Жылу көмегімен магниттік жазба технологиясы

Кіріспе

Магниттік сақтау технологиясы

Жылу көмегімен магниттік жазу (HAMR) (айтылуы – "хэммер") – магниттік құрылғыда, мысалы, қатты дискіде сақталатын деректер мөлшерін едәуір арттыруға арналған магниттік сақтау технологиясы. Бұл жазу кезінде дискінің материалдық бөлігін уақытша қыздыру арқылы жүзеге асырылады, бұл оны магниттік әсерлерге әлдеқайда сезімтал етеді және дискіде әлдеқайда кішкентай аймақтарға (және деректердің әлдеқайда жоғары деңгейіне) жазуға мүмкіндік береді. Технологияны іске асыру өте қиын деп есептелді, және 2013 жылы оның мүмкін еместігіне күмән білдірілді. 32 ТБ HAMR дискілері 2023 жылдың маусым айында пайда болды.

Шолу

Қатты дискілердің сыйымдылығын арзанға көбейтуге мүмкіндік беретін бірқатар технологиялар әзірленді. Стандартты формат факторында сақтау көлемін арттыру үшін, кішірек кеңістікте көбірек дерек сақтау қажет. Бұл мақсатқа жету үшін жаңа технологияларға перпендикулярлы жазу (ПМР), гелиймен толтырылған дискілер, қабаттасқан магниттік жазу (SMR) кіреді; алайда олардың барлығы дерлік аймақтық тығыздыққа (берілген мөлшердегі магниттік дискіде сақталатын деректердің көлемі) ұқсас шектеулерге ие. HAMR – бұл магниттік ортада осы шекті бұзатын техника. Дәстүрлі және перпендикулярлы магниттік жазудың шектеулілігі оқуға, жазуға және тұрақтылыққа қойылатын қарама-қарсы талаптармен байланысты (бұл магниттік жазу трилеммасы деп аталады). Мәселе мынада: деректерді өте кішкентай биттік өлшемде сенімді сақтау үшін магниттік орта өте жоғары коэрцитивтілікке ие материалдан жасалуы керек (магниттік домендерді сақтау және кез келген сыртқы магниттік әсерге төтеп беру қабілеті). Бірақ аймақтық тығыздық артқан сайын, бір бит деректің көлемі соншалықты кіші болады, қазіргі технологиямен жасалатын ең күшті магнит өрісі дискінің коэрцитивтілігін жеңуге (немесе даму терминдерімен айтқанда, магниттік доменді ауыстыруға) жеткіліксіз, себебі мұндай кішкентай аймақта қажетті магнит өрісін жасау мүмкін емес. Сонымен қатар, көптеген техникалық, дамыту және басқару мәселелерін шешу қажет. Жақында, 2017 жылы «200 мВт-тан төмен» (0,2 Вт) делінген. 2017 жылдың желтоқсан айында Seagate компаниясы 40 000-нан астам HAMR дискілерімен және «миллиондаған» HAMR оқу/жазу бастарымен жабдықталған сынақ дискілері клиенттердің сынағынан өтіп жатқанын, сондай-ақ 2018 жылы негізгі клиенттерге пилоттық партиялар мен алғашқы өндіріс бірліктерін жеткізуге қабілетті екенін, ал 2019 жылы «20 ТБ+» HAMR дискілерін толыққанды нарыққа шығару жоспарланғанын, 2023 жылға қарай 40 ТБ дискілер, ал 2030 жылға қарай 100 ТБ дискілерге қол жеткізілетінін хабарлады.

