Перейти на Sec.Ru
Рейтинг@Mail.ru

04 декабря 2014

Использование накопителей на рынке видеонаблюдения (II). Новые технологии на рынке жестких дисков

Александр Горскин

 

Итак, перспективным направлением в сегменте жестких дисков является развитие «гелиевой» платформы, о которой мы уже рассказали, с ориентацией на новейшие технологии. Еще пару лет назад, предельными в винчестерах, выполненных в формфакторе 3.5 дюйма считалось 5 пластин, но уже в этом году компания Seagate представила свою новинку – HDD Enterprise Capacity 3.5 HDD v4, емкостью 6 Тб с 6 пластинами на борту, а компания WD, соответственно – Ultrastar He6 – первый в отрасли герметичный HDD с гелиевым наполнителем емкостью 6 Тб с 7! пластинами.

Прогнозируется, что в последующие годы обычная перпендикуляр­ная магнитная запись будет заменена сначала на «черепичную» – SMR (Shingled Magnetic Recording), а затем на технологию с прогревом участка для записи – HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording), но не все тут так просто.

 

 

Пределы технологий на рынке современных HDD

Выделим три основных компонента жесткого диска, в направлении ко­торых происходит развитие:

·         носитель информации (диск с магнитным слоем, платтеры);

·         записывающий элемент (головка);

·         считывающий элемент (головка).

Совокупная реализации этих трех составляющих определяют метод записи, самой важной конечной характеристикой которого является плотность записи информации на единицу площади.

Записывающая головка. Самый большой прогресс ее развития происходил в 90-х годах, когда в качестве материала последовательно сменились сплавы NiFe (никель-железо), CoNiFe (добавился кобальт) а теперь – CoFe (без никеля), который имеет самую высокую среди известных материалов намагниченность насыщения.

Считывающая головка. Также с 90-х годов было несколько существенных рывков, связанных с открытием новых магнитных эффектов в материалах. Это и гигантский магниторезистивный эффект (GMR) (1990...), за открытие которого была присуждена Нобелевская премия в 2007 году, анизотропный магниторезистивный эффект (AMR) и туннельный магниторезистивный эффект (TuMR) (2005-2006). Основная задача в ходе исследований – повышение чувствительности головки, что позволяло повысить соотношение сигнал/шум.

 

 

Носитель информации. Это блин, покрытый магнитным слоем, который имеет зернистую структуру. Каждое зернышко в процессе записи намагничивается в ту или иную сторону. Отсюда – чем мельче зерно, равномернее их физический размер и однороднее состав – тем большую плотность записи можно обеспечить. За последнее десятилетие, размер зерна удалось снизить с 20 нм до примерно 9 нм.

 

 

Соотношение сигнал/шум пропорционально квадратному корню из числа зерен (гранул), участвующих в записи одного бита информации. При уменьшении количества зерен будет потеря полезного сигнала. Выход удалось найти расположением зерен не в плоскости, а вертикально, что позволило уменьшить площадь, занимаемая нужным количеством зерен, без уменьшения их количества. При этом и пятно магнитного поля, создаваемое головкой, удало «сфокусировать» на меньшей площади. Этот метод получил название «Перпендикулярная магнитная запись» (Perpendicular Magnetic Recording), он был реализован на практике в 2005-2007гг.

Помимо дизайна записывающей головки, для перпендикулярной за­писи пришлось усложнять структуру магнитного слоя – теперь он состоит из собственно магнитного слоя и магнито-мягкой подложки, которая замыкает магнитное поле, генерируемое головкой. Дополнительные плюсы перпендикулярного метода записи:

·         меньшее взаимное влияние соседних зерен с разнонаправленной намагниченностью (их поля ориентированы параллельно);

·         соосность полей отдельных зерен лучше, чем при плоской записи – это дает более контрастное записанное пятно.

Уже несколько лет в серийно выпускаемых жестких дисках применяется технология перпендикулярной магнитной записи (Perpendicular Magnetic Recording, PMR). Записывающий элемент воздействует на домены магнитным полем, чтобы придать определенную ориентацию магнитному полю частиц. При этом мягкий подслой обеспечивает дополнительную стабильность частиц относительно друг друга.

