Tooprogram.ru

Компьютерный справочник
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Технологии жестких дисков

НАКОПИТЕЛИ

Новые технологии и будущее HDD

Новые технологии и будущее HDD | Введение

На протяжении многих месяцев редакция THG.ru протестировала для вас множество SSD различных производителей, форм-факторов, с реализацией передовых технологий… А что происходит с технологиями жёстких дисков? Неужели это их конец? Как с точки зрения систем пользовательского класса, так и в мире ИТ корпоративного уровня сегодня только и разговоров, что о флэш-памяти и системах хранения данных (СХД). И даже с учётом того, что стоимость SSD продолжает снижаться, разница в цене в сравнении с традиционными жёсткими дисками до сих пор невероятна. В то время как ИТ-профессионалы продолжают мечтать о полностью основанных на флэш-памяти массивах хранения данных, технологии жёстких дисков продолжают медленно, но развиваться, за счёт чего повышаются плотность записи и производительность.

Новые технологии и будущее HDD | СХД корпоративного класса: новые технологии и будущее жёстких дисков

В этом году жёсткому диску исполняется 60 лет. Возможно, это было достойное старение, но годы прошли, и старичку, можно сказать, пора на покой. Для того чтобы и дальше увеличивать плотность записи, приходится изыскивать поистине гениальные инженерные решения, и поэтому возникает логичный вопрос: когда увеличение ёмкости НМЖД-накопителей уже станет невозможным? Когда это случится, у предприятий не останется другого выбора, кроме как отправить заслуженные HDD на покой.

Но для крупных центров обработки данных (ЦОД), где в стойках находятся тысячи жёстких дисков, расставание не произойдёт за один день. В некоторых случаях они продолжат работать на таких устаревших технологиях на протяжении чуть ли не десятилетий. Поэтому основные производители решений для хранения данных работают над новыми технологиями, чтобы отсрочить выход НМЖД на пенсию.

Новые технологии и будущее HDD | HAMR: магнитная запись с нагревом носителя

Предприятия продолжают активно пользоваться жёсткими дисками и, судя по всему, их аппетиты ненасытны. По сведениям аналитиков >Но на горизонте забрезжила надежда. Технология под названием «магнитная запись с нагревом носителя (HAMR) использует лазер для нагрева небольшой точки на стабильном магнитном носителе. Сам носитель, в свою очередь, сделан из магнитного сплава, который способен хранить данные на более мелких частицах, чем это характерно для современных технологий, но для того, чтобы изменить ориентацию магнитной частицы, носитель надо нагревать. В 2012 году Seagate стал первым производителем на рынке, который смог достичь плотности записи на уровне 1 Тбайт на квадратный дюйм, благодаря использованию HAMR. IEEE предсказывает, что в ближайшие годы данный результат можно будет увеличить в четыре раза.

К сожалению, технологию HAMR не смогут реализовать в коммерческих устройствах ещё два-три года, а это не очень хорошие новости для ЦОДов, которым нужно, чтобы ёмкость накопителей выросла уже сейчас. Но есть и радостные новости: пока ИТ-отделы предприятий ждут реализации HAMR, некоторые производители накопителей, похоже, имеют другие идеи насчёт того, как разместить больше бит на одной пластине.

Hitachi не так давно представила гелиевые диски, предлагающие повышенную плотность записи при сохранения типового форм-фактора. Seagate использовала технологию Shingled Magnetic Recording (SMR), чтобы увеличить ёмкость жёстких дисков, а также развивает платформу Kinetic Open Storage, чтобы снизить степень неэффективного хранения метаданных, таким образом, увеличивая производительность СХД.

Новые технологии и будущее HDD | Hitachi увеличивает ёмкость при помощи гелия

Последняя попытка Hitachi увеличить ёмкость HDD была достойной и благородной. Благородной потому, что в решении использовался гелий – благородный газ, призванный сделать жёсткие диски более вместительными. Обычно свободное пространство диска заполнено воздухом. Hitachi же накачивает свои диски Ultrastar He6 гелием, который имеет более низкую плотность, а затем герметизирует диски. Сниженная плотность газа внутри позволяет производителю вместить туда дополнительные пластины (до семи штук, что позволяет дискам с обычной плотностью записи вмещать 6 Тбайт), сохранив форм-фактор. До этого реализовать такой подход было невозможно ввиду трения быстро движущихся головок о воздух.

