Po več kot desetletju napovedi, da bo nova tehnologija zdaj zdaj nared, smo letos dobili prve široko dostopne diske, ki uporabljajo tehnologijo magnetnega zapisa s toploto. V naslednjih letih bodo tehnologijo sprejeli vsi proizvajalci diskov, z njo pa do konca desetletja obljubljajo 100 TB na disk. Začenja se lov na petabajt!
V zadnjih izdihljajih lanskega leta je Seagate predstavil svoj največji disk velikosti 32 TB, ki je uporabljal tehnologijo, prvikrat najavljeno že davnega leta 2007. Diski Exos na platformi Mozaic 3+ so uporabljali tehnologijo magnetnega zapisa s toploto oziroma HAMR (heat-assisted magnetic recording). Na voljo so bili v omejenih količinah in le za poslovne stranke, a že letos so prispeli tudi do slehernika. Julija so predstavili diske Exos M in IronWolf Pro, zmogljivosti 30 TB in 28 TB, prav tako s HAMR. Tudi ti imajo isto platformo Mozaic 3+, kakor se imenuje Seagatova druga generacija HAMR.
Seagate je začel HAMR preizkušati na začetku tisočletja, nato pa so redno napovedovali, da bo na voljo v naslednjih dveh ali treh letih. Prva generacija HAMR, ki jo je razvil Seagate, ni bila nikoli komercializirana zaradi težav z izmetom pri proizvodnji, zanesljivostjo in združljivostjo z obstoječo infrastrukturo. HAMR se je zato oddaljeval vse do letošnjega leta.
Podobne izkušnje imajo tudi drugi proizvajalci diskov. Na trgu tako in tako vlada oligopol, zato sta edina omembe vredna igralca le še Western Digital in Toshiba. Prvi je na sejmu Computex maja letos na Tajvanu ponovil, da bodo njegovi diski s HAMR množično dostopni leta 2027. Na voljo bodo že prihodnje leto, a jih bodo sprva preizkušali in certificirali njihovi partnerji, zlasti ponudniki storitev v oblaku in podatkovnih shramb. Ko bodo dobili zeleno luč, bodo leta 2027 na odprtem trgu, če gre verjeti sumljivo podobni časovnici – »Diski so oddaljeni dve leti« –, kot jo poslušamo že desetletje.
Kje hodi MAMR
Ni bilo vedno očitno, da bo HAMR vodilna tehnologija za povečanje gostote bitov na sledeh (BPI). Medtem ko je bila ePMR že od začetka zgolj prehodna tehnologija, je bil MAMR (microwave-assisted magnetic recording) resen konkurent HAMR. Seagate je že takoj stavil na HAMR, Western Digital pa se je leta 2017 odločil za MAMR. V retrospektivi vemo, da je bila odločitev napačna, saj so dve leti pozneje razvoj opustili. Zanimivo, Western Digital danes obljublja svoje diske s HAMR za leto 2026, ravno dve leti po prvih primerkih iz Seagata.
Zgolj Toshiba se je odločila za nadaljnji razvoj tehnologije MAMR in lani je predstavila disk zmogljivosti 31 TB z MAMR. Ta tehnologija uporablja generator mikrovalov na pisalni glavi, ki vplivajo na material in omogočijo zapis z uporabo šibkejšega magnetnega polja. Koncept je podoben, saj tudi mikrovalovi dovajajo energijo v material, kar vpliva na koercitivnost in olajša spremembo mangetizacije.
Tega ne smemo zamenjavati s FC-MAMR (flux-controlled MAMR), ki so jo uporabili že leta 2021 v diskih MG09 z zmogljivostjo 18 TB in predstavlja le pol poti do pravega MAMR (ki ga imenujejo tudi MAS-MAMR). Toshiba je namreč pri razvoju glave za MAMR ugotovila, da imajo novosti tudi nekaj nepričakovanih pozitivnih posledic pri nadzoru magnetnega polja za zapis. Pri FC-MAMR se ne uporabljajo mikrovalovi za spreminjanje lastnosti magnetne zlitine na disku, temveč izboljšana glava zgolj omogoča boljšo usmeritev magnetnega polja, ki zapisuje podatke, s čimer lahko nekoliko zmanjšamo velikost bitov.
