Värmeassisterad magnetisk inspelning

För titanproduktionsprocessen, se Väteassisterad magnesioterm reduktion .

Värmeassisterad magnetisk inspelning ( HAMR ) (uttalas " hammare") är en magnetisk lagringsteknik för att kraftigt öka mängden data som kan lagras på en magnetisk enhet såsom en hårddisk genom att tillfälligt värma upp skivmaterialet under skrivning, vilket gör den mycket mer mottaglig för magnetiska effekter och tillåter skrivning till mycket mindre regioner (och mycket högre datanivåer på en disk).

Tekniken ansågs till en början vara extremt svår att uppnå, med tvivel uttrycktes om dess genomförbarhet 2013. De regioner som skrivs måste värmas upp i en liten yta - tillräckligt liten för att diffraktion förhindrar användningen av normal laserfokuserad uppvärmning - och kräver en uppvärmning, skriv- och nedkylningscykel på mindre än 1 nanosekund samtidigt som man kontrollerar effekterna av upprepad punktuppvärmning på diskplattorna, kontakten mellan enhet och intilliggande magnetiska data som inte får påverkas. Dessa utmaningar krävde utvecklingen av ytplasmoner i nanoskala (ytstyrd laser) istället för direkt laserbaserad uppvärmning, nya typer av glasplattor och värmekontrollbeläggningar som tolererar snabb punktuppvärmning utan att påverka kontakten med inspelningshuvudet eller i närheten. data, nya metoder för att montera värmelasern på drivhuvudet och en lång rad andra tekniska, utvecklings- och kontrollfrågor som behövde lösas.

HAMR:s planerade efterträdare, känd som heated-dot magnetic recording (HDMR), eller bitmönsterinspelning, är också under utveckling, även om den inte förväntas vara tillgänglig förrän åtminstone 2025 eller senare. HAMR-enheter har samma formfaktor (storlek och layout) som befintliga traditionella hårddiskar och kräver ingen förändring av datorn eller annan enhet där de är installerade; de kan användas identiskt med befintliga hårddiskar.

20 TB HAMR-enheter släpptes i januari 2021.

Översikt

Det har utvecklats en rad tekniker för att tillåta hårddiskar att öka i kapacitet med liten effekt på kostnaden. För att öka lagringskapaciteten inom standardformfaktorn måste mer data lagras på ett mindre utrymme. Ny teknik för att uppnå detta har inkluderat vinkelrät inspelning (PMR) , heliumfyllda enheter, shingled magnetisk inspelning (SMR) ; dessa verkar dock alla ha liknande begränsningar för arealdensitet (mängden data som kan lagras på en magnetisk tallrik av en given storlek). HAMR är en teknik som bryter denna gräns med magnetiska medier.

Begränsningen av traditionell såväl som vinkelrät magnetisk inspelning beror på de konkurrerande kraven på läsbarhet, skrivbarhet och stabilitet (känd som Magnetic Recording Trilemma). Problemet är att för att lagra data på ett tillförlitligt sätt för mycket små bitstorlekar måste det magnetiska mediet vara tillverkat av ett material med en mycket hög koercitivitet (förmåga att bibehålla sina magnetiska domäner och motstå alla oönskade yttre magnetiska influenser). Drivhuvudet måste sedan övervinna denna koercitivitet när data skrivs. Men när yttätheten ökar blir storleken som ockuperas av en bit data så liten att det starkaste magnetfält som kan skapas för att skriva data med nuvarande teknologi inte är tillräckligt starkt för att övervinna plattans koercitivitet (eller i utvecklingstermer) , för att vända den magnetiska domänen), eftersom det inte är möjligt att skapa det erforderliga magnetfältet inom ett så litet område. I själva verket finns en punkt där det blir opraktiskt eller omöjligt att göra en fungerande diskenhet eftersom magnetisk skrivaktivitet inte längre är möjlig i så liten skala.

