Технология MAMR - что это такое
Традиционные жесткие диски поступились частью своих функций, переложив на плечи (контроллеров, чипов памяти?) твердотельных накопителей заботу о загрузке операционных систем и работу с приложениями, требующими высокой скорости выполнения дисковых операций. Обычные диски нужны, в основном, в качестве хранилища большого объема данных. Для этого требуются очень емкие накопители, и вот с этим в последнее время дела обстоят не очень хорошо. Емкость дисков, конечно, растет, но не сказать, чтобы быстро. Компания Western Digital сегодня, 12 октября 2017 года, объявила, что достигла прорыва в деле повышения плотности записи на магнитные пластины. Название этому достижению – технология MAMR - что это такое и чего от нее ожидать, сегодня и поговорим.
Суть проблемы
Емкость традиционных жестких дисков может быть увеличена несколькими способами. Самый очевидный – увеличение количества пластин. К сожалению, учитывая габариты накопителей и ряд технологических особенностей, довольно быстро был достигнут предел. Новые жесткие диски с гелиевым заполнением позволяют еще чуть увеличить количество пластин, уменьшив расстояние между ними, но это все не более, чем полумера.
Другой путь – увеличение плотности записи на пластину. Именно это долгое время позволяло планомерно увеличивать емкость «винчестеров». Когда стали появляться первые признаки приближения к технологическим пределам, стали использовать перпендикулярную запись (PMR – Perpendicular Magnetic Recording) взамен продольной, потом появилась технология черепичной записи (SMR – Shingled Magnetic Recording). Параллельно уменьшались размеры считывающей головки. При этом предельные значения плотности записи для PMR составляют около 1-1.1 Тб/дюйм2, а в случае SMR – около 1.4 Тб/дюйм2.
Все это позволило наладить выпуск накопителей с емкостями в несколько терабайт, и даже превысить 10 терабайт. А дальше? Увеличение емкости дается со все большим трудом. Необходима какая-то новая технология, которая позволит довести емкость дисков до десятков терабайт.
Разработкой такой технологии, вернее, даже двух технологий и занимались, да и занимаются, ведущие компании – производители жестких дисков. Одна из них – HAMR, которую активно разрабатывает компания Seagate. Другая – MAMR, хотя и имеет много схожего с предыдущей, все же имеет свои отличия. И, как следует из сообщения WD, именно она ближе всего к практической реализации.
Прежде чем начинать разбираться, что же это за технология, давайте все же бросим краткий взгляд и на вариант, которым занимается Seagate.
HAMR - Heat-assisted Magnetic Recording (термомагнитная запись)
Плотность записи на диске можно увеличить, если уменьшить размер магнитного домена (зерна). В принципе, сделать это не сложно, хотя и существует предел в 1 Тбит на дюйм2. И тут возникает ряд проблем. Во-первых, необходимо обеспечить надежное считывание и сокращение возможных ошибок, которые могут возникнуть при низком соотношении параметра сигнал-шум (SNR).
Во-вторых, при уменьшении размеров домена возникает проблема термических флуктуаций. Заключается этот эффект в том, что со временем записанная информация искажается из-за размагничивания домена. Виной всему тепловое движение элементарных частиц. И чем меньше домен, тем сильнее проявляется этот нежелательный эффект.
Способом снизить термическую флуктуацию является применение материалов с более высокой коэрцитивной силой или увеличение константы магнитной анизотропии, что также ведет к увеличению коэрцитивной силы. Причем чем выше эта константа, тем выше плотность записи.
В результате, проблема с размагничиванием практически разрешается, но возникает другая. С уменьшением размеров магнитных доменов уменьшаются и размеры магнитной головки, и в случае применения материалов с высокой коэрцитивной силой она уже не в состоянии генерировать достаточный уровень магнитного поля для того, чтобы перемагнитить домены при записи информации на диск.
Выйти из положения как раз и позволяет технология HAMR. Делается это так. При записи информации локальное пространство материала диска под головкой быстро нагревается лазером до высокой температуры (примерно до 450-550°C при использовании железо-платиновых сплавов), это влечет снижение коэрцитивности до значений, при которых магнитного поля записывающей головки хватает на перемагничивание доменов, после чего происходит быстрое охлаждение поверхности магнитного материала. Коэрцитивная сила возвращается к исходным значениям.
Это вкратце принцип работы технологии HAMR. Многие компании занимались, да и сейчас продолжают заниматься исследованиями в этой области и разрабатывать эту технологию. Western Digital также оценивала перспективы, но сфокусировалась на другом варианте увеличения плотности записи. Хотя такие разработки ведутся не один год, и компания Seagate обещала начать промышленный выпуск винчестеров с технологией HAMR, планы в который раз уже откладываются и о таких дисках ничего толком не слышно.
