Магія жорстких дисків

Цей матеріал – не редакційнийЦе – особиста думка його автора. Редакція може не розділяти цю думку.

Громіздкі, повільні, енергетично ненажерливі – які тільки зневажливі епітети не використовують прихильники SSD на адресу старих добрих магнітних дискових накопичувачів! Втім, чи вже старі технології сучасних HDD — і чому носії даних на основі пам’яті NAND ніяк не витіснять «вінчестери» ні з дата-центрів, ні з домашніх/офісних NAS, ні з настільних ПК?

Зміст:

• Місця багато не буває
• Традиція та навпаки
• Терабайти всім, але не те щоб задарма
• Лазери поспішають на допомогу
• І тут без напівпровідників не обійшлося!

Об’єктивні показники постачання жорстких магнітних дисків начебто однозначно свідчать про зниження інтересу до тих з боку замовників. Так, за оцінкою Trendfocus, за ІІ кв. 2023 р. у світі було відвантажено 38 млн HDD – це на 7% менше, ніж у попередньому кварталі. Сумарна місткість поставлених за вказаний період магнітних дискових накопичувачів, 189 Ебайт, виявилася на 20% нижчою, ніж за період з січня по березень 2023-го. Однак просте порівняння з динамікою сусіднього сегмента вже змушує замислитися: ті ж аналітики оцінили загальносвітові відвантаження SSD за той же другий квартал поточного року в 75 млн одиниць (+16,6% до рівня I кв.), а сумарну місткість цих напівпровідникових накопичувачів. у 64,1 Ебайт (+12,4% теж квартал до кварталу). Виходить, хоча HDD поставляється в глобальному масштабі практично вдвічі менше, ніж SSD, і динаміка їх відвантажень явно негативна, все-таки доступному для розміщення даних простору перші перевершують другі майже втричі. І це при тому, що роздрібні ціни на 1-Тбайт магнітні та безшпиндельні накопичувачі практично зрівнялися: у США HDD такої місткості пропонують, залежно від марки, за 40-48 дол., а SSD – від 49 до 110 дол. за штуку.

Зрозуміло, втім, що порівнювати питому ціну за 1 Тбайт обсягу для цих двох категорій накопичувачів загалом некоректно: орієнтовані побутове застосування моделі з низькими швидкісними характеристиками свідомо обійдуться дешевше, призначені для високопродуктивних серверів — дорожче. Але ось якого висновку дійшли фахівці компанії Scality, вивчивши інтенсивну роботу з неструктурованими даними, обсяги яких обчислюються петабайтами: значення для кінцевого замовника (особливо потребує оснащення накопичувачами цілих дата-центрів) має не тільки питома ціна одиниці місткості пристрою зберігання, але й Енергоефективність. І тут, як з’ясовується, справа далеко не однозначна, оскільки хвалена економічність носіїв даних на основі чіпів пам’яті NAND під значними навантаженнями кудись зникає.

Судіть самі: тільки в режимі бездіяльності магнітні жорсткі диски споживають більше енергії, ніж безшпиндельні накопичувачі серверного класу – 5,7 Вт проти 5,0 Вт. Зате під інтенсивно діючою операції читання навантаженням серверні SSD потребують в середньому 14,5 Вт потужності, а HDD – всього 8,7 Вт. Ще більше вражає різниця під навантаженням з упором на операції запису: 18 Вт і 66 Вт відповідно. Виведений дослідниками середній показник інформаційної щільності в перерахунку на споживану потужність при роботі з додатками, що активно експлуатують підсистему зберігання даних, для NAND-накопичувачів становить 2,1 Тбайт/Вт у разі превалювання інтенсивного запису та 1,7 Тбайт/Вт – читання. Для магнітних дискових накопичувачів відповідні показники набагато краще: 2,5 і 3,3 Тбайт/Вт.

Вочевидь, наведені висновки зроблено з урахуванням зіставлення серверних сховищ даних — SSD номінальною місткістю до 30,72 Тбайт і HDD до 22 Тбайт; побутові накопичувачі з передовими чіпами NAND під типовими для домашніх/офісних завдань навантаженнями як і економніше витрачають енергію, ніж магнітні дискові. І все-таки очевидно, що технології HDD старіють, як заведено говорити, красиво – дозволяючи з кожним новим поколінням вміщати в стандартний 3,5-дюймовий корпус все більше і більше терабайтів доступною для збереження даних місткості. То як це їм, власне, вдається?

