За последние полгода мировая индустрия жестких дисков отметила сразу две знаменательные даты. В сентябре 2006-го исполнилось ровно 50 лет со дня выхода в свет дисковой системы IBM RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), а буквально месяц назад компания Hitachi Global Storage Technologies объявила о выпуске первого винчестера форм-фактора 3,5 дюйма объемом 1 Тбайт.

Создание IBM RAMAC, первой коммерческой системы с произвольным доступом к данным, считается официальным рождением жесткого диска. За время, прошедшее с этого момента, индустрия сделала гигантский шаг вперед. Судите сами: объем накопителей увеличился примерно в 200 тыс. раз, их удельная стоимость — в 25 млн, а поверхностная плотность записи — в 75 млн раз (см. таблицу).

Созданная 50 лет назад система IBM RAMAC напоминала два больших холодильника. Она состояла из 50-ти покрытых оксидом железа 24-дюймовых пластин, способных хранить 5 Мбайт информации. Для сравнения: текстовый файл с четырьмя томами романа Льва Толстого «Война и мир» занимает на современных дисках 2,5 Мбайт данных, то есть система IBM RAMAC была способна вместить два таких файла. По тем временам это был весьма существенный показатель, достаточный для решения большинства задач. Поэтому абсолютный объем жестких дисков на первых порах увеличивался не сильно, разработчики пытались повысить показатель плотности записи, уменьшая габариты устройств и их стоимость. Любопытно, что компьютеры на основе дисковой системы IBM RAMAC не продавались, а сдавались в аренду. Причем, несмотря на относительно высокую стоимость арендной платы, компания IBM сумела найти более сотни заказчиков.

Далее индустрия жестких дисков развивалась по экстенсивному пути: производители просто уменьшали размер битовых ячеек. Совершенствовались остальные компоненты накопителей — материал покрытия пластин, считывающая головка и электроника, однако сама технология записи принципиально не менялась. Такая ситуация не могла продолжаться вечно, поскольку при очень маленьких размерах ячеек вступали в силу квантовые эффекты, нехарактерные для классической физики. Понимание того, что для дальнейшего увеличения плотности необходимы новые технологии, пришло к разработчикам в XXI веке.

Любая магнитная запись базируется на ферромагнитных свойствах некоторых веществ, способных сохранять намагниченное состояние в условиях отсутствия магнитного поля. В случаях, когда это состояние не сохраняется (или вероятность сохранения недостаточно высока), запись информации невозможна. Если же размер магнитного домена очень мал, возможно возникновение суперпарамагнитного эффекта, то есть несохранения намагниченного состояния в результате случайных движений частиц. Если вещество намагничено, его частицы имеют определенный магнитный порядок, устойчивость которого напрямую зависит от размеров домена. В то же время частицы вещества находятся в непрерывном движении, причем энергия этого движения пропорциональна температуре тела. Поэтому, если размер домена мал и энергия магнитного взаимодействия сравнима с температурной энергией, магнитный порядок может нарушиться в результате температурных флуктуаций. Последний тезис означает, что размер домена имеет определенный физический предел, дальнейшее уменьшение не имеет смысла.

От чего же зависит этот предел? Прежде всего от температуры носителя — чем она меньше, тем меньше суперпарамагнитный эффект. Несмотря на теоретическую обоснованность, уменьшить температуру винчестеров на практике так же сложно, как и представить себе домашний компьютер с системой охлаждения, скажем, на жидком азоте. Поэтому методы, основанные на простом понижении температуры, вряд ли получат широкое распространение. Суперпарамагнитный предел существенно зависит и от свойств используемого вещества. Одной из характеристик магнетиков является константа магнитной анизотропии — величина, показывающая, какую (коэрцитивную) силу надо приложить к веществу для изменения его намагниченности. Чем больше эта сила, тем стабильнее ведет себя вещество и тем меньше его суперпарамагнитный предел. Однако применение веществ с высокой коэрцитивностью приводит к усложнению процесса записи, поскольку для этого надо приложить большую силу. Далее мы увидим, что один из «методов будущего» (а именно — термоассистирующая запись) базируется на изменении температуры тела и применении веществ с высокой коэрцитивностью. При использовании традиционной параллельной записи суперпарамагнитный эффект наступает при достижении плотности записи 100–150 Гбит/дюйм², что соответствует емкости 500–750 Гбайт в случае 3,5-дюймовых жестких дисков. В прошлом году широкое распространение получила перпендикулярная запись, позволяющая несколько отодвинуть предел плотности. Поэтому, прежде чем рассказывать о будущих технологиях, остановимся на различии параллельной записи и перпендикулярной.

Параллельная и перпендикулярная запись

Главное отличие между данными технологиями заключается в направлении намагниченности доменов — в случае параллельной записи оно параллельно плоскости диска, а в случае перпендикулярной, соответственно, перпендикулярно (см. схему). Однако если мы посмотрим на конкретный домен в отдельности, то никакой разницы не увидим, поскольку суперпарамагнитный предел не зависит от направления намагниченности. Причина более высокой плотности перпендикулярной записи объясняется не какими-то внутренними характеристиками одного домена, а силами взаимодействия между соседними ячейками.

Из школьного курса физики известно, что постоянные магниты, расположенные одинаковыми полюсами друг к другу, отталкиваются, а разными, наоборот, притягиваются. Как следствие, при использовании технологии последовательной записи возникают силы магнитного взаимодействия соседних доменов, влияющие на магнитные поля каждой из этих частиц. Другими словами, магнитная энергия каждого домена может уменьшиться, и тогда вероятность влияния термофлуктуаций на магнитный порядок данного домена увеличится. При использовании перпендикулярного расположения доменов их влияние друг на друга существенно уменьшается. Возникает естественный вопрос — почему же, несмотря на кажущуюся простоту и широкую известность метода, коммерческие реализации перпендикулярной записи появились спустя 50 лет после создания первого жесткого диска?

Ответ на него можно разделить на две основные части. Во-первых, традиционная параллельная технология успешно развивалась и до недавнего времени не сталкивалась с жесткими физическими ограничениями. Во-вторых, техническая реализация перпендикулярной записи была сопряжена с рядом сложностей, обусловленных принципиально другим способом расположения магнитных доменов. Действительно, перпендикулярная запись требует наличия специальной дополнительной подложки под слоем записи, а также принципиально других, «двусторонних», головок, способных генерировать более сильное магнитное поле. Вполне возможно, перпендикулярная запись могла появиться и раньше, только производители не хотели осложнять себе жизнь и постепенно совершенствовали параллельную технологию, пока она не приблизилась к физическому пределу.

По оценкам экспертов, современная технология перпендикулярной записи имеет физический предел плотности в 500 Гбит/дюйм². Предполагается, что он будет достигнут в 2010 году. Таким образом, использование данного типа записи позволит довести емкость 3,5-дюймовых винчестеров до нескольких терабайт, а дальнейшее увеличение объема пока не представляется возможным. Сегодня видны два основных вектора развития индустрии жестких дисков — структурированная и термоассистирующая запись. Рассмотрим их подробнее.

Структурированные носители

Концептуальная идея структурированных носителей крайне проста, однако перспективы ее практической реализации до сих пор не понятны. Как видно из рис. 1, в современных накопителях каждый магнитный домен состоит из нескольких десятков (70–100) мелких структурных элементов («зерен»), каждое из которых теоретически способно выполнять функции домена и содержать в себе 1 бит информации.

В результате появляется возможность уменьшить суперпарамагнитный предел: увеличить размеры отдельного «зерна» и хранить единицу информации в меньшем количестве «зерен». Основная сложность внедрения структурированных технологий заключается в производстве требуемых носителей. Если плотность записи составляет 100 Гбит/дюйм² (современные носители), то линейный размер одного «острова» (множества «зерен», хранящих 1 бит) должен равняться 86 нм, а для перехода к терабитным плотностям требуются «островки» длиной в 27 нм (квадрат линейного размера ячейки обратно пропорционален плотности — то есть при росте плотности вчетверо размер ячейки уменьшается вдвое). Таким образом, для того чтобы изготовить структурированные диски, требуется технология, способная наносить на поверхность носителя отпечатки столь малой длины. Значение 27 нм находится на пределе возможности оптической литографии — метода, применяющегося сегодня для изготовления микросхем и продуктов на их основе (например процессоров). Поэтому производители жестких дисков планируют применять другие литографические методы или использовать самоорганизующиеся материалы (примером подобного материала может послужить железо-платиновый сплав — FePt). Добавим, что материал носителя — не единственная проблема структурированной технологии, инженерам также придется разработать механизмы синхронизации магнитных импульсов головки и «островов», а также создать специальные навигационные метки для головки. В настоящее время разработки, связанные со структурированными носителями, ведут как минимум две лидирующие компании-производителя — Hitachi Global Storage Technologies (HGST) и Seagate. Причем первая из них возлагает на данный метод большие надежды. Согласно информации HGST, появление коммерческих структурированных носителей должно произойти в 2010 году, а предел их теоретической плотности может достигнуть отметки несколько терабит на квадратный дюйм. Если же разработчикам удастся придумать материалы с однозернистыми «островами», то возможны и вовсе фантастические результаты — с плотностью до нескольких десятков и даже сотен терабит.

