Kam kráča vývoj pevných diskov?

Žijeme v digitálnej dobe. Objem dát vytváraných v on-line priestore i v domácich podmienkach každým rokom narastá a hlad po čoraz väčších diskoch neutícha. Dáta skrátka treba niekam ukladať a vývoj úložísk musí napredovať. Zatiaľ čo v predchádzajúcom vydaní PC REVUE sme sa venovali budúcemu vývoju SSD, v tomto čísle sa dostanú na rad technológie používané v pevných diskoch. Kam smerujú HDD a ako to s nimi bude v najbližších rokoch?

Analytická spoločnosť IDC uverejnila v minulom roku zaujímavú štúdiu, kde odhadla celkové množstvo dát, ktoré ľudia ročne produkujú či už podnikovej sfére, alebo v rámci domácností a on-line činnosti. Na základe množstva informácií z predaja zariadení a on-line obsahu zistila, že zatiaľ čo v roku 2010 ľudstvo produkovalo približne jeden zetabajt dát (teda bilión terabajtov) ročne, v roku 2012 to už bolo 2,5 ZB a v minulom roku 3,8 ZB.

V tomto roku vytváranie digitálnych dát pravdepodobne prekročí 5 ZB a v roku 2015 narastie na 8 ZB. Znamená to, že objem vytváraných dát sa za päť rokov osemnásobne zvýši. Tieto dáta treba, samozrejme, niekam ukladať, pričom najpoužívanejšie médium sú práve pevné disky s magnetickým zápisom. Aj keď predaje SSD rastú raketovým tempom (v roku 2013 zaznamenali nárast o 83 % oproti roku 2012), z hľadiska celkových predajov tvorí ich počet oproti HDD približne desatinu. V reálnych číslach je to 57 miliónov predaných kusov oproti 552 miliónom. Pomer ceny za GB je dôležitý faktor a asi netreba pripomínať, že značný podiel na predajoch majú obrovské dátové centrá spoločností, ako je napríklad Google a Facebook. Podľa odhadov rôznych analytických spoločností by SSD mohli dosiahnuť tretinu predajov HDD v roku 2017.

Aká bude rola HDD z hľadiska domácností v najbližších rokoch? Pokiaľ ide o notebooky a stolové počítače, ich situácia je stále silná. Na výkonných desktopoch má síce SSD stabilnú pozícii v úlohe systémového disku, ale o dátové úložisko sa stará nízkootáčkový pevný disk. Do notebookov sú SSD osadzované čoraz viac, ale v drvivej väčšine modelov sú z dôvodu ceny stále HDD. Pozornosť si zasluhujú hybridné disky, ktoré pozostávajú z HDD osadeného doplnkovou pamäťou SSD a tvoria tak dobrý kompromis z hľadiska kapacity, ceny a výkonu.

V horizonte najbližších rokov môžeme v oblasti notebookov očakávať, že rýdze HDD ustúpia a zariadenia budú mať buď SSD, alebo hybridný disk. To však neznamená, že zmizne zvyčajná prax majiteľov notebookov, ktorí si kupujú externý pevný disk z dôvodu rozšírenia kapacity alebo na zálohy. V dnešnej dobe, keď má jedna rodina niekoľko notebookov, smartfónov a tabletov, naberajú na popularite aj NAS, teda sieťové úložiská, ktoré poskytujú veľkú kapacitu pre všetky inteligentné zariadenia v domácnosti. Dva alebo viac pevných diskov tak poskytuje prostredníctvom NAS terabajtové kapacity pre všetkých členov rodiny, pričom sú multimediálne dáta dostupné napríklad aj v rámci moderného televízora.

Súčasná situácia na trhu pevných diskov

V súčasnosti na trhu s pevnými diskami nájdeme z hľadiska technológií len troch výrobcov. Ide o Western Digital, Seagate a Toshibu. Podobne ako v prípade výrobcov NAND pre SSD ani tu netreba zamieňať skutočných výrobcov, ktorí ťahajú vývoj dopredu, s jednoduchými zostavovateľmi koncových produktov.

Typický príklad je spoločnosť A-DATA, od ktorej si môžete SSD alebo externý HDD kúpiť, ale ona sama tieto technológie neprodukuje. V prípade SSD nakúpi čipy a radiče od iných spoločností, zatiaľ čo v prípade HDD zas kompletný produkt iného výrobcu, ktorý len osadzuje do svojho prenosného boxu. V minulosti bolo natívnych výrobcov pevných diskov viac, v živej pamäti máte pravdepodobne ešte disky od Hitachi (pôvodná trhová trojka) a Samsungu (pôvodná trhová štvorka).