Місця багато не буває

Перший магнітний дисковий накопичувач, IBM 350 Disk Storage Model 1, з’явився в 1956 р. , – Він містив 50 пластин, що оберталися з частотою 1200 об / хв, і був здатний зберігати 5 мільйонів буквено-цифрових символів. Один символ тоді кодувався 8 бітами даних (оскільки самих символів у таблиці кодування було мало – літери латинського алфавіту, арабські цифри та жменька спеціальних знаків), так що місткість пристрою в сучасних термінах еквівалентна 5 Мбайт – де приставка «мега-» використовується відповідно до класичними правилами системи СІ, позначаючи «мільйон», а не «1024 рази по 1024», як це зазвичай для ІТ-сфери в цілому. Арифметика тут проста: на кожній з 50 пластин Model 1 містилося по 1 тис. секторів, кожен з яких своєю чергою був готовий до запису рівно 100 символів, — звідси й кругле десяткове число 5 000 000. Цілком можливо, що традиція, що збереглася дотепер, вимірювати місткість HDD у кількості байтів із коректними приставками системи СІ (коли «1 кілобайт» — це 1 000 байтів, а для позначення 1 024 байт слід застосовувати термін« кібібайт „) походить саме до цього першого серійного накопичувача.

Перший HDD на 1 Тбайт, Hitachi Deskstar 7K1000, вийшов на ринок у 2007 р. , і з того часу гранична місткість серійних магнітних дискових накопичувачів неухильно зростала. Правда, не надто рівномірно: якщо „вінчестер“ (термін походить від маркетингового найменування фірмової технології герметичного запечатування пластин з даними всередині накопичувача з метою захисту їх поверхонь від пилу, реалізованого в найпопулярнішому в епоху мейнфреймів дисковому сховищі IBM 3340 Direct Access Storage Facility) Тбайт, Western Digital Caviar Green, з’явився вже у 2009-му, то 4-Тбайт Hitachi Deskstar 5K – у 2011-му, 8-Тбайт модель Seagate (її зразки відправлялися „обраним клієнтам“ без вказівки власного найменування або навіть конкретної серії) – 2014-го, 16-Тбайт Seagate Exos X16 — 2019-го.

А ось наступного подвоєння місткості, до 32 Тбайт, можна очікувати, якщо вірити червневому анонсу Seagate, ще до кінця 2023 р. На цей час найбільш місткий серед серійних накопичувачів на магнітних дисках – це 26-Тбайт Western Digital Ultrastar DC HC670, випущений в травні 2022 р. Японська компанія Showa Denko KK (SDK), відповідальна за розробку магнітних пластин для чималої частки сучасних HDD надвисокої місткості, рік тому планувала представити пластину, що вміщає понад 3 Тбайт даних, ближче до кінця 2023-го, що дозволило б її партнерам незабаром після того вивести на ринок накопичувачі в 3,5-дюймовому форм-факторі сумарною місткістю понад 30 Тбайт, але поки що відповідних анонсів ніхто з них не робив.

Зазначу, що пропустити такого роду оголошення було б важко: у світі сьогодні залишилося лише три незалежних виробники HDD — Seagate, Toshiba, WDC (вона ж Western Digital), — які ділять глобальний ринок з постачання за кількістю відвантажених замовникам накопичувачів у співвідношенні приблизно 46: 17:38, а за обсягом даних, що вміщуються цими накопичувачами, — 48:10:41. При цьому Toshiba не має власного виробництва магнітних пластин; вона в цьому відношенні повністю покладається на SDK – тоді як два її більші конкуренти, хоча також закуповують частину необхідних пластин у цього японського розробника, продовжують розвивати і власні НДДКР по даному напрямку. Так ось, на початку 2020 р. фахівці SDK стверджували, що технологія HAMR, що розробляється ними, дозволить в перспективі 4-5 років збільшити місткість 3,5-дюймових HDD до 70, а то і 80 Тбайт, – але поки виробники HDD роблять ставку на більш доступні сьогодні способи організації зберігання даних магнітних пластинах: ePMR, MAMR, EAMR. Спробуємо розібратися, в чому їхня суть та особливості.

Традиція та навпаки

І почнемо з найпростішої, зате актуальної для всіх комп’ютерних ентузіастів різниці між CMR і SMR. Саме відсутність уявлення про цю різницю призводить до того, що купуючий ємний HDD за привабливою ціною користувач раптом виявляє, що швидкість взаємодії системи та додатків з таким накопичувачем (найчастіше при інтенсивному записі даних) надзвичайно низька, адже він і не припускав, наскільки SMR-диски за певних умов повільніше за CMR. Різниця в собівартості виготовлення HDD за двома цими технологіями також велика: кілька років тому доходило до того, що покупці накопичувачів для NAS скаржилися на усвідомлене приховування вендорами інформації про те, CMR- або SMR-диск ховається під маркуванням, скажімо, „WD Red NAS“, – А саме для мережевих сховищ має принципове значення досить висока швидкість обміну даними з диском.