Благодаря ориентации магнитных доменов не параллельно плоскости диска, а перпендикулярно ей, удалось уменьшить размеры дорожки и за счет этого увеличить емкость одной пластины до 250 Гбайт.

Благодаря планомерному развитию данной технологии, удельная плотность магнитной записи была увеличена в четыре раза и сейчас позволяет уместить 1 Тбайт данных на одной пластине. Однако в современных условиях и этого уже оказывается недостаточно.

 

 

 

 

 

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 приходится 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. 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.

 

 

 

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 и меньше, 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. Это можно решить только в том случае, если производители откажутся от метода перпендикулярной записи.

Данную проблему можно решить методами с общим названием Energy Assisted Magnetic Recording (EAMR). Суть методов в том, что для изменения состояния используемого материала требуется значительно больше энер­гии, чем поступает от записывающей головки и тем более – в состоянии хранения. Дополнительная энергия поступает в виде тепла от излучения лазера (Heat Assisted Magnetic Recording, HAMR) или от ферромагнитного резонанса (Microwave Assisted Magnetic Recording, MAMR).

 

HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) – термоассистируемая магнитная запись

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 совета директоров IDEMA прогнозирует появление в продаже первых HAMR-дисков в 2015 году.

 

 

Технология HAMR решает проблему увеличения плотности записи путем уменьшения магнитных частиц, а для этого требуется переход на но­вый материал.

Для HAMR-дисков необходимо использовать материал с более высокой анизотропной энергией и повышенной способностью к намагничива­нию – 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. Данное обстоятельство позволило бы производить жесткие диски емкостью 30 Тбайт с плотностью записи 5 Тбит на квадратный дюйм.

При использовании технологии HAMR, запись осуществляется с использованием лазера. Записывающая головка сможет изменить магнитное поле частиц только в том случае, если последние будут разогреты лазером до температуры чуть ниже точки Кюри (в одном из вариантов технологии), при которой они полностью теряют свою способность к намагничиванию.

В основу технологии HAMR положен эффект снижения коэрцитивной силы магнита при его нагреве. Если же нагреть магнитный материал до температуры Кюри, то его коэрцитивная сила становится равной нулю. В магнитном гистерезисе Коэрцитивная сила – это напряжённость магнитного поля, в котором ферромагнитный образец, первоначально намагниченный до насыщения, размагничивается. Точка Кюри (или тем­пература Кюри) – это температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества. К примеру, при температуре ниже температуры Кюри ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью, вызванной упорядоченной ориентацией магнитных моментов атомов. При температуре выше температуры Кюри упорядоченность разрушается из-за сильных тепловых колебаний атомов. В результате этого ферромагнетик становится парамагнетиком.

 

 

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 на участке площадью несколько нанометров. В результате записывающей головке требуется меньше энергии для изменения магнитного поля частиц. Световое излучение лазера должно быть сконцентрировано на той дорожке, на которую и осуществляется запись.

В технологии HAMR выделяют два метода записи:

·         магнитное доминирование (Magnetic dominant);

·         оптическое доминирование (Optical dominant).

При использовании метода магнитного доминирования световое пятно, осуществляющее разогрев магнитного материала, имеет большие размеры, чем ширина дорожки.

При таком методе записи, ширина дорожки определяется шириной сердечника записывающей головки. Кроме того, характерной особенностью данного метода является то, что магнитный материал разогревается до температуры, которую называют температурой записи Tw. Температура Tw характеризуется тем, что при ее достижении коэрцитивная сила домена становится меньше величины магнитного поля записывающей головки, но при этом до точки Кюри домен не разогревается. Другими словами, разогревом домена обеспечивается просто снижение его коэрцитивной силы, а не полное его «размагничивание», как это происходит в точке Кюри. Светового пятно лазера при таком методе записи имеет размер порядка 1 мкм. Ширина дорожек, а, значит, и плотность записи в таком методе ограничивается конструктивными особенностями записывающей головки.

