Вести с магнитных полей

Олеся Нагорная
«Экспресс-Электроника», #1/2004

Рынок жестких дисков всегда вызывал особый интерес, ведь он как никакой другой отчетливо отражал борьбу двух начал - экономического и технологического. И сегодня ничего не изменилось: с одной стороны, рынок весьма успешно растет в денежном выражении, а с другой - тому способствуют достижения технологии. Мы поговорим об обоих аспектах.

К настоящему моменту рынок жестких дисков и их компонентов (головок, пластин, механических составляющих и т. д.) поделен между несколькими крупными компаниями. Из некогда семи крупных игроков рынка (а в 1980-х годах их вообще насчитывалось свыше 80) сегодня осталось лишь пять - именно производят накопители на жестких дисках, причем только три компании создают эти устройства на основе всех распространенных типов интерфейсов. Одна из причин отсутствия новых игроков в том, что жесткие диски становятся все более высокотехнологичными устройствами, из-за чего увеличиваются и затраты на их разработку, а, стало быть, растет порог проникновения. Примечательно, что в 2002 году, когда на рынке ПК наблюдалась стагнация, рынок жестких дисков рос. По данным Nikkei Electronics Asia, рост составил около 10%. С текущего же года темпы роста могут значительно увеличиться, поскольку жесткие диски все чаще используются в потребительских товарах: навигационных системах для автомобилей, бытовых DVD-рекордерах, игровых приставках, видео- и фотокамерах, музыкальных плеерах и других бытовых устройствах. По мнению Гжегожа Кволека, главы московского представительства Maxtor, на сегодняшний день сегмент жестких дисков для пользовательских устройств является одним из наиболее быстрорастущих. "Сегодня он занимает около 10% рынка, но ожидается, что в последующие семь лет ему будет принадлежать свыше 50%. Все дело в том, что мы все больше "обрастаем" цифровыми данными и все больше продаем именно их", - говорит он. К примеру, одних только консолей Microsoft XBox за указанный период продано порядка 7,5 млн, а сейчас их покупается около 1 млн в месяц.

Несмотря на низкие темпы развития IТ-сектора, который является основным рынком сбыта жестких дисков, в 2002 году во всем мире было продано более 200 млн накопителей. За год совместные продажи 3,5- и 2,5-дюймовых дисков увеличились на 105%, а в этом году, согласно прогнозам, продажи составят почти 220 млн устройств (109% рост по сравнению с прошлым годом). Следует понимать, что эта цифра может быть и значительно более высокой, ведь начиная со II квартала 2003 года на рынке ПК наблюдается уверенный рост. Некоторые эксперты предполагают возникновение определенного дефицита накопителей высокой емкости для настольных, а в особенности для мобильных систем.

Если экономика рынка жестких дисков способна преподнести сюрпризы, то с точки зрения технологий - все с точностью до наоборот. Как и раньше, в 2003 году балом правили 3,5-дюймовые диски, которые по-прежнему доминируют на рынке. Ожидается, что их доля на мировом рынке составит 81,3% (почти 179 млн штук - 107% рост по сравнению с прошлым годом), оставшиеся 18% - 2,5-дюймовые диски (около 41 млн штук - 115%-ный рост). Однако, как отмечают аналитики, грядет постепенный переход на 2,5-дюймовые диски. Одна из причин в том, что диски данного форм-фактора оптимальны для использования в ноутбуках, постепенно вытесняющих настольные ПК. Вторая причина уже называлась - использование накопителей в бытовой электронике.

Свидетельством всевозрастающей привлекательности мобильных накопителей может служить тот факт, что число игроков здесь постоянно увеличивается. Так, компания Seagate уже выпустила несколько устройств в форм-факторе 2,5 дюйма, а Western Digital официально объявила о выходе на этот рынок. Не отрицает подобной возможности и компания Maxtor.

Говоря о мобильных накопителях, нельзя не отметить наличие еще одного перспективного форма-фактора - 1,8 дюйма. Ведущий производитель этих устройств, Toshiba Storage Device Division, планирует довести к марту 2004 года объем поставок своих 1,8-дюймовых винчестеров до 600 тыс. в месяц. С начала производства накопителей данного форм-фактора в 2000 году и до настоящего времени компания уже выпустила 3 млн подобных устройств емкостью от 2 до 40 Гбайт. Эти решения выгоднее в плане компактности и веса не только стандартных 3,5-дюймовых накопителей для настольных ПК, но и 2,5-дюймовых, а потому они получают все более широкое распространение в портативной потребительской технике. В частности, Toshiba является поставщиком жестких дисков для популярного цифрового плеера iPod компании Apple, а также встраивает их в собственные продукты, например, в самый тонкий ноутбук в мире - Toshiba Portege R100 (17 мм в сложенном состоянии).

