В течение большей части последних 50 лет плотность записи информации на жесткие диски, измеряемая количеством битов данных, которые инженеры могут «втиснуть» в заданную область, увеличивалась в среднем почти на 40 процентов в год. Однако в последнее время этот показатель снизился до 10 процентов. Многие, кто активно работает с таким типом накопителей, хорошо знает об этой проблеме, но только в прошлом году руководители Seagate Technology и Western Digital, ведущих производителей жестких дисков, публично высказались о том, как ее решить.
Если решение одной компании окажется превосходным, оно изменит индустрию производства HDD с оборотом в 24 миллиарда долларов США и определит курс на десятилетний прогресс в области магнитного хранения данных. Компании, которые хотят хранить огромные объемы данных, используют и другие типы накопителей, но жесткие диски по-прежнему являются наиболее подходящим выбором для корпоративных хранилищ — они находятся где-то между более быстрыми и дорогими твердотельными накопителями на флеш-памяти и более медленными и дешевыми магнитными лентами (да, их все еще активно используют).
В настоящее время Seagate планирует выпустить 20-терабайтный накопитель на основе HAMR в 2020 году, а Western Digital обещает накопители на MAMR уже в этом году, но они смогут хранить примерно 16 ТБ. Ожидается, что Western Digital к 2025 году быстро увеличит объем накопителей на MAMR до 40 ТБ, в то время как Seagate полагает, что сможет достичь аналогичных мощностей с помощью HAMR, хотя и не объявляла публично точную дату.
Обе компании, по сути, начинают с одного и того же — с современных HDD, которые имеют несколько ключевых компонентов. Сам диск, например, представляет собой тонкую металлическую пластину, покрытую специальной формой магнитного материала, состоящего из бесчисленных отдельных зерен, каждое из которых намагничено в одном конкретном направлении. Десять или около того зерен в кластере, все намагниченные в одном направлении, представляют собой один бит.
Внутри накопителя моторчик вращает диск со скоростью от 4000 до 11000 оборотов в минуту. И всего в 2 нанометрах над диском находится компонент, который Seagate и Western Digital хотят переделать, но разными способами — это перезаписывающая головка. Она создает свое собственное магнитное поле, используя его для изменения магнитной ориентации зерен по мере необходимости, чтобы записать 0 или 1. Датчик на головке считывает данные, измеряя флуктуации магнитного поля над диском, когда он пролетает над кластерами.
Со временем инженеры делали эти зерна все меньше и меньше, что позволяет хранить больше битов в одной и той же области на диске. Но, чтобы хранить еще больше информации, зерна должны стать настолько маленькими, что окружающая их тепловая энергия может заставить их самопроизвольно переворачиваться, уничтожая данные, которые они хранили.
Сокращение размера зерен: пять лет назад самые мелкие зерна на магнитном диске имели диаметр 9.5 нанометров (слева). Текущие диски с лучшими характеристиками имеют зерна размером всего 7 нанометров (в середине). С новыми достижениями в разработке перезаписывающих головок будущие диски могут полагаться на зерна размерами до 5.6 нм (справа).
Чтобы предотвратить такое стирание, производители начали использовать новые материалы, такие как железо-платиновые сплавы, для изготовления дисков с магнитно-«твердыми» зернами, которые не будут случайным образом переворачиваться при комнатной температуре. К сожалению, это изменение также делает невозможным использование традиционных перезаписывающих головок, потому что они просто не смогут генерировать достаточно сильное магнитное поле для переворота зерна и фокусировать его на такой маленькой области.
Производство жестких дисков нуждается в способе перемагничивания зерен, которые сейчас труднее переориентировать, чем когда-либо прежде. И это именно то, над чем Seagate и Western Digital активно работают. Как HAMR, так и MAMR используют простую стратегию: стреляйте энергией в целевые зерна на жестком диске, и вы сможете временно перевернуть их магнитную ориентацию внешним магнитным полем. И как только энергия рассеивается, зерна восстанавливают свой иммунитет к спонтанным переворотам при комнатной температуре.
