Tecnología de almacenamiento magnético
La grabación magnética asistida por calor ( HAMR ) (pronunciado " hammer ") es una tecnología de almacenamiento magnético que aumenta en gran medida la cantidad de datos que se pueden almacenar en un dispositivo magnético, como una unidad de disco duro , calentando temporalmente el material del disco durante la escritura, lo que lo hace mucho más receptivo a los efectos magnéticos y permite escribir en regiones mucho más pequeñas (y niveles mucho más altos de datos en un disco).
Al principio, se consideró que esta tecnología era extremadamente difícil de lograr y en 2013 se expresaron dudas sobre su viabilidad. [1] Las regiones que se escriben deben calentarse en un área minúscula (lo suficientemente pequeña como para que la difracción impida el uso del calentamiento láser normal enfocado) y requiere un ciclo de calentamiento, escritura y enfriamiento de menos de 1 nanosegundo , al tiempo que se controlan los efectos del calentamiento puntual repetido en los platos de la unidad, el contacto entre la unidad y el cabezal y los datos magnéticos adyacentes que no deben verse afectados. Estos desafíos exigieron el desarrollo de plasmones de superficie a escala nanométrica (láser guiado por superficie) en lugar del calentamiento directo basado en láser, nuevos tipos de platos de vidrio y recubrimientos de control térmico que toleran el calentamiento puntual rápido sin afectar el contacto con el cabezal de grabación o los datos cercanos, nuevos métodos para montar el láser de calentamiento en el cabezal de la unidad y una amplia gama de otros problemas técnicos, de desarrollo y de control que debían superarse. [2] [3]
El sucesor planificado de HAMR, conocido como grabación magnética de puntos calentados (HDMR) o grabación de patrones de bits, también está en desarrollo, aunque no se espera que esté disponible hasta al menos 2025. [4] [5] Las unidades HAMR tienen el mismo factor de forma (tamaño y diseño) que los discos duros tradicionales existentes, y no requieren ningún cambio en la computadora u otro dispositivo en el que están instaladas; se pueden usar de manera idéntica a los discos duros existentes. [6] [7] Se enviaron unidades HAMR de 32 TB a algunos clientes para su calificación en 2023. [8]
Descripción general
Se han desarrollado una serie de tecnologías que permiten que los discos duros aumenten su capacidad con un efecto mínimo en el coste. Para aumentar la capacidad de almacenamiento dentro del formato estándar, se deben almacenar más datos en un espacio más pequeño. Las nuevas tecnologías para lograrlo incluyen la grabación perpendicular (PMR) , las unidades rellenas de helio y la grabación magnética en tejas (SMR) ; sin embargo, todas ellas parecen tener limitaciones similares en cuanto a la densidad de área (la cantidad de datos que se pueden almacenar en un plato magnético de un tamaño determinado). La HAMR es una técnica que rompe este límite con los medios magnéticos.
La limitación de la grabación magnética tradicional y perpendicular se debe a los requisitos en pugna de legibilidad, capacidad de escritura y estabilidad (conocido como el trilema de la grabación magnética). El problema es que para almacenar datos de manera confiable para tamaños de bits muy pequeños, el medio magnético debe estar hecho de un material con una coercitividad muy alta (capacidad de mantener sus dominios magnéticos y soportar cualquier influencia magnética externa no deseada). [3] El cabezal de la unidad debe superar esta coercitividad cuando se escriben los datos. [3] [2] Pero a medida que aumenta la densidad de área , el tamaño ocupado por un bit de datos se vuelve tan pequeño que el campo magnético más fuerte que la tecnología actual puede crear no es lo suficientemente fuerte como para superar la coercitividad del plato (o en términos de desarrollo, para invertir el dominio magnético), porque no es factible crear el campo magnético requerido dentro de una región tan pequeña. [3] En efecto, existe un punto en el que se vuelve impráctico o imposible fabricar una unidad de disco que funcione porque la actividad de escritura magnética ya no es posible en una escala tan pequeña. [3]
La coercitividad de muchos materiales depende de la temperatura. Si la temperatura de un objeto magnetizado se eleva temporalmente por encima de su temperatura de Curie , su coercitividad se reducirá mucho hasta que se enfríe. (Esto se puede comprobar calentando un objeto magnetizado, como una aguja , en una llama : cuando el objeto se enfríe, habrá perdido gran parte de su magnetización). HAMR utiliza esta propiedad de los materiales magnéticos en su beneficio. Un pequeño láser dentro del disco duro calienta temporalmente el área que se está escribiendo, de modo que alcanza brevemente una temperatura en la que el material del disco pierde temporalmente gran parte de su coercitividad. Casi inmediatamente, el cabezal magnético escribe los datos en un área mucho más pequeña de lo que sería posible de otro modo. El material se enfría rápidamente de nuevo y su coercitividad vuelve a impedir que los datos escritos se modifiquen fácilmente hasta que se vuelvan a escribir. Como solo se calienta una pequeña parte del disco a la vez, la parte calentada se enfría rápidamente (menos de 1 nanosegundo [2] ) y se necesita relativamente poca energía.
