Western Digital рассчитывает, что технология MAMR в сочетании с SMR и гелиевым наполнением корпусов позволит выпускать недорогие жесткие диски, к тому же соответствующие Plug and Play. Выход на рынок дисков емкостью до 40 Тбайт анонсирован на 2019 год.