Zapis magnetyczny wspomagany ciepłem

Nagrywanie magnetyczne wspomagane ciepłem ( HAMR ) (wymawiane jako „ młotek”) to technologia przechowywania magnetycznego znacznie zwiększająca ilość danych, które można przechowywać na urządzeniu magnetycznym, takim jak dysk twardy, poprzez tymczasowe podgrzewanie materiału dysku podczas zapisu, co czyni go znacznie bardziej podatnym na efekty magnetyczne i umożliwia zapisywanie do znacznie mniejszych obszarów (i znacznie wyższych poziomów danych na dysku).

Technologia była początkowo postrzegana jako niezwykle trudna do osiągnięcia, a wątpliwości co do jej wykonalności wyrażono w 2013 r. Zapisywane regiony muszą być ogrzewane na niewielkim obszarze - na tyle małym, że dyfrakcja uniemożliwia użycie normalnego ogrzewania skupionego na laserze - i wymaga ogrzewania , cykl zapisu i chłodzenia krótszy niż 1 nanosekunda , przy jednoczesnym kontrolowaniu skutków powtarzającego się punktowego nagrzewania talerzy napędów, styku napęd-głowica i sąsiadujących danych magnetycznych, na które nie wolno wpływać. Wyzwania te wymagały opracowania plazmonów powierzchniowych w nanoskali (laser naprowadzany powierzchniowo) zamiast bezpośredniego ogrzewania laserowego, nowe rodzaje szklanych talerzy i powłok kontrolujących ciepło, które tolerują szybkie nagrzewanie punktowe bez wpływu na kontakt z głowicą rejestrującą lub pobliskimi danymi, nowe metody mocowania lasera grzewczego na głowicy napędowej oraz szereg innych problemów technicznych, rozwojowych i kontrolnych, które należało przezwyciężyć.

Planowany następca HAMR, znany jako nagrywanie magnetyczne z podgrzewaną kropką (HDMR) lub nagrywanie wzorców bitowych, jest również w fazie rozwoju, chociaż oczekuje się, że będzie dostępny co najmniej do 2025 roku lub później. Dyski HAMR mają takie same wymiary (rozmiar i układ) jak istniejące tradycyjne dyski twarde i nie wymagają żadnych zmian w komputerze ani innym urządzeniu, w którym są instalowane; mogą być używane identycznie jak istniejące dyski twarde.

Dyski 20 TB HAMR zostały wprowadzone na rynek w styczniu 2021 roku.

Przegląd

Opracowano szereg technologii umożliwiających zwiększenie pojemności dysków twardych przy niewielkim wpływie na koszty. Aby zwiększyć pojemność pamięci masowej w standardowej obudowie, więcej danych musi być przechowywanych na mniejszej przestrzeni. Nowe technologie umożliwiające osiągnięcie tego celu obejmują zapis prostopadły (PMR) , dyski wypełnione helem , zapis magnetyczny z gontem (SMR) ; jednak wydaje się, że wszystkie one mają podobne ograniczenia co do gęstości powierzchniowej (ilości danych, które można przechowywać na talerzu magnetycznym o danym rozmiarze). HAMR to technika, która przełamuje to ograniczenie w przypadku nośników magnetycznych.

Ograniczenia zarówno tradycyjnego, jak i prostopadłego zapisu magnetycznego wynikają z konkurujących wymagań dotyczących czytelności, możliwości zapisu i stabilności (znanej jako Trilemma zapisu magnetycznego). Problem polega na tym, że aby niezawodnie przechowywać dane dla bardzo małych rozmiarów bitów, nośnik magnetyczny musi być wykonany z materiału o bardzo dużej koercji (zdolność do zachowania swoich domen magnetycznych i przeciwstawienia się wszelkim niepożądanym zewnętrznym wpływom magnetycznym). Głowica napędowa musi następnie przezwyciężyć ten przymus podczas zapisywania danych. Ale wraz ze gęstości powierzchniowej rozmiar zajmuje jeden bit danych staje się tak mały, że najsilniejsze pole magnetyczne, jakie można wytworzyć do zapisu danych za pomocą obecnej technologii, nie jest wystarczająco silne, aby pokonać koercję talerza (lub w kategoriach rozwojowych odwrócić domenę magnetyczną), ponieważ jest to niewykonalne aby wytworzyć wymagane pole magnetyczne w tak małym obszarze. W efekcie istnieje punkt, w którym wykonanie działającego dysku staje się niepraktyczne lub niemożliwe, ponieważ czynność zapisu magnetycznego nie jest już możliwa na tak małą skalę.