Отже, починаючи з 1956 р. інформація на жорсткі диски записувалася за технологією LMR (longitudinal magnetic recording — „подовжній магнітний запис“). Над пластиною, що обертається (припустимо для простоти, що в модельному HDD вона одна) на коромислі розміщується головка запису/читання. Зміщуючись уздовж діаметра диска від центру до краю, головка в режимі запису створює намагнічені заданим чином концентричні кільця – доріжки, вони ж треки. Між кожною сусідньою парою треків допускається невеликий (порівняно з їхньою власною шириною) технологічний зазор, а вздовж доріжки – саме тому метод запису називається поздовжнім – під індуктивним впливом головки запису утворюються елементарні області намагніченості. Орієнтація магнітного поля в цій міні-області – за напрямом обертання чи проти – визначає, „0“ або „1“ закодована на даній ділянці треку.

У 2006 р. Seagate, а за нею Hitachi GST і Fujitsu вивели на ринок диски з перпендикулярним записом — perpendicular magnetic recording, PMR. Суть нововведення зрозуміла вже з назви: завдяки іншій конструкції головки запису – „магнітний монополь“ (читачі з фізичною освітою оцінять іронію інженерів) замість індукційного кільця – вектори намагнічування кожної елементарної області, що кодує 1 біт даних, розташовуються тепер паралельно площині поверхні пластини, а ортогонально до неї. Грубо це можна продемонструвати на прикладі кісточок доміно: паралельний запис – укладання доміношок „голова до голови“, як їх і виставляють встик на ігровий стіл; перпендикулярна – щільна упаковка чаркою, „стом’я“, в коробку для зберігання.

В результаті фізичний розмір ділянки поверхні жорсткого диска, що відводиться на кодування одного біта, за обсягом залишився практично незмінним, зате по площі пластини площі одномоментно скоротився в кілька разів. Так, це зажадало перероблення конструкції і самої магнітної пластини (введення додаткового службового шару під власне магнітним), і реконструкції головок читання/запису, але овчинка коштувала вичинки: буквально за лічені місяці середній розмір доступного у продажу HDD підскочив з 50 до 500 Гбайт. Ефект швидкого переходу на нову технологію виявився настільки масштабним, що PMR стала новим індустріальним стандартом. І в результаті замість того, щоб щоразу вказувати на перпендикулярне розміщення векторів намагніченості на дисковій пластині, стали говорити просто про типовий, або загальноприйнятий, магнітний запис – conventional magnetic recording, CMR. Протягом майже десятка років акроніми PMR і CMR були повністю взаємозамінні, та й сьогодні позначають по суті той самий тип запису — хоча формально загальноприйнятим він уже давно не є.

У міру неухильної мініатюризації фізичної ширини доріжок і, відповідно, ущільнення треків на поверхнях пластин HDD почала все голосніше заявляти про себе чисто конструктивна особливість технології PMR: принципова різниця між поперечними (щодо напрямку, заданого доріжкою) розмірами головок читання і запису. В епоху домінування LMR головки читання-запису були універсальними: один і той же контур і генерував магнітне поле для зміни намагніченості ділянок доріжки на диску, і реагував по-різному, проходячи над областями з тим чи іншим вектором цієї намагніченості. Проте вже з 1990-х HDD-індустрія почала переходити на магніторезистивні голівки (MR) для читання даних, пов’язані з індуктивними голівками запису.

З одного боку, це розв’язало інженерам руки: раніше їм доводилося підбирати геометричні розміри універсальної головки компромісним чином. Оскільки процеси намагнічування та детектування магнітних властивостей поверхні суттєво різні за характерними енергіями, оптимальні габарити (ширина) для головок запису та читання також різняться. Головка читання логічно бути вузькою – це підвищує чутливість магніторезистивного методу, дозволяючи мінімізувати помилки в ході зчитування. Головка ж запису мусить бути широкої — у разі генерується найбільш потужне полі, швидше і надійніше перемагнічує необхідний ділянку доріжки. Можливість конструювати ці головки окремо помітно підвищила ефективність обох процесів – і записи, і читання даних.

З іншого боку, на поверхнях пластин HDD з’явилися таким чином треки „з бордюрами“: головка запису формує порівняно широку доріжку, по серединній частині якої потім головка читання зчитує збережену на накопичувач інформації. Виходить, якщо якимось чином ущільнити доріжки, допустивши їх часткове перекриття, це ускладнить процедуру пере запису створених раніше треків — зате дозволить розміщувати на диску значно більше інформації, не знижуючи якості та ефективності її зчитування високочутливими спеціалізованими MR-головками.

