Comeback magnetických disků

SSD disky jsou oblíbené díky své vysoké rychlosti, mají však omezenou kapacitu. Rozhodování mezi SSD a HDD bude brzy ještě těžší, protože přicházejí magnetické disky s kapacitou desítek terabajtů.
   MARKUS MANDAU  

Magnetické pevné disky? Dalo by se říct, že jsou pomalé, náchylné na poškození a technologicky zastaralé. Za paměťová úložiště budoucnosti jsou považovány SSD disky. Flashové paměti dnes najdeme ve všech mobilních zařízeních, ve většině lepších notebooků a do svých strojů si je z výkonnostních důvodů montují i majitelé stolních počítačů. Žádná jiná komponenta totiž neurychlí běh počítače právě jako systémový SSD disk. Budoucnost SSD disků však není tak jednoznačná. Jejich cena se může ještě trochu snížit, hustota dat, a tedy i jejich kapacita se pravděpodobně ještě zdvojnásobí, ale to už bude z hlediska vývoje SSD patrně vše. SSD disky s kapacitou okolo jednoho terabajtu budou vždy drahé a svou kapacitou se stejně nebudou moci rovnat diskům magnetickým. Klasický pevný disk s magnetickými plotnami tedy zdaleka není mrtvý, jeho vývoj ale stojí na zásadní křižovatce.
Současná perpendikulární (kolmá) technologie záznamu téměř dosáhla svého technologického limitu a z hlediska vzrůstající kapacity má před sebou už jen dva roky života. Pokud by ale největší výrobci pevných disků Seagate, Western Digital a Toshiba v budoucnu přešli na jednu ze tří technologií popisovaných v tomto článku, mohli bychom se dočkat 3,5“ pevných disků s kapacitou 60 TB a více. Vzhledem k tomu, že vyšší kapacita těchto disků by musela být provázena i vyšší hustotou uložených dat, zvýšila by se i přenosová rychlost a přístupová doba těchto disků, a to až k hodnotám, kterými dnes disponují pouze SSD disky. Čím kratší vzdálenost k uloženým datům musí čtecí a záznamové hlavy urazit, tím rychlejší je i datový provoz disku. Pokud tedy i do budoucna budou uživatelé potřebovat stále větší prostor pro ukládání dat, velmi pravděpodobně se zase dočkáme doby, kdy budou magnetické disky výkonnostně stačit i nárokům nejnáročnějších uživatelů.

PERPENDIKULÁRNÍ ZÁZNAM
Do roku 2014: Dosažení technologických limitů hustoty záznamu dnešních pevných disků.
Max. kapacita disku: 6 TB
SHINGLED MAGNETIC RECORDING
Od roku 2014: Magnetické částice datového záznamu se budou u SMR disků překrývat.
Max. kapacita disku: 12-15 TB
HEAT ASSISTED MAGNETIC RECORDING
Od roku 2015: HAMR disky budou zapisovat na novou slitinu zahřívanou pomocí laseru.
Max. kapacita disku: 30-40 TB
BIT PATTERNED MEDIA
Od roku 2017: Extrémně malé magnetické částice záznamové vrstvy budou odděleny izolantem.
Max. kapacita disku: 30-40 TB
HAMR + BPM
Od roku 2018: Kombinací technologií HAMR a BMP bude možné dosáhnout nejvyšší hustoty záznamu.
Max. kapacita disku: 60 TB

6 TERABAJTŮ A VÍC: Limity disků

Disky s kolmým zápisem dosáhnou do dvou let maxima své hustoty dat. Další zvyšování kapacity bude vyžadovat přechod na nové technologie.

Měrnou jednotkou hustoty záznamu dat na magnetické plotně pevného disku je palec čtverečný, tedy plocha o rozměrech 2,54 x 2,54 cm. Pro lepší představu se jedná o plochu přibližně velikosti poštovní známky. Nejmodernější pevné disky dosahují kapacity 4 TB a jsou osazeny magnetickými plotnami, které na plochu čtverečného palce dokážou uskladnit 740 gigabitů dat. Výrobci pevných disků se shodují v odhadech, že současná perpendikulární technologie magnetických disků dokáže tuto kapacitu zvýšit maximálně na 1 terabit. Poslední generace disků se stávající technologií tedy přijde při zachování současného tempa vývoje na trh za dva roky. V praxi to budou disky s kapacitou okolo 6 TB (3,5“), respektive něco málo přes 2 TB (2,5“). Hlad po datovém prostoru ale neustále roste a bude s největší pravděpodobností trvat i za dva roky.

