От витражей к терабайтам: разгадываем тайны HAMR
Жесткие диски HAMR уже с нами!
Компания Seagate сообщила о старте коммерческих поставок жестких дисков с технологией термомагнитной записи (HAMR) с ноября 2020, а также расширила программу тестирования Mach.2 HDD с двойным приводом, о которых мы как раз писали ранее. Компания уверена, что имеющиеся технологии позволят наращивать емкость и повышать производительность жестких дисков в ближайшие годы.
Спрос на жесткие диски растет среди операторов дата-центров и экзаскейлеров, причем им требуются накопители с высокой емкостью и эффективностью энергопотребления. Летом 2020 года Seagate начала продажи 18-Тбайт жестких дисков с девятью пластинами. По мере апробирования новых емких HDD клиентами, они начнут все более широко использоваться в дата-центрах. Интересно, что данная платформа легла в основу первых 20-Тбайт жестких дисков HAMR, поэтому спецификации накопителей очень похожи.
На данный момент HAMR HDD могут купить лишь ограниченное число клиентов в рамках корпоративных систем хранения и решений Seagate Lyve. Позднее жесткие диски HAMR будут доступны и более широкой аудитории. Но первые 20-Тбайт жесткие диски HAMR могут и не выйти на массовый рынок, поскольку Seagate планирует повысить емкость на 20% в ближайшем будущем. Следовательно, можно ожидать скорое появление 24-Тбайт HDD. И они могут стать первыми розничными HDD на HAMR.
«Мы достигли нового технологического уровня, начав поставки 20-Тбайт жестких дисков HAMR в 2020 году. Данный шаг проецирует успешную стратегию Seagate на ближайшие годы, — сказал Дейв Мосли, главный исполнительный директор Seagate. — Благодаря HAMR мы можем увеличивать плотность записи на 20% и выше каждый год, чтобы поддерживать масштаб вложений наших клиентов в инфраструктуру. Seagate продолжит обеспечивать существенные экономические преимущества по стоимости систем по сравнению с корпоративными SSD, и ситуация вряд ли изменится в обозримом будущем».
Сейчас мы рассмотрим принцип записи с использованием энергии, составной частью которой является термомагнитная запись HAMR. После чего перейдем к разгадкам тайн инженеров Seagate.
Магнитная запись с использованием энергии — ключ к повышению емкости
Технологии магнитной записи с использованием энергии (EAMR, energy-assisted magnetic recording) уже давно на слуху у пользователей и энтузиастов. По сравнению со стандартной сегодня перпендикулярной магнитной записью PMR они обеспечивают дальнейшее увеличение плотности записи данных.
Из наиболее перспективных технологий EAMR выделяют термомагнитную запись (HAMR, heat-assisted magnetic recording) и запись с использованием микроволн (MAMR, microwave-assisted magnetic recording). По мнению Ассоциации передовых технологий хранения данных (Advanced Storage Technology Consortium, ASTC), HAMR станет новым знаковым этапом на пути к повышению плотности записи, то есть увеличению емкости жестких дисков при прежнем физическом размере. Эта инновация окажет большое влияние на развитие жестких дисков в течение следующего десятилетия.
Какой вариант EAMR лучше?
Переход на любую технологию EAMR позволит достичь намного большей плотности записи. Но какая технология лучше?
На пластине жесткого диска каждый бит данных хранится в виде группы крошечных частиц, также называемых зернами. Значение бита определяется магнитной ориентацией зерна, в зависимости от его направления кодируется двоичная 1 или 0. Чтобы записать больше данных на единицу площади, зерна следует сделать меньше и расположить ближе друг к другу. Но если расположить зерна слишком близко, биты начинают перемагничиваться под воздействием соседних зерен, уничтожая записанную на диске информацию.
Чтобы избежать этой проблемы, понадобилось изобрести новые термостабильные материалы, в которых биты сохраняют ориентацию при нормальных температурах и не воздействуют друг на друга. Эти материалы очень хорошо показали себя с точки зрения стабильности, но возникает новая проблема: как перемагнитить бит, устойчивый к перемагничиванию? Для записи на подобные материалы требуется существенно более сильное магнитное поле, чем обеспечивают обычные головки записи.
Устройства EAMR оснащены дополнительным излучателем, который направляет энергию на нагрев поверхности пластины. И уменьшает требуемое для записи магнитное поле.