Koercja wielu materiałów zależy od temperatury. Jeśli temperatura namagnesowanego obiektu zostanie tymczasowo podniesiona powyżej jego temperatury Curie , jego koercja będzie znacznie mniejsza, aż do ostygnięcia. (Można to zaobserwować, podgrzewając namagnesowany przedmiot, taki jak igła , w płomieniu : gdy przedmiot ostygnie, straci wiele ze swojego namagnesowania.) HAMR wykorzystuje tę właściwość materiałów magnetycznych na swoją korzyść. Mały laser wewnątrz dysku twardego tymczasowo nagrzewa punktowo zapisany obszar, tak że na krótko osiąga temperaturę, w której materiał dysku chwilowo traci znaczną część swojej koercji. Niemal natychmiast głowica magnetyczna zapisuje dane na znacznie mniejszym obszarze, niż byłoby to możliwe w innym przypadku. Materiał szybko ponownie stygnie, a jego koercja powraca, aby zapobiec łatwej zmianie zapisanych danych, dopóki nie zostaną ponownie zapisane. Ponieważ tylko niewielka część dysku jest nagrzewana na raz, nagrzana część szybko się ochładza (poniżej 1 nanosekundy) i wymaga stosunkowo niewielkiej mocy.

Wykorzystanie ogrzewania stwarzało poważne problemy techniczne, ponieważ od 2013 r. Nie było jasnego sposobu skupienia wymaganego ciepła na niewielkim obszarze wymaganym w ramach ograniczeń narzuconych przez użycie dysku twardego. Czas wymagany do nagrzania, napisania i ochłodzenia wynosi około 1 nanosekundy , co sugeruje użycie lasera lub podobnego środka grzewczego, ale dyfrakcja ogranicza użycie światła o typowych długościach fal lasera, ponieważ zwykle nie mogą one skupiać się w niczym podobnym do małego obszaru, którego wymaga HAMR dla swoich domen magnetycznych. Tradycyjne platerowane talerze magnetyczne nie nadają się również ze względu na swoje właściwości przewodzenia ciepła , dlatego należy opracować nowe materiały napędowe. Ponadto należy przezwyciężyć wiele innych problemów technicznych, rozwojowych i kontrolnych. Firma Seagate Technology , która odegrała znaczącą rolę w rozwoju dysków HAMR, skomentowała, że wyzwania obejmują „podłączenie i wyrównanie półprzewodnikowego lasera diodowego do głowicy zapisu HDD oraz wdrożenie optyki bliskiego pola w celu dostarczania ciepła”, wraz ze skalą użytkowania który jest znacznie większy niż poprzednie zastosowania optyki bliskiego pola. Obserwator branżowy IDC stwierdził w 2013 r., że „Technologia jest bardzo, bardzo trudna i było wiele sceptycyzmu, czy kiedykolwiek trafi do produktów komercyjnych”, z ogólną opinią, że jest mało prawdopodobne, aby HAMR był dostępny na rynku przed 2017 r.

Seagate stwierdził, że przezwyciężył problem ogniskowania ciepła, opracowując plazmony powierzchniowe w nanoskali zamiast bezpośredniego ogrzewania laserowego. W oparciu o ideę falowodu , laser „przemieszcza się” po powierzchni materiału prowadzącego, który jest kształtowany i ustawiany tak, aby doprowadzić wiązkę do obszaru, który ma być ogrzany (o napisaniu). Dyfrakcja nie wpływa niekorzystnie na tego rodzaju ogniskowanie oparte na falowodzie, więc efekt ogrzewania można skierować na niezbędny mały obszar. Problemy z ogrzewaniem wymagają również nośników, które tolerują szybkie nagrzewanie punktowe do ponad 400°C na niewielkim obszarze bez wpływu na kontakt między głowicą nagrywającą a talerzem lub na niezawodność talerza i jego powłoki magnetycznej. Talerze są wykonane ze specjalnego „szkła HAMR” z powłoką, która precyzyjnie kontroluje, w jaki sposób ciepło przemieszcza się w talerzu po dotarciu do ogrzewanego obszaru - co ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania stratom energii i niepożądanemu nagrzewaniu lub kasowaniu pobliskich obszarów danych. Oczekuje się, że koszty eksploatacji nie będą znacząco różnić się od dysków innych niż HAMR, ponieważ laser zużywa tylko niewielką ilość energii – początkowo opisaną w 2013 r. jako kilkadziesiąt miliwatów , a ostatnio w 2017 r. jako „poniżej 200 mW” (0,2 W ). To mniej niż 2,5% z 7 do 12 watów zużywanych przez zwykłe 3,5-calowe dyski twarde.

