Правильный выбор

Эрнст Долгий,
"Экспресс-Электроника" №11/2003

Существующими и перспективными технологиями хранения данных интересуются не только производители: обладая точной информацией о возможностях тех или иных разработок уже сегодня можно сделать правильный выбор и тем самым уберечься от неоправданных инвестиций. А поэтому самое время заняться анализом технологий, которые уже воплощены в реальных продуктах или еще находятся на пути из лабораторий.

Современные системы хранения информации сплошь и рядом используют магнитную технологию, применяемую как в дисковых, так и в ленточных накопителях. При этом отмечают, что процесс накопления данных идет быстрее, чем прогресс систем, способных хранить их. Виной тому - так называемый суперпарамагнитный предел, который сковывает производителей систем хранения информации на базе магнитной технологии, пытающихся увеличить плотность записи. Суть суперпарамагнитного предела заключается в том, что магнитные домены, составляющие плоскость магнитных дисков, из-за чрезмерного уменьшения, не в состоянии стабильно удерживать направление магнитного момента в течение длительного промежутка времени, и как следствие, записанную на них информацию. Ранее предполагалось, предел находится на отметке 20-40 Гбит на квадратный дюйм. Однако в настоящее время каждый игрок рынка НМЖД имеет в своем арсенале технологию, позволяющую преодолеть суперпарамагнитный предел.

Например, компания IBM для преодоления упомянутого эффекта предлагает использовать антиферромагнитно-сопряженный носитель (antiferromagnetically-coupled) - систему из двух слоев ферромагнетика (вместо традиционного одного), в которых магнитный момент в сопряженных ячейках противоположен; при этом ферромагнитные слои разделены слоем рутения толщиной в три атома. Благодаря тонкому рутениевому слою технология получила название "pixie dust", что в дословном переводе означает "пыльца феи". IBM уже около года выпускает жесткие диски по данной методике. Первыми продуктами, в которых ее стали применять, стали 2,5-дюймовые мобильные накопители семейства Travelstar.

Аналогичной технологией располагает компания Fujitsu. Ее разработка позволяет добиться плотности записи 100 Гбайт на квадратный дюйм. Как и pixie dust, эта технология использует слой рутения, однако, как подчеркивают в Fujitsu, к подобному инженерному решению разработчики пришли независимо друг от друга. К тому же технология Fujitsu предполагает применение усовершенствованных головок чтения и записи.

Методом создания пластин с плотностью записи до 100 Гбайт на квадратный дюйм располагает и Seagate Technology. В новых продуктах этой компании предусмотрена так называемая вертикальная схема записи - то есть магнитные домены ориентированы перпендикулярно поверхности диска, и помимо повышения плотности записи это позволяет добиться существенного роста скорости обмена информацией (так, компании удалось достичь внутренней скорости передачи данных 125 Мбайт/с при плотности 60 Гбайт на квадратный дюйм). По заявлению Seagate, новая технология обеспечит увеличение плотности размещения информации до 1 Тбайт на квадратный дюйм. Полностью перевести все свои продукты на новую технологию компания собирается в 2004 году.

Технология, которая должна продлить жизнь, в первую очередь, ленточных накопителей разработана компанией Fujifilm. Она называется NANO CUBIC (NANO3) и позволит увеличить плотность записи информации на ленту в десять раз и более. NANO CUBIC - не первая значительная разработка Fujifilm в рассматриваемой области. Еще в 1992 году компания представила технологию ATOMM (Advanced super Thin layer and high Output Metal Media), нашедшую, в частности, применение в накопителях Zip от Iomega и в ленточных картриджах серии DLTtape IV производства Quantum. Идея ATOMM заключалась в уменьшении толщины магнитного слоя в носителе, поскольку толстый слой при высоких плотностях записи затрудняет выделение полезного сигнала. Кроме того, при тонком слое заметно улучшается быстродействие накопителя. Для решения проблемы был задействован дополнительный (немагнитный) слой, размещаемый между основой носителя и магнитным слоем. Толщину последнего удалось довести до 0,2 мкм (в сравнении с 2-5 мкм в дискетах высокой плотности).

