Жесткие диски будущего

Сергей Пахомов

История развития

День сегодняшний

Взгляд в будущее

   Перпендикулярная запись

   Термомагнитная запись HAMR

   Самоорганизующиеся магнитные решетки SOMA

 

Вы никогда не задумывались, где именно произведен диск...

 

Если проследить всю историю развития жестких дисков, то нетрудно заметить, что они изменялись в сторону увеличения плотности записи информации. Точно так же, как развитие процессоров подчиняется так называемому закону (а точнее, предсказанию) Гордона Мура, в соответствии с которым плотность размещения транзисторов на кристалле увеличивается вдвое через каждые полтора-два года, плотность записи информации на диск, измеряемая в битах на квадратный дюйм, также возрастает в геометрической прогрессии.

История развития

Первое устройство хранения данных с произвольным доступом, позднее названное жестким диском (Hard Disc Drive, HDD), или винчестером, было выпущено компанией IBM в 1956 году. Устройство имело емкость всего 5 Мбайт, а данные записывались на 50 дисков диаметром 24 дюйма, вращавшихся со скоростью 1200 об./мин. Среднее время доступа равнялось одной секунде, а плотность записи составляла всего 2 Кбит/кв.дюйм. Размеры устройства были сравнимы с размером двух домашних холодильников, стоимость же его составляла 50 тыс. долл. С этого гиганта началось бурное развитие технологии магнитной записи на диски. Если сначала плотность записи была равна 2 Кбит/кв.дюйм, то в настоящее время она уже составляет порядка 70 Гбит/кв.дюйм у коммерческих продуктов и превышает 100 Гбит/кв.дюйм у лабораторных образцов жестких дисков. Таким образом, на протяжении многих лет плотность записи информации на диск увеличивалась на 100% ежегодно (рис. 1). Однако в последние несколько лет темпы роста плотности записи сократились и составляют теперь около 60% ежегодно.

Вместе с ростом плотности записи меняются и другие характеристики жестких дисков. В частности, если говорить о геометрическом возрастании плотности записи, то в такой же пропорции увеличивается и максимальная емкость дисков, а кроме того, уменьшается и стоимость дисков в расчете на один гигабайт емкости.

Увеличение поверхностной плотности записи позволяет улучшить и такие характеристики жесткого диска, как среднее время доступа, а также скорость линейного и выборочного чтения/записи.

Чем же определяется плотность записи информации на диск? Как известно, жесткий диск состоит из нескольких обработанных с высокой точностью стеклянных или алюминиевых пластин с магнитным покрытием, которые, собственно, и являются хранилищем информации. Каждая такая пластина разделена на дорожки (треки), вдоль которых располагаются информационные биты. На физическом уровне каждый бит, который принимает одно из двух возможных значений и трактуется либо как логический нуль, либо как логическая единица, представляет собой элементарную намагниченную область — магнитный домен. Намагниченность магнитного домена всегда имеет одно из двух возможных противоположных направлений, одно из которых трактуется как логическая единица, а второе — как логический нуль. Таким образом, задавая направление намагниченности доменов, определяют одно из двух возможных значений бита. Размеры самого магнитного домена обусловливают в конечном счете и плотность записи информации на диск. К примеру, при поверхностной плотности записи 1 Гбит/кв.дюйм размеры домена равны 2,4Ѕ0,18 мкм. При такой поверхностной плотности записи плотность размещения треков составляет 7000 треков/дюйм, а линейная плотность записи (плотность записи вдоль трека) — 140 Кбит/дюйм. Когда поверхностная плотность записи была равна 10 Гбит/кв.дюйм, размеры домена составляли 0,53Ѕ0,075 мкм, плотность размещения треков — 32 000 треков/дюйм, а линейная плотность записи — 345 Кбит/дюйм. При поверхностной плотности записи 20 Гбит/кв.дюйм размер домена составляет 0,38Ѕ0,057 мкм, плотность размещения треков равна 45 000 треков/дюйм, а линейная плотность записи — 445 Кбит/дюйм. При поверхностной плотности записи 100 Гбит/кв.дюйм (пока что таких дисков в продаже нет) размеры домена равны 0,1Ѕ0,042 мкм, плотность размещения треков составляет уже 167 000 треков/дюйм, а линейная плотность записи — 600 Кбит/дюйм. А когда настанет эра дисков с плотностью записи 1 Тбит/кв.дюйм, размеры домена будут равны всего 25Ѕ25 нм, плотность размещения треков составит 1 000 000 треков/дюйм, а линейная плотность записи — 1 000 000 бит/дюйм.