V posledných rokoch sme však videli zredukovanie stavu najsilnejšími hráčmi. V marci roku 2011 kúpil Western Digital diskovú divíziu Hitachi a v decembri toho istého roku kúpil Seagate zas diskovú divíziu Samsungu. Oba diskové giganty tak svoju pozíciu ešte posilnili, pričom v roku 2012 každý z nich obsadil 43 % trhu. Zostávajúcich 14 % patrilo Toshibe, ktorá už dlhodobo vyrába prakticky výhradne 2,5" disky.

V priebehu minulého roka sa však pomer síl trochu zmenil a bude zaujímavé sledovať, či bude tento trend pokračovať. Podiel Seagatu totiž v roku 2013 klesol najprv na 41 % a na jeho konci až na 40 %, zatiaľ čo podiel Western Digital narástol za rovnaké obdobie na 45 %. Druhý menovaný výrobca sa tak vyhupol do pozície svetovej jednotky. Podiel jasne tretej Toshiby je v súčasnosti 15 %.

Zaujímavé je, že Toshiba dnes vlastní časť aktív diskovej divízie Hitachi. Akvizícia, ktorú vykonal Western Digital v roku 2011, sa totiž stretla s odporom Federálnej obchodnej komisie USA, Európskej komisie a čínskeho ministerstva obchodu, ktoré sa svorne obávali vzniku silného duopolu. Nariadili teda spoločnosti Western Digital, aby predala Toshibe aktíva na výrobu a predaj 3,5" diskov patriacich Hitachi, a to vrátane pôvodných výrobných závodov. Divízia Hitachi navyše ešte dva nasledujúce roky (2012 a 2013) musela podľa nariadení operovať nezávisle (i keď ako súčasť WD).

Práve z tohto dôvodu sme v posledných dvoch rokoch mohli vidieť na trhu ešte aj zopár diskov od tejto spoločnosti. To, či 3,5" výrobná časť prinesie rozšírenie podielu Toshiby, je otázne. Western DIgital však získal od Hitachi to najdôležitejšie - patenty a vývojové oddelenia.

Pevné disky by si mali zachovať rovnakú mieru rastu kapacity ako NAND. V tomto roku sa dostáva k slovu SMR, v roku 2016 HAMR a v roku 2020 je naplánované doplnenie o technológiu vzorkovania (BPM).

Z hľadiska technológie sa vývoj pevných diskov posúva dopredu predovšetkým zvyšovaním hustoty zápisu. Podobne ako sme sa v predchádzajúcom článku o SSD venovali snahám o vyrobenie čo najmenších tranzistorov, v prípade HDD ide o úsilie vyrobiť čo najmenšie regióny z feromagnetických zrniečok, ktoré slúžia na uloženie bitovej hodnoty.

V roku 2005, keď zmenšovanie vodorovne kladených regiónov dosiahlo svoje hranice, prešlo odvetvie na technológiu tzv. kolmého magnetického zápisu (PMR - Perpendicular Magnetic Recording). Pri nej sú regióny postavené kolmo, čo si vyžadovalo veľký pokrok v čítacích a zapisovacích hlavách. Dĺžka regiónov tak mohla zostať rovnaká (zmenila sa na výšku) a technologický posun začal zaobstarávať pokrok v zužovaní ich pôvodnej výšky (tá sa zmenila zas na šírku).

Kým v roku 2005 hustota dát na platni dosahovala 120 gigabitov na štvorcový palec, čo umožňovalo výrobu 200 GB diskových platní (100 GB z každej strany), v roku 2009 sa hranica posunula na 300 gigabitov na palec a 500 GB platne (4 platne na 2 TB disk), v roku 2010 na 400 gigabitov na palec a 667 GB platne (3 platne na 2 TB disk) a v roku 2011 na 500 gigabitov na palec a 800 GB platne. Prototypy týchto riešení boli oznámené, pochopiteľne, o niečo skôr.

Na prelome rokov 2011 a 2012 sa na trhu začali objavovať disky s 1 TB platňami a s hustotou 625 gigabitov na štvorcový palec, čo umožnilo zostavovanie aj štvorplatňových pevných diskov s kapacitou 4 TB. A potom? Potom už len ticho. Po prvýkrát za posledné dekády sa stalo, že za celé dva roky neprišiel žiadny postup v zvyšovaní hustoty zápisu pevných diskov. Technológii kolmého zápisu skrátka došiel dych.