Dilema týkající se materiálů

Po překonání hraniční hustoty 1 terabitu dat na palec čtverečný narazí perpendikulární disky na problém superparamagnetismu. Tento termín označuje jev, který nastává, když magnetický materiál nedokáže udržet magnetismus částic pod určitou velikost, protože jejich magnetizace se mění nepředvídaně v závislosti na teplotě okolí. Přítomnost tohoto jevu závisí na velikosti částic použité kovové směsi (viz tabulka na další straně). Dnešní perpendikulární disky zapisují data na plotnu potaženou směsí kobaltu, chromu a platiny (CoCrPt). V současnosti mají částice této směsi průměr 8 nanometrů (nm) a délku 16 nm. Pro záznam jednoho bitu musí zapisovací hlavička zmagnetizovat přibližně 20 takových částic. Částice CoCrPt nedokážou udržet magnetickou orientaci od průměru 6 nm.
Výrobci pevných disků čelí při vývoji disků s vyšší kapacitou tzv. trilematu. Obvykle mají k dispozici tři technologické nástroje ke zvýšení hustoty úložné plochy: velikost částic, jejich počet a jejich typ, tedy slitinu, ze které je magnetické úložiště vyrobeno. Částice materiálu CoCrPt s menší velikostí než 6 nm ale ztrácí magnetismus. Pokud snížíme počet částic používaných k magnetizaci jednoho bitu, polarita jejich magnetického signálu bude příliš slabá a smísí se s hlukem okolních bitů. Čtecí hlava disku tedy nebude moci spolehlivě rozpoznat, zda je hodnota bitu „1“, nebo „0“. Přechod na směs se silnější magnetizací by umožnil použití menších částic i zmenšení počtu potřebného pro záznam hodnoty jednoho bitu, ale v takovém případě by byla zapisovací hlavička disku příliš slabá a nedokázala by změnit magnetizaci silnějšího materiálu. Toto trilema by bylo možné vyřešit pouze tehdy, pokud by výrobci opustili technologii kolmého zápisu. Vývojáři magnetických záznamových médií mají v šuplíku různá řešení vycházející z tohoto typu záznamu.

PŘEDPOVĚĎ: O VELKÉ DISKY BUDE ZÁJEM
Podle průzkumu vzroste v nejbližších letech poptávka po záznamové kapacitě nejmíň pateronásobně. Magnetické disky ji budou moci uspokojit, pouze pokud v roce 2015 přejdou na novou technologii.

„TRILEMA“ MAGNETICKÝCH ÚLOŽIŠŤ
Maximální hustota záznamu perpendikulárních ploten je 1 Tb na palec čtverečný. Částice s menším průměrem mohou nekontrolovaně měnit svou polarizaci a menší množství částic nedokáže zajistit dostatečně silný signál.

Foto popis|  ODSTUP SIGNÁLU A ŠUMU Čím méně částic je použito k uložení 1 bitu, tím více se signál ztrácí v okolním šumu.
Foto popis|  VELIKOST ČÁSTIC Čím menší magnetické částice obsahuje záznamová vrstva, tím snadněji mění vlivem okolního tepla svou orientaci.
Foto popis|  MAGNETIZACE Ke změně magnetické orientace magneticky stabilnějších částic je nutné použít hlavu s vyšší intenzitou zápisového pole.

PERPENDIKULÁRNÍ DISKY: VERTIKÁLNÍ MAGNETIZACE
V porovnání s předchozími záznamovými technikami je kolmý záznam založen na vertikálním uložení magnetických částic, díky kterému má vyšší hustotu záznamu. Vertikální postavení částic budou využívat i budoucí technologie.

Foto popis|  Zapisovací prvek vytváří proměnné magnetické pole, které nastaví orientaci částice (bitové oblasti). Spodní magneticky měkká vrstva nasměruje pole zpět do jha.

60 TERABAJTŮ A VÍC: Pokoření limitů

Hustotu ukládání dat lze zvýšit až desateronásobně, a to pomocí mikrovln, laseru, SSD řadičů a nových materiálů.