Однако уменьшение размеров магнитных доменов (и вытекающее из этого увеличение поверхностной плотности записи) 

далеко не такая простая задача, как может показаться.

Для того чтобы создавать (записывать) на поверхности жесткого диска магнитные домены и считывать их, в дисках используются головки чтения/записи (read-write head). Каждая такая головка состоит из двух элементов: записывающей головки и магниторезистивной считывающей головки.

Записывающая головка это миниатюрный электромагнит, состоящий из сердечника и катушки индуктивности (рис. 2). В разрезе между полюсами сердечника создается магнитное поле нужной направленности, которое и намагничивает рабочую поверхность диска, создавая магнитный домен с заданным направлением намагниченности.

Головка чтения представляет собой магниторезистивный (MR) элемент, который меняет свое сопротивление в присутствии магнитного поля.

В современных жестких дисках применяются так называемые сверхмагниторезистивные (GMR) головки.

Понятно, что размеры намагничеваемой области на рабочей поверхности диска (размеры магнитного домена) во многом определяются размерами и конструкцией головки чтения/записи. Однако нужно сказать, что поверхностная плотность записи зависит не только от размеров записывающей головки.

В начало В начало

День сегодняшний

На протяжении последних 40 лет для записи информации на диск использовалась технология так называемой продольной магнитной записи. Для нее характерно то, что северный и южный полюса магнитного домена располагаются вдоль поверхности диска, то есть рабочий слой перемагничивается вдоль движения диска (рис. 3). В целях реализации продольной магнитной записи необходимо, чтобы магнитное поле, создаваемой между полюсами сердечника головки записи, было параллельно поверхности диска.

Что же в данном случае препятствует уменьшению размеров отдельных бит и увеличению плотности их размещения, то есть одновременному увеличению как линейной плотности записи, так и плотности размещения дорожек? Дело в том, что и ширина отдельной дорожки и физические размеры отдельного магнитного домена имеют свои ограничения. Например, увеличение плотности размещения дорожек приводит к проблемам точного позиционирования головок над такой дорожкой и к неоднородности магнитного поля, возникающего на краях дорожки. Уменьшение линейного размера магнитного домена также имеет свои ограничения. Поскольку магнитный домен формируется из отдельных магнитных зерен с определенным направлением намагниченности, то для того, чтобы сформировать домен, необходимо упорядочить магнитную ориентацию отдельных магнитных зерен. При этом, естественно, всегда будет существовать некоторое количество зерен, магнитная ориентация которых не будет совпадать с направлением магнитной ориентации домена. И чем больше количество таких несориентированных зерен, тем выше уровень шума и соответственно ниже значение соотношения «сигнал/шум» (Signal-to-Noise Ratio, SNR). Таким образом, соотношение «сигнал/шум» пропорционально квадратному корню количества зерен, приходящегося на ширину дорожки, то есть:

 

,

где n — число зерен, приходящееся на ширину дорожки.

Поэтому для того, чтобы сокращать размер магнитного домена, не меняя при этом соотношения «сигнал/шум», необходимо уменьшать размер самих магнитных зерен. Но делать это до бесконечности невозможно. Если зерно будет слишком маленьким, то его магнитная энергия станет настолько ничтожной, что сравняется с тепловой энергией. В результате за счет теплового движения неизбежно произойдет разупорядочивание отдельных магнитных зерен домена, а следовательно, его размагничивание. Данное явление получило название суперпарамагнетизма.