El uso de calefacción presentó importantes problemas técnicos, porque a partir de 2013, no había una manera clara de enfocar el calor requerido en el área pequeña requerida dentro de las restricciones impuestas por el uso del disco duro. El tiempo requerido para calentar, escribir y enfriar es de aproximadamente 1 nanosegundo , lo que sugiere un láser o un medio similar de calentamiento, pero la difracción limita el uso de luz en longitudes de onda láser comunes porque estas normalmente no pueden enfocarse en algo parecido a la pequeña región que HAMR requiere para sus dominios magnéticos. [2] Los platos magnéticos chapados tradicionales tampoco son adecuados debido a sus propiedades de conducción de calor , por lo que se deben desarrollar nuevos materiales para las unidades. [2] Seagate Technology y Showa Denko utilizan una aleación de hierro y platino en platos de vidrio para unidades HAMR. [9] [10] [11] [12] Además, se debe superar una amplia gama de otros problemas técnicos, de desarrollo y de control. [2] Seagate, que ha sido destacada en el desarrollo de unidades HAMR, comentó que los desafíos incluyen "conectar y alinear un láser de diodo semiconductor a un cabezal de escritura de HDD e implementar una óptica de campo cercano para entregar el calor", junto con la escala de uso que es mucho mayor que los usos anteriores de la óptica de campo cercano. [1] El observador de la industria IDC declaró en 2013 que "la tecnología es muy, muy difícil, y ha habido mucho escepticismo sobre si alguna vez se convertirá en productos comerciales", con opiniones generales de que es poco probable que HAMR esté disponible comercialmente antes de 2017. [1]
Seagate afirmó que superaron el problema del enfoque de calentamiento mediante el desarrollo de plasmones de superficie a escala nanométrica [3] en lugar de calentamiento directo basado en láser. [2] Basado en la idea de una guía de ondas , el láser "viaja" a lo largo de la superficie de un material guía, que tiene forma y posición para conducir el haz al área que se va a calentar (a punto de escribirse). La difracción no afecta negativamente a este tipo de enfoque basado en guía de ondas, por lo que el efecto de calentamiento se puede dirigir a la pequeña región necesaria. [2] Los problemas de calentamiento también requieren medios que puedan tolerar un calentamiento rápido de puntos a más de 400 °C en un área pequeña sin afectar el contacto entre el cabezal de grabación y el plato, o afectar la confiabilidad del plato y su revestimiento magnético. [2] Los platos están hechos de un "vidrio HAMR" especial con un revestimiento que controla con precisión cómo viaja el calor dentro del plato una vez que llega a la región que se está calentando, crucial para evitar el desperdicio de energía y el calentamiento no deseado o el borrado de las regiones de datos cercanas. [2] No se espera que los costos de funcionamiento difieran significativamente de los de las unidades que no son HAMR, ya que el láser solo usa una pequeña cantidad de energía, descrita inicialmente en 2013 como unas pocas decenas de milivatios [1] y más recientemente en 2017 como "menos de 200 mW" (0,2 W ). [5] Esto es menos del 2,5 % de los 7 a 12 vatios que usan los discos duros comunes de 3,5 pulgadas.