Koercitiviteten hos många material är temperaturberoende. Om temperaturen på ett magnetiserat föremål tillfälligt höjs över dess Curie-temperatur kommer dess koercitivitet att bli mycket mindre, tills det har svalnat. (Detta kan ses genom att värma upp ett magnetiserat föremål som en nål i en låga : när föremålet svalnar kommer det att ha förlorat mycket av sin magnetisering.) HAMR använder denna egenskap hos magnetiska material till sin fördel. En liten laser inuti hårddisken värmer tillfälligt upp området som skrivs, så att det kortvarigt når en temperatur där skivans material tillfälligt förlorar mycket av sin koercitivitet. Nästan omedelbart skriver magnethuvudet då data på ett mycket mindre område än vad som annars skulle vara möjligt. Materialet svalnar snabbt igen och dess koercitivitet återgår för att förhindra att skrivna data lätt ändras tills de skrivs igen. Eftersom bara en liten del av skivan värms upp åt gången, svalnar den uppvärmda delen snabbt (under 1 nanosekund), och förhållandevis lite ström behövs.

Användningen av uppvärmning gav stora tekniska problem, eftersom det från och med 2013 inte fanns något tydligt sätt att fokusera den erforderliga värmen till det lilla området som krävs inom de begränsningar som hårddiskanvändningen medför. Tiden som krävs för att värma, skriva och kyla är cirka 1 nanosekund , vilket tyder på en laser eller liknande sätt att värma, men diffraktion begränsar användningen av ljus vid vanliga laservåglängder eftersom dessa vanligtvis inte kan fokusera i något liknande det lilla område som HAMR kräver för dess magnetiska domäner. Traditionella pläterade magnetiska plattor är inte heller lämpliga på grund av deras värmeledningsegenskaper, så nya drivmaterial måste utvecklas. Dessutom måste en lång rad andra tekniska, utvecklings- och kontrollfrågor övervinnas. Seagate Technology , som har varit framträdande i utvecklingen av HAMR-enheter, kommenterade att utmaningarna inkluderar "att fästa och rikta in en halvledardiodlaser till ett hårddiskskrivhuvud och implementera närfältsoptik för att leverera värmen", tillsammans med användningsskalan. vilket är mycket större än tidigare närfältsoptikanvändningar. Branschobservatören IDC uttalade 2013 att "Tekniken är väldigt, väldigt svår, och det har funnits mycket skepsis om den någonsin kommer att bli kommersiella produkter", med åsikter generellt om att HAMR sannolikt inte kommer att vara kommersiellt tillgänglig före 2017.

Seagate uppgav att de övervann problemet med värmefokus genom att utveckla ytplasmoner i nanoskala istället för direkt laserbaserad uppvärmning. Baserat på idén om en vågledare "färdas" lasern längs ytan av ett styrmaterial, som är format och placerat för att leda strålen till området som ska värmas upp (som ska skrivas). Diffraktion påverkar inte denna typ av vågledarbaserat fokus negativt, så uppvärmningseffekten kan riktas mot den nödvändiga lilla regionen. Uppvärmningsproblemen kräver också media som kan tolerera snabb punktuppvärmning till över 400°C i ett litet område utan att påverka kontakten mellan inspelningshuvudet och plattan, eller påverka plattans tillförlitlighet och dess magnetiska beläggning. Plattorna är gjorda av ett speciellt "HAMR-glas" med en beläggning som exakt kontrollerar hur värmen färdas inuti tallriken när den når regionen som värms upp - avgörande för att förhindra energislöseri och oönskad uppvärmning eller radering av närliggande dataområden. Driftskostnaderna förväntas inte skilja sig nämnvärt från icke-HAMR-enheter, eftersom lasern bara använder en liten mängd ström - ursprungligen beskrevs 2013 som några tiotals milliwatt och mer nyligen 2017 som "under 200mW" (0,2 W ). Detta är mindre än 2,5 % av de 7 till 12 watt som används av vanliga 3,5-tums hårddiskar.

Seagate demonstrerade först fungerande HAMR-prototyper i kontinuerlig användning under ett 3-dagarsevenemang under 2015. I december 2017 meddelade Seagate att pre-release-enheter hade genomgått kundtest med över 40 000 HAMR-enheter och "miljoner" HAMR-läs-/skrivhuvuden som redan byggts , och tillverkningskapacitet var på plats för pilotvolymer och första försäljning av produktionsenheter som skulle levereras till nyckelkunder under 2018 följt av en fullständig marknadslansering av "20 TB+" HAMR-enheter under 2019, med 40 TB hårddiskar 2023, och 100 TB-enheter runt 2030. Samtidigt uppgav Seagate också att HAMR- prototyper hade uppnått 2 TB per kvadrattum yttäthet (efter att ha vuxit med 30 % per år under 9 år, med ett "nära-framtid"-mål på 10 TBpsi) . Tillförlitligheten för överföring av ett huvud rapporterades vara "över 2 PB " (motsvarande "över 35 PB under en 5-årig livslängd på en 12 TB-enhet", angavs vara "väldigt över" för normal användning), och uppvärmningslaserkraft krävs "under 200mW" (0,2 W ), mindre än 2,5 % av de 8 eller fler watt som vanligtvis används av en hårddiskmotor och dess huvudenhet. Vissa kommentatorer spekulerade i att HAMR-enheter också skulle introducera användningen av flera ställdon på hårddiskar (för hastighetsändamål), eftersom denna utveckling också täcktes i ett Seagate-meddelande och även angavs förväntas i en liknande tidsskala.

