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/дюйм2.

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 sin2θ , 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.

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.