Современные накопители MAMR используют пластины со сплавом CoPt (кобальт-платина). К головке записи MAMR добавлен генератор электромагнитного поля, которое не нагревает пластину напрямую, но заставляет магнитные зерна «дрожать», облегчая их перемагничивание.
Что касается дисков HAMR, то там применяется более стабильный сплав FePt (железо-пластина). На поверхность FePt нельзя записать данные с помощью способов PMR или MAMR. Для метода HAMR используется маленький лазерный диод, установленный на каждой головке записи. Он используется для кратковременного нагрева небольшого участка пластины. Пока участок горячий, головка записи перемагничивает биты на нем, меняя их ориентацию. Процесс нагрева-охлаждения занимает считаные наносекунды, поэтому лазер совершенно не влияет на температуру отдельной пластины и накопителя в целом, равно как и на стабильность и надежность хранения данных. Как считают специалисты ASTC, на данный момент только поверхность FePt позволяет добиться емкости накопителей 30 Тбайт и выше.
Инженеры Seagate свой выбор сделали, посчитав технологию HAMR более перспективной на ближайшие годы. Сегодня технология уже готова к массовому производству, в чем их большая заслуга. На нелегком пути инженерам пришлось решить огромное множество задач и разгадать технические тайны.
Технические тайны HAMR
Объемы данных продолжают расти, поэтому без дальнейшего повышения емкости жестких дисков не обойтись. Как мы уже неоднократно отмечали, при повышении плотности записи данных возникают проблемы температурной стабильности. Ниже приведена иллюстрация, где зеленым цветом показаны зерна битовой области с двоичным состоянием »1», а белым — зерна области с состоянием »0». Как можно видеть, некоторые зерна поменяли свою ориентацию в области с закодированным битом, став белыми. Подобная смена может приводить к ошибкам, поэтому ее следует предотвращать.
Чтобы увеличить плотность хранения данных, необходимо уменьшать объем зерен на пластине («V» в формуле ниже). Но при этом теряется температурная стабильность зерен, и для компенсации следует увеличивать анизотропию материала пластины (буква «K»). Анизотропия пропорциональна усилиям, которые необходимы для изменения магнитной ориентации зерен.
Чтобы сохранить высокий уровень SNR, число зерен в бите уменьшать нельзя. Поэтому рост плотности записи возможен только через уменьшение зерен. Но чем меньше зерна, тем выше вероятность смены состояния зерен и потери данных.
Как решить эту проблему? Чтобы ответить на вопрос, давайте обратимся к истории.
Немного истории: как повышалась плотность записи
Первые жесткие диски использовали продольную магнитную запись (LR, Longitudinal Recording), намагничивался верхний слой диска, ориентация зерен параллельна его плоскости. Для записи используется краевое магнитное поле, которое показано на иллюстрации ниже. Обратите внимание на расположение стрелок записываемых данных — в плоскости диска.
При увеличении плотности записи и уменьшении размера зерен, необходимо повышать анизотропию материала, как мы указали ранее. Но по мере того, как материал становится более стабильным, запись оказывается все более трудоемкой, для изменения ориентации зерен требуется уже более сильное магнитное поле. Более 60 лет производители жестких дисков усиливали магнитное поле головки записи, но было очевидно, что такой подход рано или поздно упрется в рамки законов физики.
От PMR к SMR и HAMR
Следующая эволюция плотности записи произошла благодаря переходу на перпендикулярную магнитную запись (PMR, Perpendicular Magnetic Recording). Под слоем пластины с зернами расположен слой магнитомягкого материала, который можно считать частью головки записи. В результате слой с зернами находится как бы в зазоре головки записи, что позволило усилить магнитное поле. Стрелки на записываемых данных расположены уже перпендикулярно поверхности диска, то есть ориентация зерен перпендикулярна плоскости диска.
В итоге удалось уменьшить размер зерен и увеличить плотность записи.
Следующий эволюционный шаг — переход на черепичную магнитную запись (SMR, Shingled Magnetic Recording). SMR увеличивает плотность хранения данных через более близкое расположение дорожек, а не через уменьшение размера зерен. Дорожки частично наслаиваются друг на друга, напоминая черепицу на крыше, отсюда и название. В результате на прежней площади пластины можно записать больше данных. И новые записываемые дорожки частично наслаиваются на старые.
