жесткие диски объемом 50 ТБ: Вот как это будет сделано

Производство жестких дисков повышенной емкости требует нового подхода

Машиногенерируемые данные значительно увеличивают объем данных, которые необходимо хранить и обрабатывать для анализа. Хотя другие методы хранения данных становятся все более популярными, недавний прогноз исследовательской компании IDC предсказывает, что 59% из 22 ЗБ данных, которые необходимо будет хранить к 2025 году, будут храниться на жестких дисках (HDD), и только 25% — на флеш-технологиях.

Большая часть этих генерируемых машиной данных неструктурирована и случайна, поэтому сжатие невозможно. Они создаются с высокой скоростью (обычно терабайты в час) и хранятся долгое время. Это требует изменений в инвестициях в ИТ и требует дисков большей емкости в популярном форм-факторе 3,5″.

Будущее жестких дисков обеспечено, возможно, даже на годы вперед, поскольку в настоящее время не существует достаточной емкости для хранения этих данных на флеш-накопителях. Это ставит во главу угла инновации в технологии HDD для достижения большей емкости при обеспечении необходимого хранения больших объемов данных.  

    Задачи для дизайнеров HDD

    Таблица 3. Форм-фактор 5″ ограничивает количество пластин, которые могут быть размещены в HDD, поэтому задача состоит в том, как использовать пластины более эффективно, то есть хранить больше данных на единицу площади поверхности. 

    Сегодня технологическое ограничение заключается в размере записывающей головки. Чтобы перевернуть магнитные биты, требуется определенное количество магнитной энергии. Чтобы вложить это количество энергии, необходим минимальный размер записывающей головки. Поскольку считывающая головка намного меньше, один из подходов заключается в использовании черепичной магнитной записи (SMR), при которой данные записываются на перекрывающихся дорожках, что уменьшает пространство, необходимое для каждой дорожки. Однако для изменения данных только на одной дорожке необходимо переписать все перекрывающиеся дорожки, что делает SMR непрактичной для высокопроизводительных жестких дисков с большим количеством случайных записей.

    Магнитная запись с использованием микроволн (MAMR)

    Использование меньшего количества энергии, что позволяет записывающей головке меньшего размера записывать более плотные данные, возможно только в том случае, если будет найден способ временно размягчить материал в момент записи данных. Один из подходов заключается в использовании тепла для нагрева пластины перед процессом записи. Нагрев пластины до 400°C (что приближается к температуре Кюри, при которой запись не требует энергии) значительно облегчает процесс записи, но может привести к износу магнитной поверхности, что ставит под сомнение долгосрочную надежность.

    Однако альтернативный подход с использованием микроволновой энергии показывает значительные перспективы. Известный как магнитная запись с помощью микроволн (MAMR), микроволны на резонансной частоте магнитного материала используются для подачи дополнительной энергии, чтобы перевернуть магнитный материал.

    MAMR Diagram

    Технология MAMR использует микроволновую энергию для помощи и улучшения процесса записи (Источник: Toshiba)

    Принцип заключается в том, что слой спиновой инжекции (SIL) вращает поляризованные электроны и, благодаря тщательному контролю тока, управляющего SIL, угол колебаний слоя генерации поля (FGL) может контролироваться для поддержания 90° — оптимального уровня.  

    Для успешного применения этого подхода необходимо решить две проблемы. Во-первых, необходимо разработать метод управления плотностью тока в SIL таким образом, чтобы угол колебаний в FGL оставался равным 90°. Это само по себе является сложной задачей.

    Кроме того, для использования микроволновой энергии для временного ослабления поверхности пластины, что позволяет легко писать на ней, необходимо изменить используемый материал, чтобы он резонировал с генерируемыми микроволнами, что является значительным изменением. Для того чтобы микроволны были эффективны, они должны быть на резонансной частоте тарелки. Это можно сравнить с помещением стакана с водой в микроволновую печь — его легко нагреть. Однако микроволновая печь не сможет нагреть глыбу льда, поскольку резонансная частота отличается.

    Однако в ходе исследований и разработок процесса MAMR компания Toshiba обнаружила, что изменение угла колебаний с 90° до 180° приводит к следующим изменениям. очень полезный эффект. В этой конфигурации микроволновая энергия от осциллятора спинового момента (STO) — комбинации SIL и FGL — эффективно «выталкивает» паразитный поток обратно в основной поток, предотвращая его рассеивание в записывающей головке.