В Hitachi сравнивают движение головок в традиционном жёстком диске с «турбулентностью», которую чувствует водитель, едущий с высокой скоростью при открытом окне. «Если при движении с высокой скоростью вы высунете руку из окна машины, представляете, как она будет «трепаться» на ветру? Так же точно ведут себя головки внутри жёсткого диска, где пространство заполнено обычным воздухом», — вот и вполне понятное сравнение. Таким образом, гелий снижает вибрацию до такой степени, что становится возможным расположить в том же пространстве больше пластин.

Кроме повышения ёмкости, заполненные гелием жёсткие диски могут быть более быстрыми, холодными и более эффективными (так утверждает производитель). Данные диски, по расчётам, могут снизить энергопотребление на 23% и температуру на 4-5 градусов Цельсия в сравнении с традиционными дисками. Hitachi утверждает, что 3,5-дюймовые гелиевые диски могут вращаться со скоростью 10 или 15 тысяч оборотов в минуту. И, наконец, общая стоимость владения для ЦОДов может снизиться на 20-30% при повышении ёмкости хранения.

Новые технологии и будущее HDD | Seagate: SMR и прочее

В то время как гиганты отрасли продолжают бороться за лидерство, становится ясно, что есть множество способов выйти из пике, в котором находится индустрия жёстких дисков. Осмыслив физические ограничения существующих жёстких дисков, Seagate, например, пытается тщательно проанализировать тенденции в способах обращения с данными, которые были характерны в прошлом, и придумать новые усовершенствования.

У Seagate, например, есть идея. Она состоит в том, что архитектурные изменения помогут увеличить плотность записи и повысить ёмкость дисков.

Во-первых, технология SMR способна увеличить ёмкость на 25% за счёт более тесного расположения дорожек. Самый простой способ представить это – обратиться к самому названию Shingled Magnetic Recording, которое основано на слове shingles – черепица. На крыше плитки черепицы располагаются «внахлёст». Таким же образом, более компактное расположение дорожек позволяет разместить больше информации на площади пластины, что, в свою очередь, повышает плотность записи.

Записывающая головка в таком диске шире, чем дорожка, поэтому если данные, записанные на какой-либо дорожке, нужно переписать или модифицировать каким-либо другим способом, данные на располагающейся «внахлёст» дорожки «приподнимаются» и перезаписываются позже в соответствии с тем, как это определит контроллер диска. Seagate заявляет, что может группировать дорожки в зависимости от приложения, то есть вполне можно создавать специализированные диски для определённых сред.

Кроме того, Seagate надеется на успех своей платформы Kinetic Open Storage, чтобы не отставать от последних тенденций в отрасли хранения – тем более это актуально в свете дальнейшего распространения огромных ЦОДов и объектного подхода к записи и использованию данных в зависимости от потребностей программного обеспечения. Kinetic Open Storage – это комбинация архитектуры (основанной на сфере использования данных либо ориентированной на снижение стоимости) основанных на Ethernet дисках и специализированных API, которые отвечают потребностям современных ЦОДов. До этого традиционный подход к хранению данных был основан на громоздком сочетании программных и аппаратных уровней, а также на концепции «строительных блоков» в виде локальных хранилищ, нуждающихся в отдельных подключениях.

Попытаемся объяснить данный подход. Seagate Kinetic Storage разделяет уровни хранилища, оставляя специализированные программные приложения, связанные с процессом хранения, и сами диски, которые «общаются» друг с другом через Ethernet. Это значительно влияет на стоимость решения. Подобная платформа упраздняет потребность в серверах хранения данных, что, в свою очередь, снижает стоимость, высвобождает ИТ-ресурсы и снижает потребление энергии. К тому же, при таком подходе значительно упрощается выполнение таких типовых задач, как общее пользование данными и перемещение данных с диска на диск.

