Po víc než dekádě je tu dlouho očekávaný průlom v technologii HDD
Původně se očekávaly ještě v minulém roce, ale asi by to nebyla technologie HAMR, kdyby vždy nebyla dál od uvedení, než se čeká. Teď nicméně konečně přichází oficiální oznámení prvních těchto „laserových“ HDD – disků používajících technologii HAMR, jejíž příchod byl očekáván a stále odkládán posledních deset let, či ještě déle. HAMR disky jsou výsledkem podivuhodné nanotechnologie, podle Seagate ale byla pečlivě ověřená jejich spolehlivost.
Prvním komerčně vydaným HAMR diskem je model serverové řady Exos s 30TB kapacitou. Předchozí zprávy mluvily o 32TB kapacitě, nakonec bylo tedy oznámeno o trochu méně. Ovšem podle webu Seagate bude 32TB Exos také v nabídce, jen s tím detailem, že tato kapacita už je se záznamem SMR.
Disk je založený na HAMR platformě, které firma Seagate dala jméno „Mozaic 3+“ (ono 3+ by asi mohlo být podle kapacit přesahujících 3 TB na jednu plotnu). Nyní v prvním kvartálu roku 2024 již mají běžet velkosériové dodávky těchto disků předním poskytovatelům cloudových serverů. Používá je zřejmě například Dropbox. Konkrétní ceny nebo data, kdy by se daly disky koupit jednotlivě na volném trhu, ještě nevíme.
Jak funguje HAMR?
Technologie HAMR spočívá v tom, že na ramenu nesoucím zapisovací a čtecí hlavy je navíc umístěný zdroj laserového paprsku, kterým je ozářeno to místo v magnetické stopě, na který následně zapisovací hlava tvořená elektromagnetem provádí zápis. Laser pozici během nanosekund zahřeje, takže zápis probíhá za zvýšené teploty záznamového materiálu.
Důvodem, proč je toto třeba, je rostoucí obtížnost vytváření stabilního magnetického záznamu, jak se rozměr záznamové stopy a magnetických zrn, které ji tvoří, zmenšuje. Menší velikost zrn zhoršuje stabilitu záznamu, protože magnetizace je snadněji ztracena (ovlivněna okolím). Plotny HAMR disků používají materiál se zvýšenou magnetickou koercivitou (česky se používá i znění koercitivita), což je fyzikální veličina uvádějící, jak je magnetizovaný materiál schopen odolávat demagnetizaci vlivem jiného vnějšího magnetického pole. S vyšší koercivitou je těžší „překlopit“ uložený bit. Toto dovoluje zmenšit rozměr, ve kterém je uložený jeden bit ve stopě, a tím dál zvyšovat hustotu záznamu (bity jsou menší i blíže k sobě). S konvenční technologií by to už nebylo možné, protože by záznam nebyl stabilní.
Problém s tím, že se zmenšováním fyzického rozměru bitů na plotně se stabilita záznamu zhoršuje, má i druhou stránku – je problém zmagnetizovat dané místo dost silně, aby záznam vydržel stabilně (a nepoškodili jste záznam v okolních bitech). Překonání tohoto problému je centrální cíl technologie HAMR a integrace onoho laseru. Ozáření místa zápisu laserem a zvýšení teploty v tomto místě změní vlastnosti záznamového materiálu, dočasně výrazně klesne ona koercivita. Zahřátí je na teplotu více než 800 °F (427 Celsiů, má to být nad Curieovým bodem, kde látka fázovým přechodem ztrácí feromagnetické vlastnosti), což trvá méně než dvě nanosekundy, a za tohoto stavu dokáže zapisovací hlava tvořená elektromagnetem a umístěná za laserem magnetické zrno zmagnetizovat na požadovanou hodnotu. Toto probíhá velmi rychle a precizní načasování a prostorová přesnost mechanismu mají také být také kritické.
Po ochlazení, které by mělo nastat velmi rychle (objemy energie, které jsou ve hře, nejsou vzhledem k miniaturním rozměrům velké, ale disk je navržen s ohledem na to, aby dokázal teplo odvádět), koercivita zase stoupne a od té chvíle chrání zaznamenanou hodnotu, protože bez aplikace laseru nemá magnetické pole působící zvenku (ať už zapisovací hlava pracující ve vedlejší stopě, nebo nějaké z vnějšku působící elektromagnetické pole) dostatečnou sílu, aby magnetické zrno de/přemagnetizovalo. Podle Seagate díky tomuto HAMR vytváří více spolehlivý záznam. Působení laseru má být velmi přesné a zaměřovat se jen na magnetické zrno, do kterého se bude psát, aniž by bylo ovlivněno okolí (a ohrožen existující záznam v sousedních zrnech). Čtení těchto zaznamenaných bitů už naproti tomu není tak komplikované a je relativně konvenční. Laser se při něm už nepoužívá.
Před nějakým časem konkurenční Western Digital oznámil technologii MAMR, která měla být alternativou k HAMR a místo zahřívání plotny laserem měla aplikovat mikrovlnné záření. Ač se zdálo, že by MAMR mohl elegantněji vyřešit problém „energetického podpoření“ záznamu bez extrémní komplexnosti HAMR, Western Digital nakonec tuto technologii do praxe přenesl jen ve zjednodušené formě nazvané EAMR, která asi v podstatě jen posiluje magnetické působení hlavy a nezdá se, že by měla příliš velký dopad na hustotu záznamu. Alespoň prozatím tedy coby alternativní řešení k HAMR neuspěla, i když je možné, že se ještě objeví zdokonalené plnohodnotné verze MAMRu s lepšími výsledky. I Western Digital ale ve své roadmapě s HAMR počítá, takže nakonec spíš bude tím vítězným řešením, i vzhledem k tomu, že ke komerčnímu nasazení to HAMR v rukou Seagate dotáhl první. To také nyní dává Seagatu důležité technologické prvenství a náskok. Bude zajímavé sledovat, jak rychle se HAMR disky dostanou na trh i od konkurentů (vedle WD také Toshiby).
