Перпендикулярная запись, гибридные накопители и прочие технологии

В сентябре этого года жесткому диску исполнилось пятьдесят лет. Внушительный возраст! За полвека винчестеры эволюционировали из монстров размером с двухстворчатый шкаф, весом более тонны и емкостью 5 Мб в сверхвысокотехнологичные устройства, которые могут уместиться в 0.8-дюймовом форм-факторе или хранить до 1 Тб информации.

Направление эволюции

С момента появления первых жестких дисков и до недавних пор совершенствование винчестеров в основном двигалось в одном направлении – в сторону увеличения плотности записи просто методом масштабирования. Естественно, во время этого процесса с жесткими дисками происходило множество других технологических изменений, но все они носили скорее вторичный характер. Вполне возможно, эволюция протекала бы в подобном ключе и до сегодняшнего дня, однако в дело вмешалась сама природа, поставив на пути дальнейшего роста плотности записи так называемый эффект супермагнетизма.

Чтобы вникнуть в суть этого явления, для начала следует вспомнить, не вдаваясь в тонкости, каким образом данные хранятся на винчестере. Итак, магнитный слой диска состоит из несчетного количества областей-доменов диаметром несколько нанометров, в каждом из которых магнитные моменты атомов имеют одинаковое направление. Все домены можно сгруппировать в частицы так, чтобы в каждой группе содержалось порядка сотни находящихся рядом областей. Такая частица имеет ярко выраженный суммарный магнитный момент, который можно произвольно изменить, подействовав внешним магнитным полем. Если все направления векторов намагниченности разделить на две группы (вдоль движения считывающей головки и против), то окажется, что каждая частица способна хранить один бит информации. Таким образом, чем больше магнитных частиц можно втиснуть на один квадратный дюйм поверхности, тем большей окажется плотность записи. До определенного момента можно заниматься подобным масштабированием, не сталкиваясь ни с какими проблемами, однако постепенно сила влияния соседних доменов друг на друга (особенно это касается граничных областей для частиц с противоположно-направленными векторами намагниченности) возрастает до таких значений, что некоторые из доменов начинают самопроизвольно менять направление магнитного момента. В худшем случае действие этого эффекта начинает лавинообразно распространяться на все большее количество соседних частиц, а что происходит после такой революции с записанной информацией, думаем, несложно представить. Печальнее всего то, что поврежденные данные уже не удастся никоим образом восстановить. С проблемой стабильности производители столкнулись пару лет назад, в результате чего оказались в беспросветном технологическом тупике.

Конечно, можно пойти несколько другим путем, оставить на время сами блины в покое и просто увеличивать их количество внутри одного накопителя. Впрочем, так продолжаться долго не может – ведь, во-первых, есть жесткое ограничение форм-фактора, не одобряющее увеличение корпуса по толщине. А во-вторых, большое количество блинов неминуемо влечет за собой повышенное тепловыделение, что уж точно ни к чему. Считается, что оптимальным количеством блинов является один или два, однако в погоне за рекордной емкостью в некоторые модели десктопных 3.5-дюймовых винчестеров умудряются втискивать до пяти пластин. В ноутбучные 2.5-дюймовые жесткие диски, правда, больше двух блинов не влезает, столько же удается разместить и внутри 1.8” винчестеров, используемых для всякой портативной электроники и бытовой техники. Самые компактные форм-факторы 1” и 0.8” предусматривают наличие всего одной пластины, ведь больше просто не получится впихнуть в корпус, толщина которого составляет всего 4-5 мм. Кстати, есть и другой вариант – разместить под одной оболочкой два и более независимых жестких диска, которые могли бы работать параллельно. Но такую систему будет совсем непросто собрать даже внутри 3.5-дюймового корпуса, да и сомнительно, что это будет экономически оправданным для домашних компьютеров.

Как видишь, остается единственный выход – разрабатывать новую технологию, способную обеспечить большую плотность записи.

Технология перпендикулярной записи

Как и многие другие гениальные идеи, основы технологии перпендикулярной записи были разработаны много лет назад, задолго до того, как ими заинтересовались как коммерческим продуктом. Первые эксперименты проводились вообще более ста лет назад, и только в 1976 году исследования были возобновлены и перпендикулярную запись стали рассматривать как возможного преемника продольной. Основное различие в технологиях состоит в том, что при перпендикулярной записи магнитные частицы выстроены под прямым углом к поверхности диска. Чтобы нагляднее представить себе эту картину, каждую частицу можно условно считать магнитиком в форме костяшки домино. Их можно укладывать друг за другом двумя способами – либо плашмя, либо поставив на ребро. Соответственно, первый вариант символизирует продольную запись, а второй – перпендикулярную. А заодно сразу становится понятно, почему вторым способом обеспечивается большая плотность. Конечно, для внедрения новой технологии потребовалось не только полностью переделать конструкцию магнитной головки, но и подобрать совершенно новый многослойный материал для изготовления пластин.

