Магия жёстких дисков: сколько терабайтов поместится в 3,5 дюйма?

Объективные показатели поставок жёстких магнитных дисков вроде бы однозначно свидетельствуют о снижении интереса к тем со стороны заказчиков. Так, по оценке Trendfocus, за II кв. 2023 г. в мире было отгружено 38 млн HDD — это на 7% меньше, чем в предшествовавшем квартале. Суммарная же ёмкость поставленных за указанный период магнитных дисковых накопителей, 189 Эбайт, оказалась на 20% ниже, чем за период с января по март 2023-го. Однако простое сравнение с динамикой соседнего сегмента уже заставляет задуматься: те же аналитики оценили общемировые отгрузки SSD за всё тот же второй квартал текущего года в 75 млн единиц (+16,6% к уровню I кв.), а суммарную ёмкость этих полупроводниковых накопителей — в 64,1 Эбайт (+12,4% тоже квартал к кварталу). Выходит, хотя HDD поставляется в глобальном масштабе практически вдвое меньше, чем SSD, и динамика их отгрузок явно отрицательная, всё-таки по доступному для размещения данных пространству первые превосходят вторые почти в три раза. И это притом, что розничные цены на 1-Тбайт магнитные и бесшпиндельные накопители практически сравнялись: в США HDD такой ёмкости предлагают, в зависимости от марки, за 40-48 долл., а SSD — от 49 до 110 долл. за штучку.

Развёрнутых к настоящему времени в мире примерно двухсот машин Intevac 200 Lean, на которых изготавливают магнитные плёночные носители данных для пластин PMR HDD, достаточно для выпуска более 700 млн жёстких дисков ежегодно (источник: Intevac)

Понятно, впрочем, что сравнивать удельную цену за 1 Тбайт объёма для двух этих категорий накопителей в целом некорректно: ориентированные на бытовое применение модели с низкими скоростными характеристиками заведомо обойдутся дешевле, предназначенные для высокопроизводительных серверов — дороже. Но вот к какому выводу пришли специалисты компании Scality, изучив интенсивную работу с неструктурированными данными, объёмы которых исчисляются петабайтами: значение для конечного заказчика (особенно нуждающегося в оснащении накопителями целых дата-центров) имеет не только удельная цена единицы ёмкости устройства хранения, но и его энергоэффективность. И здесь, как выясняется, дело обстоит далеко не однозначно, поскольку хвалёная экономичность носителей данных на основе чипов памяти NAND под значительными нагрузками куда-то пропадает.

Судите сами: только в режиме бездействия магнитные жёсткие диски потребляют больше энергии, чем бесшпиндельные накопители серверного класса, — 5,7 Вт против 5,0 Вт. Зато под интенсивно задействующей операции чтения нагрузкой серверные SSD нуждаются в среднем в 14,5 Вт мощности, а HDD — всего в 8,7 Вт. Ещё более впечатляет разница под нагрузкой с упором на операции записи: 18,0 Вт и 6,6 Вт соответственно. Выведенный исследователями средний показатель информационной плотности в пересчёте на потребляемую мощность при работе с приложениями, активно эксплуатирующими подсистему хранения данных, для NAND-накопителей составляет 2,1 Тбайт/Вт в случае превалирования интенсивной записи и 1,7 Тбайт/Вт — чтения. Для магнитных дисковых накопителей соответствующие показатели куда как лучше: 2,5 и 3,3 Тбайт/Вт.

Магнитный дисковый накопитель с тремя пластинами без защитного корпуса: смотрится броско, но работать не будет — пылинки из воздуха повредят покрытие дисков и головки (источник: Wikimedia Commons)

Разумеется, приведённые выводы сделаны на основе сопоставления серверных хранилищ данных — SSD номинальной ёмкостью до 30,72 Тбайт и HDD до 22 Тбайт; бытовые накопители с самыми передовыми чипами NAND под типичными для домашних/офисных задач нагрузками по-прежнему экономичнее расходуют энергию, чем магнитные дисковые. И всё же очевидно, что технологии HDD старятся, как принято говорить, красиво — позволяя с каждым новым поколением умещать в стандартный 3,5-дюймовый корпус всё больше и больше терабайтов доступной для сохранения данных ёмкости. Так как же это им, собственно, удаётся?

⇡#Места много не бывает

Первый магнитный дисковый накопитель, IBM 350 Disk Storage Model 1, появился в 1956 г., — он содержал 50 пластин, что вращались с частотой 1200 об/мин, и был способен хранить целых 5 миллионов буквенно-цифровых символов. Один символ тогда кодировался 8 битами данных (поскольку самих символов в таблице кодировки было мало — буквы латинского алфавита, арабские цифры и горсточка специальных знаков), так что ёмкость устройства в современных терминах эквивалентна 5 Мбайт — где приставка «мега-» употребляется в соответствии с классическими правилами системы СИ, обозначая «миллион», а не «1024 раза по 1024», как это обычно для ИТ-сферы в целом. Арифметика тут простая: на каждой из 50 пластин Model 1 помещалось по 1 тыс. секторов, каждый из которых в свою очередь был готов к записи ровно 100 символов, — отсюда и круглое десятичное число 5 000 000. Вполне возможно, что сохранившаяся доныне традиция измерять ёмкость HDD в количестве байтов с корректными приставками системы СИ (когда «1 килобайт» — это 1 000 байт, а для обозначения 1 024 байт следует применять термин «кибибайт») восходит именно к этому первому серийному накопителю.