Платформа Kinetic не связана напрямую с плотностью записи, но если избавиться от такого большого объёма дублирующих друг друга метаданных, которые характерны для традиционных технологий хранения, то это, несомненно, пойдёт на пользу корпоративным заказчикам. Также объектный подход к хранению более гибкий и надёжный, когда дело касается размера файлов, – это позволяет обойти ограничения хранения, характерные для традиционных решений на основе «строительных блоков». Говоря другими словами, открытые платформы на базе объектного хранения сыграют не последнюю роль в решении уже актуальных проблем хранения в системах корпоративного класса, как и такие новые технологии, как SMR, гелиевые накопители и прочее.

Читать еще:  Какие жесткие диски используются в ноутбуках

Новые технологии и будущее HDD | NAND: революция, которой не было

Пока вся отрасль ждёт появления HAMR-дисков, твердотельные накопители продолжают развиваться. Литография NAND-чипов сжимается, а вместе с ней – и цены на SSD. Этот факт, наряду с замедлением тенденции к повышению плотности записи в жёстких дисках, заставил задуматься: а не заменят ли флэш-накопители HDD в ЦОДах? В Seagate считают, что NAND-память и SSD заслужили своё место в ЦОДах, но они никогда не смогут заменить НМЖД, способные обслужить огромные потребности ЦОДов в ёмкости.

Стоимость миграции с HDD на твердотельные накопители будет невероятной. По словам аналитиков, это потребует триллионных вложений, если придётся на конец этого десятилетия.

Новые технологии жестких дисков

Высокоскоростные SSD-носители все еще пользуются огромной популярностью. Однако это временное явление — вскоре они будут вытеснены быстрыми винчестерами очень большой емкости.

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.

Читать еще:  Элементы жесткого диска

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.

HDD будущего: перпендикулярная запись и не только

Что делать? Информационный бум продолжается, терабайт данных уже ни у кого не вызывает трепета. А привычная технология создания жестких дисков достигла физических пределов увеличения плотности записи. Неужели 500 Гбайт – это максимум, что можно поместить на стандартный 3,5-дюймовый жесткий диск ближайшего будущего?

К счастью, нет. Наука не стоит на месте, разрабатываются и находят коммерческое применение совершенно фантастические проекты. С некоторыми из них мы вас сегодня познакомим. Но основной упор будет сделан на фактически готовую к выходу на рынок технологию – перпендикулярную запись. Пора узнать, какими станут жесткие диски в ближайшие 5-10 лет.

Экскурс в прошлое

История накопителей на базе жестких дисков началась в 1952 году, когда корпорация IBM предложила одному из своих ведущих инженеров, Рейнольду Джонсону, возглавить новую исследовательскую лабораторию. В те годы приоритетной задачей был поиск альтернативы чрезвычайно медленным перфокартам и магнитным лентам, требовались высокоемкие накопители информации с произвольным доступом.

Результатом пятилетнего труда команды Рейнольда стало создание в 1955 году накопителя на жестких дисках IBM 350 Disk File, в 1956 году вошедшего в состав IBM RAMAC. Накопитель состоял из 50 дисков диаметром 24 дюйма, вращавшихся со скоростью 1200 об/мин. Среднее время доступа к произвольной ячейке составляло 1 с, плотность – 2 кбит на квадратный дюйм, емкость – 5 Мбайт. Размер накопителя был сравним с двумя современными двухкамерными холодильниками.

Первый HDD емкостью 5 Мбайт

С тех пор плотность записи на пластины возросла более чем в 60 миллионов раз (!), достигнув отметки в 120 Гбит/дюйм 2 .

На протяжении 50 лет технология записи не менялась, а только уменьшались размеры жестких дисков, повышалась скорость вращения шпинделя и емкость пластин. Царствовала параллельная запись.

Технология параллельной записи на магнитные диски

Схема технологии параллельной записи

Данные записываются на диск, покрытый магнитным записывающим слоем. Любой магнитный материал (например, оксид железа) состоит из доменов — областей, внутри которых магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону. Каждый домен имеет большой суммарный момент, который в исходном состоянии может быть направлен произвольно. Под действием внешнего магнитного поля домены могут менять направление магнитного момента.