Obljubljajo modele zmogljivosti 36 TB, 40 TB in 44 TB. Razlike bodo posledica drugih tehnologij zapisa, ki jih bodo uporabili skupaj s HAMR. Medtem ko bo ta pri različici 36 TB klasična, bosta večji uporabljali SMR in UltraSMR. O SMR (shingled magnetic recording) smo pisali že pred desetletjem (Diski vračajo udarec, Monitor 11/25), gre pa za takšen zapis sledi na disku, da se te delno prekrivajo. To je mogoče, ker za branje zadostuje ožja sled. Seveda pa plačamo davek pri hitrosti zapisa, saj jih je treba zapisati več, tudi sosednje, podobno kot bi polagali strešnike (od tod tudi ime). UltraSMR je nadgradnja te tehnologije.
Tretji, nekoliko manjši igralec na trgu diskov je Toshiba. Tudi ta je tik pred komercializacijo HAMR. Lani so napovedali, da bodo prvi testni primerki na voljo letos. Izdelali so prototipe zmogljivosti 32 TB, kar je primerljivo z dosežki konkurence. Za Toshibo plošče proizvaja Resonac Corporation (nekdanji Showa Denko), magnetne glave pa TDK Corporation. Tudi Western Digital je že kupoval njune izdelke, zato morda res lahko verjamemo, da bo leto 2026 v znamenju HAMR.
Gostota zapisa podatkov
Da bi razumeli, kako deluje HAMR, se moramo sprehoditi po osnovah zapisovanja podatkov na diskih. O tem smo že pisali (Diski vračajo udarec, Monitor 11/15), zato ponovimo le najpomembnejše. Podatke na disku zapisujejo z magnetizacijo površine plošč (platter), ki so razdeljene v manjše dele. Na tem mestu nas zanimajo sledi (track), kakor se imenuje koncentrični del diska, ki ga lahko glava brez premikanja prebere ob enem zasuku plošče. Sledi sestavlja več sektorjev.
Glavni sestavni deli diska.
Glava se premika prečno in tako prebere celotno ploščo. Moderni diski imajo več plošč, vsaka pa ima seveda svojo bralno-pisalno glavo, ki so skupaj nameščene na eni roki. Odkar so diski neprodušno zaprti in polnjeni s helijem, so lahko plošče bliže skupaj, zato jih je lahko v posameznem disku tudi do enajst. Seagatov 36-TB Exos M jih ima deset.
Zmogljivost diskov povečujejo na dva načina: lahko imajo več plošč ali pa večjo gostoto zapisa na plošči. Zadnja je odvisna od razdalje med sledmi, kar označujemo s TPI (tracks per inch), ter količine podatkov na sledi, kar podaja BPI (bits per inch). TPI se povečuje, ko sledi postajajo ožje, ker jih lahko na disk stlačimo več, BPI pa povečujemo z zmanjševanjem oziroma s krajšanjem razdelka, v katerega se zapiše en bit.
Moderni diski imajo čedalje več plošč in za vsako stran vsake plošče svojo glavo. Slika: Western Digital
Iztisniti več, prvič
Obstaja več načinov, kako povečati TPI in BPI, ki jih lahko uporabljamo v različnih kombinacijah, kar nemalokrat povzroča zmedo pri razumevanju. V osnovi uporabljamo dva pristopa: zmanjšujemo širino sledi, s čimer jih lahko na ploščo zapišemo več in bliže skupaj (večji TPI), ter spreminjamo način zapisa, s čimer je lahko razdelek na sledi manjši, podatkov v njih pa je več (večji BPI).
Za zapis potrebujemo širšo glavo kot za branje. Z drugimi besedami to pomeni, da bodo podatki zapisani na sledeh, ki so širše od tega, kar potrebujemo za branje. Med njimi bo torej prostor, ki bi ga lahko porabili koristneje, denimo za zapis naslednje sledi, če bi le to zmogli. Tak način se imenuje CMR (conventional magnetic recording), kjer širino zapisa določa pisalna glava.
Kaj je koercitivnost
Magnetno polje vpliva na material, ki mu je izpostavljen, in sicer v njem inducira lastno magnetno polje. Če to kaže v nasprotno smer kot zunanje polje, objekt v svoji notranjosti ošibi zunanje magnetno polje, zato mu pravimo diamagneten. Nasprotno se vedejo paramagnetni materiali, katerih inducirano magnetno polje okrepi zunanje magnetno polje. Oboji po izklopu zunanjega magnetnega polja preidejo v osnovno, nemagnetizirano stanje.
Feromagnetni materiali pa lahko magnetizacijo obdržijo, tudi ko zunanje magnetno polje izgine. Takšni materiali so sorazmerno redki, saj morajo izpolnjevati vrsto fizikalnih pogojev. Med elementi so to zgolj železo, kobalt, nikelj in gadolinij, spojin in zlitin pa je tisoče.