 

 

Метод оптического доминирования отличается значительно меньшим размером светового пятна – менее 50 нм. Ширина дорожки в этом случае определяется именно диаметром светового пятна, а ширина записывающей головки оказывается несколько больше ширины дорожки.

Именно этот метод позволяет добиться меньшего размера магнитного домена и обеспечивает большую плотность записи, ведь ширина дорожки составляет всего 40-50 нм. Однако при таком способе записи необходимо использовать материалы с большей коэрцитивной силой. В результате, магнитный домен необходимо разогревать до большей температуры, т.е. до температуры Кюри, при которой магнитный материал имеет нулевое значение коэрцитивной силы и его очень легко перемагнитить, не смотря даже на малые габариты записывающей головки, а значит – не смотря и на малое значение ее записывающего магнитного поля.

Сравнивая эти два метода можно сказать, что на сегодняшний день метод оптического доминирования зависит от лазеров размером светового пятна 50 нм, а их разработка ограничивается дифракционным пределом.

Исходя из значений плотности записи, диски с термоассистируемой магнитной записью могут иметь высокую скорость чтения (около 400­500 Мбайт/с), которая сегодня достижима только для SSD-накопителей с интерфейсом SATA 3. Изыскания по данной технологии ведутся уже несколько лет и можно встретить разные варианты ее предварительной реализации. Это могут быть чисто научные исследования, либо совместные с производителями жестких дисков.

В одних изысканиях температура нагрева блина – порядка +100 градусов Цельсия, в других – около +180 градусов Цельсия, +650 градусов Кельвина (около +377 градусов по Цельсию). В отдельных предложениях температура нагрева еще выше. Для разогрева магнитного материала, как уже говорилось, предлагается использовать нагревательный элемент на основе лазера. Cветовое излучение лазера должно быть в максимальной степени сфокусировано. В качестве нагревательного элемента, в принципе, могут использоваться следующие устройства:

·         гребенчатый волновод;

·         дуговая подвесная излучающая антенна;

·         плоский дифракционный элемент;

·         SMASH-головка.

При этом требуется, чтобы элементы интегрировались с магнитной головкой. Несколько лет назад, компания Fujitsu предлагала использовать в качестве нагревательного элемента слоенную дифракционную структуру. Такая структура очень хорошо сочетается с магнитной головкой, и процесс ее производства совместим с технологией изготовления современных магнитных головок. Все это означает, что головка чтения, головка записи и нагревательный элемент могут изготавливаться на подложке из AlTiC (алюминий-титан-углерод) планарным методом. Элемент имеет стреловидную форму и состоит из 7 слоев. Данная структура, в какой-то мере, может называться зеркальной фокусирующей оптической системой, которая преобразует входной световой поток в световое пятно малого размера (подробнее об этом методе можно почитать в Интернете).

Внедрение этой технологии требует использования в качестве записывающего слоя принципиально новых материалов с высоким уровнем анизотропности. Речь может идти о таких сплавах, как Fe14Nd2B, CoPt, FePt или даже Co5Sm. Стоят они очень дорого. Также для технологии TAMR предлагается использовать синтетические ферромагнитные материалы (SFM). Одним из примеров SFM может служить композитный носитель, состоящий из следующих слоев:

·         тонкая основа (нижний слой) из кобальт-хромового сплава (CoCr);

·         толстый верхний слой из сплава кобальта-хрома-платины-бора (CoCrPtB);

·         слой рутения (Ru), расположенный между двумя ферромагнитными слоями.

Подобная структура с широким слоем магнитного материала обладает высоким значением константы плотности энергии анизотропии, которая влияет на суперпарамагнетический (суперпарамагнитный) эффект и высоким значением фактора стабильности, при малом размере магнитного домена. Фирмой Fujitsu тестировались SFM-материалы, некоторые из которых, имели значительно лучшие термические показатели, чем использованные при производстве МО-носителей.