Чтобы похитить эти 5 Мбайт данных в 1956 г., потребовался бы не Джеймс Бонд, а Супермен (источник: IBM)

Первый HDD на 1 Тбайт, Hitachi Deskstar 7K1000, вышел на рынок в 2007 г., и с тех пор предельная ёмкость серийных магнитных дисковых накопителей неуклонно росла. Правда, не слишком равномерно: если «винчестер» (термин происходит от маркетингового наименования фирменной технологии герметичного запечатывания пластин с данными внутри накопителя в целях защиты их поверхностей от пыли, реализованной в популярнейшем в эпоху мэйнфреймов дисковом хранилище IBM 3340 Direct Access Storage Facility) на 2 Тбайт, Western Digital Caviar Green, появился уже в 2009-м, то 4-Тбайт Hitachi Deskstar 5K — в 2011-м, 8-Тбайт модель Seagate (её образцы отправлялись «избранным клиентам» без указания собственного наименования или даже конкретной серии) — в 2014-м, 16-Тбайт Seagate Exos X16 — в 2019-м.

А вот следующего удвоения ёмкости, до 32 Тбайт, можно ожидать, если верить июньскому анонсу Seagate, ещё до конца 2023 г. На данный же момент наиболее вместительный среди серийных накопителей на магнитных дисках — это 26-Тбайт Western Digital Ultrastar DC HC670, анонсированный в мае 2022 г. Японская компания Showa Denko K. K. (SDK), ответственная за разработку магнитных пластин для немалой доли современных HDD сверхвысокой ёмкости, год назад планировала представить пластину, вмещающую более 3 Тбайт данных, ближе к концу 2023-го, что позволило бы её партнёрам вскоре после того вывести на рынок накопители в 3,5-дюймовом форм-факторе суммарной ёмкостью свыше 30 Тбайт, — но пока соответствующих анонсов никто из них не делал.

Наиболее крупный HDD на этом снимке выпущен в 1971 г. и вмещает 30 Мбайт, самый миниатюрный — в 2011-м и содержит 1 Тбайт (источник: IBM)

Отметим, что пропустить такого рода объявления было бы трудно: в мире сегодня осталось всего лишь три независимых изготовителя HDD — Seagate, Toshiba, WDC (она же Western Digital), — которые делят глобальный рынок по поставкам по числу отгруженных заказчикам накопителей в соотношении примерно 46:17:38, а по объёму вмещаемых этими накопителями данных — 48:10:41. При этом у Toshiba нет собственного производства магнитных пластин; она в этом отношении полностью полагается на SDK — тогда как два её более крупных конкурента, хотя также закупают часть необходимых пластин у этого японского разработчика, продолжают развивать и собственные НИОКР по данному направлению. Так вот, в начале 2020 г. специалисты SDK утверждали, что разрабатываемая ими технология HAMR позволит в перспективе 4-5 лет увеличить ёмкость 3,5-дюймовых HDD до 70, а то и 80 Тбайт, — но пока производители HDD делают ставку на более доступные сегодня способы организации хранения данных на магнитных пластинах: ePMR, MAMR, EAMR. Попробуем разобраться, в чём их суть и особенности.

⇡#Традиция и поперёк

И начнём с самого простого, зато актуального для всех компьютерных энтузиастов различия, — между CMR и SMR. Именно отсутствие представления об этой разнице приводит к тому, что покупающий ёмкий HDD по привлекательной цене пользователь вдруг обнаруживает, что скорость взаимодействия системы и приложений с таким накопителем (чаще всего — при интенсивной записи данных) чрезвычайно низка, — ведь он и не предполагал, насколько SMR-диски при определённых условиях медленнее CMR. Разница в себестоимости изготовления HDD по двум этим технологиям также велика: пару лет назад доходило до того, что покупатели накопителей для NAS жаловались на осознанное утаивание вендорами информации о том, CMR- или SMR-диск скрывается под маркировкой, допустим, «WD Red NAS», — а ведь как раз для сетевых хранилищ имеет принципиальное значение достаточно высокая скорость обмена данными с диском.