Če paramagnetni material postavimo v zunanje magnetno polje, bo do neke jakosti obdržal svojo magnetizacijo. Ko pa zunanje magnetno polje preseže kritično vrednost, bo spremenilo magnetizacijo materiala. Odpornost na to zunanje magnetno polje opisuje koercitivnost, ki jo merimo v amperih na meter. Definicij je več, v splošnem pa opisuje jakost magnetnega polja, ki je potrebna, da popolnoma magnetizirani material (ki se tudi ob povečanju magnetnega polja ne more bolj magnetizirati) z obratno orientiranim poljem demagnetiziramo.
Histerezna krivulja za električno jeklo kaže odvisnost gostote notranjega magnetnega polja (B) od jakosti zunanjega magnetnega polja (H). HC je točka, kjer zunanje magnetno polje razmagneti popolnoma namagneteno jeklo, kar imenujemo koercitivnost.
SMR zmanjša nekoristni prostor, da sledi zapisuje tako, da vsaka naslednja delno prekrije prejšnjo, podobno kot strešnike. Neprekrite ostane dovolj sledi, da jo je mogoče brati, pri zapisovanju pa smo nenadoma omejeni, saj ne moremo popravljati ene same sledi. Na novo je treba zapisati vse. Diski s SMR so zato razdeljeni na področja (append only zones), imajo pa tudi dele s CMR, ki služijo kot prostor za začasni zapis podatkov, preden jih algoritmi pospravijo na mesta SMR.
Western Digital je lani z diskom 26 TB Ultrastar DC HC670 premierno predstavil še UltraSMR, ki uporablja algoritme za boljše zaznavanje in odpravljanje napak (error correction), s čimer so lahko širino sledi še dodatno zmanjšali. Diski z UltraSMR imajo približno za četrtino večjo gostoto zapisa podatkov od ekvivalentnih diskov s CMR. Pri SMR širino zapisa torej določa bralna glava.
Širino sledi in razmik med njimi pri CMR določa pisalna glava, pri SMR pa bralna glava.
Iztisniti več, drugič
Z druge strani lahko pristopimo z zmanjševanjem razdelkov (višji BPI), kar dosežemo s spremembo tehnologije zapisa. Tu nas omejuje znamenita magnetna trilema, saj iščemo kompromis med stabilnostjo zapisa, razmerjem signal – šum in gostoto zapisa, ker vseh treh ne moremo sočasno izboljševati. Če želimo povečati gostoto zapisa, moramo zmanjšati velikost fizičnega razdelka oziroma bita, ki mu spreminjamo magnetizacijo. S tem pa se zmanjša tudi potrebna termična energija za spremembo magnetizacije, torej 0 v 1 ali obratno. Stabilnost zapisa se manjša. Povečamo jo lahko z uporabo materialov z višjo koercitivnostjo, kakor se imenuje odpornost materiala na spremembo magnetizacije.
To je sicer dobrodošlo, ker bo tak zapis trajnejši, a spomniti se moramo, kako magnetizacijo sploh spreminjamo – z izpostavitvijo močnemu magnetnemu polju. Večja gostota zapisa zahteva manjše razdelke, ti zavoljo stabilnosti material z višjo koercitivnostjo, ta pa tudi močnejše magnetne polje pri zapisu. Težava nastopi, ker so bralno-pisalne glave za zapis v manjše razdelke manjše, torej lahko ustvarijo nižja magnetna polja, ne pa višjih.
V zelo starih časih je bila magnetizacija v razdelkih orientirana vzdolžno, torej v smeri sledi (longitudinal magnetic recording). Tak način je bil prostorsko potraten in občutljiv na motnje. Pravokotni način zapisa PMR (perpendicular magnetic recording) je pomanjšal razdelke, ker je magnetizacija usmerjena pravokotno na ploščo, torej v globino. Ko pa so se razdelki še naprej zmanjševali, zahtevana koercitivnost materiala pa višala, je bilo treba poiskati druge trike. Ti se z nadpomenko imenujejo EAMR (energy-assisted magnetic recording), delijo pa se na ePMR (energy-assisted PMR), HAMR (heat-assisted magnetic recording) in MAMR (microwave assisted magnetic recording).
Različne vrste sledi (CMR, SMR) in tehnologije zapisa bitov nanje (PMR, ePMR, HAMR, MAMR) je mogoče poljubno kombinirati.