Тарих

1954 жылы RCA үшін жұмыс істейтін PL корпорациясының инженерлері деректерді жазу үшін магнит өрісімен бірге жылуды пайдаланудың негізгі қағидасын сипаттайтын патент тапсырды. Бұдан кейін бұл салада көптеген басқа патенттер пайда болды, бастапқыда магниттік таспаларды сақтауға баса назар аударылды. 1980 жылдары магниттік-оптикалық диск деп аталатын жаппай сақтау құрылғысының класы коммерциялық қолжетімділікке ие болды, ол деректерді дискіге жазу үшін негізінен бірдей техниканы қолданды. Магниттік-оптикалық жазудың сол кездегі таза магниттік сақтаудан артықшылығы – бит өлшемі магниттік өріс емес, фокусталған лазерлік нүктенің мөлшерімен анықталды. 1988 жылы 5,25 дюймдік магниттік-оптикалық дискіге 650 мегабайт дерек сыйып, бірнеше гигабайтқа дейін кеңейту жол картасы болды; ал бір ғана 5,25 дюймдік магниттік дискінің сыйымдылығы шамамен 100 мегабайтқа жететін. 1992 жылдың соңында Sony аудиокассеталарды алмастыруға арналған музыка жазу және ойнату форматы – MiniDisc-ті ұсынды. Жазуға болатын MiniDisc-тер жылумен көмектесетін магниттік жазуды қолданды, бірақ дискілер Керр эффектісі арқылы оптикалық түрде оқылды. "1990-шы жылдардың соңында" Seagate қазіргі HAMR дискілеріне қатысты зерттеулер мен әзірлемелерді бастады. 2007 жылы Seagate HAMR технологиясын қолдана отырып, 300 терабит (37,5 терабайт (TB)) қатты дискілерді өндіре алатынына сенді. Кейбір жаңалықтар сайттары Seagate компаниясы 2010 жылға қарай 300 ТБ қатты дискі шығаратынын қате жариялады. Seagate бұл жаңалыққа жауап беріп, бір шаршы дюймге 50 терабит тығыздығы 2010 жылғы мерзімнен асып түсетінін және бұл біттік үлгідегі медианың үйлесімін де қамтитынын айтты. 2009 жылдың басында Seagate HAMR-ді қолдану арқылы 250 Гбит/см2-ге жететінін көрсетті. Бұл сол кездегі перпендикулярлы магниттік жазу (ПМР) арқылы қол жеткізілген тығыздықтың жартысы болды. Қатты дискілер технологиясы қарқынды дамыды және 2012 жылдың қаңтарында үстел дискілерінің сыйымдылығы 500-2000 гигабайтқа дейін, ал ең үлкен сыйымдылығы 4 терабайтқа дейін жетті. 2000 жылы қазіргі қатты дискілер технологиясының шектеулі мүмкіндіктері бар екендігі және жылумен көмектесетін жазу сақтау сыйымдылығын кеңейтудің бір жолы екендігі анықталды. 2012 жылдың наурызында Seagate HAMR технологиясын қолдана отырып, 1 терабит/кв. дюйм сақтау тығыздығына қол жеткізген алғашқы қатты диск өндірушісі болды. 2012 жылдың қазан айында TDK HAMR-ді қолдана отырып, бір шаршы дюймға 1,5 терабит сақтау тығыздығына қол жеткізгенін жариялады. Бұл 3,5 дюймдік дискіде бір тарелкаға 2 ТБ-қа сәйкес келеді. 2013 жылдың қарашасында Western Digital жұмыс істейтін HAMR дискісін көрсетті, бірақ ол әлі коммерциялық сатуға дайын емес, ал Seagate компаниясы HAMR негізделген дискілерді 2016 жылы сата бастайды деп күтті. 2014 жылдың мамырында Seagate компаниясы "жақын болашақта" 6-10 ТБ сыйымдылығы бар қатты дискілерді аз мөлшерде өндіруді жоспарлап отырғанын, бірақ бұл "білгеніңіздей, көптеген техникалық инвестицияларды, сонымен қатар көптеген сынақ инвестицияларын" қажет ететінін айтты. Seagate жаңа қатты дискілер HAMR-ді қолданғанын айтпаса да, bit tech.net олардың оны қолданатынын болжады. Seagate 8 ТБ дискілерді 2014 жылдың шілдесінде шығара бастады, бірақ бұл сыйымдылыққа қалай жеткенін айтпады; extremetech.com shingled магниттік жазуды қолданғанын, HAMR емес деп болжады. 2014 жылдың қазан айында TDK HAMR қатты дискілері 2015 жылы коммерциялық түрде шығарылуы мүмкін деп болжады, бірақ бұл орындалмады. 11-15 мамыр аралығында Қытайдың Пекин қаласында өткен Intermag 2015 конференциясында Seagate компаниясы плазмоникалық жақын өрістегі түрлендіргішті және жоғары анизотропиялы түйіршікті FePt ортасын 1.402 Тб/ин2 тығыздықта пайдалану арқылы HAMR жазуын жариялады. 