Конечно, жесткого ограничения на размеры минимально возможного магнитного домена не существует. Так, в начале 70-х годов теперь уже прошлого века считалось, что супермагнетизм ограничит поверхностную плотность продольной магнитной записи 10 Мбит/кв.дюйм. Когда же этот рубеж был успешно преодолен, появились предположения, что максимальная плотность поверхностной записи не сможет превысить показатель в 40 Мбит/кв.дюйм. В настоящее время считается, что для применяемой сегодня технологии продольной записи предел составляет порядка 100-200 Гбит/кв.дюйм. Такое отдаление рубежа максимально возможной плотности записи из-за явления супермагнетизма стало возможным благодаря использованию в дисках новых магнитных материалов (с большей коэрцитивной силой) и повышению напряженности записывающего магнитного поля, что обеспечивается улучшением конструкции головки и уменьшением зазора между головкой и магнитным слоем.

По словам доктора Марка Крайдера (Mark Kryder), старшего вице-президента Seagate Research, у продольной записи еще есть определенный запас, прежде чем будет достигнут суперпарамагнитный предел: «Мы ожидаем, что используемая в настоящее время технология продольной магнитной записи позволит нам преодолеть рубеж плотности 100 Гбит/кв.дюйм. Большой проблемой, однако, остается высокий уровень шумов при записи данных. Когда размер магнитного домена сокращается, то соотношение “сигнал/шум” тоже уменьшается, что усложняет задачу достоверного считывания битов и поддержания стабильного состояния битов».

В начало В начало

Взгляд в будущее

Перпендикулярная запись

После того как технология продольной магнитной записи исчерпает свой потенциал в плане ограничения супермагнетизма, придет черед технологии перпендикулярной магнитной записи. Эта технология известна довольно давно и активно исследовалась в 70-80-х годах. Интересно отметить, что была даже предпринята попытка коммерческого использования технологии перпендикулярной магнитной записи во флоппи-дисках емкостью 2,88 Мбайт. Однако в то время данная технология не нашла широкого применения, поскольку стоимость таких дискет была значительно выше традиционных.

При перпендикулярной магнитной записи магнитная ориентация домена перпендикулярна поверхности жесткого диска. Это позволяет существенно снизить продольный размер магнитного домена (увеличив его высоту по сравнению с высотой домена при перпендикулярной записи) и тем самым увеличить линейную плотность записи бит на дорожку.

Понятно, что для реализации перпендикулярной записи необходимо конструктивно изменить и саму головку записи, и магнитную поверхность диска. Так, в случае перпендикулярной записи (рис. 4) головка записи имеет один основной полюс сердечника и вспомогательный полюс. Основной полюс сердечника создает магнитное поле, линии которого выходят из полюса перпендикулярно магнитной поверхности диска и замыкаются через мягкий магнитный слой диска на вспомогательном полюсе сердечника.

Таким образом, нижний мягкий магнитный слой фактически производит зеркальное отображение головки записи (рис. 5).

Более эффективная геометрия магнитного поля, создаваемого такой головкой записи, позволяет увеличить плотность энергии магнитного поля в рабочем слое примерно в четыре раза.

Кроме того, разноименные полюса намагниченных и ненамагниченных участков расположены на противоположных сторонах рабочего слоя носителя, поэтому магнитные поля от соседних ненамагниченных участков будут стабилизировать состояние намагниченного участка. Это позволяет заметно уменьшить минимальные размеры стабильных доменов.

По расчетам специалистов компании Seagate, перпендикулярная запись позволит достичь плотности записи 1 Тбит/кв.дюйм, что эквивалентно возможности записать более 1 Тбайт информации на стандартный трехдюймовый диск.

По мнению доктора Марка Крайдера, переход на перпендикулярную магнитную запись произойдет при достижении поверхностной плотности записи 100-200 Гбит/кв.дюйм. Являясь пионером в области разработки перпендикулярной записи, компания Seagate объявила о достижении в экспериментальных образцах плотности поверхностной записи при использовании технологии перпендикулярной магнитной записи 100 Гбит/кв.дюйм при плотности размещения дорожек 143 000 треков/дюйм и линейной плотности вдоль дорожки в 700 Кбит/дюйм. При этом скорость передачи данных составила 300 Мбит/с.