Čo spôsobuje prešľapovanie na mieste?

To, že technológia kolmého zápisu sa nedá používať donekonečna, samozrejme, nikoho neprekvapilo. Každá technológia má svoj čas a miesto a skôr či neskôr ju treba nahradiť novou. Už pred rokom 2004, keď došiel dych pozdĺžnemu magnetickému zápisu, sa odhadovalo, že možnosti novej metódy vertikálneho magnetického zápisu sa skončia niekde medzi hustotou 500 až 1000 gigabitov na štvorcový palec.

Vzhľadom na to, že už dva roky sme sa nepohli z hranice 625 gigabitov na štvorcový palec, dnes už zrejme poznáme presnú hodnotu. Problém, ktorý vzniká pri zvyšovaní hustoty magnetického zápisu, je známy ako superparamagnetizmus. Tento jav bol z hľadiska vedy identifikovaný po prvýkrát v roku 1990 a vývojári pevných diskov naň narazili začiatkom 21. storočia. Na diskovej platni sú dáta uložené v podobe regiónov zložených zo skupín zrniek feromagnetického materiálu.

Takáto skupinka zrniek sa magnetizuje zapisovacou hlavou, pričom ich magnetická orientácia určuje to, či má región hodnotu 0 alebo 1. Na to, aby bol región z fyzikálneho hľadiska stabilný, musí obsahovať približne 100 zŕn. Hustota sa dlhý čas zvyšovala tak, že sa vyvíjali čoraz lepšie postupy na zmenšenie zŕn. Pretože čím menšie zrnká máte, tým menšie regióny, a teda hustejší zápis dát môžete dosiahnuť. V čase prvej konfrontácie so superparamagnetizmom vývoj došiel až na zrná veľkosti 7 až 8 nanometrov.

V tomto období sa používal pozdĺžny magnetický zápis s hustotou 120 gigabitov na štvorcový palec (200 GB platne) a regióny boli na platni položené naležato vo veľkosti približne 200 nanometrov. Pri ďalšom zmenšovaní sa začal objavovať superparamagnetizmus, pri ktorom zrnká začali bez vonkajšieho vplyvu magnetického poľa (zapisovacej hlavy) samovoľne meniť svoju magnetickú orientáciu vplyvom malých výkyvov teplôt.

Následkom toho sa zničí dátová hodnota, pretože môže náhodne preskočiť z 0 na 1 a naopak. Riešením sa stal vertikálny magnetický zápis, čo si vyžadovalo technologický skok v konštrukcii čítacích a zapisovacích hláv a takisto v konštrukcii platní. Regióny sa teda prestali zmenšovať pomocou stále menších zrniek, namiesto toho sa začali zrnká zoskupovať vertikálne, čím sa pôvodná šírka regiónu stala výškou (pozri obrázok).

Schematické znázornenie zapisovacej a čítacej hlavy súčasného kolmého zápisu a hlavy budúceho zápisu s tepelnou asistenciou

Zjednodušene, ale zato veľmi názorne si môžeme predstaviť celý proces tak, že limitom sa stala „placka" z feromagnetických zŕn šírky 200 nm. Keďže už menšia „placka" sa z dôvodu limitu veľkosti zŕn vyrobiť nedala, začalo sa zmenšovať kopením zŕn na seba. Zvýšenie hustoty zápisu sa teda nedosiahlo zmenšením 200 nm „placky" na 150 nm, ale nahrnutím rovnako veľkých zŕn do 150 nm „kôpky" vysokej 50 nm (rozmery sú len ilustračné).

Ak ste chceli ďalšie zmenšenie, pokrokom v technológii ste zmenili šírku kôpky napríklad na 100 nm pri výške 100 nm. Čím boli kôpky užšie, tým viac sa ich na horizontálnu platňu disku zmestilo a tým vyššia kapacita sa dosiahla. Ak pokračujete ďalej, dostanete sa k 50 nm kôpkam vysokým 150 nm a napokon k celkom pôvodným plackám vysokým 200 nm, ktoré sú umiestnené zvislo. A tu vás opäť uvíta superparamagnetizmus. Disky tak vďaka horizontálnej technológii postupne zvýšili hustotu zápisu zo 120 na 625 gigabitov na štvorcový palec (skok z 200 GB platní na 1 TB), ale napokon ich opäť uvítal starý známy nepriateľ.