Именно этот эффект используется при записи. Информация хранится не на одном домене, а на областях (частицах), состоящих минимум из 70-100 «зерен». Если магнитный момент такой частицы совпадает с направлением движения считывающей головки – получаем «0», если противоположен – «1». Так как две соседние области имеют противоположное направление моментов, на границе между ними часть доменов может потерять стабильность и произвольно менять направление магнитного момента. Но об этом позже.

Конструкция считывающей головки

Главной характеристикой магнитной пластины является плотность записи. Она состоит из нескольких показателей: линейная плотность — плотность на один дюйм дорожки (Bits per Inch, BPI), количество дорожек на дюйм диаметра (Tracks per Inch, TPI), и плотность на квадратный дюйм поверхности (areal density, произведение первых двух).

Чтобы увеличить емкость накопителя, можно пойти двумя путями: увеличить количество пластин или увеличить плотность записи на пластину. Первый путь означает значительное усложнение механического устройства накопителя, что зачастую просто невозможно, да и экономически не выгодно. Поэтому основным показателем, определявшим рост емкости жестких дисков за последние 50 лет, являлась плотность записи на пластину.

Уроки масштабирования

Основы масштабирования в магнитной записи точно такие же, как и в теории трехмерного магнитного поля. Если магнитные свойства материалов постоянны, то конфигурация поля остается неизменной при изменении всех токов и размеров во всех плоскостях в s раз. При этом плотность записи также увеличивается в s раз. Однако следует учитывать еще два важных для практического использования фактора: скорость вращения дисков и скорость передачи данных. На практике скорость вращения остается неизменной, скорость передачи данных растет, а токи постепенно уменьшаются, поэтому приходится изобретать новые методы чтения.

В теории, если необходимо увеличить TPI в 2 раза, BPI в 2 раза и areal density в 4 раза, достаточно уменьшить все размеры в 2 раза, сохранить скорость вращения той же и удвоить скорость передачи данных. Если материалы и пропорции сохраняются, то устоявшийся принцип соблюдается.

На практике такой способ масштабирования сталкивается с 3 сложностями:

  • Сохранение или увеличение скорости считывания при увеличении плотности записи может быть невозможно для существующей электроники;
  • Для увеличения производительности приводов приходится увеличивать скорость вращения дисков, что также сказывается на скорости считывания;
  • Уменьшение масштабов уменьшает уровень сигналов чтения, что резко увеличивает шумы в магнитных полях. Уменьшение соотношения сигнал/шум требует создания более чувствительных считывающих головок. Поэтому индустрия перешла от индуктивных головок к магниторезистивным (MR), затем к GMR-головкам, использующим эффект «гигантской магниторезистивности», и даже к TMR-головкам, построенным на туннельном эффекте.

Тем не менее, до последнего времени производители накопителей шли именно таким путем, пока не подошли вплотную к так называемому суперпарамагнитному пределу , который сделал невозможным дальнейшее наращивание плотности традиционными методами.

Суперпарамагнетизм

Как известно из курса физики, свойством любого магнетика является анизотропия. Домен с большим трудом намагничивается в одном направлении, и легко – в противоположном (по «легкой оси»). Его энергия пропорциональна sin 2 θ , где θ — угол между углом намагниченности домена и осью предпочтительного намагничивания. В условиях абсолютного нуля в изолированной системе намагниченный домен занимает положение в одном из состояний с наименьшей энергией (т.е. под углом 0 или 180 градусов). Для представления информации эти положения принимаются за логический ноль или единицу. При изменении направления намагниченности и повышении температуры домен может поменять направленность магнитного момента. Уменьшение размеров частицы в 2 раза означает уменьшение энергетического барьера, который необходимо преодолеть для смены направления, поэтому она становится значительно менее стабильной. Период стабильности может измениться со 100 лет (стабильная частица) до 100 нс (при таком периоде частицу вообще сложно назвать постоянным магнитом). В последнем случае мы получим на пластине огромное количество хаотически расположенных намагниченных частиц, произвольно меняющих свою направленность. Это явление называется суперпарамагнетизмом, потому что макроскопические свойства такой среды похожи на свойства парамагнетиков.

