IT История

Нынешний год является юбилейным - ровно полвека тому назад, в 1956 году, компанией IBM был представлен первый коммерческий 5-мегабайтный накопитель, созданный на базе целого набора (50 дисков диаметром 24 дюйма) жестких дисков.

С тех пор много воды утекло, и долгое время компании-производители накопителей на жестких дисках умудрялись ежегодно удваивать емкость своих продуктов, однако в последние годы рост их емкости существенно замедлился - индустрия подошла к пределу возможностей используемых технологий магнитной записи. Но информационный бум, стимулирующий потребность в накопителях на жестких магнитных дисках все большего и большего объема, не прекращается - нынче и терабайт данных уже ни у кого не вызывает былого трепета.

На протяжении последних 40 лет для записи информации на жесткий диск использовалась технология продольной магнитной записи (Longitudinal recording). Для нее характерно то, что каждый бит данных на поверхности носителя представляется микроскопическим продолговатым магнитом -доменом, состоящим из 70-100 элементарных магнитных зерен. Домены располагаются вдоль поверхности диска, образуя кольцо вокруг его центра, и их взаимодействие ограничивает плотность расположения представленных таким образом бит информации при условии сохранения ее целостности.

Для того чтобы создавать (записывать) на поверхности жесткого диска магнитные домены и считывать их, в дисках используются головки чтения/записи (Read-Write head). Каждая такая головка состоит из двух элементов: индуктивной записывающей головки и магниторезистивной считывающей. Записывающая головка - это миниатюрный электромагнит, состоящий из сердечника и катушки индуктивности. В разрезе между полюсами сердечника создается магнитное поле нужной направленности, которое и намагничивает рабочую поверхность диска, создавая магнитную ячейку с заданным направлением намагниченности. Головка чтения представляет собой магниторезистивный элемент, который меняет свое сопротивление в присутствии магнитного поля. В современных жестких дисках применяется их усовершенствованный вариант - так называемые сверхмагниторезистивные (GMR) головки.

Чтобы увеличить емкость накопителя, можно пойти двумя путями: проще всего увеличить количество пластин, тогда как второй, предполагающий уменьшение размеров магнитных доменов, требует гораздо больше усилий. Первый путь означает значительное усложнение механического устройства накопителя, что зачастую экономически не оправдывается. Поэтому основным показателем, определявшим рост емкости жестких дисков, являлось увеличение плотности записи на пластину. Чем меньше домен, тем меньше места занимает хранимый им бит информации, тем больше данных может храниться на одном и том же диске.

К сожалению, до бесконечности наращивать плотность записи таким способом тоже не получается - возможности традиционной технологии уперлись в так называемый суперпарамагнитный предел. Суперпарамагнетизм проявляется, когда магнитные зерна на диске оказываются столь малы, что их взаимное влияние даже при комнатной температуре становится сравнимым или даже сильнее, нежели намагниченность магнитной головкой, что автоматически ведет к неспособности сохранять неизменной их магнитную ориентацию. Как следствие, в пластинах жесткого диска образуется все больше так называемых легкомысленных битов (Flipped bits) - магнитных доменов, спонтанно и непредсказуемо меняющих свою ориентацию и тем самым способствующих повреждению записанных данных. Да и увеличение плотности размещения дорожек порождает определенные проблемы - затрудняется точное позиционирование головок над все более тонкой дорожкой, также все большее влияние оказывает неоднородность магнитного поля, возникающего на краях такой дорожки.

Не так давно предполагалось, что рост плотности записи остановится на отметке порядка 40 Гбит на квадратный дюйм, но уже в последние годы массово выпускаются диски, в которых эта величина достигла значения порядка 80-100 Гбит на кв. дюйм (от 120 до 133 Гбайт на одну пластину). Но дальнейшее увеличение плотности записи традиционными методами уже стало невозможным, и для увеличения емкости винчестеров остался только один путь - увеличение количества пластин, если, конечно, появление какой-нибудь новой технологии не выведет индустрию HDD на новый качественный уровень.