Принципиальная схема LMR: универсальная головка чтения-записи, представляющая собой индуктивное «кольцо» с зазором, проходит над дорожкой из ферромагнитного материала, меняя намагниченность отдельных её участков (запись) либо фиксируя ранее произведённые изменения намагниченности (считывание) (источник: Hitachi)

Итак, начиная с 1956 г. информация на жёсткие диски записывалась по технологии LMR (longitudinal magnetic recording — «продольная магнитная запись»). Над вращающейся пластиной (допустим для простоты, что в модельном HDD она одна) на коромысле размещается головка записи/чтения. Смещаясь вдоль диаметра диска от центра к краю, головка в режиме записи создаёт намагниченные заданным образом концентрические кольца — дорожки, они же треки. Между каждой соседствующей парой треков допускается небольшой (по сравнению с их собственной шириной) технологический зазор, а вдоль дорожки — именно поэтому метод записи называется продольным — под индуктивным воздействием головки записи образуются элементарные области намагниченности. Ориентация магнитного поля в этой мини-области — по направлению вращения или против — определяет, «0» или «1» закодирована на данном участке трека.

В 2006 г. Seagate, а вслед за ней Hitachi GST и Fujitsu вывели на рынок диски с перпендикулярной записью — perpendicular magnetic recording, PMR. Суть новшества понятна уже из названия: благодаря иной конструкции головки записи — «магнитный монополь» (читатели с физическим образованием оценят иронию инженеров) вместо индукционного кольца — векторы намагничивания каждой элементарной области, что кодирует 1 бит данных, располагаются теперь не параллельно плоскости поверхности пластины, а ортогонально к ней. Грубо это можно продемонстрировать на примере костяшек домино: параллельная запись — укладка доминошек «голова к голове», как их и выставляют встык на игровой стол; перпендикулярная — плотная упаковка стопкой, «стоймя», в коробку для хранения.

Сопоставление способов записи LMR (сверху) и PMR: головка с «монополем» так формирует зону намагниченности, что ориентация наведённого в веществе дорожки поля ортогональна поверхности пластины (источник: Wikimedia Commons)

В результате физический размер участка поверхности жёсткого диска, отводимый на кодирование одного бита, по объёму остался практически неизменным, зато по занимаемой на поверхности пластины площади одномоментно сократился в несколько раз. Да, это потребовало переделки конструкции и самой магнитной пластины (введения дополнительного служебного слоя под собственно магнитным), и реконструкции головок чтения/записи, но овчинка стоила выделки: буквально за считаные месяцы средний размер доступного в продаже HDD подскочил с 50 до 500 Гбайт. Эффект стремительного перехода на новую технологию оказался столь масштабным, что PMR сделалась новым индустриальным стандартом. И в результате вместо того, чтобы всякий раз указывать на перпендикулярное размещение векторов намагниченности на дисковой пластине, стали говорить просто о типовой, или общепринятой, магнитной записи — conventional magnetic recording, CMR. На протяжении почти десятка лет акронимы PMR и CMR были полностью взаимозаменяемы, да и сегодня обозначают по сути один и тот же тип записи — хотя формально общепринятым он уже довольно давно не является.

Наглядное представление разницы между шириной дорожек записи и чтения при использовании технологии PMR, она же CMR (источник: Synology)

По мере неуклонной миниатюризации физической ширины дорожек и, соответственно, уплотнения треков на поверхностях пластин HDD начала всё громче заявлять о себе одна чисто конструктивная особенность технологии PMR: принципиальная разница между поперечными (относительно направления, заданного дорожкой) размерами головок чтения и записи. В эпоху доминирования LMR головки чтения-записи были универсальными: один и тот же контур и генерировал магнитное поле для изменения намагниченности участков дорожки на диске, и реагировал различным образом, проходя над областями с тем или иным вектором этой самой намагниченности. Однако уже с 1990-х HDD-индустрия начала переходить на магниторезистивные головки (MR) для чтения данных, сопряжённые с индуктивными головками записи.

С одной стороны, это развязало инженерам руки: ведь ранее им приходилось подбирать геометрические размеры универсальной головки компромиссным образом. Поскольку процессы намагничивания и детектирования магнитных свойств поверхности существенно различны по характерным энергиям, оптимальные габариты (ширина) для головок записи и чтения также различаются. Головке чтения логично быть узкой — это повышает чувствительность магниторезистивного метода, позволяя минимизировать ошибки в ходе считывания. Головка же записи обязана быть широкой — в этом случае генерируется более мощное поле, быстрее и надёжнее перемагничивающее нужный участок дорожки. Возможность конструировать эти головки по отдельности заметно повысила эффективность обоих процессов — и записи, и чтения данных.

Схематическое изображение магнитной головки HDD на конце коромысла (слева вверху), укрупнённая фронтальная её часть с индуктивной головкой записи (крупный диск) и изготовленной литографическим способом MR-головкой чтения (в центре), а также — в ещё более крупном масштабе — детализация слоёв, составляющих MR-головку (источник: IBM)

С другой стороны, на поверхностях пластин HDD появились таким образом треки «с бордюрами»: головка записи формирует сравнительно широкую дорожку, по срединной части которой затем головка чтения производит считывание сохранённой на накопитель информации. Выходит, если каким-то образом уплотнить дорожки, допустив их частичное перекрытие, это несколько затруднит процедуру перезаписи созданных ранее треков — зато позволит размещать на диске значительно больше информации, не снижая качества и эффективности её считывания высокочувствительными специализированными MR-головками.