Nejpravděpodobnější variantou zvýšení hustoty záznamu nad 1 terabit na palec čtverečný je přechod na technologii Shingled Magnetic Recording (SMR), tedy něco jako „šindelový magnetický zápis“. Základní myšlenku naznačuje už název této technologie. Magnetické stopy SMR disků se překrývají podobně jako šindele, protože tenké perpendikulární stopy nelze zapisovat, ale lze je číst. Současné pevné disky používají stopy s šířkou 50 až 30 nm, přičemž limitem perpendikulární technologie je 25 nm. V případě SMR bude šířka záznamu pro čtecí stopu jen 10 nm, čímž bude možné dosáhnout hustoty dat 2,5 terabitu na palec. Trik spočívá v tom, že záznamová stopa bude mít šířku 70 nm, a tak bude možné dostatečně přesně a silně zmagnetizovat i okraje této stopy (viz vpravo nahoře). Okraje stopy budou zachovány, pokud bude vedlejší stopa SMR pásky oddělena s alespoň 10nm odstupem. Záznamová hlava bude navíc vybavena ochranným štítem, který zabrání silnému magnetickému poli ovlivňovat okolní data.
Společnost Hitachi takovou hlavu vyvinula (viz vpravo nahoře), ale než dosáhne SMR sériové výroby, bude nutné vyřešit i další problémy. Běžně lze jednotlivé bity přepisovat nezávisle a přímo na ploše disku. V případě SMR se to týká pouze nejvrchnější stopy. Chceme-li změnit bity uložené na některé spodní vrstvě, je nutné přepsat celou pásku, takže dochází ke snížení přenosové rychlosti.

Slibný nástupce: HAMR

Asociace IDEMA, která sdružuje mezinárodní výrobce komponent pevných disků, dává před SMR přednost technologii tepelně asistovaného magnetického záznamu HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording). Mark Geenen ze správní rady IDEMA odhaduje, že první pevné disky využívající technologii HAMR přijdou na trh v roce 2015 a první prototypy by mohly být hotové už letos. Na rozdíl od SMR řeší HAMR výše zmíněné trilema jednoduše, a to zmenšením magnetických částic spolu se změnou použité slitiny. Disky s technologií HAMR musí používat materiály s vyšší anizotropickou energií, jako ideální řešení se zdá kombinace železa a platiny (FePt). Anizotropie určuje, jaké množství energie je nutné vyvinout, aby se zvýšily magnetické schopnosti materiálu. U směsi FePt je tak vysoká, že její částice jsou ovlivněny superparamagnetickým jevem až od rozměru pod 2,5 nm (viz tabulka vpravo). Teoreticky lze pomocí HAMR vyrobit disky se záznamovou hustotou 5 Tb na palec a celkovou kapacitou 30 TB. Další výhodou je, že k dosažení dostatečně silného signálu pro čtecí hlavy disku stačí použít menší množství FePt částic. Současné disky potřebují k uložení jednoho bitu 20 částic, disky HAMR si vystačí s polovinou.
Problém spočívá v zápisové hlavě, která nemá sama o sobě dostatek energie pro změnu magnetické polarizace FePt disků. Z toho důvodu je do ní integrován laser, který před zápisem krátce nahřeje částice na ploše několika nanometrů, a to na 400 °C. Díky tomu se snižuje množství energie, kterou musí záznamová hlava vyvinout pro změnu orientace magnetických částic. V březnu dosáhl Seagate hustoty zápisu 1 Tb na palec u prototypu disku s FePt plotnami a zapisovací hlavičkou HAMR. Až dojde za dva roky k zastavení vývoje perpendikulárních disků, měly by je HAMR disky zastoupit již s vyšší kapacitou a odhadovanými přenosovými rychlostmi čtení okolo 400 až 500 MB/s, což nezvládne většina současných SSD disků.
Místo laseru lze pro usnadnění zápisu na FePt plotny použít i mikrovlny generované spin-torque oscilátorem. Mikrovlny uvolňují částice s ohledem na jejich magnetickou orientaci, takže může poměrně slabá zápisová hlavička měnit jejich magnetizaci. Pomocí tohoto oscilátoru lze až trojnásobně zvýšit účinnost zápisové hlavičky. Na technologii Microwave Assisted Magnetic Recording (MAMR) stále pracují vývojové týmy univerzit a výzkumných laboratoří.