Seagate demostró por primera vez prototipos HAMR en funcionamiento en uso continuo durante un evento de 3 días durante 2015. [4] En diciembre de 2017, Seagate anunció que las unidades de prelanzamiento habían estado siendo sometidas a pruebas de clientes con más de 40.000 unidades HAMR y "millones" de cabezales de lectura/escritura HAMR ya construidos, y que la capacidad de fabricación estaba en su lugar para volúmenes piloto y las primeras ventas de unidades de producción que se enviarían a clientes clave en 2018 [3] seguido de un lanzamiento al mercado completo de unidades HAMR "20 TB+" durante 2019, [5] [13] con discos duros de 40 TB para 2023 y unidades de 100 TB alrededor de 2030. [3] [2] Al mismo tiempo, Seagate también declaró que los prototipos HAMR habían alcanzado una densidad de área de 2 TB por pulgada cuadrada (habiendo crecido un 30% por año durante 9 años, con un objetivo de "futuro cercano" de 10 TBpsi). Se informó que la confiabilidad de transferencia de un solo cabezal era "superior a 2 PB " (equivalente a "más de 35 PB en una vida útil de 5 años en una unidad de 12 TB", que se afirmó que era "muy superior" al uso típico), y la potencia del láser de calentamiento requería "menos de 200 mW" (0,2 W), menos del 2,5 % de los 8 o más vatios que normalmente utilizan un motor de disco duro y su conjunto de cabezales. [5] Algunos comentaristas especularon que las unidades HAMR también introducirían el uso de múltiples actuadores en los discos duros (para fines de velocidad), ya que este desarrollo también se cubrió en un anuncio de Seagate y también se afirmó que se esperaba en una escala de tiempo similar. [13] [14]
Historia
- En 1954, los ingenieros de PL Corporation que trabajaban para RCA presentaron una patente que describía el principio básico de utilizar calor junto con un campo magnético para grabar datos. [15] A esto le siguieron muchas otras patentes en esta área con el enfoque inicial en el almacenamiento en cinta.
- En la década de 1980, se comercializó una clase de dispositivo de almacenamiento masivo llamado unidad magneto-óptica , que utilizaba esencialmente la misma técnica para escribir datos en un disco. Una ventaja de la grabación magneto-óptica sobre el almacenamiento puramente magnético en ese momento era que el tamaño de los bits estaba definido por el tamaño del punto láser enfocado en lugar del campo magnético. En 1988, un disco magneto-óptico de 5,25 pulgadas podía contener 650 megabytes de datos con una hoja de ruta de varios gigabytes ; un solo disco magnético de 5,25 pulgadas tenía una capacidad de alrededor de 100 megabytes. [16]
- A finales de 1992, Sony presentó el MiniDisc , un formato de grabación y reproducción de música destinado a sustituir a los casetes de audio . Los MiniDiscs grabables utilizaban grabación magnética asistida por calor, pero los discos se leían ópticamente a través del efecto Kerr . [17]
- "A finales de la década de 1990": Seagate comenzó la investigación y el desarrollo relacionados con las unidades HAMR modernas. [3]
- 2006 – Fujitsu demuestra HAMR. [18]
- En 2007, Seagate creía que podría producir unidades de disco duro de 300 terabits (37,5 terabytes (TB)) utilizando tecnología HAMR. [19] Algunos sitios de noticias informaron erróneamente que Seagate lanzaría un disco duro de 300 TB en 2010. Seagate respondió a esta noticia afirmando que la densidad de 50 terabits por pulgada cuadrada ya ha superado con creces el plazo de 2010 y que esto también puede implicar una combinación de medios con patrones de bits. [20]
- A principios de 2009, Seagate alcanzó 250 Gb por pulgada cuadrada utilizando HAMR, lo que representaba la mitad de la densidad que se lograba en ese momento mediante la grabación magnética perpendicular (PMR). [21]
- La tecnología de los discos duros avanzó rápidamente y, a partir de enero de 2012, las unidades de disco duro de escritorio tenían una capacidad de entre 500 y 2000 gigabytes, mientras que las unidades de mayor capacidad eran de 4 terabytes. [22] Ya en el año 2000 [23] se reconoció que la tecnología entonces vigente para las unidades de disco duro tendría limitaciones y que la grabación asistida por calor era una opción para ampliar la capacidad de almacenamiento.