2014 жылдың қазан айында негізгі қатты дискілер өндірушілеріне қатты дискілер компоненттерін жеткізуші TDK, HAMR дискілері шамамен 15 ТБ-ға дейін 2016 жылға қарай қолжетімді бола бастайды деп мәлімдеді және TDK HAMR баспен 10,000 айналымды Seagate қатты дискісінің прототипі нәтижелері корпоративтік клиенттер талап ететін стандартты 5 жылдық беріктілікке қол жеткізуге болатындығын көрсетті. 2017 жылдың мамырында Seagate компаниясы HAMR дискілерін коммерциялық түрде "2018 жылдың соңында" шығарады деп күткенін растады, ал бұл хабарламаны комментаторлар Seagate компаниясы HAMR дискінің шығарылуы үшін осындай нақты мерзімге алғаш рет уәде еткен деп атап өтті. Сол кездегі комментаторлар іске қосылған кездегі ықтимал сыйымдылық шамамен 16 ТБ болуы мүмкін деп болжады, бірақ нақты сыйымдар мен модельдер сол уақытқа дейін белгісіз болады. 2017 жылдың желтоқсанында Seagate HAMR дискілері 2017 жылы клиенттерде сынақтан өтіп жатқанын, 40,000-нан астам HAMR дискісі және "миллиондаған" HAMR оқу/жазу басшаларының құрастырылғанын және 2018 жылы сынақ көлемі үшін өндірістік қуаты бар екенін және 2019 жылы "20 ТБ+" HAMR дискілерін толыққанды нарыққа шығару жоспарланғанын хабарлады. Алайда, 27 қарашада Seagate өндірістік дискілердің қазірдің өзінде жеткізіліп, "негізгі клиенттердің" сынақтарынан өтіп жатқанын, көлемді өндіріс үшін жеткізу тізбегінің бар екенін және 2019 жылы 20 ТБ дискілерді, ал 2023 жылы 40 ТБ дискілерді күтетінін мәлімдеді. Бұл хабарламадан кейін, 4 желтоқсан 2018 жылы Seagate 16 ТБ HAMR дискілерін коммерциялық шығаруға дайын екенін, одан кейін клиенттер оларды сынап, олардың өнімділігін растағаннан кейін жалпы шығару жоспарланғанын және 20 ТБ дискілер 2020 жылға жоспарланғанын хабарлады. Seagate "Бұл жаңа дискіні сынау үшін клиенттер қолданатын сынақтардың өзі" деп түсіндірді және қуаттылықты пайдалану, оқу және жазу өнімділігі, SCSI және SATA командаларына дұрыс жауап беру және басқа да сынақтарды қамтиды. 2018 жылдың желтоқсанының басында дискілер күтілгендей жұмыс істеді. 2019 жылғы қаңтардағы Тұтынушылық электроникалық көрмесінде (CES) Seagate HAMR технологиясын көрсетті, дискінің басшасының жұмысын көрсету үшін мөлдір терезесі бар "Exos" дискісінде оқу/жазу тапсырмаларын сәтті орындады. 2019 жылдың ақпанында AnandTech HAMR туралы жаңа мәліметтерді жариялады, өнімді шығару жоспарларын егжей-тегжейлі сипаттады. Seagate мәліметтері бойынша, 16 ТБ бір түрлендіргішті HAMR дискілері 2019 жылдың бірінші жартысында коммерциялық түрде шығарылатын болады. Олардың сипаттамаларында "250 МБ/с-тан жоғары, шамамен 80 кіріс/шығыс операциясы секундына (IOPS) және 1 ТБ-ға 5 IOPS" (IOPS/ТБ жақын орналасқан деректерді сақтау үшін маңызды көрсеткіш) және басшаның қызмет ету мерзімі 4 ПБ және пайдалану кезіндегі қуаты 12 ВТ-тан кем болуы тиіс. Бұл қазіргі жоғары өнімді корпоративтік қатты дискілермен салыстыруға болады. 2019 жылдың қазанында талдаушылар HAMR коммерциялық түрде 2022 жылға дейін кешіктіріледі деп күдіктенді, ал перпендикулярлы жазуды (күтілетін shingled магниттік жазу (SMR) соңғы шешім ретінде қолданылады) пайдаланатын 10 тарелкалы дискілер қолданылады. 2020 жылғы сәуірдегі инвесторларға арналған телеконференцияда Seagate-тің бас директоры Дэвид Мосли 2020 жылғы коронавирустық пандемия сұранысты арттырғанын және олар 2020 жылдың соңына қарай 20 ТБ HAMR дискілерін жеткізіп беретінін күтетінін айтты. 2020 жылдың қазанында Seagate 20 ТБ HAMR дискілерін 2020 жылдың желтоқсанында жеткізіп беруге ниеттенгенін растады, 2026 жылға қарай 50 ТБ-қа жетуді мақсат етті. 2023 жылдың маусымында Seagate компаниясы үшінші тоқсанда 32 ТБ HAMR дискілерін, 40 ТБ дискілерін жақын арада, ал 50 ТБ дискілерін зертханада жасауды жоспарлап отырғанын хабарлады. Сондай-ақ, 24 ТБ PMR дискілері мен 28 ТБ SMR дискілері олардың соңғы түрі болады деп мәлімдеді.

