Теплоассистированная магнитная запись: технология увеличения плотности хранения данных.

Введение

Магнитная технология хранения

Теплоусиленная магнитная запись (HAMR) (произносится "хэмэр") – это технология магнитного хранения, предназначенная для значительного увеличения объема данных, которые можно сохранить на магнитном устройстве, таком как жесткий диск, путем временного нагрева материала диска в процессе записи. Это делает материал более восприимчивым к магнитным воздействиям и позволяет записывать данные в значительно меньшие области (и, соответственно, увеличивать плотность данных на диске). Изначально технология считалась крайне сложной в реализации, и в 2013 году высказывались сомнения в ее целесообразности. В июне 2023 года были представлены 32 ТБ накопители с технологией HAMR.

Обзор

Была разработана серия технологий, позволяющих увеличить емкость жестких дисков с незначительным влиянием на стоимость. Для увеличения объема хранимых данных в стандартном форм-факторе необходимо размещать больше информации на меньшей площади. Новые технологии для достижения этого включают перпендикулярную запись (ПМР), диски, заполненные гелием, и магнитно-слоистую запись (МСР); однако все они, по-видимому, имеют схожие ограничения, связанные с удельной плотностью записи (объемом данных, который можно сохранить на магнитной пластине заданного размера). HAMR – это технология, преодолевающая это ограничение при использовании магнитных носителей. Ограничения традиционной, а также перпендикулярной магнитной записи обусловлены противоречивыми требованиями к читаемости, записываемости и стабильности (известными как трилемма магнитной записи). Проблема заключается в том, что для надежного хранения данных при очень малых размерах битов магнитный носитель должен быть изготовлен из материала с очень высокой коэрцитивностью (способностью сохранять свои магнитные домены и противостоять нежелательному внешнему магнитному воздействию). Однако по мере увеличения удельной плотности записи размер, занимаемый одним битом данных, становится настолько малым, что самое сильное магнитное поле, которое современная технология способна создать, недостаточно для преодоления коэрцитивности пластины (или, в терминах разработки, для перемагничивания магнитного домена), поскольку невозможно создать требуемое магнитное поле в столь крошечном регионе. Кроме того, необходимо решить широкий спектр других технических, производственных и контрольных задач. В 2017 году энергопотребление составило менее 200 мВт (0,2 Вт). В декабре 2017 года компания Seagate объявила о проведении клиентских испытаний предварительных образцов накопителей, включающих более 40 000 дисков HAMR и «миллионы» уже изготовленных голов для чтения/записи HAMR, а также о наличии производственных мощностей для пилотных партий и первых продаж серийных изделий ключевым клиентам в 2018 году, за которыми последует полномасштабный вывод на рынок накопителей HAMR объемом «20 ТБ+» в 2019 году, дисков объемом 40 ТБ к 2023 году и накопителей объемом 100 ТБ примерно к 2030 году.