Будущее перпендикулярной записи

На сегодняшний день технология перпендикулярной записи пока лишь набирает обороты. Существенных затруднений на пути дальнейшего повышения плотности записи данных в ближайшие годы не предвидится, и производители крайне довольны таким ходом событий. Крупнейшие компании планируют в скором времени полностью перейти на перпендикулярную запись, отправив устаревшую «продольную» технологию на свалку истории. Рекорд плотности для нового типа записи составляет уже 245 Гбит на квадратный дюйм, правда, его смогли достигнуть лишь в Seagate, причем только в лабораторных условиях, хотя, по большому счету, нет никаких видимых препятствий для создания коммерческих продуктов. Конечно, сегодняшние жесткие диски с перпендикулярной записью оснащаются блинами с меньшей плотностью записи. В частности, первый серийный «перпендикулярный» винчестер Seagate Momentus 5400.3, выполненный в форм-факторе 2.5”, может похвастаться плотностью записи «всего-то» 130 Гбит на квадратный дюйм, однако при этом емкость накопителя составляет целых 160 Гбайт, а остальные характеристики ничем не уступают лучшим представителям винчестеров с продольной записью. Ожидается, что к 2010 году плотность для перпендикулярной записи достигнет 500 Гбит на квадратный дюйм, и это, вероятно, станет пределом для существующей технологии, после которого вновь появится риск возникновения супермагнитного эффекта.

Несмотря на то, что перпендикулярная запись обладает отличными перспективами, и, возможно, даже прогноз на 500-гигабитный предел окажется слишком пессимистичным, и этот показатель удастся приблизить к 1 Тбит на квадратный дюйм, инженеры все равно не собираются спокойно дожидаться столкновения с очередным супермагнитным пределом, активно работая над созданием новых технологий и совершенствованием существующих.

Скорее всего, следующим шагом на пути эволюции жестких дисков станет введение технологии HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording), которая представляет собой улучшенный способ перпендикулярной записи. Отличие заключается в том, что перед записью требуемый участок будет нагреваться до температуры порядка ста градусов при помощи лазера (в течение одной пикосекунды). Такой простой на первый взгляд прием позволит заметно повысить стабильность магнитных частиц, а следовательно и увеличить плотность записи (как минимум до 1 Тбит на квадратный дюйм). Однако для реализации подобного механизма на практике придется разобраться с целым перечнем сопутствующих проблем. В первую очередь потребуется полностью переделать конструкцию головки (вероятно, даже установить две отдельные головки), а также подобрать принципиально новый сплав для блинов. Кроме того, современные шустрые винчестеры и без лазерного подогрева начинают испытывать ощутимые проблемы с тепловыделением, так что без введения специального механизма охлаждения вряд ли удастся обойтись. В любом случае, появления HAMR не стоит ожидать раньше 2010 года, а к тому времени технология явно успеет претерпеть немало изменений.

Перспективные технологии

Что будет с жесткими дисками лет через десять-пятнадцать, пока сложно прогнозировать, тем более если еще учитывать грядущую конкуренцию с флэш-накопителями… Впрочем, к этому вопросу мы еще вернемся, а пока рассмотрим пару технологий, которые в будущем могут лечь в основу идеального жесткого диска.

В принципе, современные технологии производства жестких дисков крайне нерационально используют возможности магнитных материалов, так как для хранения одного бита информации задействуется до сотни ячеек, каждая из которых лишь вносит свой вклад в суммарный магнитный момент. Все было бы совершенно иначе, если бы с каждой ячейки можно было считывать свой бит информации, это позволило бы сразу увеличить плотность записи в десятки раз. Однако для этого необходимо, чтобы магнитный материал имел строго организованную «ячеистую» структуру. Увы, используемые сегодня материалы этим свойством обделены. По большому счету, подобный материал можно просто-напросто создать методом литографии, только вот толку от него никакого не будет. Проблема в том, что новую технологию производства жестких дисков целесообразно разрабатывать, если плотность записи обещает быть, допустим, 1 Тбит на квадратный дюйм или выше, а чтобы добиться похожих результатов с помощью литографии, потребуется по приблизительным подсчетам 12 нм техпроцесс. К сожалению, ничего близкого даже на горизонте не видно, и когда технология производства сможет подобраться к данному значению, одному Богу известно. Впрочем, не все потеряно, так как вместо того, чтобы создавать требуемый материал искусственно, можно попытаться подобрать сплав, который просто по своей природе обладал бы так называемой самоорганизующейся структурой. Такие материалы выделены в отельную группу SOMA (Self-Ordered Magnetic Array), которая, естественно, представляет колоссальный интерес для компаний, производящих жесткие диски. В частности, в Seagate могут гордиться тем, что нашли один из похожих материалов (сплав железа и платины после особой обработки), диаметр ячейки у него составляет всего 2.4 нм. Теоретически максимальная плотность записи с использованием этого материала может оказаться порядка 50 Тбит на квадратный дюйм! Правда, пока все это только теоретически.

В исследовательских лабораториях рассматриваются и другие варианты замены классическому жесткому диску. В частности, были предложения даже отказаться от вращающихся блинов и сменить их форму на квадратную. Впрочем, все эти проекты выглядят на сегодня слишком фантастическими, чтобы говорить о них всерьез.

Гибридные и твердотельные

В последние годы в IT-сфере активно обсуждается вопрос: «Не пора ли жестким дискам на пенсию?». И в качества главного аргумента в пользу «пора» используется то, что основной конкурент – флэш-память – стремительно дешевеет и по многим важным характеристикам превосходит любые винчестеры.

Действительно, у накопителей на основе жестких дисков есть целый ряд неоспоримых недостатков, которые вряд ли удастся устранить в рамках существующей технологии. Во-первых, винчестеры потребляют на порядок больше электроэнергии, и даже никакие хитроумные программы энергосбережения не смогут приблизить их по этому параметру к флэшу. Во-вторых, жестким дискам требуется некоторое время на раскручивание блинов, что порядком замедляет загрузку компьютера. Также винчестеры проигрывают флэш-память по таким параметрам, как время реакции и количество запросов в секунду.

Другой недостаток жестких дисков заключается в их относительной хрупкости. Если в выключенном состоянии винчестер еще в состоянии выдержать достаточно сильный удар (читай, падение с высоты нескольких метров), то тот же самый трюк во время работы, скорее всего, станет для жесткого диска последним в его жизни. Чтобы несколько смягчить последствия неудачного приземления, в современных ноутбуках стали устанавливать специальные сенсоры падения. Они способны за считанные доли секунды определить, что ноут оказался в состоянии свободного полета, и перед тем как он поцелуется с кафельным полом, дать команду жесткому диску запарковать головку. Это существенно повышает шансы избежать механических повреждений внутри накопителя и сохранить информацию в целости и сохранности, однако не решает проблему в целом. Кроме того, помимо падений, винчестеры не испытывают особой радости и от постоянной тряски. В обычных условиях, например, при ходьбе, для плеера или ноутбука это не столь критично, однако если жесткий диск необходимо установить, допустим, в автомобиль (не смейся – это хит сезона!), то постоянные вибрации от неровностей дороги угробят винчестер на порядок быстрее. Правда, данный эффект удалось скомпенсировать ценой установки продвинутой системы гашения вибрацией, но это касается лишь специализированных винчестеров, выпускаемых, например, Hitachi. Но, в любом случае, наличие механических частей явно не играет на пользу прочности. Тот же флэш при наличии крепкого корпуса может стать вообще неубиваемым, и уж тем более ему все равно, будет ли происходить удар во время операции записи/чтения или же в выключенном состоянии.

Впрочем, если вернуться к начальному вопросу, про отправку жесткого диска на пенсию, то и у выступающих за «не пора» есть также немало аргументов в свою защиту. Прежде всего, на стороне жестких дисков остается одно из важнейших преимущества – цена гигабайта информации. Сколько будет стоить терабайтная флэшка, даже страшно подумать, в то время как терабайт пространства HDD слегка перевалит за $500 (розничная цена двух винчестеров на 500 Гбайт каждый). К тому же у флэш-памяти есть свои фирменные проблемы, вроде сравнительно невысокого количества циклов перезаписи, далеко не эталонной скорости записи и некоторых других недостатков. Кроме того, на сегодняшний день на рынке бытовой электроники, где, казалось бы, флэш должен постепенно вытеснять жесткие диски, наблюдается совершенно противоположная картина – именно винчестеры отвоевывают все большую часть рынка. А происходит это за счет того, что все больше портативных девайсов (видеокамеры, смартфоны, КПК, аудио/видеоплееры) стали оснащаться миниатюрными жесткими дисками, которые могут предложить в разы большие объемы, чем флэш той же цены.