In 1954, engineers of PL Corporation working for RCA filed a patent which described the basic principle of using heat in conjunction with a magnetic field to record data. This was followed by many other patents in this area with the initial focus on tape storage. In the 1980s, a class of mass storage device called the magneto optical drive became commercially available, which used essentially the same technique for writing data to a disk. One advantage of magneto optic recording over purely magnetic storage at that time was that the bit size was defined by the size of the focused laser spot rather than the magnetic field. In 1988, a 5.25 inch magneto optic disk could hold 650 megabytes of data with a road map to several gigabytes; a single 5.25 inch magnetic disk had a capacity of around 100 megabytes. In late 1992, Sony introduced MiniDisc, a music recording and playback format intended to replace audio cassettes. Recordable MiniDiscs used heat assisted magnetic recording, but the discs were read optically via the Kerr effect. "Late 1990s" – Seagate commenced research and development related to modern HAMR drives. As of 2007, Seagate believed it could produce 300 terabit (37.5 terabyte (TB)) hard disk drives using HAMR technology. Some news sites erroneously reported that Seagate would launch a 300 TB HDD by 2010. Seagate responded to this news stating that 50 terabit per square inch density is well past the 2010 timeframe and that this may also involve a combination of bit patterned media. In early 2009 Seagate achieved 250 Gb per square inch using HAMR. This was half of the density achieved via perpendicular magnetic recording (PMR) at that time. Hard disk technology progressed rapidly and as of January 2012, desktop hard disk drives typically had a capacity of 500 to 2000 gigabytes, while the largest capacity drives were 4 terabytes. It was recognised as early as 2000 that the then current technology for hard disk drives would have limitations and that heat assisted recording was one option to extend the storage capacity. In March 2012 Seagate became the first hard drive maker to achieve the milestone storage density of 1 terabit per square inch using HAMR technology. In October 2012 TDK announced that they had reached a storage density of 1.5 terabit per square inch, using HAMR. This corresponds to 2 TB per platter in a 3.5" drive. November 2013 – Western Digital demonstrates a working HAMR drive, although not yet ready for commercial sales, and Seagate said they expected to begin selling HAMR based drives around 2016. In May 2014, Seagate said they planned to produce low quantities of 6 to 10 TB capacity hard disks in the "near future", but that this would require "a lot of technical investment as you know, it's also a lot of test investment". Though Seagate had not stated that the new hard disks used HAMR, bit tech. net speculated that they would. Seagate started shipping 8 TB drives around July 2014, but without saying how that capacity was reached; extremetech. com speculated that shingled magnetic recording was used rather than HAMR. In October 2014 TDK predicted that HAMR hard disks could be commercially released in 2015, which did not materialize. At the Intermag 2015 Conference in Beijing, China, from 11 May to 15 May Seagate reported HAMR recording using a plasmonic near field transducer and high anisotropy granular FePt media at an areal density of 1.402 Tb/in2. In October 2014 TDK, who supply hard drive components to the major hard drive manufacturers, stated that HAMR drives up to around 15 TB would probably start to become available by 2016, and that the results from a prototype 10,000 rpm Seagate hard drive with a TDK HAMR head suggested that the standard 5 year durability required by enterprise customers was also achievable. In May 2017, Seagate confirmed that they expected to launch HAMR drives commercially "in late 2018", and the announcement was noted by commentators as being the first time that Seagate had committed to such a specific timeframe for a HAMR drive launch. Commentators at the time suggested a likely capacity at launch could be about 16 TB, although specific capacities and models would not be known until then. During December 2017 Seagate announced that HAMR drives had been undergoing pre pilot trials at customers during 2017 with over 40,000 HAMR drives and "millions" of HAMR read/write heads already built, and manufacturing capacity was in place for pilot volumes in 2018 and a full market launch of "20 TB+" HAMR drives during 2019. However, on 27 November, Seagate stated that production drives were already shipping and passing "key customer" tests, and the supply chain existed for volume production, with 20 TB drives on development in 2019 and 40 TB drives expected for 2023. Shortly after the above announcement, on 4 December 2018, Seagate also announced it was undertaking final testing and benchmarking of 16 TB HAMR drives intended for commercial release, after which customers would be asked to qualify them (validate that they perform satisfactorily, and confirm their performance data) before general release, with 20 TB drives planned for 2020. Seagate commented that "These are the same tests that customers use to qualify every new drive", and cover power usage, read and write performance, correct responses to SCSI and SATA commands, and other tests. As of early December 2018, the drives were meeting expectations. At the January 2019 Consumer Electronics Show (CES), Seagate showcased HAMR technology, demonstrating successful read/write tasks using an "Exos" drive with a transparent window to show the drive head in action. In February 2019 AnandTech published an update on HAMR, stating detailed product release plans. According to Seagate, 16 TB single actuator HAMR drives were expected to launch commercially in the first half of 2019. They were specified as "over 250 MB/sec, about 80 Input/output operations per second (IOPS), and 5 IOPS per TB" (IOPS/ TB is an important metric for nearline datastores), with a head lifetime of 4 PB and power in use under 12 W, comparable with existing high performance enterprise hard drives. In October 2019, analysts suspected that HAMR would be delayed commercially until 2022, with 10 platter hard drives using perpendicular recording (expected to be followed by SMR (Shingled magnetic recording) being used as a stopgap solution. During an April 2020 investor earnings call, Seagate's CEO David Mosley stated that demand was being boosted by the 2020 Coronavirus pandemic, and that they expected 20 TB HAMR drives to ship by the end of 2020. In October 2020 Seagate confirmed their intention to begin shipping 20TB HAMR drives in December 2020, with a target of 50TB by 2026. In June 2023, Seagate announced they'll make 32 TB HAMR drives in third quarter in 2023, 40 TB drives on the horizon, 50 TB drives in the labs. And claimed 24 TB PMR drives, 28 TB SMR drives, will be the last of their kinds.