⇡#Терабайты всем, но не то чтобы даром

И вот в 2015 г. на рынке появились первые HDD, изготовленные по технологии SMR (shingled magnetic recording — «магнитная запись внахлёст»). Безусловно, её разработчики отдавали себе полный отчёт в том, что в ходе перезаписи соответствующая головка непременно будет затирать как минимум одну соседнюю дорожку, — так что запись новой информации на произвольный трек где-то в середине заполненной области диска попросту недопустима. По этой причине важнейшее правило корректной работы с SMR-накопителями — «поспешай медленно»: торопливость приводит к резкому снижению производительности.

Если поступает команда на запись, SMR-диск ведёт себя так же, как и CMR-устройство: производит намагничивание одной из «внешних» дорожек на границе заполненной и пустой областей (понятно, что те и другие чередуются на поверхности находящегося какое-то время в эксплуатации накопителя, образуя структуру, напоминающую кольца Сатурна). А вот когда необходимо перезаписать уже существующую информацию, головка CMR HDD способна нацелиться непосредственно на один из занятых треков внутри заполненной области и спокойно перемагнитить его, не затрагивая соседних, — а с SMR такой фокус уже не пройдёт.

Основные операции с дорожками на SMR-диске, сверху вниз: запись трека на свободном участке, запись второго трека с частичным перекрытием, запись третьего трека, намеренная перезапись данных на первом треке с вынужденной (undesired) перезаписью части информации на втором (источник: Wikimedia Commons)

В случае SMR перезапись представляет собой более сложную процедуру: она включает запись новых данных на пустые дорожки за внешней границей одной из заполненных областей, пометку намеченных к удалению данных как потенциально пустой области, а затем — активацию «режима переустройства» (reorganization mode), в ходе которого данные с дорожек, соседних с намеченной к очистке, переносятся также на внешние треки, — с тем, чтобы высвободить пространство для свободного использования широкой головки записи. «Кольца Сатурна» на поверхностях магнитных SMR-дисков представляют собой, таким образом, весьма динамичную структуру, на непрерывную реконфигурацию которой необходимо дополнительное время. И пока поток данных для записи на HDD невелик — что справедливо для накопителя типового домашнего или офисного ПК, — практической разницы между SMR- и CMR-технологиями нет, зато первая гарантирует заведомо более выгодное для пользователя соотношение между затраченными на новый диск средствами и полученным в результате объёмом.

А вот в составе NAS и тем более сервера (и даже под некоторыми специфическими нагрузками при домашнем использовании — в ходе закачки торрентов с хорошим сидированием через широкий канал, например) SMR-накопитель начинает уже ощутимо подтормаживать, приостанавливая поток входных данных на период проведения переконфигурации дорожек, — что приводит порой к крайне значительному падению производительности в режиме записи. Зато для так называемого холодного хранения (cold storage) и долгосрочной архивации, что не подразумевают частой перезаписи данных, SMR HDD выступают практически идеальными носителями: недорогими, высокоёмкими, с вполне приемлемой скоростью считывания (как последовательного, так и случайного). Отметим, что введение SMR было почти столь же революционным шагом, как и появление PMR: практически на прежнем оборудовании, оптимизированном под изготовление 500-Гбайт СMR-моделей, производители получили возможность выпускать магнитные дисковые накопители номинальной ёмкостью 1,33 Тбайт.

Слайд из поясняющей TDMR презентации: дорожки располагаются ещё плотнее, а чтобы считыванию не мешали наводки с соседних треков, коромысло несёт две головки и более, анализ одновременно поступающей информации с которых позволяет точно определять, что именно записано на данной дорожке (источник: Seagate)

Дальнейшим развитием технологии SMR стала начиная с 2017 г. TDMR (two-dimensional magnetic recording — «двумерная магнитная запись»). Необходимым её появление сделало планомерное сокращение ширины дорожек на магнитных пластинах: чем более узкими они становились, тем чаще проявлял себя паразитный эффект межтрековой интерференции — ошибочного считывания уровня намагниченности данного участка дорожки (т. е. одиночного бита) под воздействием аналогичных участков на близко расположенных соседних треках. Для борьбы с этой напастью инженеры Samsung предложили размещать вместо одиночной головки считывания на коромысле две, а то и целую их гребёнку, — чтобы последовательно снимать информацию не только по центру дорожки, но и с небольшим смещением к соседним. В этом случае соответствующим образом настроенный контроллер способен довольно точно выявлять паразитные наводки на считываемый в данный момент бит, порождённые расположенными поблизости от него битами с близлежащих треков.