NANO CUBIC можно рассматривать как развитие ATOMM: на первый взгляд, она отличается лишь большей толщиной немагнитного и меньшей магнитного слоя. Кроме того, NANO CUBIC предполагает использование усовершенствованного прецизионного процесса нанесения магнитного слоя, позволяющего контролировать толщину с нанометрической точностью. В нем применяется специально подготовленное органическое связующее, обеспечивающее максимально однородную структуру. Наконец, магнитный слой в NANO CUBIC (в отличие от ATOMM) содержит две разновидности частиц.

По утверждению Fujifilm, для налаживания массового выпуска продуктов на основе NANO CUBIC достаточно внести небольшие модификации в нынешнее производственное оборудование. Сейчас компания сотрудничает в данном направлении с поставщиками дисководов. Среди потенциальных областей применения новой технологии называют ленточные накопители, высокоемкие дискеты, кассеты для видео высокого разрешения, жесткие диски и т. д. Если говорить о цифрах, то, как заявляют специалисты Fujifilm, через несколько лет с помощью NANO CUBIC можно создать ленточные картриджи емкостью порядка 1 Тбайт и носители на гибких магнитных дисках емкостью до 3 Гбайт.

Многообещающие технологии увеличения плотности записи на магнитных носителях имеются и у компании Hitachi Data Systems, исследователи которой совместно с командой ученых из технологического университета Тохоку (Япония) совместно разработали метод, способный повысить плотность записи жестких дисков в 100 раз. Предлагаемый ими метод увеличения плотности записи заключается в создании на подложке большого количества ячеек магнитной памяти и пропускании через них электрического тока путем прикосновения тонкой иглой (для смены полярности магнитов). В ходе проведенных экспериментов разработчики сумели добиться изменения полярности магнитов радиусом 100 нм. Более того, как считают специалисты, новая технология позволит серьезно снизить энергопотребление накопителей, созданных на ее основе. Предполагают, что решения, в которых будет реализована технология, появятся на рынке к 2010 году.

Еще одним направлением развития магнитных систем хранения информации должно стать увеличение стойкости систем к ударным нагрузкам. Это в будущем позволит им на равных конкурировать с флэш-накопителями, ударопрочность которых на порядок выше, чем у НЖМД, а емкость стремительно приближается к их показателям. И хотя в плане роста ударопрочности НЖМД в последнее время и наметился очевидный прогресс, все же основной причиной выхода жестких дисков из строя остается повреждение магнитной головки при ударах и сотрясениях. Многие производители это понимают и активно ищут выходы из сложившейся ситуации. Так, например, компании TDK уже удалось разработать новую технологию по созданию ударопрочных головок чтения/записи. Ее применение в будущем позволит создать устройства, стойкие даже к ударным нагрузкам, эквивалентным 1000 g в рабочем положении и вдвое больше - в нерабочем. Это сильно приблизит жесткие диски по показателю ударопрочности к флэш-памяти.

Суть новой технологии заключается 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 года. В TDK уверены, что их разработка сможет открыть дорогу жестким дискам в те области, где они до сих пор не применялись из-за сравнительно низкой стойкости к ударам.

А что потом?