Firma Seagate po raz pierwszy zademonstrowała działające prototypy HAMR w ciągłym użyciu podczas 3-dniowego wydarzenia w 2015 r. W grudniu 2017 r. firma Seagate ogłosiła, że przedpremierowe dyski przechodzą testy klientów z ponad 40 000 dysków HAMR i „milionami” głowic odczytu/zapisu HAMR już zbudowanych , a moce produkcyjne były dostępne dla wolumenów pilotażowych i pierwszej sprzedaży jednostek produkcyjnych, które mają zostać wysłane do kluczowych klientów w 2018 r., po czym nastąpi pełne wprowadzenie na rynek dysków HAMR „20 TB+” w 2019 r., z dyskami twardymi 40 TB do 2023 r. i 100 Dyski TB do około 2030 roku. Jednocześnie Seagate stwierdził również, że prototypy HAMR osiągnął gęstość powierzchniową 2 TB na cal kwadratowy (wzrost o 30% rocznie przez 9 lat, z „niedalekiej przyszłości” celem 10 TBpsi). Zgłoszono, że niezawodność transferu pojedynczej głowicy wynosi „ponad 2 PB ” (co odpowiada „ponad 35 PB w ciągu 5 lat na dysku o pojemności 12 TB”, co określa się jako „znacznie przekraczające” typowe użycie), a moc ogrzewania lasera wymaga „poniżej 200 mW” (0,2 W ), mniej niż 2,5% z 8 lub więcej watów zwykle używanych przez silnik dysku twardego i zespół głowicy. Niektórzy komentatorzy spekulowali, że dyski HAMR wprowadzą również użycie wielu siłowników na dyskach twardych (ze względu na szybkość), ponieważ rozwój ten został również omówiony w ogłoszeniu firmy Seagate i stwierdzono, że należy się go spodziewać w podobnej skali czasowej.