«Эти демонстрации делают очевидной достаточную зрелость технологии перпендикулярной записи, которую мы намереваемся использовать в будущих продуктах Seagate»,

заявил Джон Вейяндт (John Weyandt), старший вице-президент компании Seagate.

Как отметил д-р Крайдер, переход к перпендикулярной записи позволит в будущем увеличить плотность записи до одного терабита на квадратный дюйм, что даст возможность записывать несколько терабайт информации на один 3,5-дюймовый жесткий диск.

Однако со времени демонстрации поверхностной плотности записи до выпуска в продажу может пройти от 18 месяцев до 2 лет и больше. Так, первая демонстрация дисков с поверхностной плотностью записи 100 Гбит/кв. дюйм при использовании продольной записи состоялась в ноябре 2001 года, однако диски с такой плотностью записи будут реально доступны лишь в 2004-2005 годах.

Термомагнитная запись HAMR

Несмотря на то что емкость жесткого диска в терабайт кажется по сегодняшним меркам просто гигантской, требующиеся объемы хранилищ данных увеличиваются с каждым годом в геометрической прогрессии. Трудно даже представить себе, как разрастется операционная система Windows к тому времени, когда емкость диска увеличится до терабайтов. Впрочем, будем оптимистами: компания Microsoft наверняка придумает, чем заполнить свободное место на диске.

Уже сейчас активно разрабатываются технологии записи, позволяющие реализовать еще более высокую плотность записи, чем при применении технологии перпендикулярной записи. Одной из наиболее перспективных технологий магнитной записи является технология термомагнитной записи HAMR (Heat Assistant Magnetic Recording), разрабатываемая компанией Seagate. По этой технологии для того, чтобы отодвинуть ограничение на минимальный размер магнитного зерна, диктуемое явлением супермагнетизма, используются магнитные материалы с высокой коэрцитивной силой, что обеспечивает высокую термостабильность записанных участков. Для намагничивания доменов в таком магнитном слое он предварительно разогревается с помощью кратковременного воздействия лазера. Минимальные размеры области, соответствующей одному биту информации, определяются диаметром сфокусированного светового луча (рис. 6). Магнитное поле подбирается с таким расчетом, чтобы при отсутствии нагрева его величина была бы недостаточной для перемагничивания рабочего слоя. При повышении температуры участка рабочего слоя происходит существенное изменение его магнитных свойств (например, может в 3-4 раза уменьшаться коэрцитивная сила), а нагретые участки перемагничиваются. Подобные области и представляют собой записанную информацию.

По оценкам специалистов компании Seagate, термомагнитная запись позволит достичь плотности записи порядка 5 Тбит/кв.дюйм.

Самоорганизующиеся магнитные решетки SOMA

Еще одной перспективной технологией записи, позволяющей достичь высокого значения плотности записи, является технология самоорганизующихся магнитных решеток (Self-Organized Magnetic Array, SOMA). Для построения таких самоорганизующихся решеток в настоящее время применяется железо-платиновый сплав (FePt) с добавлением тщательно сбалансированного количества других химических элементов. Основная особенность данных решеток заключается в том, что магнитные зерна в них строго упорядочены и располагаются в узлах самой решетки. В перспективе это даст возможность использовать для хранения одного бита информации всего лишь одно зерно.

Вот что говорит по этому поводу один из разработчиков технологии SOMA, д-р Дитер Уэллер из компании Seagate: «Для записи одного бита информации сейчас необходимо примерно 100 зерен магнитного материала, мы же работаем над тем, чтобы каждое зерно хранило собственный уникальный бит. Это позволит резко увеличить плотность записи информации. Мы ищем способы выстроить магнитные зерна в правильные решетки, что не только даст возможность считывать и записывать данные, но и обеспечит высокую стойкость к температурным воздействиям».

Использование технологии SOMA в перспективе позволит довести плотность записи информации до 50 Тбит/кв.дюйм.

В заключение можно сказать, что в ближайшие десять лет развивающаяся технология магнитного хранения данных сможет удовлетворить растущие потребности рынка.

КомпьютерПресс 1'2004

1999 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2002 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2003 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2008 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2009 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2011 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Популярные статьи
КомпьютерПресс использует