Терабайти всім, але не те щоб задарма

І ось у 2015 р. на ринку з’явилися перші HDD, виготовлені за технологією SMR (shingled magnetic recording — „магнітний запис внахльост“). Безумовно, її розробники усвідомлювали, що під час перезапису відповідна голівка неодмінно затиратиме як мінімум одну сусідню доріжку, — отже запис нової інформації на довільний трек десь у середині заповненої області диска просто неприпустима. З цієї причини найважливіше правило коректної роботи з SMR-накопичувачами — „квапся повільно“: квапливість призводить до різкого зниження продуктивності.

Якщо надходить команда на запис, SMR-диск поводиться так само як і CMR-пристрій: здійснює намагнічування однієї з „зовнішніх“ доріжок на межі заповненої та порожньої областей (зрозуміло, що ті та інші чергуються на поверхні, що знаходиться якийсь час в експлуатації накопичувача, утворюючи структуру, що нагадує кільця Сатурна). А от коли необхідно перезаписати вже існуючу інформацію, головка CMR HDD здатна націлитися безпосередньо на один із зайнятих треків усередині заповненої області і спокійно перемагнітити його, не торкаючись сусідніх, а з SMR такий фокус вже не пройде.

У випадку SMR перезапис є більш складною процедурою: він включає запис нових даних на порожні доріжки за зовнішнім кордоном однієї із заповнених областей, позначку намічених до видалення даних як потенційно порожній області, а потім активацію „режиму перебудови“ (reorganization mode), У ході якого дані з доріжок, сусідніх з наміченою до очищення, переносяться також на зовнішні треки, — щоб звільнити простір для вільного використання широкої голівки запису. „Кільця Сатурна“ на поверхнях магнітних SMR-дисків є, таким чином, дуже динамічною структурою, на безперервну реконфігурацію якої потрібен додатковий час. І поки потік даних для запису на HDD невеликий – що справедливо для накопичувача типового домашнього або офісного ПК, – практичної різниці між SMR-і CMR-технологіями немає, зате перша гарантує свідомо вигідніше для користувача співвідношення між витраченими на новий диск коштами і отриманим в результаті обсягом.

А ось у складі NAS і тим більше сервера (і навіть під деякими специфічними навантаженнями при домашньому використанні – під час закачування торентів з хорошим сидінням через широкий канал, наприклад) SMR-накопичувач починає вже відчутно підгальмовувати, зупиняючи потік вхідних даних на період проведення переконфігурації доріжок, – що призводить часом до дуже значного падіння продуктивності в режимі запису. Зате для так званого холодного зберігання (cold storage) та довгострокової архівації, що не мають на увазі частого перезапису даних, SMR HDD виступають практично ідеальними носіями: недорогими, високоємними, з цілком прийнятною швидкістю зчитування (як послідовного, так і випадкового). Зазначимо, що введення SMR було майже таким самим революційним кроком, як і поява PMR: практично на колишньому обладнанні, оптимізованому під виготовлення 500-Гбайт СMR-моделей, виробники отримали можливість випускати магнітні дискові накопичувачі номінальною місткістю 1,33 Тбайт.

Подальшим розвитком технології SMR стала починаючи з 2017 р. TDMR (two-dimensional magnetic recording – „ двовимірний магнітний запис „). Необхідною її поява зробило планомірне скорочення ширини доріжок на магнітних пластинах: чим вужчими вони ставали, тим частіше проявляв себе паразитний ефект міжтрекової інтерференції – помилкового зчитування рівня намагніченості даної ділянки доріжки (тобто одиночного біта) під впливом аналогічних ділянок на близьких треки. Для боротьби з цією напастю інженери Samsung запропонували розміщувати замість одиночної голівки зчитування на коромислі дві, а то й цілу їхню гребінку, щоб послідовно знімати інформацію не тільки по центру доріжки, але і з невеликим зміщенням до сусідніх. У цьому випадку відповідним чином налаштований контролер здатний досить точно виявляти паразитні наведення на біт, що зчитується в цей момент, породжені розташованими поблизу від нього бітами з прилеглих треків.