Historia

  • 1954 lämnade ingenjörer från PL Corporation som arbetar för RCA in ett patent som beskrev den grundläggande principen att använda värme i samband med ett magnetfält för att registrera data. Detta följdes av många andra patent inom detta område med inledningsvis fokus på bandlagring.
  • På 1980-talet blev en klass av masslagringsenheter som kallas den magneto-optiska enheten kommersiellt tillgänglig, som använde i huvudsak samma teknik för att skriva data till en disk. En fördel med magneto-optisk inspelning jämfört med rent magnetisk lagring vid den tiden var att bitstorleken definierades av storleken på den fokuserade laserfläcken snarare än magnetfältet. 1988 kunde en 5,25-tums magneto-optisk skiva rymma 650 megabyte data med en vägkarta till flera gigabyte ; en enda 5,25 tums magnetisk skiva hade en kapacitet på cirka 100 megabyte.
  • I slutet av 1992 introducerade Sony MiniDisc , ett format för musikinspelning och uppspelning avsett att ersätta ljudkassetter . Inspelningsbara MiniDiscs använde värmeassisterad magnetisk inspelning, men skivorna lästes optiskt via Kerr-effekten .
  • "Sena 1990-talet" - Seagate påbörjade forskning och utveckling relaterad till moderna HAMR-enheter.
  • 2006 - Fujitsu demonstrerar HAMR.
  • Från och med 2007 trodde Seagate att det kunde producera 300 terabit (37,5 terabyte (TB)) hårddiskar med hjälp av HAMR-teknik. Vissa nyhetssajter rapporterade felaktigt att Seagate skulle lansera en 300 TB hårddisk till 2010. Seagate svarade på denna nyhet med att densiteten på 50 terabit per kvadrattum är långt förbi 2010 års tidsram och att detta också kan involvera en kombination av bitmönstrade media.
  • I början av 2009 uppnådde Seagate 250 Gb per kvadrattum med HAMR. Detta var hälften av den densitet som uppnåddes via vinkelrät magnetisk registrering (PMR) vid den tiden.
  • Hårddisktekniken utvecklades snabbt och från och med januari 2012 hade stationära hårddiskar vanligtvis en kapacitet på 500 till 2000 gigabyte, medan hårddiskarna med största kapacitet var 4 terabyte. Redan 2000 insåg man att den då nuvarande teknologin för hårddiskar skulle ha begränsningar och att värmeassisterad inspelning var ett alternativ för att utöka lagringskapaciteten.
  • I mars 2012 blev Seagate den första hårddisktillverkaren att uppnå milstolpelagringstätheten på 1 terabit per kvadrattum med hjälp av HAMR-teknik.
  • I oktober 2012 meddelade TDK att de hade nått en lagringstäthet på 1,5 terabit per kvadrattum med HAMR. Detta motsvarar 2 TB per tallrik i en 3,5"-enhet.
  • November 2013 — Western Digital demonstrerar en fungerande HAMR-enhet, även om den ännu inte är redo för kommersiell försäljning, och Seagate sa att de förväntade sig att börja sälja HAMR-baserade enheter runt 2016.
  • I maj 2014 sa Seagate att de planerade att producera låga kvantiteter av hårddiskar med en kapacitet på 6 till 10 TB inom den "nära framtiden", men att detta skulle kräva "mycket tekniska investeringar som ni vet, det är också en hel del testinvesteringar" . Även om Seagate inte hade sagt att de nya hårddiskarna använde HAMR, spekulerade bit-tech.net att de skulle göra det. Seagate började leverera 8 TB-enheter runt juli 2014, men utan att säga hur den kapaciteten nåddes; extremetech.com spekulerade i att shingled magnetisk inspelning användes snarare än HAMR.
  • I oktober 2014 förutspådde TDK att HAMR-hårddiskar kunde släppas kommersiellt 2015, vilket inte blev verklighet.
  • Vid Intermag 2015-konferensen i Peking, Kina, från 11 maj till 15 maj rapporterade Seagate HAMR-inspelning med en plasmonisk närfältsgivare och höganisotropi granulärt FePt-medium vid en ytdensitet på 1,402 Tb/in².
  • I oktober 2014 uppgav TDK, som levererar hårddiskkomponenter till de stora hårddisktillverkarna, att HAMR-diskar upp till cirka 15 TB förmodligen skulle börja bli tillgängliga 2016, och att resultaten från en prototyp 10 000 rpm Seagate-hårddisk med en TDK HAMR-chefen föreslog att standarden på fem års hållbarhet som krävs av företagskunder också var möjlig.
  • I maj 2017 bekräftade Seagate att de förväntade sig att lansera HAMR-enheter kommersiellt "i slutet av 2018", och tillkännagivandet noterades av kommentatorer som första gången som Seagate hade förbundit sig till en sådan specifik tidsram för en HAMR-disklansering. Kommentatorer föreslog vid den tiden att en trolig kapacitet vid lanseringen kunde vara cirka 16 TB, även om specifika kapaciteter och modeller inte skulle vara kända förrän då.