В Seagate исследователи хотели использовать лазерное излучение, но свет лазера нагревает на диске слишком большое пятно, вызывая переворачивание зерен в соседних кластерах. Поэтому им пришлось сосредоточить энергию лазера на области более узкой, чем длина волны самого светового луча.
Чтобы организовать это, исследователи построили головку c инфракрасным лазером, после чего направили часть света, который она производила, на крошечную металлическую пластину, имеющую ширину всего 200 нм. Исследователи Seagate называют эту пластину «леденцом на палочке» («lollipop»), потому что она имеет форму круга с коротким колышком, выступающим в одну сторону.
Когда свет достигает «леденца на палочке», он возбуждает поверхностные плазмоны, представляющие собой сгустки электронов переменной плотности, которые могут возникать на поверхности большинства металлов. Эти плазмоны в поисках наименьшего сопротивления попадают на «палочку леденца».
Попав на нее, плазмоны разряжаются на диск через так называемый эффект громоотвода. Этот электрический разряд нагревает диск, и в течение очень короткого периода намагниченность зерен в небольшой области может быть переориентирована полем, создаваемым перезаписывающей головкой, прежде чем встроенный в диск теплоотводящий слой рассеет энергию.
Эта схема работала достаточно хорошо в ранних тестах, но Ян-Ульрих Тиле, управляющий технолог и старший директор по исследованиям и разработкам в Seagate, вскоре со своей командой столкнулись с серьезной проблемой: палочка леденца, которая была сделана из золота, при этом процессе все время таяла. Так что такой способ будет работать в течение нескольких минут, а затем «леденец» лишится «палочки», превратившись в крошечный золотой шарик, делая диск бесполезным. «Возможно, вы смогли бы записать некоторые данные перед тем, как все это растаяло бы», — говорит Тиле.
Расплавление: эта последовательность изображений показывает, как «леденец на палочке» (также называемый датчиком ближнего поля) плавится и удаляется от поверхности магнитного диска в ранней версии технологии магнитной записи с тепловым усилением (HAMR) от Seagate.
Он вспоминает волнующую презентацию, которую прошлый генеральный директор Стив Лучо сделал для аналитиков с Уолл-стрит в 2012 году с использованием прототипа привода HAMR. Seagate собрала коробку из 10 дисков и отправила инженера сопровождать Лучо, чтобы в случае поломки нескольких из них можно было бы быстро заменить сломанные и продолжить презентацию. «В среднем такие поездки длились, может быть, 10 часов», — говорит Тиле. «Но время презентации сильно различалось: могло быть 10 минут, могло быть дольше, и вы никогда не знали, в какой момент какой диск выйдет из строя».
В стремлении сделать приводы HAMR более надежными, команда Тиле переработала головку, чтобы лучше направлять избыточный свет и тепло от «леденца на палочке», а также переключилась на новый материал и сделала «леденец» толще. Теперь, по словам Тиле, головка HAMR может без сбоев записать петабайты данных, и Seagate создала более 50 000 жестких дисков HAMR в своем стремлении усовершенствовать технологию.
Но некоторые клиенты склонны отказаться от покупки HDD, созданных по этой технологии, основываясь на опасениях по поводу долговременного воздействия тепла на диск. «Вероятно, большинству корпоративных клиентов технология MAMR понравится больше», — говорит Джон Риднинг из аналитической компании IDC. «У них чуть больше уверенности в том, что их технология со временем станет менее подвержена проблемам с надежностью, потому что вы не производите столько тепла».
Western Digital считает, что MAMR обладает таким же потенциалом, как и HAMR, и заслуживает места в дорожной карте отрасли, в которой в настоящее время указан только HAMR. «Мы предложили параллельный путь, но Seagate продолжает настаивать на том, что HAMR имеет долгосрочную жизнеспособность, с чем мы не согласны», — говорит Тао Нгуен, старший вице-президент Western Digital по операциям с головными офисами.