Historia

W 1954 roku inżynierowie PL Corporation pracujący dla RCA złożyli patent, w którym opisano podstawową zasadę wykorzystania ciepła w połączeniu z polem magnetycznym do zapisu danych. Następnie pojawiło się wiele innych patentów w tej dziedzinie, początkowo skupiających się na pamięciach taśmowych.
W latach osiemdziesiątych XX wieku na rynku pojawiła się klasa urządzeń pamięci masowej zwana napędem magnetooptycznym , które wykorzystywały zasadniczo tę samą technikę zapisywania danych na dysku. Jedną z zalet zapisu magnetooptycznego w porównaniu z przechowywaniem czysto magnetycznym w tamtym czasie było to, że rozmiar bitu był definiowany przez rozmiar skupionej plamki lasera, a nie pole magnetyczne. W 1988 roku 5,25-calowy dysk magnetooptyczny mógł pomieścić 650 megabajtów danych z mapą drogową do kilku gigabajtów ; pojedynczy dysk magnetyczny 5,25 cala miał pojemność około 100 megabajtów.
Pod koniec 1992 roku firma Sony wprowadziła MiniDisc , format nagrywania i odtwarzania muzyki, który ma zastąpić kasety audio . Nagrywalne dyski MiniDisc wykorzystywały nagrywanie magnetyczne wspomagane ciepłem, ale dyski były odczytywane optycznie za pomocą efektu Kerra .
„Późne lata 90.” — firma Seagate rozpoczęła prace badawczo-rozwojowe związane z nowoczesnymi dyskami HAMR.
2006 — Fujitsu demonstruje HAMR.
Od 2007 roku firma Seagate wierzyła, że może wyprodukować dyski twarde o pojemności 300 terabajtów (37,5 terabajta (TB)) przy użyciu technologii HAMR. Niektóre serwisy informacyjne błędnie informowały, że Seagate wprowadzi na rynek dysk twardy o pojemności 300 TB do 2010 r. Firma Seagate odpowiedziała na tę wiadomość, stwierdzając, że gęstość 50 terabitów na cal kwadratowy znacznie przekracza ramy czasowe z 2010 r. i że może to również obejmować kombinację nośników Bit Patterned.
Na początku 2009 roku Seagate osiągnął 250 Gb na cal kwadratowy przy użyciu HAMR. Była to połowa gęstości osiąganej w tamtym czasie dzięki prostopadłemu zapisowi magnetycznemu (PMR).
Technologia dysków twardych rozwijała się szybko i od stycznia 2012 r. Dyski twarde do komputerów stacjonarnych miały zwykle pojemność od 500 do 2000 gigabajtów, podczas gdy dyski o największej pojemności miały 4 terabajty. Już w 2000 roku uznano, że obecna wówczas technologia dysków twardych będzie miała ograniczenia i że nagrywanie wspomagane termicznie było jedną z opcji zwiększenia pojemności pamięci.
W marcu 2012 r. firma Seagate została pierwszym producentem dysków twardych, który osiągnął przełomową gęstość pamięci masowej wynoszącą 1 terabajt na cal kwadratowy przy użyciu technologii HAMR.
W październiku 2012 TDK ogłosił, że osiągnął gęstość przechowywania 1,5 terabita na cal kwadratowy, używając HAMR. Odpowiada to 2 TB na talerz w 3,5-calowym dysku.
Listopad 2013 r. — Western Digital demonstruje działający dysk HAMR, chociaż nie jest jeszcze gotowy do sprzedaży komercyjnej, a firma Seagate poinformowała, że spodziewa się rozpoczęcia sprzedaży dysków opartych na HAMR około 2016 r.
W maju 2014 r. Firma Seagate poinformowała, że planuje wyprodukować niewielkie ilości dysków twardych o pojemności od 6 do 10 TB w „niedalekiej przyszłości”, ale wymagałoby to „wielu inwestycji technicznych, jak wiesz, to także dużo inwestycji testowych” . Chociaż Seagate nie stwierdził, że nowe dyski twarde używają HAMR, bit-tech.net spekulował, że tak będzie. Firma Seagate zaczęła dostarczać dyski o pojemności 8 TB około lipca 2014 r., ale nie mówiąc, w jaki sposób osiągnięto tę pojemność; Extremetech.com spekulował, że zamiast HAMR zastosowano gontowe nagrywanie magnetyczne .
W październiku 2014 TDK przewidział, że dyski twarde HAMR mogą zostać wprowadzone na rynek w 2015 roku, co się nie zmaterializowało.
Na konferencji Intermag 2015 w Pekinie w Chinach w dniach od 11 do 15 maja firma Seagate poinformowała o rejestracji HAMR przy użyciu plazmonicznego przetwornika bliskiego pola i ziarnistego nośnika FePt o wysokiej anizotropii przy gęstości powierzchniowej 1,402 Tb/in².
W październiku 2014 r. firma TDK, która dostarcza komponenty do dysków twardych głównym producentom dysków twardych, stwierdziła, że dyski HAMR o pojemności do około 15 TB prawdopodobnie zaczną być dostępne do 2016 r . Szef HAMR zasugerował, że standardowa 5-letnia trwałość wymagana przez klientów korporacyjnych jest również osiągalna.