Технология TDMR не породила качественного скачка плотности записи данных, но, по разным оценкам, на 10-20% от характерного для SMR-дисков с одиночными головками («одиночными» над каждой из пластин в составе накопителя, разумеется, — над каждой пластиной своя комбинированная головка чтения-записи) уровня её повысила. Гораздо более серьёзным шагом стало появление магнитных дисковых накопителей с заполнением гелием вместо (тщательно очищенного от пыли, разумеется) атмосферного воздуха. Всемеро более разрежённый, чем воздух, гелий обеспечивает целый ряд преимуществ: оказывает меньшее сопротивление вращению пластин и перемещениям коромысла с головками чтения-записи и менее склонен к образованию турбулентных завихрений при высоких частотах вращения дисков — что позволяет делать те тоньше. В результате в стандартные 3,5-дюймовые корпуса, заполненные гелием, уже к 2016 г. помещали до 8 пластин — против максимум 6 при использовании воздуха.

⇡#Лазеры спешат на помощь

Предельно достижимая плотность размещения данных на магнитной пластине с применением классической (продольной) записи — 150-200 Гбит/дюйм² в зависимости от того, какой именно магнитный материал применяется. Связано это с так называемым суперпарамагнитным эффектом, вследствие которого слишком близко расположенные на плоскости участки с противоположным направлением намагниченности из-за взаимных наводок утрачивают стабильность, так что записанная магнитным методом информация портится. Переход к PMR+TDMR позволил отодвинуть теоретический предел плотности записи к отметке около 1,1 Тбит/дюйм², — именно теоретический; на практике у 12-Тбайт HDD Seagate (8 пластин по 1,5 Тбайт; заполнение гелием), например, этот показатель подбирался к 0,93 Тбит/дюйм² ещё в 2017 г. Иными словами, делать ставку на одну только технологию PMR смысла давно уже нет — надо искать какие-то иные способы повышения плотности.

Художественное представление реализации технологии HAMR в процессе записи (источник: Seagate)

Новейшие пластины SDK, на которых построены 10-дисковые накопители номинальной ёмкостью 26 Тбайт, по плотности записи почти дотягивают до 1 Тбит/дюйм². Когда этот рубеж будет преодолён, утверждают в компании, её партнёры сумеют предложить заказчикам 30-Тбайт HDD. А в перспективе использованная при их создании технология HAMR (heat assisted magnetic recording — «магнитная запись с нагревом носителя», или попросту термомагнитная запись) прочит достижение плотности в 5 и даже 6 Тбит/дюйм² — так что через какое-то количество лет с её помощью удастся, уверены эксперты, получать HDD стандартного 3,5-дюймового форм-фактора номинальным объёмом в 70 и даже 80 Тбайт.

Строго говоря, технология HAMR не так уж и молода: публичную демонстрацию её возможностей компания Seagate провела ещё в 2002 г., а фактическое начало работ по этой тематике относится и вовсе к 1998-му. В её основе лежит довольно простая идея: нежелательный (с точки зрения дальнейшего наращивания плотности данных) эффект суперпарамагнетизма проявляется из-за того, что магнитная стабильность непосредственного носителя данных — магнитного слоя на поверхности пластины — недостаточна при типичной для работающего накопителя температуре внутри его объёма. Резонный вывод — подобрать материал с повышенной магнитной стабильностью: тогда можно наращивать плотность записи, не опасаясь паразитного взаимовлияния соседних намагниченных участков.

Схема действия комбинированной головки с HAMR: запись производится под лазерным нагревом, а для считывания применяется новейший тип MR-головки — на базе эффекта гигантского магнетосопротивления, GMR (источник: HGST)

Однако столь высокая магнитная стабильность имеет оборотную сторону: просто взять и намагнитить намеченный участок такого вещества при нормальных условиях тоже не удастся, а значит, запись данных на такой носитель обычной магнитной головкой невозможна. Что делать? Конечно же, нагревать! Если найти вещество с высокой магнитной стабильностью при нормальных условиях и сниженной — при сравнительно сильном нагреве, то, грубо говоря, достаточно будет подсветить точечно лазером участок пластины под магнитной головкой (пятно с поперечником буквально в несколько десятков нанометров) для того, чтобы произвести запись либо стирание очередного бита. Далее головка смещается и/или диск проворачивается на шпинделе, нагретая зона быстро остывает — и вот уже высокая магнитная стабильность вновь вступает в свои права, мешая проявлению эффекта суперпарамагнетизма.