Исследования, проведенные IDC, свидетельствуют, что до конца текущего года будет выпущено 1,8 млн MP3-плееров на базе жестких дисков - вдвое больше, чем в 2002 году, а в 2004 году их количество увеличится до 2,4 млн. Кроме того, представители компании Toshiba ожидают, что в 2010 году потребность глобального рынка 1,8-дюймовых накопителей составит не менее 70 млн штук - половины объема всех выпускаемых ныне накопителей на базе жестких магнитных дисков.

Для реализации планов Toshiba рассчитывает, помимо наращивания собственных мощностей, использовать в качестве производственного субподрядчика компанию Matsushita Kotobuki Electronics Industries. Это еще раз доказывает, что, несмотря на предполагаемый рост рынка, производители продолжают консолидироваться. Важно понимать, что эта тенденция приносит минусы, например, увеличивается стоимость конечных решений, ведь уровень конкуренции на рынке снижается, равно как и число небольших игроков, готовых работать с меньшей ставкой прибыли. Среди других крупных объединений - приобретение в декабре 2002 года компанией Hitachi отделения IBM, занимающегося жесткими дисками, и основание ею дочернего предприятие Hitachi Global Storage Technologies. Аналогичным образом в июле 2003 года американская корпорация Western Digital приобрела производителя магнитных головок для жестких дисков, компанию Read-Rite, а в августе производитель двигателей, Nidec, приобрел компанию с аналогичным профилем деятельности - Sankyo Seiki Manufacturing.

Уместно привести данные о разделении рынка между его участниками. Лидером по объему поставок в сегменте мобильных накопителей по итогам нынешнего года, по прогнозу Gartner, станет Hitachi с долей 52,9%. За ней располагаются Toshiba - 30,4%, Fujitsu - 15,2%, возвращающаяся в данный сегмент Seagate - 0,9%, а также два поставщика сверхкомпактных устройств - Cornice и RioSpring/GS-MagicStor - 0,4 и 0,1% соответственно.

В сфере настольных накопителей ведущие позиции принадлежат Seagate - 32,9%, за которой идут Maxtor - 27,5%, Western Digital - 23,4%, Samsung - 7,9%, Hitachi - 7,5% и Excelstore - 0,7% (последняя изготовляет на контрактной основе накопители для Hitachi и продает часть разработанных японской компанией устройств под собственной маркой - именно они и учтены в данном случае).

Что касается корпоративных накопителей (с интерфейсом SCSI), то самым крупным их поставщиком является, опять же, Seagate - 54,5% рынка. Доли остальных трех производителей - Fujitsu, Hitachi и Maxtor - равны 18,4, 15,6 и 11,6% соответственно.

Как не трудно заметить, во всех нишах работают только две компании: Hitachi Global Storage Technologies и (с некоторых пор) Seagate.

О технологиях

Пожалуй, в 2003 году было два наиболее громких события. Первое - выпуск компанией Western Digital серии жестких дисков Raptor со скоростью вращения шпинделя 10 тыс. об/мин с использованием интерфейса АТА. (Характеристики этих накопителей таковы: емкость - 36 Гбайт, при использовании одной пластины и двух головок; емкость кэш-буфера - 8 Мбайт; MTBF аналогичен лучшим SCSI-устройствам - 1,2 млн часов; заявленное среднее время чтения/записи составляет 5,2 мс; позиционируется Raptor как высокоскоростной винчестер для рабочих станций. Кстати, недавно анонсирована и вторая версия устройств линейки Raptor - они имеют емкость до 74 Гбайт и используют технологии Ultra/150 Command Queuing и Rotary Accelerometer Feed Forward.)

Второе событие - в июле фирма Hitachi начала поставки первых образцов накопителей Travelstar E7K60 - серии 2,5-дюймовых устройств со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин. От своего предшественника, Travelstar 7K6, они отличаются увеличенной скоростью чтения и поиска, а также в полтора раза большим гарантированным количеством циклов чтения/записи. В устройстве применены пластины с плотностью записи 50 Мбит на кв. дюйм. Пластин всего две и изготовлены они из стекла. Допустимые перегрузки устройства составляют 1000g в течение 1 мс в нерабочем состоянии, и 200g/2 мс - в рабочем.

Производитель позиционирует данный накопитель как решение для сетевых систем, информационных терминалов, тонких и blade-серверов и прочих устройств, требующих использования высокоскоростных подсистем хранения информации, обладающих при этом малыми габаритами и показателями энергопотребления.

На примере Raptor и Travelstar E7K60 четко прослеживается тенденция к переходу индустрии на более высокие угловые скорости вращения, как в сфере настольных решений, так и в области мобильных систем. Из этого можно заключить, что не далек тот час, когда SCSI-накопители перестанут выпускаться в версиях со скоростью вращения шпинделя 10 тыс. об/мин, как это в свое время произошло с накопителями с 7200 об/мин, которые сегодня завершают процесс перехода в массовые решения. Как следствие, появятся устройства, угловая скорость внутренних компонентов которых превысит 15 тыс. об/мин.