- En marzo de 2012, Seagate se convirtió en el primer fabricante de discos duros en alcanzar la densidad de almacenamiento histórica de 1 terabit por pulgada cuadrada utilizando la tecnología HAMR. [24]
- En octubre de 2012, TDK anunció que había alcanzado una densidad de almacenamiento de 1,5 terabits por pulgada cuadrada, utilizando HAMR. [25] Esto corresponde a 2 TB por plato en una unidad de 3,5".
- Noviembre de 2013: Western Digital demuestra una unidad HAMR en funcionamiento, [26] aunque todavía no está lista para la venta comercial, y Seagate afirmó que esperaba comenzar a vender unidades basadas en HAMR alrededor de 2016. [27]
- En mayo de 2014, Seagate dijo que planeaba producir pequeñas cantidades de discos duros con una capacidad de entre 6 y 10 TB en un "futuro cercano", pero que esto requeriría "una gran inversión técnica, como usted sabe, también es una gran inversión en pruebas". Aunque Seagate no había declarado que los nuevos discos duros usaran HAMR, bit-tech.net especuló que lo harían. [28] Seagate comenzó a enviar unidades de 8 TB alrededor de julio de 2014, pero sin decir cómo se alcanzó esa capacidad; extremetech.com especuló que se utilizó grabación magnética en tejas en lugar de HAMR. [29]
- En octubre de 2014, TDK predijo que los discos duros HAMR podrían lanzarse comercialmente en 2015, [30] lo que no se materializó.
- En la Conferencia Intermag 2015 en Beijing, China, del 11 al 15 de mayo, Seagate informó sobre la grabación HAMR utilizando un transductor plasmónico de campo cercano y un medio granular FePt de alta anisotropía a una densidad de área de 1,402 Tb/pulgada 2 . [31]
- En octubre de 2014, TDK, que suministra componentes de disco duro a los principales fabricantes de discos duros, afirmó que las unidades HAMR de hasta aproximadamente 15 TB probablemente comenzarían a estar disponibles en 2016, [32] y que los resultados de un prototipo de disco duro Seagate de 10 000 rpm con un cabezal TDK HAMR sugerían que la durabilidad estándar de 5 años requerida por los clientes empresariales también era alcanzable.
- En mayo de 2017, Seagate confirmó que esperaba lanzar las unidades HAMR comercialmente "a fines de 2018", y los comentaristas señalaron que el anuncio era la primera vez que Seagate se había comprometido con un plazo tan específico para el lanzamiento de una unidad HAMR. Los comentaristas en ese momento sugirieron que una capacidad probable en el lanzamiento podría ser de aproximadamente 16 TB, aunque las capacidades y los modelos específicos no se conocerían hasta entonces. [33]
- Durante diciembre de 2017, Seagate anunció que las unidades HAMR habían estado en pruebas piloto previas con clientes durante 2017 con más de 40 000 unidades HAMR y "millones" de cabezales de lectura/escritura HAMR ya construidos, y que la capacidad de fabricación estaba lista para volúmenes piloto en 2018 y un lanzamiento al mercado completo de unidades HAMR "de 20 TB+" durante 2019. [5] [13] También afirmaron que el desarrollo de HAMR había logrado una densidad de área de 2 Tb por pulgada cuadrada (creciendo a un 30 % anual durante 9 años con un objetivo "de futuro cercano" de 10 Tbpsi), una confiabilidad del cabezal de "más de 2 PB ( petabyte )" por cabezal (equivalente a "más de 35 PB en una vida útil de 5 años en una unidad de 12 TB", que se afirma que es "muy superior" al uso típico) y una potencia de láser de calentamiento requerida "menos de 200 mW" (0,2 vatios ), menos del 2,5 % de los 8 o más vatios que normalmente utiliza un motor de disco duro y su conjunto de cabezal. [5]