Поскольку элемент чтения на головках намного меньше, чем элемент записи, данные с подобных наслоенных дорожек по-прежнему весьма успешно считываются без каких-либо компромиссов по надежности или целостности. Кроме того, для SMR можно использовать существующие технологии чтения и записи. Здесь не требуется существенно менять производственные конвейеры, поэтому себестоимость разработки и производства жестких дисков SMR остается низкой. Конечно, у SMR есть и недостатки по скорости записи, о чем можно узнать в нашей статье «SMR: понятно в теории, сложно на практике».
Технология SMR действительно обеспечивает увеличение емкости HDD. Seagate представила первый жесткий диск SMR в 2014 году, увеличив емкость на 25 процентов. При этом метод записи битов остался прежним, что позволило сочетать преимущества PMR и SMR. Но и данная технология не позволяет увеличивать плотность записи бесконечно. Современные жесткие диски PMR не могут дать выше 1 терабита на квадратный дюйм (Tbpsi). Законы физики обойти невозможно.
Диски FePt (железо-платина) с высокой анизотропией позволили решить проблемы температурной стабильности традиционных накопителей PMR и увеличить плотность записи. Но обычные головки записи уже не могут записать информацию на такие диски, поскольку магнитное поле недостаточно сильное.
Здесь на помощь приходит технология термомагнитной записи HAMR, которая обходит упомянутое ограничение, нагревая участок диска перед записью.
При комнатной температуре зерна на таком диске по-прежнему маленькие, но термически стабильные. Как раз то, что нам нужно. Благодаря нагреву участка, получается временно снизить коэрцитивную силу вещества.
В итоге запись производится только после нагрева участка, а хранить и считывать данные можно в обычном «холодном» состоянии. Причем весь процесс нагрева, записи и охлаждения занимает менее одной наносекунды.
Головки HAMR напоминают обычные PMR. Но к ним добавлен лазер, оптический волновод и преобразователь ближнего поля NFT (near-field transducer) для облегчения нагрева материала.
Разрабатываем диск HAMR
А теперь давайте на минутку представим себя инженером Seagate и попытаемся разработать и произвести диск HAMR. Для этого следует сделать несколько шагов.
Добавить лазерный диод к головке
Разработать оптический волновод для передачи света от лазера к NFT
Встроить NFT в головку записи
Разработать новые пластины HAMR
Доработать прошивку диска и тестовых систем
Изменить процесс производства, чтобы выпускать диски HAMR
Сделать миллион разных мелочей, что входит в рабочий процесс инженеров Seagate
На головке HAMR лазер прикреплен к субмаунту. Затем оптоволокно передает свет от лазера к преобразователю NFT, который интегрирован в головку записи.
Но это еще не все. Оказалось, что нагревать напрямую лазером поверхность диска не получится. В этом и кроется тайна инженеров Seagate. Для наших читателей нам ничего не жалко, поэтому сорвем же завесу тайны!
Как быть с дифракционным пределом?
Уже более ста лет известно, что дифракция ограничивает размер пятна сфокусированного света (см. Дифракционный предел). У накопителя Blu-ray размер пятна составляет 238 нанометров. Если перейти к масштабу дорожек диска, то пятно слишком крупное. Даже если пойти на оптические хитрости и использовать технологии записи в ближнем поле, то меньше около 100 нм получить сложно. Так что требуется какое-либо другое решение.
Для преодоления дифракционного предела мы будем использовать поверхностные плазмоны. И наш преобразователь ближнего поля NFT становится плазмонным. Когда свет попадает на определенные металлы, то при соблюдении ряда условий он приводит к появлению поверхностного электрического тока. Данный поверхностный ток и связанное с ним электрическое поле и называется поверхностными плазмонами. Они легко распространяются по поверхности металла.
На самом деле, поверхностные плазмоны хорошо знакомы читателям. Человечество использует их на протяжении тысячелетий. Первые витражи в европейских кафедральных соборах появились в VII веке нашей эры. Чтобы создавать разные цвета, мастера смешивали стекло с частицами металла. И когда свет определенной волны в видимом диапазоне попадал на металлические частицы в стекле, то он поглощался и превращался в тепло или рассеивался. Остальные волны видимого диапазона проходили через стекло, создавая восприятие цвета.