Не менее интересным устройством является новый 1-дюймовый диск Hitachi GST - Microdrive 3K4, предназначенный для использования в бытовой электронике. Диск имеет емкость 4 Гбайт (есть также версия емкостью 2 Гбайт), его ударопрочность составляет 2000g на 1 мм?, а температурный диапазон функционирования - 65-70 0С. Заявленная скорость передачи данных - 57,1-97,9 Мбит/с. Предполагается, что диск будет использоваться в цифровых камерах верхнего ценового диапазона, КПК, мобильных телефонах с поддержкой передачи видео. По словам инженеров Hitachi GST, следующими моделями носителей такого размера станут модели емкостью 6 и 8 Гбайт. Более всего Microdrive 3K4 примечателен тем, что знаменует собой проникновение накопителей в область сверхминиатюрных устройств, традиционно оккупированной флэш-технологией. Похоже, стрелка весов качнулась в противоположную сторону.

И последняя новинка, о которой нельзя не упомянуть, от компании Fujitsu. Речь идет о первом в мире, по ее утверждению, 2,5-дюймовом накопителе на жестких дисках с интерфейсом Serial ATA, который поддерживает очередь команд SATA (Native Command Queuing). Данный жесткий диск построен на микросхеме 88i6535 Serial ATA SOC от фирмы Marvel и имеет скорость вращения шпинделя 5400 об/мин. Обеспечиваемая им скорость обмена информацией составляет до 1,5 Гбайт/с. По заявлению Fujitsu, накопитель предназначен для использования в сверхтонких серверах, а также в мобильных и потребительских электронных устройствах.

Хотя темпы увеличения плотности записи снижаются, разработчики преодолевают возникающие перед ними проблемы. Например, TDK, контролирующая до 33% мирового рынка магнитных головок чтения/записи, весной 2004 года планирует начать поставки туннельных магниторезистивных головок, которые, вероятно, будут использоваться в жестких дисках с новым уровнем плотности записи. Сегодня же рекорд плотности записи в сфере реальных продуктов принадлежит компании Seagate, впервые выпустившей диски с плотностью записи 100 Гбайт на пластину.

Вообще за последние несколько месяцев анонсировано много дисков с высокой плотностью записи, в которых предпочтения отдаются технологии перпендикулярной записи. Используемый в настоящее время производителями способ продольной магнитной записи, заключающийся в намагничивании диска параллельно его поверхности, практически исчерпал свои возможности и не в состоянии поддерживать прежние темпы роста производительности. По словам вице-президента компании Seagate Гари Джентри, темпы роста производительности накопителей сократились с 100 до 60%. Это вынудило разработчиков искать новые технологии, наиболее перспективной среди которых на данном этапе считается технология перпендикулярной записи. Сама идея появилась еще 20 лет назад, но из-за своей сложности так и не получила широкого распространения. Ее суть в том, что намагничивание поверхности пластины происходит под прямым углом к касательной плоскости, что теоретически позволяет увеличить плотность записи до 1 Тбит на кв. дюйм. Кроме того, использование перпендикулярного способа позволяет лучше противостоять супермагнитному пределу.

В отличие от традиционной продольной записи новая технология пока не может похвастать надежностью построенных с ее применением накопителей, да и стоимость их вряд ли будет низкой. Из-за затрат по переводу производственных линий носителей и головок чтения/записи на новую технологию, стоимость устройств на ее базе не позволит на первом этапе создавать массовые устройства. Поэтому первые коммерческие экземпляры новых дисков появится на рынке не раньше, чем через три года, как раз к тому времени, когда традиционный продольный способ записи достигнет своего физического предела плотности, который оценивается приблизительно в 200 Гбит на кв. дюйм.

Впрочем, специалисты компании Maxtor считают, что носители с перпендикулярной технологией записи (perpendicular recording medium - PMR) можно создавать и на уже имеющемся оборудовании. Кроме того, при использовании производственной технологии, разработанной дочерней фирмой Maxtor - MMC Technology, производственные затраты при создании PMR-накопителей вполне сопоставимы с затратами при выпуске традиционных дисков с продольной записью. Интересно, что решение от MMC Technology, при наличии PMR-головок чтения/записи с соответствующими возможностями, позволяет добиться плотности размещения информации до 175 Гбайт на стандартной 3,5-дюймовой пластине (в сравнении с нынешними 80-100 Гбайт/пластина), что достигается, в том числе, за счет уменьшения размеров зерен в рабочем слое с 8 до 6 нм.