Читать еще:  При загрузке загружается биос

В реальной среде ситуация оказывается еще более сложной. При традиционном методе параллельной записи на диск магнитные частицы располагаются магнитными моментами параллельно плоскости диска. А, как известно, два постоянных магнита, расположенных одинаковыми полюсами друг к другу, отталкиваются, а разными – притягиваются. Значит, между ними тоже происходит энергетическое взаимодействие. У границ намагниченных частиц возникает поле рассеяния, которое забирает энергию у магнитных полей обеих частиц. В результате крайние домены частицы теряют часть заряда и становятся менее стабильными.

Чтобы это преодолеть, ученые предлагают несколько методов, но все они лишь слегка отодвигают парамагнитный предел. Необходимо принципиально новое решение.

Технологии жестких дисков

Михаил Тычков aka Hard

(по материалам журнала «Магия ПК»)

Доброго времени суток.

Итак, как я и обещал ранее, поговорим о новых технологиях производства
жестких дисков. Но для начала обратимся-ка мы к истории. Да, да именно к истории, куда ж
мы без нее-то. Развитие технологий винтов можно разбить на пять этапов. Первый (до
1979 года) — использование «классических&quot индуктивных головок записи/воспроизведения.
Второй этап (1979 — 1991) — применение тонкопленочных головок. Третий (1991 — 1995) —
применение магниторезисторных головок. Четвертый этап (1995 — 2001) — совершенствование
магниторезисторных головок: уменьшение магнитного зазора в записывающей головке с
одновременным повышением чувствительности головки чтения за счет использования материалов
с аномально высоким коэфициэнтом магниточувствительности. И, наконец, пятый этап (с 2001
года) — радикальная смена типа и качества магнитного носителя при сохранении параметров
магнитных головок.

Теперь более подробно. Следует заметить, что плотность записи на диск
от этапа к этапу проходила скачкообразно, увеличиваясь на порядок. Первая, так сказать,
революция ознаменовалась переходом от обычных индуктивных головок типа как в магнитофонах,
которые к началу 70-х годов достигли своего минимума в размерах к тонкопленочным головкам.
Магнитный зазор (то бишь расстояние между верхним и нижним полюсами якоря головки) при этом
уменьшился 10 раз (от 2 микрон до 0,2 микрона).

Второй этап связан с изменениями в конструкции считывающих головок.
Кстати, надо заметить, что записывающие головки до сих пор являются тонкопленочными.
По мере перехода к микронным и субмикронным (крутое словечко, да) размерам записанного на
диск бита данных и уменьшением размеров универсальной тонкопленочной головки ее
чувствительности стало просто не хватать при чтении. Но в 1988 году был открыт
магниторезисторный эффект в тонких и совершенных по качеству кристаллах. Благодаря
умникам из IBM, с 1991 года в считывающих головках стал использоваться эффект спиновых
волн электронов и появилась туева хуча навороченных типов считывающих головок, таких как
MR, MRx. Но это еще далеко не все.

Дальнейший прорыв технологий ознаменован появлением считывающих головок
GMR, GMRsv, GMRsvX. В них используются особенности изменения магнитосопротивления пленки
толщина которой — несколько десятков атомных слоев. Такая считывающая головка имеет
аномально высокую чувствительность за счет квантово-механического подавления эффекта
рассеяния электронов и, как следствие, значительной модуляции сопротивления головки в
поперечном магнитном поле записанного на диск бита. Интересно, Вы чего-нибудь в этом
поняли? Если нет, то фиг с ним. Дело не в этом. Дело в том, что на этом прогресс не
остановился.

Следующий этап, четвертый, связан с дальнейшим уменьшением размеров
записывающих элементов головки и самих дисков. Но следует заметить, что на этом этапе
появился геморрой и связан он с тем, что с приближением к пределу суперпарамагнитной
неустойчивости линейные размеры бита данных очень малы. Это может привести к их утрате в
связи со спонтанным перемагничиванием вызванным температурной неравномерностью на
поверхности диска. Да и балансировка самих дисков далека от идеала, что не исключает
динамического удара.

Ну и наконец подходим к дню сегодняшнему. Он связан с преодолением т
упика классических ферромагнитных материалов. Появляются более совершенные и стабильные
типы магнитного слоя. О сих новых технологиях я и поведу рассказ далее.

