Перпендикулярная магнитная запись: технология и принципы.

Введение

Технология записи на магнитные диски. Перпендикулярная запись (или перпендикулярная магнитная запись, PMR), также известная как традиционная магнитная запись (CMR), – это технология записи данных на магнитные носители, в частности, на жесткие диски. Её преимущество было впервые продемонстрировано в 1976 году Шуном Ичи Ивасаки, профессором Тохокского университета в Японии, а первое коммерческое внедрение состоялось в 2005 году. Первая отраслевая демонстрация, показавшая беспрецедентное преимущество PMR над продольной магнитной записью (LMR) в наномасштабе, была проведена в 1998 году в Исследовательском центре IBM Almaden в сотрудничестве с исследователями Центра систем хранения данных (DSSC) – Инженерного исследовательского центра Национального научного фонда (NSF) (ERC) при Университете Карнеги-Меллона (CMU).

Преимущества

Перпендикулярная запись может обеспечить более чем в три раза большую плотность хранения, чем традиционная продольная запись. В 1986 году Maxell анонсировал дискету с использованием перпендикулярной записи, которая могла хранить данные. Впоследствии Toshiba использовала ее в 3,5" дискетах в 1989 году, чтобы обеспечить емкость 2,88 МБ (ED или сверхвысокой плотности), но не смогла добиться успеха на рынке. Примерно с 2005 года технология стала использоваться в жестких дисках. Технология жестких дисков с продольной записью имеет расчетный предел в 40000 дБ из-за суперпарамагнитного эффекта, хотя эта оценка постоянно меняется. В 2007 году прогнозировалось, что перпендикулярная запись позволит достичь плотности информации до приблизительно. К 2010 году диски с плотностью до 100 ГБ были доступны в продаже. В 2016 году коммерчески доступная плотность составляла не менее 1 ТБ. В конце 2021 года диск Seagate с самой высокой плотностью – потребительский 2,5" BarraCuda – использовал плотность 2 ТБ. Другие диски от производителя использовали 16 ТБ и 20 ТБ.

Технология

Основная проблема при проектировании магнитных носителей информации заключается в сохранении магнизации носителя, несмотря на тепловые флуктуации, вызванные суперпарамагнитным пределом. Если тепловая энергия слишком велика, она может быть достаточной для перемагничивания области носителя, что приведет к потере там хранимых данных. Энергия, необходимая для перемагничивания магнитной области, является произведением размера этой области и константы униаксиальной анизотропии Ku, которая, в свою очередь, связана с магнитной коэрцитивностью материала. Чем больше магнитная область и чем выше магнитная коэрцитивность материала, тем стабильнее носитель. И наоборот, существует минимальный стабильный размер магнитной области при заданной температуре и коэрцитивности. Если размер области меньше этого значения, она, вероятно, будет спонтанно демагнетизирована локальными тепловыми флуктуациями. Перпендикулярная запись использует материалы с более высокой коэрцитивностью, поскольку поле записи головки проникает в носитель более эффективно при перпендикулярной геометрии. Распространенное объяснение преимущества перпендикулярной записи заключается в том, что она обеспечивает более высокую плотность хранения за счет выравнивания полюсов магнитных элементов, представляющих биты, перпендикулярно поверхности диска, как показано на иллюстрации. В этом не совсем точном объяснении утверждается, что такое выравнивание битов требует меньшей площади поверхности диска, чем при продольном расположении. Это означает, что ячейки можно располагать ближе друг к другу на диске, тем самым увеличивая количество магнитных элементов, которые можно сохранить в заданной области. Однако реальная картина несколько сложнее. Перпендикулярная запись действительно проникает глубже в магнитный носитель, что позволяет уменьшить расстояние между битами без потери общего объема битов. Это стало возможным благодаря, во-первых, разработке носителей с оксидосегрегантным обменным разрывом между зернами, во-вторых, использованию тонкого "колпачка" на носителе для контроля уровня обменного взаимодействия между зернами и улучшения распространения переключения по толщине носителя, и, в-третьих, истечению срока действия патента на головку с задним экраном, изобретенной Майклом Маллари в 1985 году. Эта головка обеспечивала более высокие градиенты поля и более благоприятные углы поля, чем простая головка с полюсным наконечником.