Algunos comentaristas especularon sobre este anuncio, que las unidades HAMR también podrían ver la introducción de múltiples actuadores en los discos duros (para fines de velocidad), ya que este desarrollo también se cubrió en un momento similar y también se afirmó que se esperaba en una escala de tiempo similar. [13] [14] - El 6 de noviembre de 2018, se informó de una hoja de ruta actualizada de Seagate que sugería que las unidades de 16 TB en 2018 podrían ser solo para socios, con una producción en masa relacionada con unidades de 20 TB en 2020. [34] Sin embargo, el 27 de noviembre, Seagate declaró que las unidades de producción ya se estaban enviando y pasando las pruebas de "clientes clave", y que existía la cadena de suministro para la producción en volumen, con unidades de 20 TB en desarrollo en 2019 y unidades de 40 TB esperadas para 2023. Poco después del anuncio anterior, el 4 de diciembre de 2018, Seagate también anunció que estaba realizando pruebas finales y evaluaciones comparativas de unidades HAMR de 16 TB destinadas al lanzamiento comercial, después de lo cual se les pediría a los clientes que las calificaran (validaran que funcionan satisfactoriamente y confirmaran sus datos de rendimiento) antes del lanzamiento general, con unidades de 20 TB planificadas para 2020. Seagate comentó que "Estas son las mismas pruebas que los clientes usan para calificar cada nueva unidad", y cubren el uso de energía, rendimiento de lectura y escritura, respuestas correctas a comandos SCSI y SATA y otras pruebas. [35] A principios de diciembre de 2018, las unidades cumplían con las expectativas. [36]
- En el Consumer Electronics Show (CES) de enero de 2019, Seagate presentó la tecnología HAMR, demostrando tareas de lectura/escritura exitosas utilizando una unidad "Exos" con una ventana transparente para mostrar el cabezal de la unidad en acción.
- En febrero de 2019, AnandTech publicó una actualización sobre HAMR, indicando planes detallados de lanzamiento del producto. [37] Según Seagate, se esperaba que las unidades HAMR de actuador único de 16 TB se lanzaran comercialmente en la primera mitad de 2019. Se especificaron como "más de 250 MB/seg, alrededor de 80 operaciones de entrada/salida por segundo ( IOPS ) y 5 IOPS por TB" (IOPS/TB es una métrica importante para los almacenes de datos nearline ) , con una vida útil de 4 PB y una potencia en uso inferior a 12 W, comparable con los discos duros empresariales de alto rendimiento existentes. [37] Además de eso, se esperaban para 2020 las unidades HAMR de actuador único de 20 TB y las primeras unidades HAMR de actuador doble de la compañía. (Se esperaban unidades de actuador doble para el segundo semestre de 2019, pero era probable que inicialmente utilizaran la grabación magnética perpendicular (PMR) existente en lugar de HAMR: se afirmó que sus unidades PMR de actuador doble de 2019 alcanzarían aproximadamente el doble de la velocidad de datos y las IOPS de los actuadores individuales: 480 MB/s, 169 IOPS, 11 IOPS/TB para una unidad PMR de 14 TB). [37]
Seagate también detalló la hoja de ruta de HAMR después del lanzamiento: la próxima generación de tecnologías que permiten unidades HAMR de hasta 24 TB se estaban probando internamente con platos de trabajo que alcanzaban 2,381 Tb/in2 ( 3 TB por plato) y 10 Tb/in2 en el laboratorio, [37] y la tercera generación de dispositivos de producción apunta a 5 Tb/in2 ( unidades de 40 TB) para 2023. [38] - En octubre de 2019, los analistas sospecharon que la HAMR se retrasaría comercialmente hasta 2022, y que los discos duros de 10 platos utilizarían grabación perpendicular (que se espera que sea seguida por SMR ( grabación magnética Shingled ) como solución provisional). [39]