Технологія TDMR не породила якісного стрибка щільності запису даних, але, за різними оцінками, на 10-20% від характерного для SMR-дисків з одиночними головками („одиночними“ над кожною з пластин у складі накопичувача, зрозуміло, – над кожною пластиною своя комбінована головка читання-запису) рівня її підвищила. Набагато серйознішим кроком стала поява магнітних дискових накопичувачів із заповненням гелієм замість (ретельно очищеного від пилу, зрозуміло) атмосферного повітря. Все більш розріджений, ніж повітря, гелій забезпечує цілу низку переваг: чинить менший опір обертанню пластин і переміщенням коромисла з головками читання-запису і менш схильний до утворення турбулентних завихрень при високих частотах обертання дисків, що дозволяє робити ті тонші. У результаті в стандартні 3,5-дюймові корпуси, заповнені гелієм, вже до 2016 р. поміщали до 8 пластин проти максимум 6 при використанні повітря.

Лазери поспішають на допомогу

Гранично досяжна щільність розміщення даних на магнітній пластині із застосуванням класичного (подовжнього) запису — 150-200 Гбіт/дюйм² залежно від того, який саме магнітний матеріал застосовується. Пов’язано це з так званим суперпарамагнітним ефектом, внаслідок якого надто близько розташовані на площині ділянки з протилежним напрямом намагніченості через взаємні наведення втрачають стабільність, так що записана магнітним методом інформація псується. Перехід до PMR+TDMR дозволив відсунути теоретичну межу щільності запису до позначки близько 1,1 Тбіт/дюйм² саме теоретичний; на практиці у 12-Тбайт HDD Seagate (8 пластин по 1,5 Тбайт; заповнення гелієм), наприклад, цей показник підбирався до 0,93 Тбіт/дюйм² ще у 2017 р. Іншими словами, робити ставку на одну тільки технологію PMR сенсу давно вже немає — треба шукати якихось інших способів підвищення щільності.

Нові пластини SDK, на яких побудовані 10-дискові накопичувачі номінальною місткістю 26 Тбайт, за щільністю запису майже дотягують до 1 Тбіт/дюйм. Коли цей рубіж буде подоланий, стверджують у компанії, її партнери зможуть запропонувати замовникам 30-Тбайт HDD. А в перспективі використана при їх створенні технологія HAMR (heat assisted magnetic recording — „магнітний запис з нагріванням носія“, або термомагнітний запис) прочитає досягнення щільності в 5 і навіть 6 Тбіт/дюйм² — так через кілька років з її допомогою вдасться, впевнені експерти, отримувати HDD стандартного 3,5-дюймового форм-фактора номінальним обсягом 70 і навіть 80 Тбайт.

Строго кажучи, технологія HAMR не така вже й молода: публічну демонстрацію її можливостей компанія Seagate провела ще у 2002 р. , а фактичний початок робіт з цієї тематики відноситься і зовсім до 1998-го. В її основі лежить досить проста ідея: небажаний (з точки зору подальшого нарощування щільності даних) ефект суперпарамагнетизму проявляється через те, що магнітна стабільність безпосереднього носія даних – магнітного шару на поверхні пластини – недостатня при типовій для накопичувача температурі всередині його об’єму. Резонний висновок – підібрати матеріал з підвищеною магнітною стабільністю: тоді можна збільшувати щільність запису, не побоюючись паразитного взаємовпливу сусідніх ділянок намагнічених.

Однак така висока магнітна стабільність має зворотний бік: просто взяти і намагнітити намічену ділянку такої речовини за нормальних умов теж не вдасться, а значить, запис даних на такий носій звичайною магнітною головкою неможливий. Що робити? Звісно ж, нагрівати! Якщо знайти речовину з високою магнітною стабільністю при нормальних умовах і зниженою – при порівняно сильному нагріванні, то, грубо кажучи, достатньо буде підсвітити точково лазером ділянку пластини під магнітною головкою (пляма з діаметром буквально в кілька десятків нанометрів) для того, щоб зробити запис або стирання чергового біта. Далі головка зміщується та/або диск провертається на шпинделі, нагріта зона швидко остигає – і ось вже висока магнітна стабільність знову вступає у свої права, заважаючи прояву ефекту суперпарамагнетизму.

Залишається лише підібрати потрібну речовину для носія даних, знайти адекватну основу для дискових пластин (щоб не коробилася від безперервно виробленого точкового нагріву різних її ділянок приблизно до 450 °С), вмонтувати лазер в головку читання/запису, узгодити роботу цієї ускладненої конструкції на програмному рівні – і так, зрозуміло, подбати про те, щоб все це багатство та пишнота вмістилося у стандартний 3,5-дюймовий корпус. Власне, на вирішення цих (і паралельно виникали в процесі розробки) інженерно-конструкторських завдань у творців HDD і пішло майже два десятки років. Лише у 2018-му Seagate довела до стадії передсерійного прототипу 16-Тбайт HAMR HDD – маючи намір надалі узятися до випуску комерційних моделей на цій основі і вже до 2020 р. подолати рубіж у 20 Тбайт місткості на один магнітний дисковий накопичувач. Строго кажучи, обіцянку це було виконано: у 2020-му разом з анонсом ПЗ з відкритим кодом для об’єктного зберігання даних CORTX була представлена ​​референсна архітектура СХД Lyve Drive Rack якраз з 20-Тбайт HAMR HDD Seagate першого покоління, але ширшого поширення ці накопичувачі не отримали.