Диски IBM`овских винчестеров покрыты специально подготовленной магнитно-компенсированной
пленкой в виде антиферромагнитного трехслойного «пирога».
Называется он antiferromagnetically-coupled, а если короче, то AFC.
В нем два магнитных слоя разделены изолирующим слоем рутения. Сия
фигня позволит хранить данные с плотностью до 166.4 Мбит/мм2 на каждой
из двух рабочих поверхностях диска за счет повышения устойчивости
магнитного домена. Дальше я не буду забивать Вам головы техническими
терминами, скажу что массовые поставки «винтов» по технологии
AFC, IBM планирует на 2003 год. Но пробные партии на рынок уже выброшены.
Ноутбуки Travelstar снабжены подобными «винтами». А вообще
планы IBM таковы:

1. винчестер уменьшенного формфактора емкостью 400 Gb и более для
настольных компьютеров; винчестер емкостью 200 Gb для переносных компьютеров.

2. однодюймовый мини-винчестер семейства Microdrive (используется
в фотоаппаратах, mp-плеерах) емкостью 6 Gb.

Seagate.

Осенью 2000 года Seagate Technology получила от государства не кислые
«бабки» (21 000 000 «гринов») с выплатой в течении
пяти лет на разработку новой и перспективной технологии HARM (Heat
Assisted Magnetic Recording), что переводиться как тепловая магнитная
запись. Фишка заключается в том, что поверхность диска в месте записи
бита данных нагревается лазерным лучем сфокусированным набором микролинз.
Есть у этой технологии и второе название — optical-assisted HDD. При
нагревании магнитный носитель становится более восприимчив к записи,
а последующее мгновенное охлаждение стабилизирует запись. Магнитная
пленка состоит из галлиевого граната и разогревается она до 200 —
3000 С при одновременном слабом подмагничивании широкой области диска
обычной записывающей тонкопленочной головкой. А теперь немного поумничаем:
разогрев пленки вызывает резкое снижение в ней коэрцитивной силы с
обычных 8000Ое до 200 Ое, что ориентирует «засвеченные»
лазером домены пленки в одном направлении. Образуется «гигантский»
домен — набор малых доменов превращается в коллективный информационный
домен более крупного размера. Причем достигается это под воздействием
магнитного поля на несколько порядков меньшей напряженности, чем необходимо
при нормальной комнатной температуре. При этом становиться возможным
существующими универсальными головками записать на поверхности магнитного
диска бит данных, размеры которого сопоставимы с размером пятна лазерной
засветки, не рискуя при этом переписать соседние биты. Способность
нового материала к практически мгновенному «замораживанию»
исключает подобную информацию. По предварительным подсчетам эта новая
технология позволит увеличить плотность записи данных в 100 а то и
более раз. Кстати, HARM похожа на технологию Near-Field-Technology
фирмы IBM. Но несколько лет назад по невыясненным причинам IBM закрыла
проект.

Canon.

Все той же осенью 2000 года работяги Canon провозгласили формулу своего
успеха: 500х, где под «х» следует понимать тот самый непреодолимый
супермагнитный предел плотности записи данных. Новая технология напоминает
соты пчелиного улья, в качестве элементарных ячеек которого будут
использоваться упорядоченные массивы круглых фуллереновых труб с внешним
диаметром чуть более 500 Ангстрем и высотой 5000 Ангстрем. Эти трубы
будут поставлены на «попа» по всей рабочей поверхности диска.
Заполнены эти трубы будут температурно-устойчивыми доменами. Стенки
труб ослабят взаимодействие доменов друг с другом. Формула наполнителя
держится в строжайшем секрете. Новая технология позволит увеличить
плотность записи данных до 83.2 Гб/см2. Винчестеры эти появятся предположительно
в 2007 году, а к 2010 году Canon обещает увеличить плотность до 166.4
Гб/см2.

Fujitsu.

Эта «контора» тоже не хочет отставать от своих конкурентов
и обещает наладить выпуск новых «хардов» с плотностью записи
данных порядка 17 Гб/см2. Секрет успеха заключается в новом ферромагнитном
покрытии дисков, а так же в принципиальных изменениях в конструкции
универсальных головок.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector