Технологии будущих HDD создаются уже сегодня

Пятьдесят лет назад в корпорации IBM был создан первый HDD RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Он состоял из 50 двусторонних дисков диаметром 24", вращавшихся с частотой 1200 об/мин. Единственная магнитная головка по очереди подводилась к каждой из ста поверхностей с помощью сервопривода. Накопитель имел емкость 5 MB, время доступа – 0,6 с, скорость считывания – 9 Kbps, а плотность записи – 1800 bit/in?. Стоимость RAMAC составляла 50 тыс. долл.

---

Согласно прогнозам, в 2010 г. средняя емкость жесткого диска на ПК составит 1,7 ТВ, а к 2020 г. возрастет до 85 ТВ, что позволит записать 22 млн песен, или 86 млн цифровых фотографий, или 21,5 тыс. фильмов.

С момента выпуска фирмой IBM в 1956 г. первого HDD их емкость росла экспоненциально. Стартовав с 1800 bit/in2 у RAMAC, поверхностная плотность сегодня достигла 240 Gbit/in², и это происходило одновременно с уменьшением диаметра пластин с 24 до трех, а затем и до одного дюйма.

Современные научные достижения открывают новые возможности для увеличения объемов HDD. Это необходимо, чтобы удовлетворить растущие требования информационного общества: сотрудники университета в Беркли оценили, что в 2002 г. были произведены и сохранены на магнитных носителях более 4 млн ТВ информации – вдвое больше, чем в 2000 г. В ближайшее время также прогнозируется экспоненциальный рост объема данных на жестких дисках, который будет измеряться уже десятками и сотнями тысяч петабайт (1 петабайт = 1015 байт). Аналитики прогнозируют, что в 2008 г. HDD для бытовой электроники составят 40% всего производства (в 2003 г. – 9%, в 2004 г. – 15%). Главное требование к HDD для бытовых приложений – их сверхвысокая емкость. Активнее, чем когда-либо, пользователи сохраняют в цифровых форматах игры и персональные данные и демонстрируют ненасытный аппетит в записи и сохранении все большего количества музыки, фотографий, видео и других личных архивов. Сотрудники фирмы Hitachi GST уверены, что в ближайшие 5–10 лет средняя семья будет иметь в различных устройствах 10–20 жестких дисков, и для удовлетворения стремительно растущих запросов на них необходимо быстрое внедрение новейших технологий. Когда 50 лет назад был выпущен первый диск емкостью 5 МВ, немногие могли бы предсказать современное состояние промышленности. Тогда трудно было представить, что комбинированная головка может лететь со скоростью более сотни километров в час над поверхностью диска на расстоянии менее 1/10 000-й части толщины человеческого волоса. Или что HDD будет способен хранить полные музыкальные библиотеки и HDT-фильмы. Это было из области научной фантастики. Увеличение поверхностной плотности записи HDD традиционными методами уже достигло предела. Дальнейшее продвижение возможно лишь при новых подходах, которые развиваются на основе тончайших квантовых эффектов, нанотехнологий и новейших достижений микроэлектроники. Один из них – создание структурированной магнитной среды (Patterned Magnetic Media), в которой данные сохраняются в матрице одиночных, изолированных друг от друга магнитных доменов. Она была предложена как средство преодоления ограничения суперпарамагнитного предела и доведения плотности регистрации до 1 Tbit/in².

Рис.1. Обычная поверхность диска Рис.2. Структурированная поверхность диска

В обычных дисках носителем записи служит тонкая пленка магнитного сплава, в которой естественно формируется случайная мозаика из зерен различных размеров, ведущих себя как независимые магнитные элементы (рис.1). Каждый записанный бит формируется множеством таких нерегулярных зерен. В структурированном варианте магнитная поверхность создается в виде упорядоченной матрицы однородных областей, сохраняющих один бит каждая (рис.2).

Данные хранятся на круговых треках, а поток информационных разрядов представляет собой области противоположного намагничивания до насыщения (как правило, применяют метод «без возврата к нулю»). Каждый трек состоит из равномерно расположенных одноразрядных ячеек, причем запись двоичной единицы соответствует изменению направления намагниченности соседних ячеек (так называемый переход намагниченности), а запись нуля – непрерывной области намагниченности. При большом увеличении видно, что в ячейке для бита имеется много крошечных магнитных зерен. Все они ведут себя подобно независимым магнитам, которые в процессе записи могут быть ориентированы в определенном направлении магнитной головкой.