Situácia, samozrejme, nebola presne taká ako v našom zjednodušenom príklade a vo vývojových laboratóriách sa testovali aj platne s hustotou 700 a 800 gigabitov na štvorcový palec. Tie sa však nedokázali transformovať do úspešnej sériovej výroby za prijateľnú cenu. Obrovské technologické výzvy, ktoré vyplývajú zo zmenšovania kľúčových súčastí technológií, nie sú len v rámci pevných diskov. Z nášho predošlého článku o SSD už viete, že ťažké hlavy majú aj výrobcovia NAND flash, ktorí v najbližších rokoch začnú riešiť obrovský problém zmenšovania pod 15 nm hranice, a v súčasnosti vidíme presmerovanie vývoja do vertikálny NAND, pri ktorých sa nezmenšené bunky ukladajú horizontálne.

Len ťažko by sme mohli očakávať, že vývojári pevných diskov iba naivne čerpali z možností vertikálneho zápisu, pokiaľ sa len dalo, a v momente, keď narazili na dno, sa začali na seba prekvapene pozerať. Nástupca vertikálneho zápisu je už dlhé roky známy a podobne ako každá nová technológia aj ona prechádza zdĺhavým a náročným vývojom (inak to nebolo ani pri vývoji vertikálneho zápisu). Ide o HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording), čo je technológia magnetického zápisu s tepelnou asistenciou.

O tej sa už hovorí dlhé roky a do jej vývoja sa investuje značné úsilie. Nepríjemné je to, ak nie je nová technológia pripravená skôr, než sa tá predošlá úplne vyčerpá a nedá sa už posúvať ďalej. Podľa súčasných predpovedí to vyzerá tak, že HAMR by mal byť pripravený niekedy v roku 2016. K detailom o jeho vývoji sa ešte dostaneme, ale to, čo výrobcovia musia riešiť, je medzera, ktorá trvá už dva roky a potrvá pravdepodobne ešte ďalšie dva. Potrebujú teda vhodný medzičlánok, ktorým túto medzeru vyplnia.

Ako rozhýbať stojace vody

Existuje niekoľko rôznych riešení a postupov, ktoré výrobcovia uplatnili alebo chcú uplatniť do nástupu hlavnej technológie budúcej generácie HDD. Ich cieľom pritom nie je priniesť metódu, ktorá umožní zmenšovanie zas na niekoľko rokov (to je účel budúceho HAMR), ale práve posunúť vývoj o jeden či dva stupienky ďalej, aby odvetvie nestálo na mieste.

Celkový obraz je totiž značne väčší, než ho vnímajú bežní používatelia, pričom na vývoj a situáciu na trhu má obrovský vplyv podnikový sektor. Zastať na dlhé roky si žiadna technológia úložísk nemôže dovoliť, pretože sa nad ňou začnú zavierať kliešte rozovreté medzi rýchlejšími, ale drahšími technológiami a pomalšími, ale zato lacnejšími. V prípade pevných diskov ide o SSD vo vrchnej časti a o magnetické pásky v spodnej. Ako teda výrobcovia postupujú a aké medzičlánky posunú pevné disky dopredu, kým nepríde HAMR?

Jeden z významných medzičlánkov sú disky plnené héliom. Prvý komerčne dostupný model predstavilo v novembri minulého roku HGST (pôvodne Hitachi Global Storage Technologies, ktoré je dnes súčasťou Western Digital a podľa nariadení dozorných orgánov musí samostatne pôsobiť ešte dva roky po akvizícii). Ide o 7200-otáčkový HGST Ultrastar He6 s kapacitou 6 TB, ktorý je určený pre podnikovú sféru.

Tomu zodpovedá aj cena 700 eur. Prečo práve hélium? Hélium má len sedminu hustoty bežného vzduchu, ktorý dýchame. To má za následok, že vnútri disku sa zníži odpor a dramaticky klesnú turbulencie, ktoré produkujú rotujúce platne. Motorček, ktorý ich roztáča, má teda menej práce, čím sa zredukuje spotreba a zároveň zníži produkovanie odpadového tepla. Nie je žiadne tajomstvo, že použitie viacerých platní disku je z hľadiska zákazníka menej preferované.

Disk má totiž vyššiu spotrebu a aj vibrácie a z dôvodu hustoty zápisu je napríklad disk s dvoma 500 GB platňami menej výkonný ako disk s jednou terabajtovou platňou. Nevýhodné je to aj z pohľadu výrobcu, pretože musí vyrobiť a osadiť dve platne namiesto jednej. Práve tieto fakty robia znižovanie hustoty zápisu ekonomicky výhodnými. Pri zostavovaní kapacitne veľkých diskov je každopádne použitie viacerých platní nevyhnutnosť. Obvyklá prax je použiť jednu platňu na nízke kapacity, dve až tri platne na stredné kapacity a štyri alebo päť platní na najvyššie kapacity. Šiestim a viac platniam sa už výrobcovia snažia vyhnúť, pretože v rámci disku veľkosti 3,5" musia byť už značne pri sebe, čím sa zvyšujú vibrácie a zhoršujú prevádzkové vlastnosti.