W maju 2017 r. Firma Seagate potwierdziła, że spodziewa się komercyjnego wprowadzenia dysków HAMR „pod koniec 2018 r.”, A komentatorzy odnotowali to ogłoszenie jako pierwszy raz, kiedy firma Seagate zobowiązała się do tak określonych ram czasowych wprowadzenia na rynek dysku HAMR. Komentatorzy w tamtym czasie sugerowali, że prawdopodobna pojemność w chwili premiery może wynosić około 16 TB, chociaż konkretne pojemności i modele nie będą znane do tego czasu.
W grudniu 2017 r. firma Seagate ogłosiła, że w 2017 r. dyski HAMR przechodziły testy przedpilotażowe u klientów, przy czym zbudowano już ponad 40 000 dysków HAMR i „miliony” głowic odczytu/zapisu HAMR, a w 2018 r. pełne wprowadzenie na rynek dysków HAMR „20 TB +” w 2019 r. Stwierdzili również, że rozwój HAMR osiągnął gęstość powierzchniową 2 Tb na cal kwadratowy (rosnąc o 30% rocznie przez 9 lat z „niedalekiej przyszłości” celem 10 Tbpsi) , niezawodność głowicy „ponad 2 PB ( petabajt
)” na głowę (co odpowiada „ponad 35 PB w ciągu 5 lat na dysku o pojemności 12 TB”, określane jako „znacznie przekraczające” typowe użycie) i wymagana moc lasera grzewczego „poniżej 200 mW” (0,2 W) , mniej niż 2,5% z 8 lub więcej watów zwykle używanych przez silnik dysku twardego i jego zespół głowicy. Niektórzy komentatorzy spekulowali na temat tego ogłoszenia, że dyski HAMR mogą również zobaczyć wprowadzenie wielu siłowników na dyskach twardych (ze względu na prędkość), ponieważ rozwój został również omówiony w podobnym czasie i również stwierdzono, że należy się go spodziewać w podobnej skali czasowej.
W dniu 6 listopada 2018 r. Zgłoszono zaktualizowaną mapę drogową firmy Seagate, która sugeruje, że dyski o pojemności 16 TB w 2018 r. już wysłane i przeszły testy „kluczowego klienta”, a łańcuch dostaw istniał do produkcji seryjnej, z dyskami 20 TB w fazie rozwoju w 2019 r. i dyskami 40 TB oczekiwanymi na 2023 r. Krótko po powyższym ogłoszeniu, 4 grudnia 2018 r., firma Seagate ogłosiła również, że przeprowadzał końcowe testy i testy porównawcze dysków HAMR o pojemności 16 TB przeznaczonych do wprowadzenia na rynek, po czym klienci zostaną poproszeni o ich zakwalifikowanie (potwierdzenie, że działają one zadowalająco i dane dotyczące wydajności) przed wprowadzeniem na rynek, przy czym dyski o pojemności 20 TB planowane są na rok 2020. Seagate skomentował, że „Są to te same testy, których klienci używają do zakwalifikowania każdego nowego dysku” i obejmują zużycie energii, wydajność odczytu i zapisu, prawidłowe odpowiedzi na polecenia SCSI i SATA oraz inne testy. Na początku grudnia 2018 r. dyski spełniały oczekiwania.
Na targach Consumer Electronics Show (CES) w styczniu 2019 r. firma Seagate zaprezentowała technologię HAMR, demonstrując udane zadania odczytu/zapisu przy użyciu dysku „Exos” z przezroczystym okienkiem pokazującym działanie głowicy dysku.
W lutym 2019 AnandTech opublikował aktualizację dotyczącą HAMR, podając szczegółowe plany wydania produktu. Według firmy Seagate, w pierwszej połowie 2019 r. spodziewano się wprowadzenia na rynek dysków HAMR o pojemności 16 TB z pojedynczym siłownikiem. Określono je jako „ponad 250 MB/s, około 80 operacji wejścia/wyjścia na sekundę (IOPS) i 5 IOPS na TB " (IOPS/TB to ważny wskaźnik dla magazynów danych typu nearline ) z czasem życia głowicy wynoszącym 4 PB i moc w użyciu poniżej 12 W, porównywalna z istniejącymi dyskami twardymi klasy korporacyjnej o wysokiej wydajności. Poza tym w 2020 r. spodziewano się zarówno dysków HAMR o pojemności 20 TB z jednym siłownikiem, jak i pierwszych dysków HAMR z dwoma siłownikami . : ich dyski PMR z dwoma siłownikami z 2019 r. osiągały około dwukrotnie większą szybkość transmisji danych i IOPS niż pojedyncze siłowniki: 480 MB/s, 169 IOPS, 11 IOPS/TB dla dysku PMR o pojemności 14 TB).
Firma Seagate wyszczególniła również mapę drogową HAMR po wprowadzeniu na rynek: następna generacja technologii umożliwiających dyski HAMR o pojemności do 24 TB była testowana wewnętrznie z działającymi talerzami osiągającymi 2,381 Tb/in 2 ( ³ TB na talerz) i 10 Tb/in ² w laboratorium, a trzecia generacja urządzeń produkcyjnych ma osiągnąć 5 Tb/in ² (dyski 40 TB) do 2023 r.
W październiku 2019 analitycy podejrzewali, że HAMR zostanie opóźniony komercyjnie do 2022 r., Z 10-talerzowymi dyskami twardymi wykorzystującymi nagrywanie prostopadłe (oczekuje się, że po nim SMR ( zapis magnetyczny Shingled ) będzie używany jako rozwiązanie tymczasowe.
Podczas rozmowy telefonicznej z inwestorami w kwietniu 2020 r. dyrektor generalny Seagate, David Mosley, stwierdził, że pandemia koronawirusa w 2020 r. zwiększyła popyt i że spodziewają się, że do końca 2020 r.
W październiku 2020 r. firma Seagate potwierdziła zamiar rozpoczęcia sprzedaży dysków HAMR o pojemności 20 TB w grudniu 2020 r., z celem 50 TB do 2026 r.