Остаётся всего лишь подобрать нужное вещество для носителя данных, найти адекватную основу для дисковых пластин (чтобы не коробилась от непрерывно производимого точечного нагрева различных её участков примерно до 450 °С), вмонтировать лазер в головку чтения/записи, согласовать работу этой усложнённой конструкции на программном уровне — и да, разумеется, позаботиться о том, чтобы всё это богатство и великолепие уместилось в стандартный 3,5-дюймовый корпус. Собственно, на решение этих (и параллельно возникавших в процессе разработки) инженерно-конструкторских задач у создателей HDD и ушло почти два десятка лет. Только в 2018-м Seagate довела до стадии предсерийного прототипа 16-Тбайт HAMR HDD — намереваясь в дальнейшем приступить к выпуску коммерческих моделей на этой основе и уже к 2020 г. преодолеть рубеж в 20 Тбайт ёмкости на один магнитный дисковый накопитель. Строго говоря, обещание это было исполнено: в 2020-м вместе с анонсом ПО с открытым кодом для объектного хранения данных CORTX была представлена референсная архитектура СХД Lyve Drive Rack как раз с 20-Тбайт HAMR HDD Seagate первого поколения, но более широкого распространения эти накопители не получили.

Представленная в 2020 г. модульная СХД Lyve Drive Mobile System оснащалась магнитными дисковыми накопителями корпоративного класса с технологией HAMR (источник: Seagate)

И только в июле 2023-го эта компания начала коммерческие поставки других систем хранения, Corvault, укомплектованных HAMR HDD уже второго поколения. Ёмкость их указана как «30+ TB», и направлены первые системы, по словам Джанлуки Романо (Gianluca Romano), финансового директора Seagate, «избранным заказчикам из числа гиперскейлеров» — для практических испытаний. Это, наверное, и в самом деле наилучший способ протестировать готовящиеся к серийному выпуску накопители: рабочие нагрузки у гиперскейлеров обширны, разнообразны и чрезвычайно интенсивны. Более того, поскольку HAMR-диски более энергетически прожорливы, чем их PMR- и SMR-аналоги (ибо лазер!), необходимо в режиме реальной эксплуатации оценить такой важнейший с коммерческой точки зрения их параметр, как совокупная стоимость владения (total cost of ownerhip, TCO). Если, допустим, два 30-Тбайт накопителя за месяц при сопоставимой интенсивности нагрузки потребляют больше энергии, чем три 20-Тбайт, — не факт, что даже гиперскейлер (которому ох как важно упаковывать свои дисковые полки максимально доступным количеством терабайтов на кубический дециметр) решит переходить на новую технологию: невыгодно.

⇡#И здесь без полупроводников не обошлось!

В середине 2010-х на производствах Western Digital при изготовлении головок чтения-записи для HDD вместо привычного прежде травления ионным пучком предварительно осаждённого материала стали применять дамасский процесс — тот самый, что описывался нами ранее в статье «Трудный штурм микроскопических высот: как чиплеты выходят в третье измерение» как способ получения сквозных соединений между слоями полупроводниковых микросхем. Выполненные таким образом головки обладают практически идеальной геометрией — поскольку дамасский процесс по сути своей аддитивный (а не субтрактивный, как травление или фрезерование) и обеспечивает гораздо более тонкий контроль над формой и размерами получаемой детали. Более того, последовательное нанесение проводящих и непроводящих слоёв в ходе дамасского процесса позволяет формировать — прямо как неотъемлемую часть головки — такую нетривиальную нанометровую (менее 100 нм в поперечнике) структуру, как спиновый генератор (spin torque oscillator, STO).

Сравнение классического субтрактивного процесса металлизации (слева) и дамасского процесса для формирования микроструктур (источник: CRC Press)

Именно эта структура играет важнейшую роль при создании магнитных дисковых накопителей ещё по одной перспективной технологии — MAMR (microwave assisted magnetic recording — «магнитная запись с активацией микроволнами»). Спиновый генератор образован парой слоёв ферромагнетика, разделённых диэлектриком, через который происходит туннелирование электронов под воздействием внешнего напряжения. За счёт малых габаритов структуры образуется крайне высокая плотность тока (порядка 10⁷ А/см²), что позволяет управлять намагниченностью нижнего слоя образующего спиновый генератор ферромагнетика — и, соответственно, того участка пластины жёсткого диска, который непосредственно под этим генератором располагается.

В реализации Western Digital спиновый генератор в составе MAMR-комплекса испускает микроволновое излучение с частотой 20-40 ГГц, создавая тем самым достаточную коэрцитивную силу, чтобы головка записи могла изменить при необходимости намагниченность фрагмента дорожки, кодирующего очередной бит записываемых данных. Поскольку физический размер такого бита (намагниченной области диска) исчисляется считаными десятками нанометров, а дорожки могут располагаться достаточно близко одна к другой, предельно достижимая по этой технологии плотность записи данных оценивается в 4 Тбит/дюйм² — что потенциально открывает дорогу для создания десятипластинных MAMR HDD на 40 Тбайт. Да, HAMR обещает более высокую плотность, — но и усилий для разработки таких накопителей потребуется приложить значительно больше.