Inovace materiálové vědy a kvantové nanotechnologie
Zvládnout HAMR v komerčním měřítku vyžadovalo nejrůznější inovace v použitých technologiích. Plotny se supermřížkovou strukturou používají slitinu železa a platiny (byly vyvinuté ve spolupráci se Showa-Denko) a jsou vyráběné epitaxiálním růstem, který vytváří tenké filmy této slitiny na skleněném substrátu, který tvoří vzor, na kterém se organizují magnetická zrna do potřebné struktury.
Disk používá speciální přímo Seagatem vyvinutý řadič vyrobený 12nm procesem (tedy na stejné technologické úrovni jako řadiče aktuálních SSD). Jsou v něm vlastní custom jádra RISC-V, používá LDPC ECC, schopnost automatického opětovného čtení stop a kompenzace vlivu sousedních stop a má rozhraní pro řízení serv disku se zvýšenou přesností.
Čtení zajišťuje sedmá generace „spintronické“ čtecí hlavy, zápis pak „plasmonická“ zapisovací hlava s laserem. Laser musí být velmi miniaturizovaný (Seagate ho označuje jako „nanofotonický“), protože se přesouvá nad plotnou spolu s hlavami, a musí se tedy celý vejít vertikálně do méně než milimetrového prostoru. Pod laserem je ještě cosi jako „hlaveň“ (funnel) a dále „kvantová anténa“, které paprsek usměrňují potřebným směrem. Při dopadu laseru na povrch plotny mají v ozářeném magnetickém zrnu vznikat „plasmony“, kvantové oscilace elektronů. Všechny tyto komponenty jsou náročné na přesnost při výrobě i provozu a vyžadují speciálně vyvinuté materiály.
Technologie HAMR se dá kombinovat s dalšími již existujícími zlepšováky – vedle héliového plnění to jsou dvojstupňové/trojstupňové aktuátory hlav a jak už bylo zmíněno, je také pořád možné využít SMR (šindelového záznamu) k dalšímu navýšení kapacity.
Seagate Exos Mozaic 3+ 30TB
Disk Seagate Exos 30TB má klasické 3,5″ provedení (tedy odpovídající desktopovému HDD) a je založený na héliové technologii (má hermeticky uzavřené pouzdro, jehož vnitřek je vyplněn héliem, jež kvůli menší viskozitě a hustotě klade menší odpor rotaci ploten a pohybu ramen s hlavami). Uvnitř je 10 ploten, které tedy mají kapacitu 3 TB na jednu. Disk má průměrnou pracovní spotřebu 10,5 W, o něco vyšší než u 16TB konvenčního disku Seagate Exos. V přepočtu na poskytovanou kapacitu ale HAMR vychází efektivněji.
30TB Exos je jen prvním z HAMR disků. Seagate uvádí, že očekává každoroční zlepšení v dostupných kapacitách HDD až o nějakých 20 %, zatímco v posledních letech to s konvenčním zápisem bývalo jen 8 % ročně. V následujících letech by mělo být dosaženo kapacity 4 TB a víc na jednu plotnu (plotny Mozaic 4+) a 5 TB i více (s plotnami Mozaic 5+), což by v desetiplotnovém héliem plněném disku znamenalo celkové kapacity přes 40 a 50 TB.
Spolehlivost má vyhovovat všem standardům (i s rezervou)
Během více než deseti let vývoje HAMR disků se objevovaly pochybnosti o spolehlivosti. Ona integrace laseru, vysokých teplot (ty by však měly nastávat jen lokálně v nanoměřítku) a komplikované fungování k podezřívavosti asi vyloženě provokuje. Podle Seagate ale právě během dlouhého vývoje byla technologie HAMR a dnešní disky Exos 30TB prověřeny všemi testy a mají poskytovat stejné garance spolehlivosti jako konvenční HDD (Exos 30TB uvádí stejné hodnoty – střední doba mezi poruchami 2,5 milionu hodin, pětiletá záruka, rating 550 TB zápisu za rok). Toto jsou ale jen minimální specifikace.
Technologie ploten a s nimi související zapisovací a čtecí technologie Mozaic 3+ byla údajně testována na spolehlivost a schopnost udržet zaznamenaná data už od roku 2016 včetně testování za zvýšených vibrací a nárazů. Seagate říká, že se při tomto testování HARM šlo výrazně nad rámce běžné praxe a použily se dvacetkrát přísnější požadavky, než jsou specifikace běžných HDD a požadavky zákazníků.
Seagate uvádí, že během vývoje firma vyrobila víc než půl milionu HAMR disků několika generací (které nešly na trh), které již vyhovovaly požadavkům na výkon, energetickou efektivitu a spolehlivost při dlouhodobém používání. Vedle interního testování se na zkouškách podíleli i externí klienti. Snad to znamená, že HAMR už je skutečně odladěný tak, že může v běžném provozu nahradit běžná HDD.
Zdroj: Seagate
Jan Olšan, redaktor Cnews.cz
⠀