- Durante una conferencia telefónica sobre ganancias para inversores en abril de 2020 , el director ejecutivo de Seagate, David Mosley, afirmó que la demanda estaba siendo impulsada por la pandemia del coronavirus de 2020 y que esperaban enviar unidades HAMR de 20 TB para fines de 2020. [40]
- En octubre de 2020, Seagate confirmó su intención de comenzar a enviar unidades HAMR de 20 TB en diciembre de 2020, con un objetivo de 50 TB para 2026. [41]
- En junio de 2023, Seagate anunció que fabricará unidades HAMR de 32 TB en el tercer trimestre de 2023, unidades de 40 TB en el horizonte y unidades de 50 TB en los laboratorios. Y afirmó que las unidades PMR de 24 TB y las unidades SMR de 28 TB serán las últimas de su tipo. [42]
- En enero de 2024, Seagate indicó una producción en masa "inminente" de unidades HAMR. [43]
Patrones termomagnéticos
Una tecnología similar a la grabación magnética asistida por calor que se ha utilizado de forma generalizada en otros ámbitos además de la grabación magnética es la creación de patrones termomagnéticos. La coercitividad magnética depende en gran medida de la temperatura, y este es el aspecto que se ha explorado, utilizando un rayo láser para irradiar una película de imán permanente de modo de reducir su coercitividad en presencia de un campo externo fuerte que tiene una dirección de magnetización opuesta a la de la película de imán permanente para invertir su magnetización. De este modo, se produce un patrón magnético de magnetizaciones opuestas que se puede utilizar para diversas aplicaciones. [44]
Configuración
Existen diferentes formas de realizar la configuración, pero el principio subyacente sigue siendo el mismo. Se deposita una tira magnética permanente sobre un sustrato de silicio o vidrio, y se irradia con un rayo láser a través de una máscara prediseñada. La máscara está diseñada específicamente para este propósito para evitar que el rayo láser irradie algunas partes de la película magnética. Esto se hace en presencia de un campo magnético muy fuerte, que puede generarse mediante una matriz de Halbach . [45] Las áreas que están expuestas/irradiadas por el rayo láser experimentan una reducción en su coercitividad debido al calentamiento por el rayo láser, y la magnetización de estas partes puede invertirse fácilmente mediante el campo externo aplicado, creando los patrones deseados.
Ventajas
- Se puede utilizar para hacer muchos tipos de patrones.
- Útil para grabación magnética, patrón cuadriculado para fines de levitación a micro y nanoescala.
- Barato, ya que el láser utilizado normalmente consume poca energía [46]
- Se puede implementar fácilmente
- Se puede utilizar para detalles muy finos dependiendo de la delicadeza con la que se utilice el láser.
Desventajas
- Pérdida potencial de magnetización (si la temperatura excede la temperatura de Curie )
- La naturaleza superparamagnética de los ferroimanes en tamaños muy pequeños limita lo pequeño que se puede llegar a ser.
- Problemas de límites debido a posibilidades indeterminadas en la unión de inversión
- La profundidad de la reversión es actualmente limitada [47]
- No es demasiado eficiente en sustratos de silicio, ya que el silicio actúa como un disipador de calor (mejor en sustratos de vidrio) [46]
- La magnetización residual es un problema debido a la profundidad de inversión que está limitada por la profundidad de penetración del rayo láser.
Véase también
Referencias
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- ^ Microimanes con patrón termomagnético, F. Dumas-Bouchiat, LF Zanini, M. Kustov, NM Dempsey, R. Grechishkin, K. Hasselbach, JC Orlianges, C. Champeaux, A. Catherinot y D. Givord
Enlaces externos
- Información de Seagate sobre HAMR de 2002
- Informe técnico de Seagate HAMR que describe lo que se debía hacer para desarrollar HAMR, en 2017