Кроме того, специалисты из Seagate всерьез полагают, что в HAMR винчестерах придется ставить 2 раздельные головки. Наиболее необычным является считывающий элемент – это оптическая головка! Точнее, не совсем оптическая, в ней будет использоваться специальное твердотельное зеркало (Planar Solid Immersion Mirror).

Технологии HAMR является продолжением технологии, которая на протяжении ряда лет применялась в устройствах магнитооптической записи (MO), которые производили: сначала Sony и Fujitsu, а потом Fujitsu в одиночестве. Сейчас данные носители не используются. Но надо учитывать, что в MO пишущих приводах, в отличие от HDD, использовался только один диск, соответственно, и для записи – лазер нужен был один. При записи, лазер нагревал диск с одной стороны, магнитная записывающая головка располагалась с другой стороны диска. В многодисковых накопителях, по логике потребуется на каждую головку монтировать по отдельному лазеру? Также не ясно, каким способом будет решаться вопрос теплоотвода от жесткого диска, пластины внутри которого будут постоянно нагреваться лазером.

 

MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording) – микроволновая магнитная запись

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.

Основная идея технологии микроволновой магнитной записи (Microwave Assisted Magnetic Recording, MAMR), как и в HAMR – снизить сопротивление перемагничиванию в очень ограниченной области материала. Но достигается это за счет другого эффекта – ферромагнитного резонанса. Материал магнитного слоя в очень ограниченной области возбуждается на частоте ферромагнитного резонанса (около 50 ГГц) в течение 1 наносекунды. В этом состоянии происходит запись информации, т.е., намагничивание с нужной ориентацией, с приложением энергии, значительно меньшей, и в два раза быстрее, чем требуется этому материалу в состоянии покоя. Необходимое воздействие генерируется устройством под названием Perpendicular Spin Torque Oscillator (PSTO).

Головка чтения/записи излучает микроволны, на частоте которых вектор намагничивания будет прецессировать вокруг внешнего магнитного поля при его переключении.

Процесс происходит в очень ограниченной области – строго по ширине головки (25 нм) и в толщине слоя порядка 10 нм, называемой слоем генерации поля (Field Generating Layer, FGL) и представляет собой процесс, похожий на происходящее в лазере – изначально случайным образом ориентированные в намагниченности частицы, приобретают согласованное вращение вектора ориентации, «подхватывая» с каждым проходом еще не втянутых в процесс соседей.

 

 

Колеблющееся магнитное поле с круговой поляризацией на правильной частоте добавляет энергию, что упрощает запись битов.

Если при этом еще приложить магнитное поле в нужном направлении – получается область, в которой намагниченность всех частиц ориентирована строго в одну сторону. Направленное микроволновое поле генерируется PSTO, который представляет собой набор работающих на переменном токе тонких магнитных плёнок, встроенных в головку.

Поле, создаваемое усовершенствованной при помощи осциллятора головки очень четко локализовано – имеет резкие границы и равномерно в области действия.

В целом, генератор увеличивает эффективность записывающей головки в три раза. Путем компьютерного моделирования было подтверждено, с помощью микроволновой технологии можно получить плотность записи до 3 Тб/кв. дюйм.

Технология микроволновой магнитной записи (Microwave Assisted Magnetic Recording, MAMR), в отличие от HAMR, пока находится в стадии разработки.

Существенный момент, который может повлиять на дальнейшую судьбу технологии и метода – конструкция накопителя и головок требует минимальной доработки для адаптации к MAMR. Как уже указывалось – осциллятор (PSTO) пристраивается к обычной записывающей головке.

 

TDMR (Two Dimensional Magnetic Recording) – двумерная магнитная запись

Метод двумерной магнитной записи предложил Roger Wood в 2009 году. Данный метод предлагает устранить затруднения, связанные с отношением сигнал/шум. Компания Toshiba, совместно с компаниями TDK и Showa Denko KK объединились в альянс и работают над этой технологией. 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. Потенциал технологии существенный – до 10 Тб/кв. дюйм и опирается он на стандартные, промышленные решения (базовая плотность записи сейчас – примерно 1 Тб/кв. дюйм).