Заметим, что границы между областями противоположной намагниченности должны пройти по границам между зернами, так как невозможно повернуть половинку зерна. Тот факт, что переходы намагниченности проходят по границам зерен, означает, что они извилистые и лишь приблизительно представляют прямую линию, которую головка записи пыталась создать. При чтении неровности границы создают дополнительный шум.

Если зерна достаточно малы, то переходы намагниченности отклоняются от прямых не столь значительно, поэтому можно легко обнаружить, какие одноразрядные ячейки содержат границу, а какие нет. Однако если плотность записи увеличивать без уменьшения зерен, переходы намагниченности станут пропорционально более шумными, что в конечном итоге приведет к ошибкам при чтении. Приемлемое соотношение сигнал/шум для достоверного чтения данных требует не менее 50–100 зерен в ячейке.

Решение очевидно: для получения более высокой плотности записи надо уменьшать размер зерен. Такой подход уже несколько десятилетий являлся довольно эффективным. Сегодня, однако, ячейки стали настолько маленькими, что дальнейшее их уменьшение приводит к нестабильности намагниченности – проявляется эффект суперпарамагнетика. Он заключается в том, что если объем зерна станет ниже некоторого значения, ориентация вектора намагниченности может меняться случайно за счет энергии теплового движения. Если сравнительно большое число зерен спонтанно меняет магнитную ориентацию, то данные, сохраненные на диске, стираются самопроизвольно!

Для дальнейшего повышения плотности записи необходимо продолжать уменьшение размера зерен, поэтому есть только один способ поддерживать термостойкость – выбирать материалы с большей магнитной жесткостью. Однако если она будет слишком высокой, то, несмотря на термоустойчивость данных, современные головки не смогут генерировать достаточно сильное магнитное поле, чтобы их записать.

Поэтому и разрабатывают структурированные магнитные среды, где каждый бит хранится в изолированной, специально сформированной области магнитной поверхности. Это может быть одно зерно или несколько связанных зерен с одинаковой ориентацией магнитного поля – своеобразный магнитный островок. Такие островки создаются вдоль кругового трека с постоянным шагом. Переходы намагниченности при этом формируются совершенно четкие и имеют прямые границы между точно зафиксированными островками.

В такой магнитной среде не нужно резервировать до 100 зерен на бит, для хранения бита хватает лишь одного зерна, поэтому плотность записи может быть увеличена примерно на два порядка по сравнению с обычными HDD. Поскольку каждый островок представляет собой одиночный магнитный домен, то структурированная магнитная среда термоустойчива даже при плотностях записи гораздо больших, чем могут быть достигнуты обычными средствами. Концептуально структурированная магнитная среда очень проста. Однако массовое производство дисков по разумной стоимости – огромная проблема.

Необходимо создавать матрицы субмикронных размеров: при плотности записи 100 Gbit/in² (эквивалент сегодняшних HDD) островки должны иметь шаг 86 нм, для 1 Tbit/in² требуется шаг 27 нм, а 10 Tbit/in² – 9 нм. Нужны нанотехнологии!

В лабораториях ведущих компаний разрабатываются методы изготовления структурированной поверхности и наномагнитных структур. Это нанолитография – электронно-лучевая, ионно-лучевая и лазерная интерферометрическая литография, а также нанопечать для быстрого и недорогого тиражирования структурированных магнитных дисков. Исследуются процессы самоорганизации наномагнитных структур, их нанокластеризация.