Термомагниттік үлгілеу

Термомагниттік үлгілеу – магниттік жазудан басқа, кеңінен қолданылатын, жылумен көмектесетін магниттік жазу технологиясына ұқсас технология. Магниттік коэрцитивтілік температураға өте сезімтал, және осы қасиет лазер сәулесі арқылы тұрақты магнитті пленканы сәулелендіру арқылы зерттелді. Мақсаты – күшті сыртқы магнит өрісінің әсерімен, тұрақты магниттің магниттелу бағытына қарама-қарсы бағытта магниттелуін өзгерту арқылы оның коэрцитивтілігін төмендету. Осылайша, әртүрлі қолданымдарда пайдаланылатын, қарама-қарсы магниттелуге ие магниттік үлгі жасалады.

Құрылғы

Бұл әдісті әртүрлі жолдармен жүзеге асыруға болады, бірақ негізгі принцип сол күйінде қалады. Тұрақты магниттік жолақ кремний немесе шыны негізге жабыстырылады, содан кейін алдын ала дайындалған маска арқылы лазер сәулесімен сәулелендіріледі. Маска осы мақсат үшін арнайы жасалған, ол лазер сәулесінің магниттік пленканың кейбір бөліктерін сәулелендіруіне кедергі келтіреді. Бұл өте күшті магнит өрісінің әсерімен жүзеге асырылады, оны Халбах массиві тудыра алады. Лазер сәулесімен сәулеленген аймақтардың коэрцитивтілігі лазердің қызуынан төмендейді, ал осы бөліктердің магниттелуі қолданылған сыртқы өріс арқылы оңай өзгертіліп, қажетті өрнектер құрайды.