Художественное изображение работы MAMR-головки записи (источник: Western Digital)

При этом микроволны, хотя и переносят энергию в верхний слой магнитного диска, практически не нагревают его — поскольку по сути вся эта порция энергии уходит на перемагничивание. Это заведомо избавляет разработчиков MAMR-«винчестеров» от необходимости подбирать подходящий материал для пластин магнитного накопителя, а также от головной боли по части отвода избыточного тепла из замкнутого и герметизированного (если говорить о заполненных гелием дисках) объёма. Ещё приятнее с точки зрения производителя тот факт, что по сути единственным принципиальным новшеством в составе MAMR-накопителя оказывается головка со спиновым наногенератором: и дисковые пластины, и приводной механизм, и конструкцию коромысла, и даже контроллер HDD можно использовать практически те же самые, что для серийных PMR/SMR-устройств.

На пути к полнофункциональному воплощению этой технологии Western Digital примерно с 2019 г. начала внедрять в свои серийные продукты промежуточный, если так можно выразиться, её вариант — ePMR (energy-enhanced PMR — «PMR с энергоподкачкой»). Строго говоря, и MAMR, и HAMR можно объединить под общим знаменателем EAMR (energy-assisted magnetic recording — «магнитная запись с использованием дополнительной энергии»), и ePMR туда также органично вписывается. Эта промежуточная технология использует практически ту же самую конструкцию головки записи, что и классическая PMR (т. е. безо всяких наногенераторов), только в процессе собственно записи на неё подаётся добавочный ток подмагничивания (bias current). Ток подмагничивания создаёт дополнительное магнитное поле — вспомогательное по отношению к тому, что формирует сама головка записи, — и тем самым ослабляет проявление джиттера, известного типа искажений сигнала от идеальной формы. В результате под головкой записи формируется более чётко обрисованная область намагниченности — очередной бит данных, — что способствует в дальнейшем более скорому и уверенному её распознаванию головкой считывания.

Слева: хаотично расположенные магнитные зёрна гранулированного покрытия пластины HDD; обведённая красным группа кодирует 1 бит данных. Справа: BPM-структура в том же масштабе; один «пенёчек» — один бит (источник: IEEE Transactions on Magnetics)

Чего же ждать дальше — после того как серийные жёсткие диски уже в течение года-двух выйдут на рубеж 3 Тбит/дюйм² благодаря той или иной версии EAMR (либо нескольким сразу)? По крайней мере у Seagate планы в этом смысле наполеоновские — компания довольно подробно описывает путь к достижению показателя плотности в 4-6 Тбит/дюйм² за счёт развития HAMR, затем к 5-7 Тбит/дюйм² с использованием упорядоченно-гранулированной (ordered-granular) магнитной среды на поверхностях пластин, а затем и к 8 Тбит/дюйм² — здесь на помощь должны подоспеть структурированные до единичных битов носители данных (bit patterned media, BPM). В итоге уже к 2030 году провозвестники новых технологий обещают сделать доступными — по крайней мере, крупным заказчикам вроде всё тех же гиперскейлеров, — HDD формата 3,5 дюйма с ёмкостями в 90, 105 и даже 120 Тбайт.

Идея, стоящая за BPM, вполне самоочевидна: минимизировать материальный носитель одного бита данных магнитной записи до обусловленного физическими ограничениями предела в 10-20 нм. Современные головки чтения-записи имеют дело с намагниченными участками, состоящими примерно из 20-40 магнитных зёрен (доменов, т. е. равномерно намагниченных по всему своему объёму структур); перспективные упорядоченно-гранулированные материалы позволят формировать биты примерно из дюжины таких однодоменных зёрен, характерный поперечник которых — порядка 10 нм. Но и в том и в другом случае единичный бит данных на поверхности пластины HDD представляет собой группу расположенных по соседству магнитных зёрен, попавших под воздействие головки записи и потому обладающих сонаправленной намагниченностью.

Схематическое изображение головки перспективного HDD (явно продемонстрирована разница масштабов между широченным устройством записи, write pole, и крохотной GMR-системой чтения) над поверхностью BPM-диска (источник: Seagate)

Довольно долгое время повышать плотность записи данных на диск можно было за счёт сокращения физического размера отдельных магнитных зёрен. Однако в настоящее время по сути уже достигнут предел — те самые 8-10 нм, — до которого известные науке вещества, в принципе подходящие для формирования магнитного слоя на пластинах HDD, ещё сохраняют более или менее адекватную стабильность своего состояния. Уже упоминавшийся эффект суперпарамагнетизма проявляется в том, что магнитный момент сверхмалых однодоменных зёрен может случайным образом менять направление под влиянием температуры, причём вероятность такого события растёт с уменьшением объёма отдельного зерна. А значит, чем меньше этот объём, тем ниже энергетический порог внешнего термального воздействия на направление магнитного момента: малейшее повышение температуры будет грозить такой структуре потерей исходной намагниченности — и тем самым записанных на неё данных.