Однако мы несколько отошли от компьютерной индустрии, где как раз позиции флэша выглядят куда предпочтительнее. Начнем с того, что компания Samsung недавно представила первые полноценные твердотельные (они же SSD или Solid State Disk) жесткие диски, выполненные в классических форм-факторах (1.8” и 2.5”) и оборудованные стандартным ATA-интерфейсом. Они несут на борту 4, 8 или 16 Гбайт флэш-памяти типа NAND. Стоит заметить, что производители обещают скорость чтения на уровне 57 Мб/сек, а записи – 32 Мб/сек, что вполне сравнимо с показателями лучших «магнитных» винчестеров. Ожидается, что новые SSD-винчестеры займут место в дорогих ноутбуках и прочей передовой электронике, причем первые представители должны будут появиться в продаже уже в ближайшие месяцы. Кстати, учитывая последние достижения Samsung в области разработки OneNAND-памяти, которая теперь производится по 60 нм техпроцессу, твердотельные винчестеры смотрятся все заманчивее: новые чипы памяти обладают емкостью 2 Гб, скоростью чтения 108 Мб/сек, а записи – 17 Мб/сек (это совсем немало, так как при установке нескольких чипов скорость записи суммируется). Конечно, SSD-винчестеры не способны никоим образом конкурировать с классическими жесткими дисками по емкости, поэтому их вряд ли можно рассматривать как полноценную альтернативу в следующие несколько лет.

Совершенно другое дело – так называемые гибридные жесткие диски, которые совмещают в себе и магнитные блины, и флэш-память. Конечно, по существу они представляют собой самые обыкновенные жесткие диски, просто с колоссальным кэшем, однако этот самый кэш дает гибридному винчестеру огромные преимущества. С ним у накопителя резко понижается энергопотребление (чуть ли не на 50%), ускоряется загрузка операционной системы и популярных приложений (одним словом, повышается производительность системы), продлевается срок службы и так далее. К сожалению, почувствовать все преимущества новой технологии можно будет не раньше января следующего года, когда может, наконец-таки, появится на свет Windows Vista, которая и будет оптимизирована на работу с гибридными дисками. Распоряжаться флэш-памятью операционная система будет достаточно просто: в нее просто будут кэшироваться наиболее часто используемые данные, а также копироваться информация, необходимая для загрузки системы или выхода из спящего режима, что, собственно, и позволит добиться всех вышеуказанных преимуществ. Подобный жесткий диск уже выпустила компания Seagate – модель Momentus 5400 PSD, емкостью 160 Гб плюс 128 или 256 Мб NAND-флэша. Кстати, популярности гибридных дисков способствует тот факт, что сборщику компьютеров для получения заветного логотипа Microsoft «Vista Premium Ready» потребуется помимо соблюдения внушительного списка других обязательных условий наличие гибридного накопителя, содержащего как минимум 50 Мб флэш-памяти. Кроме того, твердотельным жестким дискам, видимо, первое время будет чаще отводиться роль внешнего кэша для обычного винчестера, чем самостоятельного накопителя.

Непрерывная эволюция

Помимо прорывов в плотности хранения данных, винчестеры продолжают непрерывно развиваться и в других направлениях. Внедряются системы сбережения электроэнергии, устанавливаются новые моторы с пониженным шумом, появляются даже экзотические модели, например, с поддержкой сверхнадежного аппаратного шифрования, совершенствуются интерфейсы, планируется в том числе частично отказаться от проводов, использовав UWB… В общем, слухи о том, что винчестерам пора на покой, явно преувеличены, и в ближайшие годы они так и будут основным хранилищем информации в компьютере.

У твердотельных жестких дисков есть еще одно важное преимущество – они работают абсолютно бесшумно. Теперь, если отказаться от оптического привода, можно собрать систему с нулевым уровнем шума.

Давняя мечта – терабайтный жесткий диск, наконец, воплощена, и благодарить за это надо корпорацию Hitachi.

Среди серьезных игроков на рынке жестких дисков не так давно произошли заметные перестановки: Seagate поглотил Maxtor, а Hitachi перекупил бизнес у IBM.

Для винчестеров микроскопических форм-факторов недавно был введен новый интерфейс со сверхкомпактным разъемом, названный CE-ATA.

Рекордным объемом для аудиоплееров на основе флэш-памяти является 8 Гб – маловато, чтобы тягаться с HDD-плеерами.

С учетом постоянного роста запросов к емкости накопителей прогнозируется, что скоро войдут в моду компактные внешние системы хранения данных, содержащие в себе порядка четырех жестких дисков.

Материал на странице >>>