І лише в липні 2023 року компанія розпочала комерційні постачання інших систем зберігання, Corvault, укомплектованих HAMR HDD вже другого покоління. Місткість їх зазначена як „30+ TB“, і спрямовані перші системи, за словами Джанлукі Романо (Gianluca Romano), фінансового директора Seagate, „обраним замовникам із гіперскейлерів“ — для практичних випробувань. Це, напевно, і справді найкращий спосіб протестувати накопичувальні накопичувачі, що готуються до серійного випуску: робочі навантаження у гіперскейлерів великі, різноманітні і надзвичайно інтенсивні. Мало того, оскільки HAMR-диски більш енергетично ненажерливі, ніж їх PMR- та SMR-аналоги (бо лазер!), необхідно в режимі реальної експлуатації оцінити такий найважливіший з комерційної точки зору їх параметр, як сукупна вартість володіння (total cost of ownerhip, TCO). Якщо, припустимо, два 30-Тбайт накопичувача за місяць при порівнянній інтенсивності навантаження споживають більше енергії, ніж три 20-Тбайт, — не факт, що навіть гіперскейлер (якому дуже важливо упаковувати свої дискові полиці максимально доступною кількістю терабайтів на кубічний дециметр) вирішить переходити на нову технологію: невигідно.

І тут без напівпровідників не обійшлося!

У середині 2010-х на виробництвах Western Digital при виготовленні головок читання-запису для HDD замість звичного попередньо травлення іонним пучком попередньо обложеного матеріалу стали застосовувати дамаський процес – той самий, що описувався нами раніше в статті „Важкий штурм мікроскопічних висот: як чіплети виходять в третій вимір “ як спосіб отримання наскрізних з’єднань між шарами напівпровідникових мікросхем. Виконані таким чином головки мають практично ідеальну геометрію – оскільки дамаський процес по суті своїй адитивний (а не субтрактивний, як травлення або фрезерування) і забезпечує набагато більш тонкий контроль над формою і розмірами деталі, що отримується. Мало того, послідовне нанесення провідних і непровідних шарів у ході дамаського процесу дозволяє формувати – прямо як невід’ємну частину голівки – таку нетривіальну нанометрову (менш як 100 нм у поперечнику) структуру, як генератор спіну (spin torque oscillator, STO).

Саме ця структура відіграє найважливішу роль при створенні магнітних дискових накопичувачів ще за однією перспективною технологією – MAMR (microwave assisted magnetic recording – „магнітний запис з активацією мікрохвилями“). Спиновий генератор утворений парою шарів феромагнетика, розділених діелектриком, через який відбувається тунелювання електронів під впливом зовнішньої напруги. Шляхом малих габаритів структури утворюється вкрай висока щільність струму (порядку 10 7 А/см²), що дозволяє керувати намагніченістю нижнього шару феромагнетика, що утворює спиновий генератор – і, відповідно, тієї ділянки пластини жорсткого диска, який безпосередньо під цим генератором розташовується.

У реалізації Western Digital спіновий генератор у складі MAMR-комплексу випускає мікрохвильове випромінювання з частотою 20-40 ГГц, створюючи тим самим достатню коерцитивну силу, щоб головка запису могла змінити при необхідності намагніченість фрагмента доріжки, що кодує черговий біт даних, що записуються. Оскільки фізичний розмір такого біта (намагніченої області диска) обчислюється ліченими десятками нанометрів, а доріжки можуть розташовуватися досить близько одна до іншої, щільність запису даних, що гранично досяжна за цією технологією, оцінюється в 4 Тбіт/дюйм² — що потенційно відкриває дорогу для створення десятипластинних MAMR HDD на 40 Тбайт. Так, HAMR обіцяє більш високу щільність, але й зусиль для розробки таких накопичувачів потрібно докласти значно більше.