Wzornictwo termomagnetyczne

Podobną technologią do zapisu magnetycznego wspomaganego ciepłem, która była używana w głównym nurcie innym niż do zapisu magnetycznego, jest wzornictwo termomagnetyczne. Koercja magnetyczna jest wysoce zależna od temperatury i jest to aspekt, który został zbadany przy użyciu wiązki laserowej do napromieniowania warstwy magnesu trwałego w celu obniżenia jej koercji w obecności silnego pola zewnętrznego, którego kierunek magnesowania jest przeciwny do kierunku folię magnesu trwałego, aby odwrócić jej namagnesowanie. Tworząc w ten sposób wzór magnetyczny o przeciwnych namagnesowaniach, który można wykorzystać do różnych zastosowań.

Organizować coś

Istnieją różne sposoby konfiguracji, ale podstawowa zasada jest wciąż taka sama. Trwały pasek magnetyczny jest osadzany na podłożu z krzemu lub szkła i jest naświetlany wiązką laserową przez wcześniej zaprojektowaną maskę. Maska została zaprojektowana specjalnie w tym celu, aby zapobiec napromieniowaniu przez wiązkę laserową niektórych fragmentów folii magnetycznej. Odbywa się to w obecności bardzo silnego pola magnetycznego, które może być generowane przez tablicę Halbacha . Obszary, które są odsłonięte/napromieniowane przez wiązkę laserową, doświadczają zmniejszenia koercji z powodu ogrzewania przez wiązkę laserową, a namagnesowanie tych części może być łatwo odwrócone przez przyłożone pole zewnętrzne, tworząc pożądane wzory

Zalety

Może służyć do wykonywania wielu rodzajów wzorów
Przydatny do zapisu magnetycznego, wzór szachownicy do celów lewitacji w mikro i nanoskali
Tanie, ponieważ używany laser zazwyczaj zużywa mało energii
Można łatwo wdrożyć
Może być używany do bardzo drobnych szczegółów w zależności od finezji, z jaką używany jest laser

Niedogodności

Potencjalna utrata namagnesowania (jeśli temperatura przekracza temperaturę Curie )
Superparamagnetyczna natura ferromagnetyków przy bardzo małych rozmiarach ogranicza to, jak małe mogą być
Problemy z granicami z powodu nieokreślonych możliwości na skrzyżowaniu zwrotnym
Głębokość odwrócenia jest obecnie ograniczona
Niezbyt wydajny na podłożu krzemowym, ponieważ krzem działa jak radiator (lepiej na podłożu szklanym)
Namagnesowanie szczątkowe stanowi problem ze względu na głębokość odwrócenia, która jest ograniczona głębokością penetracji wiązki laserowej

Zobacz też

Nagrywanie prostopadłe
Wymień media wiosenne
Wzorzyste media
Gontowy zapis magnetyczny
Zapis magnetyczny wspomagany mikrofalami (MAMR) - również dwuwymiarowy zapis magnetyczny (TDMR), zapis bitowy (BPR) i głowice gigantycznego magnetooporu „prądu prostopadłego do płaszczyzny” (CPP / GMR).

Linki zewnętrzne