 

 

По словам вице-президента по маркетингу бизнес-подразделения Toshiba America Electronic Components по системам для хранения данных Джоэла Хагберга (Joel Hagberg), на данный момент в Toshiba работают над подготовкой платформы для будущей интеграции технологии раздельной записи дорожек (DTR) и паттернированного носителя данных в жесткие диски. Последний обещает обеспечить плотность записи в 1-3 Тб на квадратный дюйм. Двумерная магнитная запись (Two Dimensional Magnetic Recording, TDMR) является экспериментальной технологией. Основная цель рабочей группа альянса – внедрением данной разработки на поток и оттачиванием старых методов производства.

 

SMR (Shingled Magnetic Recording) – магнитная запись с частичным перекрытием дорожек (метод «черепичной» записи)

Частным случаем данного метода является технология магнитной записи с частичным перекрытием дорожек (метод «черепичной» записи – Shingled Magnetic Recording, SMR).

По мнению компании Seagate, это наиболее перспективный метод, способный обеспечить плотность записи свыше 1 Тбит на квадратный дюйм.

Напомним, что данные на поверхности пластин жесткого диска записываются на так называемых дорожках, которые можно упрощенно представить в виде совокупности концентрических окружностей. Чем меньше ширина дорожек и интервалов между ними, тем выше удельная плотность записи, а значит и емкость накопителя при тех же формфакторе и количестве пластин.

При традиционном способе магнитной записи минимальная ширина дорожки определяется физическими размерами записывающего элемента головки жесткого диска. К настоящему времени уже достигнут предел миниатюризации элементов магнитных головок, и дальнейшее уменьшение их размеров при использовании существующих технологий невозможно.

Принцип «черепичной» записи 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 ограничение: 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.

Технология SMR позволяет обойти данное ограничение и увеличить удельную плотность записи за счет более плотного расположения дорожек, благодаря частичному перекрытию, ширина дорожки для считывающей головки может составлять до 10 нм, что соответствует плотности записи в 2.5 Тбит на квадратный дюйм.

Задача 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 дорожку со смещением в 10 нм. Кроме того, записывающая головка оснащается защитным экраном, чтобы ее мощное магнитное поле не повредило расположенные под ней данные. Такая головка уже разработана компанией Hitachi.

 

 

В процессе записи новых данных дорожки с ранее сохраненными данными как бы обрезаются. Поскольку ширина считывающего элемента магнитной головки меньше, чем записывающего, все имеющиеся на пластине данные по-прежнему можно считать с обрезанных дорожек без ущерба для целостности и сохранности этой информации.

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 не только непосредственно нужного фрагмента, но и блоков данных на следующих дорожках.

Поскольку записывающий элемент магнитной головки шире считывающего, в процессе перезаписи будут уничтожены данные, ранее сохраненные на сопряженных участках близлежащих дорожек. Таким образом, для обеспечения целостности ранее записанной информации эти блоки необходимо предварительно сохранить в буфер и затем записать обратно на соответствующую дорожку. Причем эту операцию придется последовательно повторить для всех последующих дорожек – до тех пор, пока не будет достигнута граница рабочей области магнитной пластины.

С учетом этой особенности дорожки в жестких дисках с технологией SMR разделены на небольшие группы – так называемые пакеты. Такой подход обеспечивает возможность более гибкого управления процессом добавления и перезаписи данных, а главное, позволяет уменьшить количество дополнительных циклов перезаписи и за счет этого повысить производительность накопителя. Даже если пакет уже заполнен, то при замене блока данных в нем потребуется перезаписать участки лишь ограниченного количества дорожек (до границы данного пакета).

Структура пакетов на накопителе может быть разной в зависимости от сферы применения той или иной модели. Таким образом, для каждого семейства жестких дисков можно создать уникальную структуру пакетов, оптимизированную с учетом специфики использования этих накопите­лей.