На рис. 3 представлена схема процесса создания структурированной магнитной поверхности. С помощью электронного луча создают оригинал матрицы на резисте с очень высоким разрешением (a). Последовательность операций травления (б, г), облучения ультрафиолетом (в) и напыления магнитным материалом позволяет получить необходимую матрицу (д). В процессе записи островки работают как когерентные единицы и не разбиваются на отдельные области. На рис. 4 показано магнитомикроскопическое (Magnetic Force Microscopy, MFM) изображение поверхности матрицы с записью, где видно, что каждый островок ведет себя как одиночный магнитный домен. Проектирование и изготовление – не единственные проблемы, связанные с созданием структурированной магнитной среды. Изготовление дисководов потребует новых методов синхронизации импульсов в головке записи с моментами прохождения ее над магнитными островками, современных сервоприводов и т. п. Лабораторные разработки обещают в обозримом будущем продемонстрировать структурированные носители с плотностью записи 1 Tbit/in² (рис. 5). Радикальное повышение плотности станет возможным, если уменьшить область хранения бита до одного домена; в таком случае частицы будут выстроены в битовый массив (Bit Patterned Media). Теоретически существует два альтернативных решения, которые позволили бы этого добиться: одно – на основе электронно-ионных методов литографии, другое – путем создания самоорганизующейся структуры. По первому пути идут исследователи из лаборатории IBM в Алмадене совместно с коллегами из Стэнфордского университета. Они нашли способ нанесения магнитной маски на поверхность диска. Для этого под очень большим давлением полимер припечатывается на основу из оксида кремния и далее сложным образом обрабатывается. Второй путь избрали компании Hitachi и Seagate. В Hitachi новую технологию именуют Patterned Magnetic Media, а в Seagate – Self-Ordered Magnetic Array (SOMA). В последнем случае идея заключается в создании носителя, чья структура задавалась бы свойствами самоорганизации материала. В Seagate работают со сплавом FePt, позволяющим получать идеально ровную ячеистую структуру с размером ячейки в несколько нанометров. На рис. 6 показан другой пример – одноатомный магнитный слой марганца, который формируется на антиферромагнитной подложке из вольфрама. Это магнитный монослой химически эквивалентных атомов, но соседние атомы имеют противоположно направленные магнитные моменты. В такой структуре может быть достигнута поверхностная плотность записи более 256 Тbit/in², а ячейка для бита будет иметь размеры 2,7×2,2 нм – всего 12 атомов! Спин-поляризационная сканирующая туннельная спектроскопия позволяет определить направление намагниченности отдельных атомов – прочитать информацию. Исследователи Seagate уверены, что в ближайшее время они смогут преодолеть суперпарамагнитный эффект и достичь поверхностной плотности записи 50 Tbit/in2 на основе технологии HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording). При такой плотности на один HDD ноутбука можно будет записать всю информацию библиотеки Конгресса США. Какие конкретно решения характеризуют метод HAMR? В новой головке свет от красного лазера по оптоволокну подается на микролинзы (рис. 8, 9), фокусируется на поверхность носителя и нагревает его до температуры, близкой к точке Кюри, облегчая запись информации. При охлаждении зоны бита носитель восстанавливает свои магнитные свойства и надежно сохраняет данные. Ожидаемая плотность – 100 тыс. дорожек на дюйм – зависит от размеров пятна лазера и условий рассеяния тепла на поверхности диска. Кроме того, оптика позволяет расстояние головка–диск увеличить примерно в 10 раз по сравнению с обычными HDD. В результате резко улучшаются надежность и устойчивость накопителя к внешним воздействиям, что особенно актуально для мобильных компьютерных систем. В новых дисках может использоваться аморфный магнитный слой из редкоземельных металлов с существенно более высокой температурной стабильностью. Кроме того, здесь применяют и перпендикулярную запись сигнала, которая также позволяет записывать данные с гораздо большей плотностью. При считывании направление магнитного поля, задающее значение бита, определяется по изменению поляризации отраженного от носителя лазерного луча. В новых устройствах в качестве основы диска может применяться пластик – менее дорогой и более легкий материал, чем алюминий, традиционно используемый в HDD. Кроме того, пластик позволяет легко осуществлять предварительное форматирование носителей путем нанесения специальных меток для сервосистемы. Коммерчески доступные продукты Fujitsu, использующие HAMR, ожидаются к 2012 г., однако скорее всего к тому моменту мы увидим уже некий симбиоз наработок этой компании и Hitachi. Новые возможности для совершенствования HDD на ближайшее десятилетие создаст переход от параллельной к перпендикулярной записи. Различие этих методов состоит в том, каким образом ориентировано направление магнитного поля ячеек на диске – параллельно поверхности или перпендикулярно. Перспективность перпендикулярной записи известна хорошо и давно. Впервые этот метод был предложен еще в XIX в. пионером магнитной записи Вольдемаром Поульсеном. А в 1955 г. одновременно с RAMAC в корпорации IBM стартовал проект ADF, в котором предполагалось использовать именно перпендикулярную запись. Он должен был обеспечить в 10 раз большую емкость и в 10 раз меньшее время доступа. В августе 1959 г. был собран опытный образец дисковода ADF (IBM 1301), но уже в следующем году работы по этой тематике свернули. Оказалось, что на уровне развития технологий, доступном в 60-е годы, параллельная запись обеспечивала более высокую надежность, ей и было отдано предпочтение.