История

В 1954 году инженеры PL Corporation, работавшие на RCA, подали патент, в котором описывался основной принцип использования тепла в сочетании с магнитным полем для записи данных. За этим последовало множество других патентов в этой области, с первоначальным акцентом на хранение на лентах. В 1980-х годах класс устройств массового хранения данных, называемых магнитооптическими дисками, стал коммерчески доступен, используя по сути ту же технику для записи данных на диск. Одним из преимуществ магнитооптической записи над чисто магнитной в то время было то, что размер бита определялся размером сфокусированного лазерного пятна, а не магнитного поля. В 1988 году 5,25-дюймовый магнитооптический диск мог хранить 650 мегабайт данных с перспективой увеличения до нескольких гигабайт; один 5,25-дюймовый магнитный диск имел емкость около 100 мегабайт. В конце 1992 года компания Sony представила MiniDisc – формат записи и воспроизведения музыки, предназначенный для замены аудиокассет. Записываемые MiniDisc использовали теплоассистированную магнитную запись, но диски считывались оптически с помощью эффекта Керра. В "конце 1990-х годов" компания Seagate начала исследования и разработки, связанные с современными накопителями HAMR. По состоянию на 2007 год компания Seagate считала, что сможет производить жесткие диски емкостью 300 терабит (37,5 терабайт (ТБ)) с использованием технологии HAMR. Некоторые новостные сайты ошибочно сообщили, что Seagate выпустит 300-ТБ жесткий диск к 2010 году. Компания Seagate ответила на эту новость, заявив, что плотность 50 терабит на квадратный дюйм значительно выходит за рамки 2010 года и что это также может включать комбинацию битово-шаблонных носителей. В начале 2009 года компания Seagate достигла плотности 250 Гбит на квадратный дюйм с использованием HAMR. Это было вдвое меньше плотности, достигнутой с помощью перпендикулярной магнитной записи (ПМР) в то время. Технология жестких дисков быстро развивалась, и по состоянию на январь 2012 года настольные жесткие диски обычно имели емкость от 500 до 2000 гигабайт, а диски наибольшей емкости – 4 терабайта. Еще в 2000 году было признано, что существующая технология жестких дисков будет иметь ограничения, и теплоассистированная запись была одним из вариантов увеличения емкости хранения. В марте 2012 года компания Seagate стала первым производителем жестких дисков, достигшим плотности хранения 1 терабит на квадратный дюйм с использованием технологии HAMR. В октябре 2012 года компания TDK объявила, что достигла плотности хранения 1,5 терабита на квадратный дюйм с использованием HAMR. Это соответствует 2 ТБ на пластину в 3,5-дюймовом диске. В ноябре 2013 года компания Western Digital продемонстрировала рабочий накопитель HAMR, хотя он еще не готов к коммерческим продажам, а компания Seagate заявила, что ожидает начала продаж накопителей на основе HAMR примерно в 2016 году. В мае 2014 года компания Seagate заявила, что планирует производить небольшие партии жестких дисков емкостью от 6 до 10 ТБ в "обозримом будущем", но для этого потребуются "значительные технические и тестовые инвестиции". Хотя компания Seagate не заявила, что новые жесткие диски используют HAMR, сайт bit-tech.net предположил, что это так и будет. Компания Seagate начала поставки 8-ТБ дисков примерно в июле 2014 года, не сообщая, как была достигнута эта емкость; extremetech.com предположил, что использовалась технология черепичной магнитной записи, а не HAMR. В октябре 2014 года компания TDK предсказала, что жесткие диски HAMR могут быть выпущены в коммерческое использование в 2015 году, что не произошло. На конференции Intermag 2015 в Пекине (Китай) с 11 по 15 мая компания Seagate сообщила о записи HAMR с использованием плазмонного преобразователя ближнего поля и высокоанизотропных гранулированных носителей FePt с плотностью 1,402 Тб/дюйм². В октябре 2014 года компания TDK, поставщик компонентов жестких дисков крупным производителям, заявила, что накопители HAMR объемом до 15 ТБ, вероятно, начнут поступать в продажу к 2016 году, и что результаты прототипа 10 000-оборотных жестких дисков Seagate с головкой TDK HAMR показали, что стандартная 5-летняя долговечность, требуемая корпоративными клиентами, также достижима. В мае 2017 года компания Seagate подтвердила, что ожидает коммерческого запуска накопителей HAMR "в конце 2018 года", и комментаторы отметили, что это первый раз, когда компания Seagate взяла на себя обязательство по такому конкретному сроку запуска накопителей HAMR. Комментаторы в то время предположили, что вероятная емкость