При этом сами магнитные зёрна образуются в процессе формирования плёнки соответствующего покрытия на поверхности пластины накопителя случайным образом, в результате стохастического химического процесса, — именно потому рисунок их взаимного расположения столь неупорядочен. Расстояния между отдельными зёрнами, что входят в состав физической реализации отдельного бита данных, также несколько различаются; векторы их намагниченности по ряду объективных причин всё-таки не с 100%-ной точностью соосны, — и с учётом всех этих факторов оказывается нерациональным сокращать число изолированных доменов, формирующих совместно 1 бит, ниже 10-12. Подход BPM предлагает радикальный выход из этого тупика: за счёт смены производственной парадигмы перейти от группы мелких однодоменных зёрен к единичному достаточно крупному домену с более высоким уровнем внутренней связности — и использовать этот домен для хранения всё того же одного бита записываемых на HDD данных.

Магнитные зёрна на поверхности серийно изготавливаемого для пластин современных HDD покрытия: длина масштабного отрезка — 100 нм (источник: Yale Institute for Nanoscience and Quantum Engineering)

Изготовление магнитной поверхности современного жёсткого диска сводится к химическому (безэлектродному) осаждению и вакуумному напылению магнитного материала, в результате чего как раз и образуется стохастическая структура близко расположенных, но всё же изолированных магнитных зёрен, обычно из атомов кобальта, платины и хрома с небольшими присадками тантала или бора. Магнитный же слой BPM-диска формируется с применением нанолитографических методов: грубо говоря, сперва на основу осаждается равномерно плотная плёнка атомов металла, — и уже после путём нанесения фоторезиста, экспонирования и травления из этого слоя формируются ряды и колонны миниатюрных (примерно 20 нм в поперечнике и примерно столько же в высоту) цилиндриков, каждый из которых представляет собой однодоменное магнитное зерно.

В результате выходят этакие крепенькие пенёчки, весьма крупные по объёму в сравнении с теми зёрнами, что сами собой формируются химическими методами. А значит, и энергетический порог, за которым внешнее тепловое воздействие угрожает потерей исходной намагниченности BPM-структур, едва ли не на порядки выше, чем у традиционных магнитных плёнок на пластинах HDD. Каждый отдельный монолитный пенёчек занимает существенно меньшую площадь, чем группа более мелких разрозненных зёрен, что открывает поистине фантастические перспективы в плане роста плотности записи данных. Ещё в 2010 г. Toshiba демонстрировала прототип BPM-поверхности с потенциалом размещения информации в 2,5 Тбит/дюйм² — правда, до самого последнего времени переход от прототипа к хотя бы предсерийному образцу такого накопителя всё ещё не удалось совершить.

Изготавливать периодические наноструктуры с характерными размерами «пенёчков» менее 20 нм промышленность уже способна — теперь дело за созданием готовых работать с ними сверхпрецизионных BPM-головок (источник: Intevac)

Проблема, собственно, в сверхминиатюризации: в каком-то смысле HDD по технологии BPM идеологически схож с чипом NAND — причём из ранних, ещё с одноуровневыми ячейками (хотя возникают уже и соображения о том, как выстраивать домены столбиками, создавая тем самым многоуровневые магнитные ячейки). Только доступ к отдельным битам на BPM HDD требуется производить не чисто электрическим, а электромеханическим путём — с применением сверхточных актуаторов с несколькими степенями свободы и, надо полагать, достаточно высокопроизводительных контроллеров. Уже очевидно, что для освоения промышленного выпуска столь многообещающих накопителей придётся развить целую отрасль наномасштабного производства (nanofabrication) — что, впрочем, положительно скажется не на одной только отрасли хранения данных. А для сверхточного позиционирования головок считывания/записи, не исключено, придётся применять MEMS-, а то и NEMS-устройства, о которых мы совсем недавно писали.

Если оптимистичные заявления разработчиков HDD в полной мере соответствуют действительности, а выбранные ими пути развития EAMR и правда вот-вот принесут щедрые плоды, в самом скором времени темпы эволюции магнитных дисковых накопителей самым значительным образом увеличатся. И вне зависимости от того, насколько стремительным окажется прогресс по направлению NAND-памяти, уже понятно, что HDD и SSD продолжат сосуществовать в ИТ-отрасли ещё долгое время: первые — как оптимальные накопители для долговременного и архивного хранения; вторые — как более скоростные и обладающие расширенной областью приложений (скажем, для оснащения мобильных устройств, подверженных падениям и тряске, бесшпиндельное хранилище данных априори лучше содержащего в своём составе подвижные элементы). По крайней мере, в 2021 г. 90% всех данных в облачных ЦОДах хранились именно на жёстких магнитных дисках — и с учётом того, как бурно развиваются имеющие к ним отношение технологии, такое положение дел останется актуальным ещё на долгие годы, если не на десятилетия.