В последние годы накопители на жестких дисках развиваются исключительно экстенсивно - растут объемы, увеличивается теоретическая скорость обмена данными, но сама технология магнитной записи, используемая в современных винчестерах, принципиально не меняется. Поэтому, как бы ни старались производители, любая технология все же имеет свой предел. Используемый в настоящее время способ продольной магнитной записи, заключающийся в намагничивании диска параллельно его поверхности, практически исчерпал свои возможности и не в состоянии обеспечить былые темпы роста производительности накопителей. По словам вице-президента компании Seagate Гари Джентри, темпы роста производительности НЖМД сократились с 100 до 60%. Это вынудило разработчиков искать новые технологии, наиболее перспективной среди которых на данном этапе считается технология перпендикулярной записи. Такая идея появилась еще 20 лет назад, но из-за своей сложности и по сей день не нашла воплощения. Суть ее заключается в том, что намагничивание поверхности пластины происходит под прямым углом к касательной плоскости - это теоретически позволяет увеличить плотность записи до 1 Тбита на квадратный дюйм.

Однако в отличие от традиционной продольной записи, новая технология пока не может похвастать надежностью построенных с ее применением накопителей, да и стоимость винчестеров нового поколения 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 специалистами приблизительно в 200 Гбит на квадратный дюйм.

С другой стороны, специалисты компании Maxtor считают, что носители с перпендикулярной схемой записи (perpendicular recording medium - PMR) можно создавать и на имеющемся оборудовании. Кроме того, при использовании технологии, разработанной дочерней фирмой Maxtor, MMC Technology, производственные затраты при создании PMR-накопителей вполне сопоставимы с затратами при изготовлении 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 Гбайт). Достигается это за счет уменьшения размеров зерен в рабочем слое с 8 до 6 нм, с помощью перпендикулярного метода.

Впрочем, сильного прироста быстродействия от внедрения технологии перпендикулярной записи не последует. Дело в том, что в основу новых жестких дисков все равно будет положен прежний принцип магнитной записи, уходящий корнями в 70-е годы прошлого века, когда компания IBM разработала и создала первый винчестер. Это в итоге, так или иначе, наложит на новые устройства определенные ограничения в плане производительности.

Однако как бы то ни было, но революции в области хранения информации не миновать. И по мнению ученых революционная ситуация уже назрела, поскольку в настоящее время найден целый ряд новых магнитных материалов, которые смогли бы заменить стандартные алюминиевые пластины современных жестких дисков. Так, группа исследователей из Швейцарии, Италии, Франции и Германии сообщила о наблюдении рекордно высокого уровня энергии магнитной анизотропии (MAE) в кобальте на платиновой подложке, превысившей 9 мэВ. Этот результат, уверены ученые, поможет лучше понять суть явлений магнетизма в молекулярном масштабе и создать новые магнитные материалы для носителей информации. Магнитная анизотропия характеризует степень упорядоченности магнитных моментов атомов. Обычно чем больше величина энергии магнитной анизотропии, тем выше намагниченность. В эксперименте использовался тонкий слой кобальта, нанесенный на платиновую подложку с применением молекулярной эпитаксии (метода синтеза модулированных структур). Для определения энергии магнитной анизотропии к образцу прикладывалось поле до 7 Тесла, после чего измерялась величина остаточной намагниченности. Величина MAE в эксперименте составила 9,3 +/- 1,6 мэВ, что примерно в 200 раз больше, чем в обычном кристаллическом состоянии кобальта. Кстати, энергия магнитной анизотропии у самаристого кобальта, применяемого в так называемых постоянных магнитах, составляет около 1,8 мэВ на атом. Высокая энергия магнитной анизотропии позволяет значительно уменьшить количество атомов, участвующих в формировании намагниченности, различимой считывающим устройством. Если сейчас требуется около 100000 атомов на бит, то для нового материала - несколько сотен, а значит, возможно существенное увеличение плотности записи информации.