    • Также ознакомьтесь с нашим обзором лучших SSD

    FC-MAMR

    FC-MAMR фокусирует магнитный поток, делая более доступной энергию для процесса записи (Источник: Toshiba)

    Ныне известная как Flux Control-MAMR (FC-MAMR), эта технология решает две основные проблемы. с подходом MAMR. Во-первых, генерировать необходимый ток гораздо проще по сравнению с подходом 90°. Во-вторых, поскольку метод записи не меняется, так как FC-MAMR просто обеспечивает доставку большего количества энергии записи на пластину, для пластины можно использовать обычный магнитный материал — никаких изменений не требуется.

    FC-MAMR использует обычную запись и обеспечивает увеличение плотности записи (ADC) до 20%, что открывает путь к созданию 3. 5″ HDD емкостью до 18 ТБ с традиционными носителями.

    Далеко не теоретическая концепция, FC-MAMR воплощена в новейших сериях жестких дисков Toshiba, которые являются первыми моделями Toshiba с энергосберегающей записью. Серия MG09 основана на запатентованной компанией Toshiba конструкции третьего поколения с 9 дисками с гелиевой герметизацией, а технология FC-MAMR позволила увеличить емкость каждого диска до 2 ТБ с помощью CMR, что позволило достичь общей емкости 18 ТБ.

    Диски серии MG09 емкостью 18 ТБ подходят для смешанных рабочих нагрузок со случайным и последовательным чтением/записью как для облачных вычислений, так и для традиционных центров обработки данных. Они обеспечивают производительность 7200 об/мин, годовую рабочую нагрузку 550 ТБ и интерфейсы SATA или SAS в компактном и энергоэффективном корпусе 3,5″ с гелиевой герметизацией.

    MAS-MAMR — взгляд в будущее

    Ожидается, что будет выпущено еще несколько поколений жестких дисков FC-MAMR с потенциалом увеличения коэффициента усиления АЦП до 20% по сравнению с традиционными технологиями. Однако технология MAMR с микроволновой коммутацией (MAS-MAMR) имеет потенциал для достижения еще большей емкости с увеличением коэффициента усиления АЦП до 200%.  

    MAS-MAMR

    MAS-MAMR в конечном итоге вытеснит FC-MAMR, обещая улучшение АЦП на 200% по сравнению с обычными жесткими дисками (Источник: Toshiba)

    Поскольку STO уже разработана, одна существенная проблема в обеспечении MAS-MAMR преодолена. Однако для полного раскрытия потенциала MAS-MAMR потребуется оптимизированная среда с настроенным резонансом, частотой и однородными свойствами зерна. 

    Теоретически (с точки зрения технологической осуществимости) FC-MAMR дает до 20% преимущества перед обычным. В качестве традиционного эталона используется не-MAMR-конструкция из 9 пластин MG08 емкостью 16 ТБ. С первым поколением FC-MAMR была реализована половина потенциала (16TB->18TB). В следующем поколении FC-MAMR, как ожидается, будет достигнут полный потенциал (20 ТБ).

    При использовании MAS-MAMR прирост составит 200% от 16 ТБ (эталонная емкость) или ожидаемый технологический потенциал в диапазоне 50 ТБ.

    MAMR используется только для уменьшения записывающей головки, что приводит к повышению плотности записи и увеличению количества ТБ на пластину, что приводит к увеличению количества ТБ в том же форм-факторе. Это цель номер ноль. Чтобы достичь цели номер ноль, необходимо выполнить некоторые побочные ограничения, а именно: надежность, как и раньше, скорость, как и раньше (хотя из-за более высокой плотности битов некоторое увеличение скорости достигается «случайно» (больше битов на площадь, вращающуюся со скоростью 7200 об/мин, означает большую пропускную способность) — но это не является конкретной целью оптимизации.

    Looking to the future

    HDD продолжают играть долгосрочную роль в мире ЗБ данных, генерируемых машинами. Это связано в первую очередь с их ценой по сравнению с флэш-памятью, а также с недостаточными мощностями полупроводниковых фабрик для удовлетворения даже краткосрочных потребностей в хранении данных.

    После десятилетий развития технология жестких дисков достигла предела возможного с точки зрения хранения данных на единицу площади. Однако инновационные технологии, такие как FC-MAMR, позволяют наращивать емкость HDD, сохраняя при этом простоту работы CMR на стандартных материалах пластин PMR.

    Заглядывая в будущее, можно сказать, что такие технологии, как MAS-MAMR, позволят еще больше расширить возможности плотности по площади (ADC), гарантируя, что HDD останутся важными устройствами хранения данных на долгие годы.

      Оставьте комментарий