При цьому мікрохвилі, хоч і переносять енергію у верхній шар магнітного диска, практично не нагрівають його — оскільки насправді вся ця порція енергії йде на перемагнічування. Це свідомо позбавляє розробників MAMR-„вінчестерів“ від необхідності підбирати відповідний матеріал для пластин магнітного накопичувача, а також від головного болю в частині відведення надлишкового тепла із замкнутого та герметизованого (якщо говорити про заповнені гелієм диски) об’єму. Ще приємніше з погляду виробника той факт, що по суті єдиним принциповим нововведенням у складі MAMR-накопичувача виявляється головка зі спиновим наногенератором: і дискові пластини, і приводний механізм, і конструкцію коромисла, і навіть контролер HDD можна використовувати практично ті самі, що для серійних PMR/SMR пристроїв.

На шляху до повнофункціонального втілення цієї технології Western Digital приблизно з 2019 р. почала впроваджувати у свої серійні продукти проміжний, якщо так можна сказати, її варіант — ePMR (energy-enhanced PMR — „PMR з енергопідкачуванням“). Строго кажучи, і MAMR, і HAMR можна об’єднати під загальним знаменником EAMR (energy-assisted magnetic recording – магнітний запис з використанням додаткової енергії), і ePMR туди також органічно вписується. Ця проміжна технологія використовує практично ту ж саму конструкцію головки запису, що і класична PMR (тобто без будь-яких наногенераторів), тільки в процесі запису на неї подається додатковий струм підмагнічування (bias current). Струм підмагнічування створює додаткове магнітне поле – допоміжне стосовно того, що формує сама головка запису, – і тим самим послаблює прояв джиттера, відомого типу спотворень сигналу ідеальної форми. У результаті під голівкою запису формується чіткіше змальована область намагніченості – черговий біт даних, – що сприяє надалі швидшому і впевненому її розпізнаванню голівкою зчитування.

Чого ж чекати далі – після того, як серійні жорсткі диски вже протягом року-двох вийдуть на рубіж 3 Тбіт/дюйм² завдяки тій чи іншій версії EAMR (або декількома відразу)? Принаймні у Seagate плани в цьому сенсі наполеонівські — компанія досить докладно описує шлях до досягнення показника щільності 4-6 Тбіт/дюйм² шляхом розвитку HAMR, потім до 5-7 Тбіт/дюйм² з використанням упорядковано-гранульованої (ordered-granular) магнітного середовища на поверхнях пластин, а потім і до 8 Тбіт/дюйм² – тут на допомогу повинні підійти структуровані до одиничних біт носії даних (bit patterned media, BPM). У результаті вже до 2030 року провісники нових технологій обіцяють зробити доступними – принаймні великим замовникам на кшталт все тих же гіперскейлерів, – HDD формату 3,5 дюйма з місткостями в 90, 105 і навіть 120 Тбайт.

Ідея, що стоїть за BPM, цілком очевидна: мінімізувати матеріальний носій одного біта даних магнітного запису до обумовленого фізичними обмеженнями межі 10-20 нм. Сучасні головки читання-запису мають справу з намагніченими ділянками, що складаються приблизно з 20-40 магнітних зерен (доменів, тобто рівномірно намагнічених по всьому своєму об’єму структур); перспективні впорядковано-гранульовані матеріали дозволять формувати біти приблизно з дюжини таких однодоменних зерен, характерний діаметр яких – близько 10 нм. Але і в тому і в іншому випадку одиничний біт даних на поверхні пластини HDD є групою розташованих по сусідству магнітних зерен, що потрапили під вплив голівки запису і тому володіють сонаправленной намагніченістю.

Досить довгий час підвищувати щільність запису даних диск можна було рахунок скорочення фізичного розміру окремих магнітних зерен. Проте в цей час по суті вже досягнуто межі – ті самі 8-10 нм, – до якого відомі науці речовини, в принципі придатні для формування магнітного шару на пластинах HDD, ще зберігають більш-менш адекватну стабільність свого стану. Вже згадуваний ефект суперпарамагнетизму виявляється в тому, що магнітний момент надмалих однодоменних зерен може випадково змінювати напрямок під впливом температури, причому ймовірність такої події зростає зі зменшенням обсягу окремого зерна. А отже, чим менший цей обсяг, тим нижчий енергетичний поріг зовнішнього термального впливу на напрямок магнітного моменту: найменше підвищення температури загрожуватиме такій структурі втратою вихідної намагніченості — і тим самим записаних на неї даних.