The main challenge in designing magnetic information storage media is to retain the magnetization of the medium despite thermal fluctuations caused by the superparamagnetic limit. If the thermal energy is too high, there may be enough energy to reverse the magnetization in a region of the medium, destroying the data stored there. The energy required to reverse the magnetization of a magnetic region is the product of the size of the magnetic region and the uniaxial anisotropy constant Ku, which is in turn related to the magnetic coercivity of the material. The larger the magnetic region is and the higher the magnetic coercivity of the material, the more stable the medium is. Conversely, there is a minimum stable size for a magnetic region at a given temperature and coercivity. If it is any smaller it is likely to be spontaneously de magnetized by local thermal fluctuations. Perpendicular recording uses higher coercivity materials because the head's write field penetrates the medium more efficiently in the perpendicular geometry. The popular explanation for the advantage of perpendicular recording is that it achieves higher storage densities by aligning the poles of the magnetic elements, which represent bits, perpendicularly to the surface of the disk platter, as shown in the illustration. In this not quite accurate explanation, aligning the bits in this manner takes less platter area than what would have been required had they been placed longitudinally. This means cells can be placed closer together on the platter, thus increasing the number of magnetic elements that can be stored in a given area. The true picture is a bit more complex. Perpendicular recording does indeed penetrate more deeply into the magnetic storage medium, thereby allowing a closer bit spacing without losing overall bit volume. First, the development of media with an oxide segregant exchange break between grains. Second, the use of a thin 'cap' on the media to control the level of exchange coupling between grains and to enhance propagation of switching through the thickness of the medium. Third, the expiration in 2005 of the patent for the trailing shield head invented in 1985 by Michael Mallary. This head offered higher field gradients and more favorable field angles than a simple pole head.

Реализация

Vertimag Systems Corporation, основанная профессором Джеком Джуди из Университета Миннесоты. Будучи коллегой Ивасаки, компания создала первые дисковые накопители, головки и диски с перпендикулярной записью в 1984 году. 5 МБ съемных дискет были продемонстрированы в IBM PC ведущим производителям компьютеров. Vertimag прекратила существование во время кризиса индустрии ПК в 1985 году. Toshiba выпустила первый коммерчески доступный дисковый накопитель (1,8") с использованием этой технологии в 2005 году. Вскоре после этого, в январе 2006 года, Seagate Technology начала поставки своего первого жесткого диска размером с ноутбук, использующего технологию перпендикулярной записи, – Seagate Momentus 5400.3. Seagate также объявила, что к концу 2006 года большинство ее устройств хранения данных на жестких дисках будут использовать новую технологию. В апреле 2006 года Seagate начала поставки первого 3,5-дюймового жесткого диска с перпендикулярной записью, Cheetah 15K.5, объемом до 300 ГБ, работающего на скорости 15 000 оборотов в минуту и, по заявлению компании, обеспечивающего на 30% более высокую производительность по сравнению с предшественниками при скорости передачи данных 73–125 Мбайт/с. В апреле 2006 года Seagate представила Barracuda 7200.10 – серию жестких дисков с использованием перпендикулярной записи и максимальной емкостью 750 ГБ. Поставки дисков начались в конце апреля 2006 года. Hitachi анонсировала 20 ГБ Microdrive. Первый ноутбучный жесткий диск Hitachi (2,5 дюйма) с перпендикулярной записью стал доступен в середине 2006 года и имел максимальную емкость 160 ГБ. В июне 2006 года Toshiba объявила о выпуске жесткого диска емкостью 200 ГБ с началом массового производства в августе, что фактически установило новый стандарт для мобильных накопителей. В июле 2006 года Western Digital объявила о начале массового производства жестких дисков WD Scorpio с использованием разработанной и производимой WD технологией перпендикулярной магнитной записи (PMR) для достижения плотности 80 ГБ на пластину. В августе 2006 года Fujitsu расширила свою линейку, включив в нее модели SATA с перпендикулярной записью, предлагая емкость до 160 ГБ. В декабре 2006 года Toshiba заявила, что ее новый 100 ГБ двухпластинчатый жесткий диск основан на перпендикулярной магнитной записи (PMR) и выполнен в компактном 1,8-дюймовом форм-факторе. В декабре 2006 года Fujitsu анонсировала серию жестких дисков MHX2300BT емкостью 250 и 300 ГБ. В январе 2007 года Hitachi анонсировала первый 1-терабайтный жесткий диск с использованием этой технологии, поставки которого начались в апреле 2007 года. В июле 2008 года Seagate Technology анонсировала 1,5-терабайтный жесткий диск SATA с использованием технологии PMR. В январе 2009 года Western Digital анонсировала первый 2,0-терабайтный жесткий диск SATA с использованием технологии PMR. В феврале 2009 года Seagate Technology анонсировала первый 2,0-терабайтный жесткий диск SATA с частотой вращения 7200 об/мин и использованием технологии PMR с возможностью выбора интерфейса SATA 2 или SAS 2.0.