Vsem tehnologijam EAMR je skupna uporaba energije med zapisovanjem za začasno spremembo lastnosti materiala med zapisovanjem podatkov. Takšna definicija ni zelo posrečena, ker vsak zapis podatkov zahteva energijo, ki jo dovedemo v obliki močnega magnetnega polja za spremembo magnetizacije. Magnetno polje ustvarijo tuljave v glavi, skozi katere teče električni tok. Pri EAMR pa dovedemo še dodatno energijo na neki drug način, s čimer spremenimo lastnosti materiala tako, da lahko podatke zapišemo s šibkejšim magnetnim poljem.
Western Digital je leta 2019 predstavil prve diske s tehnologijo ePMR (18 TB CMR in 20 TB SMR). Na glavni pól pisalne glave pritisnemo električni tok, ki ustvari dodatno magnetno polje in s tem zmanjša naključne fluktuacije v magnetnem polju (jitter) in poveča zanesljivost zapisovanja. Izvedba je vsej prej kot enostavna, saj je treba najti ravnotežje med prevelikim tokom, ki površino plošče preveč segreje in uniči podatke, ter premajhnim tokom, ki nima vpliva na magnetno polje.
ePMR stabilizira magnetno polje za zapis na disk. Slika: Western Digital, Continuous Innovation for Highest Capacities and Lower TCO, oktober 2024
Toplota priskoči na pomoč
HAMR uporablja segrevanje za spremembo koercitivnosti materiala med zapisom. Najprej so v Seagatu morali razviti material z visoko koercitivnostjo, kjer se je dobro izkazala zlitina železa in platine. Železo je seveda nujno potrebno, ker je prislovični feromagnetni material, ki se lahko namagneti in to magnetizacijo obdrži.
Sintetizirali so posebno periodično kristalno strukturo (superlattice), v kateri se pravilno izmenjujejo sloji dveh ali več materialov. Pojav so odkrili pred natanko sto leti, ko sta švedska raziskovalca C. H. Johansson in J. O. Linde opazila, da zlato in baker ter paladij in baker tvorijo takšne strukture. Kdo bi si mislil, da bo stoletje pozneje to temelj za veliko povečanje gostote zapisa podatkov na magnetnih diskih! A zgodilo se je prav to. Zlitina železa in platine v obliki urejenih granuliranih nanodelcev FePt, ki so veliki nekaj nanometrov in lahko hranijo po en bit podatkov. Ker ima material visoko anizotropijo, ostane magnetizacija bitov stabilna in neodvisna od okolice. Tanke filme te zlitine nanesejo na stekleni substrat tako, da na njem rastejo plast za plastjo, s čimer ohranjajo urejenost. Rezultat je material, ki ima zelo visoko koercitivnost – močno odporen je na spremembe magnetizacije, zato so lahko biti izjemno majhni.
Energija in laserji
Ključni izziv pri razvoju HAMR je usmeritev energije na izjemno majhno področje, ki je manjše od valovne dolžine laserjev. To omogoča majhna plazmonska antena oziroma NFT (near field transducer) in ta energijo na plošči usmeri v bit, ki ga prepisujemo. Plazmoni so odziv prevodnega materiala na vpadno elektromagnetno valovanje, ki se izrazi kot urejene oscilacije elektronov v materialu. Površinski plazmoni zmorejo ustvariti bolj lokalizirana električna polja in natančneje dovesti energijo kot vpadna svetloba.
Tovrstni diski so kompleksnejši, zato porabijo tudi več energije. Izkaže se, da je ta razlika zanemarljiva. Laser z vsemi komponentami za segrevanje plošče porabi manj kot vat energije, zaradi povečanja zmogljivosti pa je poraba energije na terabajt celo manjša kot pri klasičnih diskih. Seveda pa ne smemo pozabiti na Jevonsov efekt: povečanje učinkovitosti zaradi nesorazmerno večjega povpraševanja pogosto celokupno porabo poveča. Tako je tudi z diski, ki so danes učinkovitejši kot kadarkoli, a jih tudi potrebujemo več kot kadarkoli.
Pri MAMR laser zaradi omejitev valovne dolžine in s tem ločljivosti plošč ne segreva neposredno.
