През последните 50 години плътността на записа в хард дисковете, показваща обема на данните, които могат да бъдат записани на една и съща област, се увеличаваше средно с 40% годишно. Но последно време този показател намаля на 10%. Много компании, работещи с този тип запомнящи устройства, много добре знаят за този проблем, но едва миналата година ръководителите на Seagate Technology и Western Digital, водещите производители на хард дискове, публично предложиха свои решения на този проблем.
През месец октомври 2017 година Western Digital обеща, че през 2019 година ще започне доставките на дискове с микровълнов магнитен запис (MAMR). Компанията съобщи за постигнати значителни успехи в овладяването на технологията за микровълново-асистируем магнитен запис MAMR (microwave-assisted magnetic recording), което ще позволи значително да се увеличи капацитетът на твърдите дискове. В частност, през 2025 г., калифорнийците планират да пуснат дискови носители с обем 40 ТВ. Но още през 2020 година трябва да излязат първите MAMR хард дискове с капацитет около 20 TB.
От друга страна, още през месец април миналата година водещият производител на хард дискове, компанията Seagate Technology обяви успешното завършване на работата върху първия в света 16 TB хард диск. Новият 3,5-инчов HDD е част от серията Exos Enterprise, адресирана предимно към корпоративните клиенти. Главната особеност на устройството е използването на метода на термомагнитния запис на информацията, известен със своята абревиатура HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording). По-късно Seagate заяви, че през 2020 година ще представи на пазара дискове, в които се използва термомагнитен запис на информацията (HAMR).
А през през 2023 година Seagate възнамерява да започне производството на 40 TB хард дискове. Достигната е плътност на записа 2 Tbpsi (Tb per square inch – теарабита на квадратен инч), която ще продължава да расте. Ресурсът на четящите глави е достигнал 2 петабайта на глава.
Дори и само едното решение на едната от тези две компании се окаже удачно, то това ще промени индустрията за производство на HDD с обем от $24 милиарда и ще зададе десетгодишен прогрес в магнитния запис на данните. Големите компании, на които се налага да съхраняват огромни количества данни използват и други запомнящи устройства, но засега хард дисковете както преди са най-подходящия избор за изграждането на корпоративни хранилища. Хард дисковете са някъде по средата между флаш паметите и евтините магнитни ленти (да, все още активно се използват стримери).
Seagate планира да представи 20 TB хард диск, използващ HAMR технологията през 2020 година. Western Digital общава MAMR дискове още тази година, но с капацитет 16 TB. Очакванията са, че Western Digital до 2025 година бързо ще увеличи капацитета на своите дискове до 40 TB. Seagate също ще достигне подобни параметри, но не уточнява точната дата.
И двете компании започват с едно и също – със съвременните HDD, характерни с няколко ключови компонента. Самият диск е тънка метална пластина, покрита със специален магнитен материал, съставен от огромен брой отделни зърна, всяко от което е намагнитено в една определена посока. Около десет от тези зърна образуват клъстър, в който те са намагнитени са в една и съща посока и запомнят един бит информация.
В HDD малък електромотор върти диска със скорост от 4000 до 11000 оборота в минута. И само на около 2 нанометра над диска се намира магнитната глава, която Seagate и Western Digital искат коренно да променят, но по различен начин. Магнитната глава създава свое собствено магнитно поле, което се използва за промяна на ориентацията на магнитните зърна, за да се запише съответно 0 или 1. При четенето главата регистрира промените в магнитното поле, докато преминава над клъстърите.
С времето магнитните зърна ставаха все по-малки, което даде възможност за запис на информацията върху все по-малки области върху диска. Но за да може да се запише още повече информация, зрънцата трябва да станат толкова малки, че околната топлинна енергия започва да променя тяхната посока на намагнитване и по този начин данните се губят.
За да се предотврати това изтриване на данни, производителите започнаха да използват нови материали, като например желязно-платинови сплави за изграждането на дискове с магнитно твърди домейни, които не се променят по случен път и не губят своето магнитно поле при стайна температура. За съжаление, тези промени не позволяват използването на стандартните магнитни глави, понеже те не са в състояние да генерират достатъчно силно магнитно поле, което да промени състоянието на клъстъра, както и да се фокусира върху толкова малка област.
Производството на хард дискове има нужда от технология, която да работи с новия тип магнитни клъстъри. Именно върху това активно работят Seagate и Western Digital. Като при MAMR, така и при HAMR се използва една и съща стратегия: обстрелване на магнитните клъстъри с енергия, което временно дава възможност за преобръщане на посоката на тяхното намагнитване. След като тази енергия се разсее, клъстърите възвръщат устойчивостта си към спонтанно преобръщане на магнитната посока при стайни температури.
Seagate възнамерява да използва лазерен лъч, но светлината на лазера нагрява твърде голямо петно на диска и променя магнитната посока и на съседните клъстъри. Ето защо компанията трябваше да измисли технология, с която енергията на лазера да се съсредоточи на по-малка площ, отколкото е дължината на вълната на светлинния лъч.