Важно отметить, что для внедрения технологии SMR не требуется вносить значительных изменений в конструкцию магнитных головок и перестраивать процесс производства данных комплектующих. Это позволит сохранить себестоимость новых накопителей на прежнем уровне, а за счет более высокой емкости достичь еще более привлекательных показателей удельной стоимости хранения данных. В случае внедрения технологии SMR, увеличение емкости накопителей достигается без наращивания количества магнитных головок и/или пластин жесткого диска. Таким образом, новые винчестеры большей емкости будут столь же надежны, как и ранее выпускавшиеся модели аналогичного формфактора.

 

 

Итак, технология SMR является весьма эффективным решением, позволяющим в короткие сроки и с минимальными затратами удовлетворить растущую потребность в увеличении максимальной емкости жестких дисков. На первом этапе внедрения технологии SMR она позволит увеличить удельную плотность записи данных на 25% – с 1 до 1.25 Тбайт на одну пластину 3.5-дюймового формфактора.

Еще одним достоинством SMR является возможность комбинирования данного решения с различными технологиями магнитной записи. В настоящее время она применяется в жестких дисках с перпендикулярной магнитной записью, однако в перспективе может быть использована в сочетании с другими решениями, которые позволят достичь еще большей удельной плотности записи.

И так, технология SMR подразумевает, что записывающая головка, обладающая более интенсивным магнитным полем, формирует дорожки с частичным перекрытием. В результате они получаются более узкими, чем при перпендикулярном методе.

Управляющие исследовательскими отделами компаний Seagate и Hitachi заявили, что в их области интересов находятся HAMR и SMR, а MAMR рассматривается как более отдалённая перспектива. Отчасти так сложилось по причине уже продвинувшихся до некоторой степени разработок в области HAMR. Лазерный диод для каждой головки диска обходится в 30-40 центов.

И хотя Seagate, например, ещё не смогла интегрировать лазер должным образом, это не станет существенным препятствием. Как считает вице-президент компании по вопросам технологий записи данных Марк Ре (Mark Re), этому поможет опыт производителей DVD-плееров, интегрирующих лазерные диоды в очень дешёвые устройства.

 

Запись на отдельные кристаллы

Альтернативные методы подразумевают работу с отдельными кристаллами.

Кристаллы, составляющие основу магнитного слоя, имеют случайную геометрию и случайный (в определенных пределах) размер. Производители пластин для НЖМД нуждаются в более-менее равномерного размера кристаллы. Это не было проблемой, когда площадь, занимаемая отдельным битом информации, перекрывала собой большое количество кристаллов. Напоминаю, что повышение «разрешающей способности» уменьшением размеров кристалла (зерна) уже уперлось в супермагнит- ный предел, разрушающий состояние намагниченности кристалла под воздействием температуры.

Следующий метод не предъявляет требования к жестко детерминированному расположению этих кристаллов.

Сначала допущения. Представим, что гранулы, составляющие магнитный слой, относительно равномерны по размерам и форме и к тому же размеры считывающей головки сравнимы с размером гранулы. Мы записываем 10 бит информации, далее кодируем их избыточным кодом, получаем 40 бит, пишем полученные 40 бит в матрицу из 8-битных слов на 5 соседних дорожках методом черепичной записи. В результате получаем, очень приблизительно похожую карту распределения намагниченности гранул. Помимо влияния размера и геометрии, на результат влияет частичная «порча» уже записанных данных следующим проходом записывающей головки. Следующим этапом считываем полученный результат головкой с высоким разрешением. Количество проходов считывания может не совпадать и быть больше, чем при записи. На основе полученных данных, выстраиваем карту возможного расположения намагниченных участков, приведя ее к количеству проходов при записи. Карта может сильно отличаться от исходной матрицы, а часть ячеек – иметь неоднозначное состояние. Далее применяем математику и обратным декодированием из 40 бит получаем наши 10 бит полезной информации.

В этом методе используется уже существующие технологии, ни в конструкцию, ни в материалы изменений привносить не требуется. Новизна методики – в новой, более агрессивной математике кодирования и обработки. Преимущества метода проявляются, когда «разрешающая способность» записи и считывания становится сравнимой с размером отдельного зерна, поскольку метод учитывает не идеальность размеров и случайное положение зерен в плоскости.