В случае MAMR перезаписывающая головка модифицируется так, чтобы включать в себя устройство, называемое генератором с вращающим моментом, который состоит по меньшей мере из двух магнитных слоев. Когда постоянный ток проходит через первый из них, спины электронов становятся поляризованными. Затем электроны проходят через второй слой, который намеренно построен так, чтобы иметь противоположное магнитное выравнивание. На этом втором этапе спин-поляризованные входящие электроны влияют на электроны в магнитном слое, слегка меняя его намагниченность, прежде чем перейти на другую сторону.
Такое взаимодействие создает колебания магнитных моментов электронов во втором слое. Этот процесс испускает микроволновое поле, которое можно настроить на резонансную частоту магнитного материала, покрывающего жесткий диск — около 15–20 гигагерц. Когда это поле колеблется, оно вызывает подобное колебание в узком срезе зерен на диске внизу, тем самым нагревая их и облегчая переворачивание.
Сравнение традиционных жестких дисков с HAMR и MAMR.
Нгуен утверждает, что MAMR в 50 раз надежнее HAMR. Но Тиле и Стив Хванг, вице-президент Seagate по развитию технологий, скептически относятся к тому, что генератор с вращающим моментом может производить частоты, достаточно высокие, чтобы влиять на более мелкие зерна, которые будут использоваться для жестких дисков в будущем.
«MAMR, вероятно, одноразовая технология», — говорит Хванг. «С точки зрения увеличения плотности его хватит на одно поколение или, может быть, на два». Однако Цзянь-Ган Чжу, директор Центра систем хранения данных в Университете Карнеги-Меллона, не беспокоится о способности MAMR к масштабированию. По его расчетам, генератор с вращающим моментом может генерировать частоты до 40 ГГц, что позволяет MAMR увеличить в будущем емкость HDD в 4-5 раз. «На мой взгляд, это не аргумент», — говорит он. «Частота вообще не проблема».
Также Нгуен говорит, что Western Digital использовала «другие эффекты», которые он описывает как «больше, чем микроволновая печь», в экспериментальных приводах MAMR. Отчасти из-за этих эффектов, по его словам, компания достигла возможностей, превышающих их ожидания. Хотя он отказался предоставить подробности, по его словам, Western Digital опубликует свои результаты в научных журналах в течение года или двух.
Объявление Western Digital в октябре 2017 года о планах по коммерциализации MAMR вызвало бурную деятельность в штаб-квартире Seagate. «Мы вернулись ко всем нашим предположениям и сказали себе: вполне возможно, что они смогут сделать жесткий диск по технологии MAMR, который будет работать», — говорит Тиле. «Мы все еще думаем, что можем двигаться быстрее с тем, что имеем, прямо сейчас».
Чжу, чьи модели и теоретическая работа легли в основу разработки MAMR, считает, что MAMR серьезно отстает просто потому, что, по его оценкам, компании потратили на разработку HAMR более 2 миллиардов долларов США за эти годы, при этом на MAMR было потрачено всего около 100 миллионов.
В конечном счете, Seagate и Western Digital не нужно убеждать друг друга — им нужно убедить клиентов в том, что их технологии работают. Между тем обе компании хеджируют свои ставки — Seagate продолжает работать над MAMR, а Нгуен из Western Digital утверждает, что их технология HAMR «так же продвинута, как и технология Seagate».
Вполне возможно, что ни одна из технологий не окажется явным победителем. «Мне еще не удалось поговорить с каким-либо конкретным клиентом, который будет эксклюзивно использовать только HDD с одной из технологий», — говорит Марк Гинен, основатель консорциума передовых технологий хранения данных. «Я думаю, что на рынке будут компании, которые будут покупать и то, и то».
На данный момент инженеры Seagate и Western Digital работают над совершенствованием HAMR и MAMR под давлением приближающихся финальных сроков и выясняют, как гарантировать надежное производство HDD по этим новым технологиям на существующих производственных линиях в больших объемах. И лишь после начала продаж мы узнаем, чья же технология оказалась лучше.