Специалистите на Seagate създадоха глава с инфрачервен лазер, част от светлината на който попада върху миниатюрна метална пластинка с ширина едва 200 нанометра. Seagate нарича тази пластинка lollipop (близалка), понеже има форма на малка сфера с къса „дръжка“ от едната страна.
Когато светлината попадне на „близалката“, на нейната повърхност се генерират повърхностни плазмони, възникващи на повърхността на повечето метали. В търсенето на най-малкото съпротивление плазмоните попадат върху „дръжката на близалката“.
След като попаднат на нея, плазмоните се разреждат върху област на диска, подобно на гръмоотвод. Този електрически заряд нагрява съответния клъстър и за съвсем кратко време намагнитеността на клъстъра може да бъде променена с помощта на полето, създавано от фина магнитна глава, която е част от конструкцията. След разсейването на допълнителната енергия, клъстърът запазва устойчиво магнитно състояние.
Този подход показа много добра работа в ранните тестове, но екипът на Seagate се сблъска със сериозен проблем: дръжката на близалката непрекъснато се топи. Всичко работи само няколко минути, след което дръжката се стопява и остава само едно миниатюрно златно топче, след което дискът става безполезен.
Наложило се преработване на главата: по-точно фокусиране на лазерната светлина върху пластинката, по-добро разсейване на топлината от дръжката на близалката и използване на нови материали за дръжката. Към днешен ден HAMR главата без проблеми записва петабайти данни. Seagate произведе над 50 000 подобни HAMR диска, само за да усъвършенства своята технология.
Но някои клиенти са склонни да се откажат от закупуването на HDD, използващи тази технология, понеже имат опасения от дълготрайното въздействие на топлината върху диска.
Western Digital счита, че MAMR има същия потенциал като HAMR. Това е един паралелен път за усъвършенстване работата на най-новите хард дискове.
При MAMR технологията, конструкцията на главата също е съвсем различна от класическата. В нея се използва устройство, което WD нарича генератор с въртящ момент, който може да създава минимум два магнитни слоя. Първият слой се състои от електрони с поляризиран спин. След това тези електрони преминават през втория слой, който е настроен по такъв начин, че реализира противоположно магнитно изравняване. Това взаимодействие създава колебания в магнитните моменти на електроните във втория слой. При този процес се генерира микровълново поле, подлежащо на фина настройка. Това поле се настройва на резонансната честота на магнитния материал, покриващ пластината на хард диска – в диапазона от 15 до 20 GHz. Именно това микровълново поле нагрява малките клъстъри на магнитния слой и облекчава промяната на тяхната намагнитеност.
Специалистите на Western Digital заявяват, че MAMR е 50 пъти по-надеждна от HAMR. Но Seagate е скептична по отношение на генератора с въртящ момент, който не би могъл да създаде микровълново поле с толкова висока честота и твърди, че MAMR най-вероятно е еднократна технология
Но Western Digital не се безпокои и обяви, че нейният генератор без никакви проблеми достига 40 GHz, а това означава, че в бъдеще компанията ще може да увеличи плътността на информацията в своите хард дискове с още 4-5 пъти.
И още, Western Digital добавя, че е усъвършенствала своята технология, като е използвала нови похвати, които описва нещо много повече от „микровълнова печка“. Компанията заяви, че е постигнала резултати, далеч надвишаващи нейните очаквания. Western Digital отказа да дава повече подробности и навярно след година-две ще публикува постигнатото в научните списания.
Официалното съобщение на Western Digital през месец октомври 2017 година относно комерсиализацията на MAMR технологията предизвика бурна реакция в централния офис на Seagate.
„Ние си помислихме, че че е напълно възможно те да успеят да направят хард диск, който използва MAMR технология и да започнат да го продават“ – каза Ян-Улрих Тиле, старши директор по изследванията и разработките на Seagate. „Но ние все още сме на мнение, че в това отношение се движим по-бързо и ще бъдем първи на пазара“.
Чжан Ган Чжу, директор на Центъра за съхранение на данни в университета „Карнеги Мелън“, чиято теоретична научна работа е в основата на MAMR технологията счита, че MAMR сериозно изостава, понеже компанията е изразходвала едва $100 милиона в разработката на тази технология, докато за HAMR вече са дадени $2 милиарда. Не всички са съгласни с това мнение.
В крайна сметка, колкото и да спорят Seagate и Western Digital, те трябва преди всичко да убедят клиентите, че техните технологии са работоспособни.
В наши дни специалистите на Seagate и Western Digital усилено работят върху усъвършенстването на HAMR и MAMR технологиите, понеже крайните срокове наближават. Те ще трябва по някакъв начин да гарантират надеждното масово производство на тези HDD с използването на новите технологии, но на същите поточни линии. Едва след началото на продажбите ще разберем, коя технология е по-добре. Това ще стане съвсем скоро, понеже трябва да изчакаме още само около една година.