  • Under december 2017 meddelade Seagate att HAMR-enheter hade genomgått förpilotförsök hos kunder under 2017 med över 40 000 HAMR-enheter och "miljoner" HAMR-läs-/skrivhuvuden som redan byggts, och tillverkningskapacitet var på plats för pilotvolymer under 2018 och en fullständig marknadslansering av "20 TB+" HAMR-enheter under 2019. De uppgav också att HAMR-utvecklingen hade uppnått 2 Tb per kvadrattums yttäthet (växande med 30 % per år under 9 år med ett "nära framtida" mål på 10 Tbpsi) , huvudtillförlitlighet på "över 2 PB ( petabyte )" per capita (motsvarande "över 35 PB under en 5-årig livslängd på en 12 TB-enhet", uppges vara "långt överstigande" för normal användning) och värmelaserkraft som krävs "under 200mW" (0,2 Watt ), mindre än 2,5 % av de 8 eller fler watt som vanligtvis används av en hårddiskmotor och dess huvudenhet. Vissa kommentatorer spekulerade på detta tillkännagivande, att HAMR-enheter också skulle kunna se introduktionen av flera ställdon på hårddiskar (för hastighetsändamål), eftersom denna utveckling också täcktes vid en liknande tidpunkt och även angavs förväntas i en liknande tidsskala.
  • Den 6 november 2018 rapporterades en uppdaterad färdkarta från Seagate som tydde på att 16 TB-enheter under 2018 kan vara enbart partner, med massproduktion relaterad till 20 TB-enheter 2020. Den 27 november uppgav Seagate dock att produktionsenheter var redan skickat och godkänt "nyckelkund"-tester, och försörjningskedjan existerade för volymproduktion, med 20 TB-enheter på utveckling under 2019 och 40 TB-enheter förväntade för 2023. Kort efter ovanstående tillkännagivande, den 4 december 2018, tillkännagav Seagate också att det genomförde slutlig testning och benchmarking av 16 TB HAMR-enheter avsedda för kommersiell lansering, varefter kunderna skulle bli ombedda att kvalificera dem (validera att de presterar tillfredsställande och bekräfta deras prestandadata) före allmän release, med 20 TB-enheter planerade till 2020. Seagate kommenterade att "Detta är samma test som kunder använder för att kvalificera varje ny enhet", och täcker strömförbrukning, läs- och skrivprestanda, korrekta svar på SCSI- och SATA -kommandon och andra tester. I början av december 2018 motsvarade dreven förväntningarna.
  • På Consumer Electronics Show (CES) i januari 2019 visade Seagate upp HAMR-teknik, som demonstrerade framgångsrika läs-/skrivuppgifter med hjälp av en "Exos"-enhet med ett genomskinligt fönster för att visa drivhuvudet i aktion.