И такая технология не заставила себя долго ждать. Называется он перпендикулярной записью (Perpendicular recording). Саму идею перпендикулярной магнитной записи выдвинул еще в конце XIX века датский инженер Вольдемар Поульсен, однако, как и многие другие инновации, существенно опередившие свое время, она была надолго предана забвению. И лишь в 1976 году японский исследователь Шуничи Ивасаки показал значительное превосходство в плотности записи при перпендикулярном методе над продольным. Интересно отметить, что была даже предпринята попытка коммерческого использования технологии перпендикулярной магнитной записи во флоппи-дисках емкостью 2,88 Мбайт. Однако в то время данная технология не нашла широкого применения, поскольку стоимость таких дискет была значительно выше традиционных.

При перпендикулярной записи на диск магнитные частицы располагаются под углом 90° к плоскости магнитного диска, что позволяет существенно снизить продольный размер магнитного домена (увеличив его высоту по сравнению с высотой домена при перпендикулярной записи) и тем самым увеличить плотность дорожек на диске с гарантированным различением соседних дорожек при считывании.

В этом случае домены, хранящие разные значения, меньше влияют друг на друга, потому что намагниченные частицы повернуты друг к другу разными полюсами, повышается их термальная стабильность (суперпарамагнитный предел оказывается сдвинут в область десятикратно более высоких плотностей), многократно увеличивается скорость чтения информации. Кроме того, данная технология обеспечивает возможность получения более высокой амплитуды и более коротких импульсов записывающего поля, отсутствие размагничивающих полей на битовых переходах, более высокой амплитуды сигнала при считывании.

Понятно, что для реализации перпендикулярной записи необходимо конструктивно изменить как саму головку записи, так и магнитную поверхность диска (по сравнению с используемым в современных винчестерах, он должен быть гораздо толще). Так, в случае перпендикулярной записи записывающая головка имеет G-образную форму: широкий основной полюс сердечника и более узкий вспомогательный полюс. Основной полюс сердечника создает магнитное поле, линии которого выходят из него перпендикулярно магнитной поверхности диска и замыкаются через нижний магнитомягкий подслой (Soft UnderLayer - SUL) диска на вспомогательном полюсе сердечника. При этом частицы записывающего слоя намагничиваются вертикально, а частицы подслоя - горизонтально. Таким образом, магнитомягкий подслой является своего рода зеркальным отображением головки записи и обеспечивает дополнительную стабильность магнитных доменов друг относительно друга.

Более эффективная геометрия магнитного поля, создаваемого такой головкой записи, позволяет увеличить плотность энергии магнитного поля в рабочем слое примерно в четыре раза. Кроме того, разноименные полюса намагниченных и не намагниченных участков расположены на противоположных сторонах рабочего слоя носителя, поэтому магнитные поля от соседних не намагниченных участков будут стабилизировать состояние намагниченного участка. Это позволяет заметно уменьшить минимальные размеры стабильных доменов.

Пожалуй, у новой технологии есть только один недостаток: она потребует значительных инвестиций в переоборудование производственных мощностей. Но, принимая во внимание то обстоятельство, что применение перпендикулярной записи отодвигает планку суперпарамагнитного предела до величин поверхностной плотности порядка 500 Гбит на квадратный дюйм (а в перспективе - вплоть до 1 терабита на квадратный дюйм), стоит потратиться на новое оборудование, ибо оно еще не раз себя окупит, поскольку даст производителям возможность выпустить несколько поколений накопителей нового типа.

В настоящее время с помощью перпендикулярного метода записи уже достигнута удельная плотность размещения данных порядка 245 Гбит/кв. дюйм. Это позволит производителям жестких дисков выпускать новые модели с емкостью до 300 Гбайт на стандартную 3,5-дюймовую пластину и до 150 Гбайт на пластину форм-фактора 2,5 дюйма.