MAMR - Microwave-Assisted Magnetic Recording (микроволновая магнитная запись)
HAMR откровенно «буксует», что в свое время поняла компания Western Digital, занявшись также и альтернативным вариантом технологии. Цель, естественно, та же – увеличить плотность записи на пластину. Только в данном случае используется не лазер, нагревающий магнитный материал, а микроволны.
Только не следует ассоциировать микроволны с нагревом. Принцип тут несколько другой. Лазер не используется, как и нагрев. Магнитная головка оснащена генератором момента спина (Spin Torque Oscillator), излучающим микроволны и работающем на довольно высокой частоте, порядка 20-40 ГГц, что позволяет использовать эффект ферромагнитного резонанса магнитной поверхности, находящейся под головкой.
Вектор намагниченности отклоняется от вертикальной оси, что, в сочетании с ферромагнитным резонансом, усиливает магнитное поле головки, необходимое для записи, в 3-4 раза. При этом данный процесс весьма энергоэффективен, для формирования такого поля требуется мощность, не превышающая одной сотой от мощности, требуемой головке для формирования поля при операции записи на диск. Все это позволяет уменьшить размер магнитных доменов и, соответственно, повысить плотность записи.
В настоящее время размер доменов составляет примерно 8 нм. Технология MAMR позволяет сократит размер вдвое, до 4 нм. При этом ожидается, что удастся уменьшить размер головок с использованием существующих технологических процессов.
Данная технология примечательна также тем, что не требуется использования новых материалов, технологий, существенной переработки конструкции головки. MAMR легко встраивается в используемые компанией магнитные головки, выполненные по технологии Damascene. Она имеет специальную форму, закрыта защитным экраном, и позволяет точно формировать магнитное поле при одновременном уменьшении нежелательного воздействия на соседние области поверхности диска. В нее встраивается генератор момента спина.
Кстати, Western Digital сообщила и еще одну новость. Она касается новой конструкции привода (акутатора) магнитной головки. На смену представленному еще в 2009-м году, при выпуске 2-терабайтных жёстких дисков, приводу «nested actuator» приходит новая версия «micro-actuator».
Отличие заключается в смещении сочленения привода ближе к считывающей головке. Это позволяет более точно отслеживать ее положение и корректировать его. Текущее значение параметра TPI (tracks per inch – дорожек на дюйм) у дисков WD составляет 400. В компании надеются достичь значения в 1 миллион TPI с новой конструкцией головки, технологией MAMR, применением новых материалов и техпроцессов.
Как сообщают представители Western Digital, работы над первой версией технологии MAMR завершены на 99%. Новые головки готовы, осталось доработать предусилитель, разрабатываемый сторонней компанией. Ожидается, что первые диски, работающие по новой технологии, появятся уже в 2019-м году. При этом в WD ожидают, что новая технология позволит сохранить преимущество в стоимости хранения и ГБ данных перед SSD по крайней мере до 2030-го года.
Технология MAMR может без радикальных изменений быть использована в современных накопителях, в том числе с заполнением гелием и использующих черепичный принцип записи. Ожидается, что максимальная плотность записи достигнет величины 4 Тб/дюйм2, что позволит довольно быстро начать выпуск жестких дисков с емкостями до 40 ТБ и выше. Называется конкретный срок – к 2025-му году.
Заключение. Технология MAMR - что это, ближайшее будущее дисков?
Вполне возможно. А что дальше? Та же WD работает над новыми технологиями запоминающих устройств, такими, как ReRAM, MRAM, память с использованием фазового изменения состояния вещества. Какая из них может «выстрелить», что из них приведет к очередному прорыву – об этом предпочитают пока что умалчивать.
Как бы то ни было, очень похоже на то, что в ближайшее время нас ожидает очередная эволюция технологии производства жестких дисков. Для конечного пользователя это выливается в такой важный, если не важнейший, параметр любого накопителя, как емкость. Терабайтов станет больше, еще больше. Кстати, новая технология потенциально способна повысить скорость чтения до 400-500 МБ/с, что вплотную приблизится к пропускной способности интерфейса SATA3, т. е. при последовательном чтении диски приблизятся к нынешним SSD-накопителями, работающим на этой шине.
Что ж, ждать осталось недолго. Если все будет как обещано, через пару лет будем тестировать новые жесткие диски и радоваться новым моделям со все возрастающей емкостью. Главное, чтобы цены не стремились возрастать. А там, вдруг и HAMR вдруг сможет громко заявить о себе, кто знает…