Рис. 3. Cхема процесса создания структурированной магнитной поверхности Рис. 4. Магнитная микрофотография островков матрицы с записанной информацией. Средняя полоса показывает перпендикулярно намагниченные островки (запись прямоугольных импульсов, +вверх/-вниз) и относительные положения переходов намагниченности Рис. 5. Структурированная среда с плотностью записи 1 Tbit/in² Рис. 6. Самоорганизующийся одноатомный слой марганца на подложке из вольфрама Рис. 7. Технология записи HAMR Рис. 8. Схема фокусировки и преобразования луча лазера: а – решетка-приемник луча, б – входная захватывающая решетка, в – тепловое пятно Рис. 9. Размер пятна лазера на поверхности диска и распространение тепла ограничивают плотность дорожек в технологии HAMR

Заслуга возрождения интереса к методу перпендикулярной записи принадлежит японскому ученому Шуничи Ивасаки – в 1976 г. он опубликовал результаты своих исследований и тем самым стимулировал новую волну разработок.

Рост плотности записи оставался возможным, пока технологи, уменьшая зерна, не подошли вплотную к суперпарамагнитному пределу.

Современные технологии запи-си/чтения основываются на эффектах двух типов: супермагниторезистивности (Giant Magnetoresistance, GMR) и туннельном магниторезистивном (Tunnel Magnetoresistance, TMR). TMR и GMR являются средствами для совершенствования записи, но приближение к суперпарамагнитному пределу требует перехода к перпендикулярной записи, где битовые ячейки можно упаковать плотнее.

Простота такого решения является кажущейся. В действительности же замена одного типа записи другим связана с преодолением серьезных технических проблем. В частности, необходимо обеспечить меньшую высоту полета головки над диском, придать головкам специальную конструкцию, разработать новые многослойные магнитные диски с тонкой магнитно-мягкой подложкой.

Головки перпендикулярного чтения/записи имеют более сильные магнитные поля, чем те, что применяются для продольной записи. Таким образом, возможно использование магнитного слоя c более высоким уровнем магнитной коэрцитивности (энергия полного размагничивания). Тепловая энергия, требуемая для размагничивания зерен, будет выше, и суперпарамагнитный эффект для подобных материалов проявится при битовых ячейках меньших размеров.

Изучение других методов уменьшения размера магнитных областей продолжается. Следующей попыткой может стать использование размеченного магнитного слоя, в котором для разметки и изолирования магнитных зерен применяются лазеры, таким образом, для надежной записи потребуется совсем малое количество зерен. Исследовательские проекты с использованием размеченных жестких дисков предполагают достижение емкости в 300 Gbit/in².

Так или иначе, некоторые сложности в основном преодолены, и на рынок уже в этом году начали поступать жесткие диски с перпендикулярной записью.

Toshiba, например, производит HDD c перпендикулярной записью (MK8007GAH) с диаметром пластин 1,8 дюйма и емкостью до 80 GB. Плотность записи составляет 133 Gbit/in2. Емкость пластин (40 GB) на 33% превышает этот параметр обычных HDD.

Hitachi тоже продемонстрировала перпендикулярную запись с плотностью 230 Gbit/in², что в два раза выше, чем современная продольная, и в 2007 г. планирует массовое производство миниатюрных HDD 20 GB типа Microdrive.

5 декабря 2006 г. Seagate объявила о выпуске для ПК HDD емкостью 750 GB с перпендикулярной записью – Barracuda 7200.10. Этот первый в мире промышленный HDD с такой емкостью представляет 10-е поколение наиболее популярного жесткого диска для настольных ПК. Выход 3,5-дюймовой модели с частотой вращения 7200 об/мин продемонстрировал самый большой скачок емкости за всю 50-летнюю историю HDD – на 50% предыдущих 500 GB. Barracuda 7200.10 уже признан лучшим достижением технологий 2006 г.

Дальнейшее уплотнение перпендикулярной записи станет реальным с внедрением вышеупомянутой технологии HAMR. По разным оценкам, плотность записи может возрасти на один или два порядка; есть основания надеяться, что к 2010 г. вероятно достижение показателя 5 Тbit/in².