Хотя не стоит забывать, что значительного прироста быстродействия от внедрения технологии перпендикулярной записи все же не последует. Дело в том, что в основе новых жестких дисков все равно останется прежний принцип магнитной записи, уходящий корнями в 1970-е годы, когда компания IBM разработала и создала первый винчестер. Это в итоге, так или иначе, наложит на новые устройства определенные ограничения в плане производительности.

С другой стороны, поиски совершенствования "старой" механики не прекращаются. Например, Hitachi GST разработала накопители с механизмом чтения-записи нового типа - femto slider, который находится на 40% ближе к поверхности пластины. Это позволило повысить плотность записи информации до 60 млрд бит на кв. дюйм. Кроме того, само поддерживающее устройство (slider) стало на 30% компактнее. Представители компании утверждают, что это снизило энергопотребление жесткого диска на 10% и на 25% повысило его производительность.

Еще одно достижение в области совершенствования считывающе-записывающей системы касается увеличения их стойкости к ударным нагрузкам. В будущем это позволит им на равных конкурировать с флэш-накопителями, ударопрочность которых на порядок выше. Зачастую основной причиной выхода жестких дисков из строя является повреждение магнитной головки при ударах и сотрясениях, поэтому данное направление также приоритетно. Многие производители это понимают и активно ищут решение проблемы. Так, например, компании TDK удалось разработать новую технологию создания ударопрочных головок чтения/записи. Ее применение позволит создать устройства, которые будут стойкими даже к ударным нагрузкам, эквивалентным 1000g в рабочем положении и вдвое больше - в нерабочем.

Суть новой технологии в том, что давление воздуха в зазоре между головкой и поверхностью диска увеличивается, а сам зазор уменьшается примерно до 20 нм. В результате возникает значительная подъемная сила, действующая на магнитную головку, поддерживая ее и предохраняя от повреждений при ударах. К тому же система подвеса спроектирована с таким расчетом, чтобы наилучшим образом противостоять ударным перегрузкам (попросту говоря, она сделана более прочной). Массовое производство магнитных головок (а соответственно, и дисков), изготовленных по новой технологии, ожидается в конце 2003 - начале 2004-го. В TDK уверены, что их разработка сможет открыть дорогу жестким дискам в те области, где они до сих пор не применялись из-за относительно низкой ударопрочности.

Новые интересные разработки ведутся и в сфере совершенствования двигателей и прочих движущихся частей, в которых многие производители вместо шариковых подшипников используют гидродинамические. Кроме того, вместо масла в них предлагают использовать воздух, впрочем, он пока что не может заставить поддерживать шпиндель в стабильном положении, как, например, это делает специальная жидкость или масло. А ведь не далек тот час, когда скорость вращения шпинделя дисков в накопителях достигнет 20 тыс. об/мин.

Но вернемся с небес на землю и поговорим о вещах более осязаемых - современных интерфейсах. По оценкам специалистов, вестник новой эры в сфере настольных накопителей - Serial ATA - распространяется очень быстрыми темпами и уже к концу 2004 - началу 2005 года может стать доминирующим на рынке жестких дисков для настольных компьютеров. Преимущества этой технологии велики, поэтому неудивительно, что, как предполагает эксперты, по итогам 2005 года доля устройств Serial ATA в общем объеме поставок может составить 80-90%. Дополнительным толчком к переходу на Serial ATA должны стать новые чипсеты от Intel, изготовляемые по 0,11- и 0,09-нанометровым технологическим процессам. В них будет впервые применен не 5-вольтный интерфейс передачи данных с накопителями, как в случае с Parallel ATA, а 3-вольтный. Тем не менее диски Parallel ATA будут доступны еще в течение нескольких лет как элемент поддержки существующей инсталляционной базы.

Еще одна тенденция в сфере интерфейсов и логики состоит в том, что базовая логика жестких дисков непрерывно совершенствуется и все большее число микросхем объединяется воедино. Например, компании Agere Systems (бывшее подразделение Lucent Technologies) и Maxtor совместно разработали новую микросхему, которая позволит сократить количество чипов, размещаемых на печатной плате, до минимума - кроме чипов кэш-памяти на плате будет только один логический чип. Разработанная микросхема, принадлежащая семейству Agere TrueStore (поддерживающему последовательные интерфейсы Serial ATA, Serial-attached SCSI и Fibre Channel), представляет собой яркий пример реализации концепции System-on-Chip (SoC). В этом решении объединена поддержка первого поколения интерфейса Serial ATA со скоростью 1,5 Гбит/с, высокопроизводительный канал чтения, микропроцессор, отвечающий за внутреннюю логику устройства, контроллер двигателя жесткого диска и даже флэш-память для записи firmware. Ожидают, что новинка будет использоваться в следующих поколениях дисков Maxtor MaXLine и DiamondMax SATA. Впрочем, точные сроки появления более экономичных (уменьшение количества чипов обычно снижает и стоимость производства) разработок пока не известны.