  • I februari 2019 publicerade AnandTech en uppdatering om HAMR, med detaljerade produktlanseringsplaner. Enligt Seagate förväntades 16 TB enkelställdon HAMR-enheter lanseras kommersiellt under första halvåret 2019. De specificerades som "över 250 MB/sek, cirka 80 in-/utgångsoperationer per sekund (IOPS) och 5 IOPS per TB " (IOPS/TB är ett viktigt mått för näraliggande databutiker) , med en livslängd på 4 PB och en effekt som används under 12 W, jämförbar med befintliga högpresterande företagshårddiskar. Utöver det förväntades både 20 TB enkelställdon HAMR-enheter och företagets första HAMR-enheter med dubbla ställdon för 2020. (Dubbla ställdon förväntades för H2 2019, men skulle till en början använda befintlig vinkelrät magnetisk inspelning (PMR) snarare än HAMR : deras 2019 PMR-enheter med dubbla ställdon uppgavs nå ungefär dubbelt så mycket datahastighet och IOPS som enstaka ställdon: 480 MB/s, 169 IOPS, 11 IOPS/TB för en 14 TB PMR-enhet). Seagate beskrev också HAMR:s färdplan efter lanseringen: nästa generations teknik som möjliggör HAMR-enheter på upp till 24 TB testades internt med fungerande plattor som uppnådde 2.381 Tb/in 2 (3 TB per tallrik) och 10 Tb/in 2 i laboratoriet, och den tredje generationens produktionsenheter siktar på 5 Tb/in 2 (40 TB-enheter) till 2023.
  • I oktober 2019 misstänkte analytiker att HAMR skulle försenas kommersiellt till 2022, med 10-platters hårddiskar som använder vinkelrät inspelning (förväntas följas av SMR ( Shingled magnetic recording ) som används som en stopplösning.
  • Under ett samtal om investerarintäkter i april 2020 , sade Seagates vd David Mosley att efterfrågan stärktes av 2020 års Coronavirus-pandemi och att de förväntade sig att 20 TB HAMR-enheter skulle levereras i slutet av 2020.
  • I oktober 2020 bekräftade Seagate sin avsikt att börja leverera 20TB HAMR-enheter i december 2020, med ett mål på 50TB till 2026.

Termomagnetisk mönstring

En liknande teknik som värmeassisterad magnetisk inspelning som har använts mainstream annat än för magnetisk inspelning är termomagnetisk mönstring. Magnetisk koercitivitet är starkt beroende av temperaturen, och detta är den aspekt som har utforskats, med hjälp av laserstråle för att bestråla en permanentmagnetfilm för att sänka dess koercitivitet i närvaro av ett starkt yttre fält som har en magnetiseringsriktning motsatt den för permanentmagnetfilmen för att vända dess magnetisering. Sålunda producerar ett magnetiskt mönster av motsatta magnetiseringar som kan användas för olika tillämpningar.

Uppstart

Det finns olika sätt på vilka inställningen kan göras, men den bakomliggande principen är fortfarande densamma. En permanent magnetremsa avsätts på ett substrat av kisel eller glas, och detta bestrålas av en laserstråle genom en fördesignad mask. Masken är utformad speciellt för detta ändamål för att förhindra laserstrålen från att bestråla vissa delar på den magnetiska filmen. Detta görs i närvaro av ett mycket starkt magnetfält, som kan genereras av en Halbach-array . De områden som exponeras/bestrålas av laserstrålen upplever en minskning av sin koercitivitet på grund av uppvärmning av laserstrålen, och magnetiseringen av dessa delar kan enkelt vändas av det applicerade yttre fältet, vilket skapar de önskade mönstren

Fördelar

  • Kan användas för att göra många typer av mönster
  • Användbar för magnetisk inspelning, rutmönster för mikro- och nanoskala levitationsändamål
  • Billigt, eftersom lasern som används vanligtvis förbrukar låg ström
  • Kan enkelt implementeras
  • Kan användas för mycket fina detaljer beroende på vilken finess lasern används med

Nackdelar

  • Potentiell förlust av magnetisering (om temperaturen överstiger Curie-temperaturen )
  • Superparamagnetisk karaktär hos ferromagneter vid mycket liten storlek begränsar hur liten man kan bli
  • Gränsfrågor på grund av obestämda möjligheter vid omkastningskorsningen
  • Omkastningsdjupet är för närvarande begränsat
  • Inte för effektivt på kiselsubstrat eftersom kisel fungerar som en kylfläns (bättre på glassubstrat)
  • Restmagnetisering är ett problem på grund av djupet av reversering som begränsas av penetrationsdjupet för laserstrålen

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Heat-assisted_magnetic_recording&oldid=1137576194 "