Первой производство жестких дисков с перпендикулярной записью в 2005 году начала компания Toshiba. Это были сверхкомпактные устройства с пластинами диаметром 1,8 дюйма (около 4,6 см): 40 и 80 Гбайт накопители толщиной всего лишь 5 мм. Другой лидер индустрии, компания Seagate, также начала продвижение технологии перпендикулярной записи с сектора мобильных жестких дисков. Семейство 2,5-дюймовых жестких дисков Seagate Momentus 5400.3 уже содержит полный ассортимент модели емкостью от 40 до 160 Гбайт, использующих технологию перпендикулярной записи (130 Гбит/кв. дюйм). Флагманская модель этого семейства обеспечивает производительность на уровне лучших представителей класса винчестеров со скоростью вращения шпинделя 5400 об/мин, а уровень энергопотребления при этом остается достаточно скромным - как у моделей с частотой вращения шпинделя 4200 об/мин. Вслед за мобильным моментусом обновилась и линейка 3,5-дюймовых накопителей Seagate Barracuda 7200.10 во главе с 750 Гбайт монстром (3 пластины по 250 Гбайт). К 2010 году Seagate планирует освоить выпуск жестких дисков с плотностью записи до 500 Гбит/кв. дюйм: при этом емкость 3,5 накопителя составит 2 Тбайт, 2,5 - до 640 Гбайт, а 1 - 50 Гбайт.

Не отстает от своих конкурентов и компания Hitachi, а точнее - HGST (Hitachi Global Storage Technologies), выпустившая новую серию 2,5-дюймовых жестких дисков для ноутбуков Travelstar 5K160 (емкостью до 160 Гбайт), построенных с использованием технологии суперперпендикулярной (Super-Perpendicular Drive) записи. Технология суперперпендикулярной записи, созданная специалистами Hitachi, сама по себе мало отличается от обычной перпендикулярной записи, разве что предполагает использование специальной головки, созданной на основе сплава иридия, марганца и хрома. По заявлениям производителя, применение такой головки позволило существенно повысить надежность работы нового винчестера.

А что же дальше?

Следует подчеркнуть, что перпендикулярная запись позволяет не преодолеть полностью суперпарамагнитный предел, характерный для продольной записи, а только несколько отодвинуть его. Отраслевые эксперты полагают, что вплоть до 2010 года перпендикулярная запись не исчерпает своих возможностей. К этому времени должны достичь готовности для коммерческого использования ряд перспективных технологий хранения информации, таких, как, например, технология термомагнитной записи HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording), разрабатываемая в лабораториях компании Seagate.

Решить проблему суперпарамагнитного предела (или отодвинуть его еще дальше) в данном случае призваны новые магнитные материалы, обладающие сверхвысокой коэрцитивной силой и обеспечивающие тем самым высокую термостабильность записанных участков. Для намагничивания доменов в таком магнитном слое он предварительно разогревается до 100 оС с помощью кратковременного (порядка 1 пикосекунды) воздействия лазера. Минимальные размеры области, соответствующей одному биту информации, определяются диаметром сфокусированного лазерного луча. Магнитное поле в записывающей головке подбирается таким образом, чтобы перемагничивание рабочего слоя могло происходить только при его нагревании. Для считывания информации в HAMR-винчестерах будет использоваться уже не магнитная, а оптическая головка. Первые реальные образцы жестких дисков с HAMR следует ждать не ранее 2010 года. По оценкам специалистов компании Seagate, термомагнитная запись позволит достичь плотности записи порядка 5 Тбит/кв. дюйм.

Еще одной перспективной технологией, позволяющей достичь высокого значения плотности записи, является технология самоорганизующихся магнитных решеток SOMA (Self-Organized Magnetic Array), исследование которых ведется все той же компанией Seagate. Для построения таких самоорганизующихся решеток предлагается использовать железо-платиновый сплав (FePt) с добавлением некоторого количества других химических элементов. Полученный материал имеет идеально правильную ячеистую структуру с размером каждой ячейки порядка 2,4 нм. В такой кристаллической решетке магнитные зерна строго упорядочены и располагаются в ее узлах, что дает возможность использовать для хранения одного бита информации всего лишь одно зерно, позволяя тем самым резко увеличить плотность записи информации. Использование технологии SOMA в перспективе позволит довести плотность записи информации до 40-50 Тбит/кв. дюйм.

Похоже, это и есть окончательный предел записи на магнитные носители, по крайней мере, на современном уровне развития технологии.