 

BPMR (Bit Patterned Media Recording) – «один битодно зерно»

Напротив, метод BPMR (Bit Patterned Media Recording) требует жесткое детерминированное расположение кристаллов, его также называют (Bit Patterned Media BPM). Один бит – одно зерно (ячейка, паттерн). В этом методе используются материалы, частицы в которых выстроены в битовый массив. Количество частиц на бит можно уменьшить путем их изоляции друг от друга.

Благодаря этому считывающая головка будет способна улавливать даже слабые сигналы BPM-частиц. В результате бит информации хранится в одной ячейке-домене, а не в массиве из 70 – 100 доменов. Суть метода в устранении извечной борьбы сигнала с шумом, сигнал получает явное преимущество, если шум просто исключить. Поверхность диска делается вообще не магнитной. На ней выстраиваются строго в определенном порядке паттерны – магнитные ячейки-домены, состоящие либо из одного монокристалла, или из плотно связанной группы кристаллов. В данной технологии магнитные частицы (паттерны) 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.

Этот метод нуждается в способе нанесения требуемого «узора» на подложку (диск). Для диска с плотностью записи 1 Тб/кв. дюйм необходимо, чтобы паттерн имел размеры 13 х 13 нанометров при высоте 10 нанометров и весь массив паттернов располагался в очень жестко ограниченной по отклонениям сетке. Также данный метод нуждается в четком позиционировании головки (запись/чтение) относительно сетки паттернов. В обычном диске слой непрерывный и специальные реперы не нужны, сама запись на диске является синхронизирующей. В BPMR же расположение полезных областей дискретно. Для чтения и записи необходима четкая синхронизация, дабы быть уверенным, что головка в этот момент расположена строго над паттерном. При этом нельзя забывать, что у нас диск, а не прямоугольная пластина. А паттерны имеют один размер и расстояния между собой по всей площади диска. При неизменной угловой скорости, линейная скорость пролета паттернов под головкой от периферии диска до внутренних дорожек будет различаться с каждой дорожкой и в пределе соотношение скоростей это различие будет в разы.

 

 

Несмотря на текущие трудности, технология находится в разработке. Оценочный потенциал – 5 Тб/кв. дюйм. Такой материал можно либо создать искусственно с помощью литографии, либо найти сплав с подходящей самоорганизующейся структурой. Стандартно использующаяся полупроводниковая литография не может обеспечить нужные для BPMR размеры.

Для получения материала, допускающего плотность записи 1 Тбит/ кв. дюйм, размер одной частицы должен составить максимум 12.5 нм. Электронно-лучевая литография «попадет в размер», но пока не очень понятно, как ее использовать в производстве со столь высокими требованиями к продукции. Nanoimprint-литография, при помощи которой уже реально делать 10 нм элементы, сама еще находится в разработке. Также требуется создать головку чтения/записи, которая смогла бы обеспечивать высокую точность управления BPM-битами.

Для определения некоторых важных принципов проектирования среды записи с битовым шаблоном (Bit Patterned Media Recording, BPMR) - высокоплотной магнитной системы записи была использована численная симуляция. Известно, что ряд технических трудностей препятствует использованию BPMR в компьютерных жестких дисках. Одна из проблем заключается в том, что паттерны – магнитные ячейки-домены разделяются немагнитными промежутками – только 25-65% поверхности явля­ется магнитной. Данные могут быть записаны только в том случае, когда пишущая головка располагается над паттерном на вращающемся диске. Поэтому процесс записи должен синхронизироваться с расположением магнитных паттернов. Однако производственные дефекты, флуктуации скорости вращения диска и колебания могут вызвать временные несовмещения положений, которые, в свою очередь, приведут к ошибкам записи.