Druga ključna sestavina je plazmonski zapis podatkov. Seagate v svoji implementaciji HAMR uporablja nanofotonski laser, ki med zapisovanjem izbrano segreje zgolj tisti bit, v katerega se zapisujejo podatki. S tem se začasno zniža koercitivnost materiala, kar omogoči zapis. To je že zelo stara ugotovitev, saj ima tudi vsak namagneteni predmet Curiejevo temperaturo, nad katero se razmagneti. Ves postopek, torej segrevanje, zapis bita in ohlajanje, se mora pri HAMR zgoditi v manj kot nanosekundi. Najtežji del uganke je bilo selektivno segrevanje tako majhne domene, saj je natančnosti laserjev omejena z njihovo valovno dolžino. Pred desetletjem se je zdelo nemogoče, da bi laserji kadarkoli tako precizno segrevali en bit na disku, zato je bil HAMR skorajda pokopan.
Rešitev je prinesla uporaba površinskih plazmonov, kar je kompleksen fizikalni pojav. Namesto da bi laser neposredno grel disk z usmeritvijo snopa svetlobe v želeni bit, vzbudi površinske plazmone, ki zelo precizno dovedejo energije na želeno mesto kot valovod (waveguide). Energija laserskega snopa potuje po valovodu natanko do mesta, kjer je potrebna. Stekleni substrat plošče diska in premaz pa poskrbita, da se dovedena toplota ne razlije po sosednjih mestih, kjer bi lahko poškodovala zapisane podatke, hkrati pa morata zdržati temperature tudi do 450 °C.
Da je HAMR resnično uporaben, so morali razviti še ustrezno bralno glavo z občutljivimi detektorji magnetnega polja (Gen 7 Spintronic Reader) in ustrezni krmilnik, ki je dirigiral vsem vpletenim sestavnim delom. V Seagatu so ga razvili sami v obliki SoC (system-on-a-chip).
Proti stotici
Pred dobrim desetletjem se je zdelo, da se diskom piše slabo. Kjer je hitrost pomembna, denimo v namiznih računalnikih, delovnih postajah in nekaterih diskih v strežnikih, so jih začeli množično nadomeščati SSD. Ta trend se je nadaljeval in danes res skorajda nihče ne poganja operacijskega sistema s konvencionalnega diska.
A s selitvijo računalništva v podatkovne centre ali oblake je potreba po koncentriranem prostoru na nosilcih podatkov rasla še hitreje kot prej. Hitrost pri sinhronizaciji v oblak ni ključnega pomena, cena in fizična velikost diskov pa precej bolj. Diski so s svojimi velikanskimi zmogljivostmi doživeli pravo malo renesanso, ki je močno pospešila tudi nadaljnji razvoj, katerega trenutni vrh predstavlja HAMR.
V tem desetletju je pričakovati hitro rast zmogljivosti, če poslušamo proizvajalce. Seagate obljublja, da bo HAMR do leta 2030 omogočil 80 TB, v kombinaciji z UltraSMR pa celo 100 TB v majhnem 3,5-palčnem disku. Iz preteklosti pa vemo, da so tovrstne napovedi večkrat zamaknjene kot ne. Kaj bo sledilo HAMR, še ni povsem jasno. Pred leti se je omenjal HDMR (heated dot magnetic recording), ki združuje segrevanje iz HAMR in zapis v majhne izolirane otočke, tako imenovane magnetne pike (magnetic dots), kar poznamo pod imenom BPM (bit-patterned media).
Drugo, še zanimivejše vprašanje je format. Diski že res dolgo vztrajajo v klasičnih 3,5-palčnih ohišjih, ki so visoka en palec. Prilagojene jim je ogromno infrastrukture, tako pri uporabnikih kot tudi v proizvodnih procesih, zato bo vztrajala, dokler bo mogoče. Velikost plošč, njihovi razmiki, hitrost vrtenja – vsi ti dejavniki so pri obstoječem formatu izpiljeni do skrajnosti.
Nove tehnologije, kot je bila SMR in je zdaj HAMR, 3,5-palčnemu formatu podaljšujejo življenje. Produktni direktor pri Western Digitalu Ahmed Shihab je julija letos v intervjuju za spletno stran Blocks & Files dejal, da so poskušali tudi s 5,25-palčnimi diski in z drugimi formati, a se je obdržal le klasični 3,5-palčni format. S HAMR bo dobil še vsaj 10 let, bolj verjetno pa 20, preden bo treba izumiti kaj novega, je sklenil Shihab. Nove tehnologije, vključno s HAMR, ne povečujejo le zmogljivosti, temveč tudi hitrost branja podatkov. Diski – in to v zelo prepoznavni obliki iz leta 1983 – bodo zato z nami še dolgo vrsto let. Novosti bodo v drobovju.