Maximum současných technologií

Zatímco MAMR je stále v plenkách, za nejslibnějšího nástupce kolmého zápisu je považována technologie Bit Patterned Media (BPM). BPM obchází trilema tak, že počítá s oddělením magnetických částic izolační vrstvou z oxidu křemičitého. Na rozdíl od běžných disků jsou magnetizovatelné oblasti vyráběny litograficky, tedy podobně jako procesory. Nevýhodou je, že výroba záznamové plochy BPM je zatím příliš nákladná. Výhodou je však to, že prostřednictvím BPM lze snížit množství částic potřebných k záznamu jednoho bitu, a to bez negativního vlivu na kvalitu signálu. Již v roce 2010 představila Toshiba ukázkový disk s magnetickými oblastmi o průměru 17 nm, což odpovídá záznamu o hustotě 2,5 Tb na palec. Co však stále chybí, to je hlava, která by dokázala přesně zapisovat a číst BPM bity. Z toho důvodu je tedy pravděpodobnější, že BPM technologie bude nástupcem až HAMR disků. Pokud by se podařilo zkombinovat obě techniky, bylo by možné dosáhnout hustoty záznamu 10 Tb na palec, což by umožnilo výrobu 3,5“ disků s kapacitou 60 TB. Na letošním Intermagu představila Toshiba BPM disk s povrchem z HAMR směsi FePt, který disponoval záznamovou hustotou 5 Tb na palec, což je zároveň maximum dosažitelné za použití dnes dostupných technologií.
Vývoj se zaměřuje i na technologii dvourozměrného magnetického záznamu Two Dimensional Magnetic Recording (TDMR), který spočívá v lepším rozpoznání šumu signálu. Při použití příliš malého množství magnetických částic nedokáže čtecí hlava spolehlivě rozpoznat signál, protože ten je příliš slabý a ztrácí se v šumu generovaném okolními magnetickými částicemi. TDMR umí odfiltrovat tento šum od signálu, a to prostřednictvím vícenásobného čtení bitu nebo použitím většího množství čtecích hlav, které proskenují okolí načítaného bitu a vytvoří 2D obraz povrchu disku. Dekodér pak z tohoto obrázku rozpozná stav jednotlivých bitů. Pro začátek lze TDMR využít ke zdokonalení technologie SMR, které by umožnilo tvorbu disků s hustotou záznamu 10 Tb na palec, tedy stejnou, jakou nabízí kombinace HAMR a BPM. Teoreticky by tak bylo možné vyrobit disky s kapacitou 60 TB a s přenosovou rychlostí na úrovni 1 GB za sekundu.

SMR: PŘEKRÝVÁNÍ ZÁPISOVÝCH STOP
V případě Shingled Magnetic Recording zapisují diskové hlavy pomocí silného magnetického pole data do mírně se překrývajících magnetických stop tak, aby bylo možné číst tenčí čtecí stopu stejně jako u kolmého zápisu.

NOVÉ KOVOVÉ SLITINY PRO HAMR DISKY
HAMR disky budou využívat slitinu FePt, která má vyšší anizotropickou energii a vyžaduje silnější magnetizaci. V porovnání s perpendikulární technologií zápisu využívá HAMR menší magnetické částice.

HAMR: ZÁPIS ZA POMOCI LASERU
Záznamová hlava dokáže změnit orientaci HAMR částic, pokud je předtím zahřeje laserový paprsek těsně pod hranici Curieovy teploty, při které zcela ztrácejí schopnost magnetizace.

MAMR: MAGNETIZACE ZA POMOCI MIKROVLN
Stejně jako laser u technologie HAMR lze k uvolnění magnetické polarizace částic použít mikrovlnný oscilátor, který umožní záznamové hlavě změnit polaritu magnetického pole bitové oblasti.

Foto popis|  MIKROVLNNÝ EFEKT: Oscilátor vytváří mikrovlny 1, které nakloní magnetickou orientaci částic do strany. Poté stačí ke změně polarity použít záznamovou hlavu se slabším magnetickým polem 2 .

BPM: IZOLOVANÉ MAGNETY
Množství částic potřebných k uložení jednoho bitu lze snížit jejich izolací od okolních částic. Díky tomu bude čtecí hlava schopna snadno a bezpečně rozlišit i slabší signál drobnějších BPM částic.

TDMR: DEKÓDOVÁNÍ SLABŠÍCH SIGNÁLŮ
U technologie Two Dimensional Magnetic Recording je signál magnetických částic těžko rozlišitelný od okolního šumu. Čtecí hlavička musí pro rozpoznání správné sekvence bitů analyzovat 2D obraz povrchu částic.

Foto popis|  TDMR umožňuje použít pro uložení jednoho bitu menší počet magnetických částic. Jejich slabší signál je filtrován několikanásobným skenováním povrchu čtecí hlavou disku.