Еще одно исследование возможности записи на молекулярно-атомарном уровне было проведено американскими специалистами из Университета штата Оклахома. Авторы открытия, среди которых есть и российские ученые, надеются, что когда-нибудь их достижение поможет высвободить гигантскую емкость для хранения данных, скрывающуюся в молекулах. Этой группе исследователей удалось зафиксировать в молекуле изображение размером 32х32 пикселя, а затем извлечь его. Это изображение размером 1024 бит стало самым крупным набором данных, записанным и считанным на молекуле. Молекулы способны хранить информацию, благодаря существованию спинового поля у атомов. Если удастся точно управлять состоянием спина атомов в течение достаточно продолжительного времени, то можно создать запоминающее устройство гигантской емкости. Например, в молекуле, используемой исследователями из Университета Оклахомы, содержится всего 19 атомов водорода, но разнообразие сочетаний спинов этих атомов создает возможность для записи единиц и нулей. Ученые из Университета Оклахомы применили в своем эксперименте новый способ записи данных в молекулу, более эффективный по сравнению с другими известными методами. Они меняли состояния спинов атомов в опытной молекуле, воздействуя на нее радиоизлучением, а затем фиксировали эти состояния на некоторое ограниченное время. Данный метод предусматривает помещение опытного материала в ядерно-магниторезонансный спектрометр и воздействие на него двумя следующими друг за другом импульсами радиоволн. Второй импульс, по утверждению ученых, создает читабельную частоту с достаточно высоким разрешением, что позволяет фиксировать и воспроизводить тестовое изображение.

Однако прежде чем появится возможность использовать молекулы в качестве носителя, необходимо решить ряд серьезных проблем, одна из которых - срок жизни отпечатка. Например, ученым из Университета Оклахомы удалось поддерживать неизменное состояние спинов атомов в течение всего десятой доли секунды. К тому же, чтобы компенсировать чрезвычайную слабость сигнала, экспериментаторам пришлось записывать и считывать идентичную информацию в параллель на большом количестве молекул.

Еще один способ, при помощи которого емкость магнитных накопителей может быть увеличена в сотни раз, имеет отношение к так называемой наномагнитной памяти. Приставка "нано" в данном случае говорит о том, что интерпретаторы двоичной системы счисления будут функционировать на базе частиц размером всего 10 нм. Над наномагнитными технологиями ведут работы многие исследователи, в том числе и в компаниях, производящих жесткие диски. Одной из самых интересных разработок в этой области является наномагнитная память, предложенная британской фирмой Nanomagnetics.

Разработанная этой фирмой технология основана на применении белка апоферритина, участвующего в переносе железа в живых организмах. Молекула апоферритина имеет форму полой сферы диаметром 12 нм. Внутри этой сферы находится полость диаметром 8 нм - именно там могут связываться частицы железа. Если железо находится внутри полости, то соединение называют ферритином. Фирма Nanomagnetics предложила технологию превращения ферритина в материал DataInk, который можно использовать в качестве магнитного покрытия жестких дисков. Чтобы превратить ферритин в DataInk его вначале обрабатывают раствором кислоты, для удаления связанного железа. Затем очищенный от железа белок обрабатывают другим раствором, в результате чего в полости проникают частицы магнитного платинокобальтового сплава. Частицы этого сплава и являются носителями информации.

Полученный раствор напыляют на пластину жесткого диска и подвергают высокотемпературной обработке. В результате частицы плотно упаковываются на поверхности диска, образуя единый слой магнитного материала. Кроме того, в результате прокаливания внешняя оболочка частиц превращается в углерод. В настоящее время плотность записи информации на дисках на базе DataInk составляет около 450 Гбит/см2. В перспективе эту величину планируют довести до 3000 и даже 5000 Гбит/см2. Впрочем, на пути исследователей есть немало препятствий. В частности, систему чтения и записи информации на такой диск еще только предстоит разработать. Остается острой и проблема однородного расположения магнитных частиц, которые часто ориентированы в разные стороны, из-за чего не все из них работают как ячейки памяти. Тем не менее, в Nanomagnetics продолжают создание и патентование наномагнитных технологий и надеются, что в будущем их лицензируют компании, работающие на рынке систем хранения информации.