Термоассистируемая магнитная запись (Heat-Assisted Magnetic Recording, HAMR)

Как мы уже отмечали выше, термоассистируемая запись сочетает два способа обхода суперпарамагнитного эффекта — с помощью изменения температуры и использования веществ с высокой коэрцитивностью. Подобные вещества стабильны, они имеют низкий суперпарамагнитный предел, однако для изменения их магнитного состояния (записи) требуется значительная коэрцитивная сила, которая не может создаваться современными головками. В технологии HAMR она и не создается — во время записи носитель нагревается, его коэрцитивность падает и требуемая сила становится гораздо меньше. После того как запись завершена, носитель остывает и остается в стабильном состоянии на долгое время (рис. 3).

Планируется, что нагрев малой части носителя будет происходить с помощью теплового лазера, интегрированного в записывающую головку. Тут же возникает масса проблем — во-первых, непонятно, как «запихнуть» лазер в головку, во-вторых, как обеспечить нагрев именно той области, которая необходима, в-третьих, как ее охладить. Кроме того, требуется учитывать макроскопическое нагревание винчестера. Как известно, эта проблема актуальна даже в современных жестких дисках. Наконец, важно придумать материал носителя с заданными свойствами, а именно: с высокой коэрцитивностью при комнатной температуре и низкой при температуре записи.

Разработки HAMR-технологий ведутся довольно давно (с конца прошлого века), однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи и сроках массового применения подобных винчестеров. Так, компания HGST называет предел в 15 Тбит/дюйм², а Seagate предполагает, что HAMR-носители могут достигнуть плотности 50 Тбит/дюйм². По всей видимости, широкого распространения данной технологии можно ожидать в 2010– 2013 годах. Несмотря на то, что структурированная и термоассистируемая записи абсолютно различны, теоретически эти методы не противоречат друг другу. Другими словами, в будущем возможно появление накопителей, сочетающих оба подхода. Однако необходимо понимать, что одной из главных сложностей разработки и структурированных, и термоассистируемых носителей является дисковый материал, то есть разработать доступное вещество, удовлетворяющее требованиям обеих технологий, будет крайне сложно.

Флэш-память, гибриды и применимость жестких дисков

Говоря о современных жестких дисках, нельзя не коснуться вопроса о конкуренции магнитных носителей и флэш-памяти (которая уже сегодня наблюдается в ряде продуктовых сегментов, например, среди MP3-плееров). Производители жестких дисков всячески открещиваются от конкуренции, говоря, скорее, о сосуществовании и даже об интеграции обеих технологий в так называемых гибридных винчестерах. Подобные устройства используют магнитную технологию для хранения больших массивов информации, а флэш-память применяется для наиболее часто используемых данных (в частности, модулей операционной системы). По всей видимости, через несколько лет «чистых» жестких дисков практически не останется — их место займут «гибридные» накопители. Было бы наивно полагать, что в ближайшем будущем удельная стоимость флэш-памяти приблизится к показателям магнитных носителей. Вместе с тем возникает вопрос — а требуются ли конечным пользователям те объемы информации, которые способны хранить будущие винчестеры? Конечно, количество и качество цифрового контента растет, но ведь растут и скорости доступа в Интернет. Сейчас нетрудно представить ситуацию, когда весь контент будет расположен в централизованных интернет-хранилищах, а конечные пользователи станут пользоваться им оттуда, даже не скачивая. И далеко не факт, что этим пользователям понадобится винчестер, ведь с функциями загрузки системы и редактирования личных данных вполне справится более производительная и экономичная флэш-память. Такое положение вещей можно наблюдать уже сегодня в так называемых домовых сетях.

Добавим, что подобные тезисы можно услышать и от руководителей ведущих IT-компаний. Например, во время своего визита в Москву руководитель Microsoft Билл Гейтс (Bill Gates) рассказывал о перспективах создания дешевого универсального устройства, предназначенного, прежде всего, для активной работы в Сети. Похожий проект есть и у компании AMD — Personal Internet Communicator. Такие устройства вряд ли будут обладать большим объемом дисковой памяти просто потому, что они в ней совершенно не нуждаются. Впрочем, даже если IT-отрасль пойдет по этому пути развития, винчестеры все равно останутся — они будут присутствовать хотя бы в тех самых централизованных хранилищах контента. Здесь у жестких дисков пока нет разумной альтернативы: флэш-память не обеспечивает должного объема, а лента, соответственно — скорости.

Заключение

Как видно из роад-мапа развития технологий, согласно точке зрения HGST (см. график), в ближайшие несколько лет в индустрии жестких дисков ожидаются более существенные технологические изменения, чем за весь пятидесятилетний период ее существования. Сейчас трудно сказать, насколько точными окажутся прогнозы вендоров, однако совершенно ясно другое — технологические изменения неизбежно приведут к изменениям рыночной ситуации. Тем интереснее нам будет за ней наблюдать.