Один из способов определять точные моменты записи заключается в наличии дополнительной информации на диске, которая сообщала бы головке записи ее точное положение. Это требует введения секторов синхронизации и информацию для исправления ошибок. Однако эта информация уменьшает емкость дискового пространства. Чтобы теоретически проанализировать оптимальное количество синхронизирующих секторов была использована компьютерная симуляция. Также было проанализировано, как дополнительная информация должна учитывать вариации в скорости вращения диска. Исследования проводились на шпиндельном устройстве с большими, средними, малыми и нулевыми вариациями скорости вращения.

Анализ показал, что объем дополнительной информации, необходимой для синхронизации и коррекции ошибок при средних вариациях изменения скорости вращения мотора, составляет 11.75 %. По сравнению с потенциальной выгодой в терминах плотности записи данных, которую дает эта технология, такие накладные расходы вполне приемлемы.

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.

 

DTR (Discrete Track Recording) – запись с разделением треков немагнитным материалом

В методе Discrete Track Recording (DTR) – треки разделяются немагнитным материалом, но при этом имеют непрерывную структуру. По сравнению с BPM, получается половинчатое решение. Упрощение требует жертв – его потенциал ограничивается 2 Тб/кв. дюйм.

SOMA (Self-Ordered Magnetic Array) запись с использованием самоорганизующихся магнитных материалов

Еще один метод подразумевает поиск самоорганизующихся магнитных материалов (SOMA, Self-Ordered Magnetic Array). Что является весьма перспективным направлением. Уже несколько лет специалисты Seagate указывают на особенности сплава FePt, выпариваемого в гексановом растворителе. Полученный материал имеет идеально ровную ячеистую структуру. Размер одной ячейки – 2.4 нм. Если учесть, что каждый домен обладает высокой стабильностью, можно говорить о до­пустимой плотности записи на уровне 40-50 Тбит/кв. дюйм. Возможно это и есть окончательный предел записи на магнитные носители.

 

HDD – оптимальное решение для записи и хранения цифрового видеоконтента

Существуют и другие технологии. Прогресс не стоит на месте, и среди представленных нами в статье, есть как свежие, так и «бородатые» технологии, которым уже много лет. Мало того, отдельные из представленных технологий, производители обещали запустить еще несколько лет назад. И что-то из этого уже удалось внедрить. Другие технологии – с каждым годом претерпевают изменения и ждут своего часа. Есть технологии, которые пока существуют только в теории. Впрочем, уже практически достигнут предел современных технологий, используемых в производстве HDD. Так, что в ближайшие несколько лет мы станем свидетелями появ­ления жестких дисков с новыми технологиями.

 

 

Будущее отчасти уже наступило. Так в прошлом году мы стали свидетелями появления жесткого диска аж с 7 пластинами! Он же является и первым в отрасли герметичным HDD с гелиевым наполнителем.

По целому ряду прогнозов, SSD-накопители всегда будут проигрывать по емкости и цене жестким дискам. А значит, HDD будут всегда оставаться на рынке видеонаблюдения конечным пунктом записи и хранения цифрового видеоконтента.

 

Опубликовано в «It & Security NEWS», 35/14

Просмотров: 1234

Ваши комментарии:

Для того, чтобы оставлять коментарии, Вам нужно авторизоваться на Sec.Ru. Если У Вас еще нет аккаунта, пройдите процедуру регистрации.


Информация

  • Снимай крутую видеорекламу - выкладывай на Sec.Ru!

    Рекламный ролик - один из самых эффективных способов донесения информации. И он отлично подходит для рекламирования любой продукции, в т.ч. и продукции рынка систем безопасности.
    Поэтому редакция Портала решила составить свой рейтинг лучших рекламных видеороликов. Все они разные и все чем-то покоряют: красотой, задумкой, стилем съемки, посылом, необычным финалом.
    Некоторые из них язык не повернется назвать иначе как шедевром короткого метра. Смотрим, наслаждаемся, делаем заметки, учимся творить рекламу правильно.
    Если Вы хотите выложить видеоролик о своей продукции на Sec.Ru, пишите о своем желании на adv@sec.ru!

    Картинка: Jpg, 100x150, 16,47 Кбайт

    Мотор!

Отраслевые СМИ

Все права защищены 2002 – 2019
Rambler's Top100 �������@Mail.ru