При цьому самі магнітні зерна утворюються в процесі формування плівки відповідного покриття на поверхні пластини накопичувача випадковим чином, в результаті стохастичного хімічного процесу, саме тому малюнок їх взаємного розташування настільки невпорядкований. Відстань між окремими зернами, що входять до складу фізичної реалізації окремого біта даних, також дещо різняться; вектори їх намагніченості з низки об’єктивних чинників все-таки зі 100%-ной точністю співвісни, — і з урахуванням всіх цих чинників виявляється нераціональним скорочувати кількість ізольованих доменів, формують разом 1 біт, нижче 10-12. Підхід BPM пропонує радикальний вихід із цього глухого кута: шляхом зміни виробничої парадигми перейти від групи дрібних однодоменних зерен до одиничного досить великого домену з вищим рівнем внутрішньої зв’язності – і використовувати цей домен для зберігання все того ж одного біта записуваних на HDD даних.

Виготовлення магнітної поверхні сучасного жорсткого диска зводиться до хімічного (безелектродного) осадження і вакуумного напилення магнітного матеріалу, внаслідок чого якраз і утворюється стохастична структура близько розташованих, але все ж таки ізольованих магнітних зерен, зазвичай з атомів кобальту, платини та хрому з невеликими присадками чи бору. Магнітний же шар BPM-диска формується із застосуванням нанолітографічних методів: грубо кажучи, спочатку на основу осаджується рівномірно щільна плівка атомів металу, – і вже після шляхом нанесення фоторезиста, експонування і травлення з цього шару формуються ряди і колони мініатюрних (прикладно і приблизно стільки ж у висоту) циліндриків, кожен з яких є однодоменним магнітним зерном.

В результаті виходять такі собі міцні пенечки, дуже великі за обсягом у порівнянні з тими зернами, що самі собою формуються хімічними методами. А отже, і енергетичний поріг, за яким зовнішнє теплове вплив загрожує втратою вихідної намагніченості BPM-структур, чи не на порядок вище, ніж у традиційних магнітних плівок на пластинах HDD. Кожен окремий монолітний пеньок займає значно меншу площу, ніж група дрібніших розрізнених зерен, що відкриває воістину фантастичні перспективи щодо зростання щільності запису даних. Ще у 2010 р. Toshiba демонструвала прототип BPM-поверхні з потенціалом розміщення інформації у 2,5 Тбіт/дюйм² – правда, до останнього часу перехід від прототипу до хоча б передсерійного зразка такого накопичувача все ще не вдалося зробити.

Проблема, власне, в надмініатюризації: в якомусь сенсі HDD за технологією BPM ідеологічно схожий з чіпом NAND – причому з ранніх, ще з однорівневими осередками (хоча виникають вже й міркування про те, як вибудовувати домени стовпчиками, створюючи тим самим багаторівневі магнітні осередки). Тільки доступ до окремих біт на BPM HDD потрібно проводити не суто електричним, а електромеханічним шляхом — із застосуванням надточних актуаторів з кількома ступенями свободи і, мабуть, досить високопродуктивних контролерів. Вже очевидно, що для освоєння промислового випуску таких перспективних накопичувачів доведеться розвинути цілу галузь наномасштабного виробництва (nanofabrication) — що, втім, позитивно позначиться не тільки на галузі зберігання даних. А для надточного позиціонування головок зчитування/запису, не виключено, доведеться застосовувати MEMS-, а то й NEMS-пристрої, про які ми недавно писали.

Якщо оптимістичні заяви розробників HDD повною мірою відповідають дійсності, а обрані ними шляхи розвитку EAMR і справді ось-ось принесуть щедрі плоди, незабаром темпи еволюції магнітних дискових накопичувачів значно збільшаться. І незалежно від того, наскільки стрімким виявиться прогрес у напрямку NAND-пам’яті, вже зрозуміло, що HDD та SSD продовжать співіснувати в ІТ-галузі ще довгий час: перші – як оптимальні накопичувачі для довготривалого та архівного зберігання; другі – як більш швидкісні і володіють розширеною областю додатків (скажімо, для оснащення мобільних пристроїв, схильних до падінь і трясіння, безшпиндельне сховище даних апріорі краще рухомі елементи, що містить у своєму складі). Принаймні, у 2021 р. 90% усіх даних у хмарних ЦОДах зберігалися саме на жорстких магнітних дисках — і з урахуванням того, як бурхливо розвиваються технології, що стосуються них, такий стан справ залишиться актуальним ще на довгі роки, якщо не на десятиліття.

Новорічні космознижки до -50% від Click.ua на широкий асортимент техніки - від стильних гаджетів до потужних геймерських комп'ютерів! 🎮📱
Забезпечте собі та близьким подарунки за вигідними цінами.
Акція триває з 2.12.2023 по 4.01.2024.

Цей матеріал – не редакційнийЦе – особиста думка його автора. Редакція може не розділяти цю думку.