при запуске может составлять около 16 ТБ, хотя конкретные емкости и модели будут известны только тогда. В декабре 2017 года компания Seagate объявила, что накопители HAMR проходили предварительные испытания у клиентов в 2017 году, было построено более 40 000 накопителей HAMR и "миллионы" голов чтения/записи HAMR, а производственные мощности были готовы к пилотным партиям в 2018 году и полному выводу на рынок накопителей HAMR емкостью "20 ТБ+" в 2019 году. Однако 27 ноября компания Seagate заявила, что серийные накопители уже поставляются и проходят испытания "ключевых клиентов", а цепочка поставок существует для массового производства, при этом 20-ТБ диски разрабатываются в 2019 году, а 40-ТБ диски ожидаются к 2023 году. Сразу после этого объявления, 4 декабря 2018 года, компания Seagate также объявила о проведении финального тестирования и бенчмаркинга 16-ТБ накопителей HAMR, предназначенных для коммерческого выпуска, после чего клиенты должны будут их квалифицировать (подтвердить, что они работают удовлетворительно, и подтвердить их характеристики). Компания Seagate прокомментировала: "Это те же тесты, которые клиенты используют для квалификации каждого нового диска", и они охватывают энергопотребление, производительность чтения и записи, правильные ответы на команды SCSI и SATA, а также другие тесты. По состоянию на начало декабря 2018 года диски соответствовали ожиданиям. На выставке Consumer Electronics Show (CES) в январе 2019 года компания Seagate продемонстрировала технологию HAMR, успешно выполнив операции чтения/записи с использованием диска "Exos" с прозрачным окном, показывающим головку диска в действии. В феврале 2019 года AnandTech опубликовала обновление информации о HAMR, представив подробные планы выпуска продукции. По данным Seagate, 16-ТБ одноактуаторные накопители HAMR должны были поступить в коммерческую продажу в первой половине 2019 года. Их характеристики: "более 250 МБ/с, около 80 операций ввода-вывода в секунду (IOPS) и 5 IOPS на ТБ" (IOPS/ТБ – важный показатель для ближних хранилищ данных), срок службы головки 4 ПБ и энергопотребление менее 12 Вт, сопоставимое с существующими высокопроизводительными корпоративными жесткими дисками. В октябре 2019 года аналитики подозревали, что коммерческий выпуск HAMR будет отложен до 2022 года, а 10-пластинчатые жесткие диски с использованием перпендикулярной записи (ожидается, что за ними последует SMR (Shingled magnetic recording)) будут использоваться в качестве временного решения. Во время телефонной конференции по итогам первого квартала 2020 года генеральный директор Seagate Дэвид Мосли заявил, что спрос стимулируется пандемией COVID-2020, и что они ожидают поставки 20-ТБ накопителей HAMR к концу 2020 года. В октябре 2020 года компания Seagate подтвердила свои намерения начать поставки 20-ТБ накопителей HAMR в декабре 2020 года, с целью достижения 50 ТБ к 2026 году. В июне 2023 года компания Seagate объявила о выпуске 32-ТБ накопителей HAMR в третьем квартале 2023 года, о перспективных 40-ТБ накопителях и о 50-ТБ накопителях, находящихся в разработке. И заявила, что 24-ТБ накопители PMR и 28-ТБ накопители SMR станут последними в своем роде.

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.

Термомагнитная модель

Аналогичная технология, как в теплоассистированной магнитной записи, широко применяемая за пределами магнитной записи, – это термомагнитное структурирование. Магнитная коэрцитивная сила сильно зависит от температуры, и этот аспект был исследован путем облучения лазерным лучом пленки постоянного магнита для снижения ее коэрцитивной силы в присутствии сильного внешнего магнитного поля, направленного противоположно намагниченности пленки, с целью перемагничивания. Таким образом, создается магнитный рисунок с противоположными направлениями намагниченности, который может быть использован в различных приложениях.

Настройка

Существуют различные способы реализации установки, но базовый принцип остается неизменным. Постоянная магнитная полоса наносится на подложку из кремния или стекла и облучается лазерным лучом через предварительно разработанную маску. Маска разработана специально для этой цели, чтобы предотвратить облучение лазерным лучом определенных участков магнитной пленки. Это выполняется в присутствии очень сильного магнитного поля, которое может быть создано массивом Халбаха. Участки, подвергающиеся воздействию лазерного луча, испытывают снижение коэрцитивной силы из-за нагрева, и их намагниченность может быть легко перемагничена приложенным внешним полем, формируя желаемые узоры.