Vertimag Systems Corporation, founded by Professor Jack Judy of the University of Minnesota. As a colleague of Iwasaki, created the first perpendicular disk drives, heads and disks in 1984. 5 MB removable floppy drives were demonstrated in IBM PCs to major computer manufacturers. Vertimag went out of business during the PC crash of 1985. Toshiba produced the first commercially available disk drive (1.8") using this technology in 2005. Shortly thereafter in January 2006, Seagate Technology began shipping its first laptop sized hard drive using perpendicular recording technology, the Seagate Momentus 5400.3. Seagate also announced at that time that the majority of its hard disk storage devices would utilize the new technology by the end of 2006. In April 2006, Seagate began shipping the first 3.5 inch perpendicular recording hard drive, the Cheetah 15K.5, with up to 300GB storage, running at 15,000 rpm and claim to have 30% better performance than their predecessors with a data rate of 73–125 Mbyte/s. In April 2006, Seagate announced the Barracuda 7200.10, a series of HDDs utilizing perpendicular recording with a maximum capacity of 750 GB. Drives began shipping in late April 2006. Hitachi announced a 20 GB Microdrive. Hitachi's first laptop drive (2.5 inch) based on perpendicular recording became available in mid 2006, featuring a maximum capacity of 160 GB. In June 2006, Toshiba announced a hard drive of 200 GB capacity with mass production starting in August, effectively raising the standard of mobile storage capacity. In July 2006, Western Digital announced volume production of its WD Scorpio hard drives using WD designed and manufactured perpendicular magnetic recording (PMR) technology to achieve 80 GB per platter density. In August 2006 Fujitsu extended its lineup to include SATA models utilizing perpendicular recording, offering up to 160GB capacity. In December 2006 Toshiba said its new 100GB two platter HDD is based on perpendicular magnetic recording (PMR) and was designed in the "short" 1.8 inch form factor. In December 2006 Fujitsu announced its MHX2300BT series of hard disk drives, with capacities of 250 and 300 GB. In January 2007 Hitachi announced the first 1 terabyte hard drive using the technology, which they then delivered in April 2007. In July 2008 Seagate Technology announced a 1.5 terabyte SATA hard drive using PMR technology. In January 2009 Western Digital announced the first 2.0 terabyte SATA hard drive using PMR technology. In February 2009 Seagate Technology announced the first 7,200rpm 2.0 terabyte SATA hard drive using PMR technology with choice of SATA 2 or SAS 2.0 interface.