Будущее сменных носителей

В то время как существующие технологии магнитной записи постепенно подбираются к своему физическому пределу емкости и скорости, в сфере оптических технологий хранения идеи бьют ключом. К примеру, одна перспективная технология многократного увеличения емкости оптических носителей информации была разработана сотрудником компании Polaroid в 1963 году, но, как это обычно бывает, не нашла массового применения из-за сложности и отсутствия необходимых материалов. Впрочем, сегодня все может измениться. Главное отличие голографической записи (именно так окрестили эту технологию) от той, что применяется сейчас в оптических накопителях, заключается в использовании трех пространственных измерений носителя вместо одного, а также в записи битов данных не последовательно друг за другом, а массивами. В процессе записи таким способом формируются два лазерных луча: первый, являясь опорным, не несет данных, а вот второй содержит информацию, полученную в результате прохода через специальную ЖК-панель, служащую пространственным модулятором света. При пересечении лучи интерферируют, и полученная интерферограмма - своеобразный рисунок, каждый пиксель которого соответствует одному биту данных, - может быть зафиксирована светочувствительными молекулами носителя. Считывание данных происходит в обратном порядке: записанная на участке диска "картинка" проецируется на специальный приемник в приводе, который восстанавливает образ сохраненной информации. Считывание и запись в данном случае происходит одновременно, что позволяет существенно увеличить скорость обмена данными, не прибегая к повышению линейной скорости диска. Любопытно, что путем изменения угла наклона формирующих лучей на один и тот же участок носителя можно записать несколько интерферограмм, попросту накладывая их друг на друга.

Что касается компонентов для новых устройств, использующих технологию голографической записи, то разработчики, среди которых такие компании, как IBM, InPhase Technologies, Polight Technologies, намерены применить решения из других областей электроники, в частности, в цифровых камерах и проекторах. Микрозеркальные матрицы и сенсоры, обладающие разрешением более 1 млн пикселей, могут служить идеальными модуляторами и детекторами, что должно существенно снизить себестоимость нового носителя.

Нетрудно догадаться, новый носитель, основанный на голографическом принципе записи, в первую очередь призван составить конкуренцию DVD- и CD-дискам, поскольку в отличие от них обладает высокой плотностью записи - до 390 бит на квадратный микрон (для сравнения: плотность записи на DVD-диске составляет 5 бит/кв. микрон) и может хранить до 1 Тбайт данных против менее чем 20 Гбайт у DVD. На стандартном диске размером с CD можно уместить до 100 Гбайт информации. Заманчива идея использования голографической технологии в качестве основы жестких дисков. И хотя сейчас технология не вышла из лабораторий, и производители сталкиваются с массой проблем, таких, как отсутствие подходящего материала для изготовления носителя или переходящие шумы, возникающие в процессе записи, разработчики в один голос обещают выпустить первые коммерческие образцы уже в ближайшие два года. Так, IBM делает основной упор на носители, сделанные из кристаллической структуры, названной литий-ниобатом, и обладающие плотностью записи 390 бит/кв. микрон. IBM удалось решить и проблему переходящих шумов. Другая компания, Aprilis, тоже обещает представить свой привод емкостью 200 Гбайт со скоростью передачи данных 75 Мбайт/с в 2005 году. А вот компания Polight Technologies планирует выпустить диск с использованием голографической технологии емкостью 500 Гбайт уже в следующем году. Пока же говорить о массовом внедрении голографической технологии на рынок очень рано. Вспомните историю с компакт-дисками: прошло почти 10 лет, прежде чем на рынке носителей они стали стандартом де-факто.

Заключение

Даже столь краткого рассказа вполне достаточно, чтобы понять - больших перемен в области технологий хранения информации в ближайшие годы не предвидится. Ожидается лишь постепенная миграция на новые разработки, количество которых, особенно в последнее время, стремительно выросло. В любом случае, на ближайшие пару лет у основных игроков рынка систем хранения имеется определенный резерв, позволяющий, используя привычную методику, достигнуть более высоких плотностей записи.