Полтора петабита на квадратный сантиметр

Автор: Олег Нечай

Опубликовано 14 мая 2010 года

В начале мая учёные из компании Hitachi Global Storage Technologies опубликовали в научном журнале Nature Photonics статью, в которой предложили способ увеличить плотность записи на магнитных жёстких дисках до 1 терабита на квадратный дюйм или до 1,5 петабита на квадратный сантиметр.

Жёсткие диски – одни из самых старых устройств постоянной компьютерной памяти: датой их рождения считается 4 сентября 1956 года, когда компания IBM выпустила первую систему магнитной дисковой памяти IBM 350, состоящую из 50 магнитных дисков и внешне похожую на большой шкаф.

За более чем полувека винчестеры превратились в компактные коробочки, конструкция их многократно совершенствовалась, тем не менее на сегодняшний день они остаются основным устройством дисковой памяти практически в любых компьютерных системах. Перспективные твёрдотельные SSD-накопители (подробнее о них можно прочитать здесь) пока не могут конкурировать с традиционными "хардами" по главному параметру – стоимости хранения данных.

В первых персональных компьютерах вообще не было винчестеров – эти накопители стоили немыслимых денег, а их ёмкость составляла всего 10-20 мегабайт. Современные "винты" можно считать самым дешёвым носителем для хранения данных в пересчёте на мегабайт: за 3,5-дюймовый "настольный" накопитель средней по сегодняшним меркам ёмкостью 750 Гбайт просят порядка 2000 рублей. При этом максимальная вместимость серийных жёстких дисков достигла 2 Тбайт, а розничные цены на такие винчестеры начинаются примерно с 4800 рублей.

Тем не менее, всё последнее десятилетие, когда на мир обрушился огромный поток информации и появились новые аудиовизуальные форматы, инженеры решают главную проблему: как ещё больше увеличить ёмкость винчестера, сохранив его главные достоинства – надёжность и доступную цену. Однако фактически единственным крупным достижением с начала века стало внедрение в 2005 году технологии перпендикулярной записи, которая позволила повысить плотность записи до 60 Гбит/см? по сравнению с 23 Гбит/см², обеспечиваемой традиционным параллельным методом.

Учёные предлагают самые фантастические способы хранения данных вроде голографической или молекулярной записи на полимеры, но все они требуют кардинального изменения технологии и резко удорожают производство. На фоне таких предложений относительной простотой внедрения выделяются методы тепловой магнитной записи (или термоассистируемой магнитной записи, Thermally-Assisted Recording, TAR) и записи в ограниченные участки (Bit-Patterned Recording, BPR).

В этих двух способах по-разному преодолевается главное препятствие дальнейшему "уплотнению" записываемых данных – так называемое явление суперпарамагнетизма. Дело в том, что при последовательном уменьшении намагничиваемых частиц снижается и энергетический барьер, необходимый для смены их заряда. В результате частицы становятся крайне нестабильными и достаточно минимальной энергии – например, тепла от проносящейся рядом головки, – чтобы получить массив хаотически заряженных частиц, что означает полное уничтожение записанных ранее данных.

Метод тепловой магнитной записи (TAR) предполагает запись с подогревом и последующим охлаждением носителя. При этом он должен быть изготовлен из материала, устойчивого к перемагничиванию при обычной температуре, и иметь мелкозернистую поверхность. Правильное сочетание температуры, материала и расстояния между записываемыми битами позволяет избежать проявлений суперпарамагнетизма. Кроме того, предварительный подогрев позволяет быстрее намагничивать участки носителя, повышая в конечном счёте скорость записи.

В технологии записи в ограниченные участки (BPR) предусмотрено создание при помощи литографии изолированных друг от друга "магнитных островов" на поверхности диска. Каждая единица информации как бы помещается внутрь высокого "забора", который невозможно преодолеть как снаружи, так и изнутри. К сожалению, хоть эти методы и способны повысить плотность записи примерно до 150 Гбит/см², оба упираются в технологические ограничения. В случае с TAR необходимо строго контролировать нагреваемую площадь, для чего, помимо прочего, требуется специальное мелкозернистое покрытие и материал, способный выдерживать достаточное число циклов нагрева и охлаждения. Для реализации технологии BPR необходима головка, размеры которой в точности соответствуют размерам "магнитных островов".

Учёные из Hitachi Global Storage Technologies нашли способ объединить достоинства этих двух технологий и свести к минимуму недостатки. Благодаря "магнитным островам" пропала необходимость в дорогостоящем мелкозернистом покрытии, а благодаря технологии нагрева строго определённой площади отпала нужда в прецизионных размерах пишущей головки.

В построенном учёными прототипе применяется луч лазера, направляемый по волноводу к плазмонной антенне, в которой свет преобразуется в заряд, осуществляющий саму запись. Антенна выполнена в форме буквы "Е", у которой верхняя и нижняя перекладины выполняют функции заземления, а средняя – функцию разрядника, концентрирующего заряд на небольшой площади поверхности носителя. При длине разрядника 20-25 нм и расстоянии между дорожками записи 24 нм диаметр пятна записи, не влияющего на соседние данные, составляет всего 15 нм. При передаче через волновод на антенну пришло порядка 40% начальной энергии, однако частота ошибок оказалась несущественной, а экспериментальная скорость записи достигла 250 Мбит/с.

В результате лабораторных испытаний была достигнута плотность записи до 1,5 Пбит/см², при этом разработчики предполагают, что их метод позволит добиться в десять раз более высокой плотности магнитной записи данных.

Если разработанная в Hitachi GST технология дойдёт до производства, то мы будем с таким же снисхождением смотреть на современные винчестеры, с каким мы смотрим на 10-мегабайтные винты, ёмкость которых ещё четверь века назад казалась гигантской. Интересно, а смогут ли тогда догнать их по ёмкости твёрдотельные SSD-накопители?

Примечание: 1 Пбит = 1024 Тбит = 104876 Гбит = 128 Тбайт = 131072 Гбайт