Плазмонный преобразователь NFT, разработанный Seagate, использует упомянутый принцип. Плазмонный NFT состоит из диска и выступа. Свет поглощается диском и превращается в поверхностный плазмон. Данный поверхностный плазмон затем перемещается по внешнему контуру диска и вниз по выступу, нагревая участок пластины под диском. Ширина выступа как раз определяет размер горячего участка на пластине. Причем размер участка намного меньше пятна, которое было бы возможно с учетом дифракционного предела. Таким образом, ограничения дифракционного предела удалось обойти.
За последние 15 лет инженеры Seagate трудились, не покладая рук. Дизайн HAMR был много раз переработан и собран «с нуля». Инженерам удалось перейти от теоретической концепции к первым практическим реализациям. На протяжении цикла разработки HAMR было изготовлено более 25 млн. плазмонных преобразователей NFT!
Как дорабатывались пластины HAMR
Конечно, сами пластины жесткого диска тоже пришлось существенно дорабатывать. Подложка пластин HAMR (Disk Substrate) изготовлена из специального стекла, способного выдерживать нагрев записывающего слоя до высоких температур. Для HAMR потребовалось добавить слой-радиатор (Heat Sink/SUL), чтобы он отводил тепло от записывающего слоя. Слишком быстрое отведение приводило бы к недостаточной мощности нагрева. Слишком медленное — к перегреву участка, из-за чего нагревались бы соседние участки с последующей потерей информации. Для успеха жестких дисков HAMR было важно получить нужный баланс. Покрытие пластины тоже пришлось сменить, чтобы оно выдерживало нагрев до более 400°C, но при этом обеспечивало надежный интерфейс между пластиной и головкой записи.
Выход HAMR на рынок: важно быть лидером в исследованиях
Seagate уже начала коммерческую эксплуатацию технологии HAMR, запустив массовое производство 20-Тбайт жестких дисков в конце 2020 года. Но, как мы отметили выше, в рознице эти диски вряд ли появятся, они отгружаются только партнерам. Скорее всего, Seagate начнет массовую продажу накопителей HAMR, начиная с емкости 24 Тбайт.
9 ноября 2010 года Seagate присоединилась к двенадцати другим членам консорциума Advanced Storage Technology Consortium (ASTC). И каждый последующий год Seagate вместе с другими компаниями инвестирует немалые суммы в фундаментальные исследования технологий хранения данных под эгидой ASTC.
Каждый год ASTC публикует технологические планы, которые показывают, в каком направлении будет двигаться индустрия. Выше как раз приведен подобный план. Позвольте разобрать его чуть подробнее.
Что нас ждет в будущем?
Как можно видеть по планам, технология PMR будет с нами еще несколько лет, учитывая наработки с гелиевым наполнением HDD, SMR и использование нескольких приводов (см. Seagate MACH.2 и Exos 2×14: разбираемся в преимуществах двойного привода).
На конференции ASTC 2020 доктор Стефания Эрнандес использовала микромагнитное моделирование, которое масштабировало технологию HAMR до 6,0 Tbpsi (терабит на квадратный дюйм). А доктор Стив Гранц в своей демонстрации HAMR смог получить плотность записи 2,77 Tbpsi, поставив новый рекорд по критериям ASTC.
Seagate с жесткими дисками HAMR уже удалось получить уровень 2,0 Tbpsi. Тестируется технология с плотностью записи 2,381 Tbpsi, она обеспечит емкость 3 Тбайт на пластину, то есть HDD с девятью пластинами смогут дать уже 27 Тбайт емкости. Переход на жесткие диски HAMR не потребует изменения экосистемы и инфраструктуры. На данный момент прогнозируется 20% ежегодный рост емкости, что позволит получить 24-Тбайт HDD в ближайшем будущем, а через несколько лет емкость достигнет 40 Тбайт и выше.
Рано или поздно HAMR будет сочетаться с технологией записи, использующей битовые шаблоны BPMR (bit patterned media). В случае Seagate данная технология называется HDMR (Heated Dot Magnetic Recording), она позволит увеличить емкость жестких дисков до 100 Тбайт и выше.
После HDMR будут и другие технологии, которые позволят Seagate предлагать передовые решения с высокой емкостью по оптимальной цене.