Plnenie diskov héliom prináša množstvo výhod; výzvou je hermetické utesnenie

V prípade využitia hélia a jeho nižšej hustoty sú však možnosti viac otvorené a séria Ultrastar He6 používa až sedem platní. Vďaka héliu má disk o 23 % nižšiu spotrebu, o 30 % nižší hluk a o 4 °C nižšiu teplotu než klasické 4 TB disky so štyrmi alebo piatimi platňami. Idea naplniť disky héliom nie je nová a vývojári po nej pokukovali už viac ako tri desaťročia. Problémom nie je naplniť disk héliom, ale udržať ho v ňom.

Vzhľadom na svoje vlastnosti totiž tento plyn ujde aj cez maličkú netesnosť, a pokiaľ ste si niekedy z trhov priniesli domov héliový balónik, viete, že o pár dní je z neho už len placka. Nejde pritom len o vyrobenie perfektného tesnenia, ktoré hélium udrží v disku niekoľko rokov, ale aj to, aby ste danou metódou mohli disky sériovo vyrábať za rozumné ceny. Bývalý vývojový tím Hitachi ako prvý vynašiel úspešnú metódu hermetizácie počas výroby, ktorú uplatnil minulý rok na diskoch Ultrastar He6.

Technológiu si patentoval pod názvom HelioSeal. Je však dôležité uvedomiť si, že použitie hélia nijako nezvyšuje hustotu zápisu. Zníženie spotreby, vibrácií a tepla je síce pozitívne, ale to, čo zákazníci chcú, je kupovať si 4 TB disk za cenu, za akú si v minulosti kupovali 2 TB. A v budúcnosti si chcú kupovať 8 TB disk za cenu, za akú si v súčasnosti kupujú 4 TB. Tento vývojový medzičlánok síce prináša zvýšenia kapacity na jeden disk, ale cenu „pôvodnej" kapacity nezníži.

Konkurencia v podobe spoločnosti Seagate disky plnené héliom ešte neuviedla na trh a s najväčšou pravdepodobnosťou sa v blízkej budúcnosti ani nechystá. Podobne je to v prípade Toshiby. Obe spoločnosti však v marci uviedli 5 TB disky používajúce päť 1 TB platní. Seagate si zaostávanie za hlavnou konkurenciou nemôže dlhodobo dovoliť a v priebehu apríla uviedol na trh vlastné 6 TB modely so šiestimi 1 TB platňami.

Ide o disky klasickej koncepcie bez použitia hélia, takže sa dajú očakávať horšie prevádzkové vlastnosti. Uvidíme, či bude Western Digital kontrovať 7 TB héliovým modelom, pre ktorý má dvere otvorené. Seagate však na tento rok chystá uvedenie novej technológie SMR, ktorá mu môže poskytnúť terajší a hlavne budúci rok výhodu. Na rozdiel od héliového plnenia totiž zvyšuje hustotu zápisu. Má to však háčik. SMR je skratka pre Shingled Magnetic Recording, teda magnetický zápis s prekrývaním.

Doslovne sa dá technológia preložiť aj ako šindľový magnetický zápis, pretože metóda pripomína strešné šindle, teda krytinu, pri ktorej vrchný rad vždy trochu prekrýva ten spodný. Ako sme už uviedli, dáta sú uložené na magnetickej platni v regiónoch, tvorených skupinkami zrniek z feromagnetického materiálu. Každá skupinka čiže región reprezentuje jeden bit. Regióny na disku nie sú umiestnené náhodne, ale sú sústredené do kružníc, nazývaných stopy. Každá stopa je pritom samostatná, čo znamená, že nejde o špirálu zo stredu platne až po okraj, ako to bolo na starej gramofónovej platni, ale o obrovské množstvo kružníc, ktoré sú smerom k okraju stále väčšie.

Tieto stopy zložené z regiónov sú pritom zvyčajne na oboch stranách diskovej platne, aby bola kompletne využitá (čítacia hlava je teda zvrchu aj zospodu). Pri súčasnej hustote zápisu 625 gigabitov na štvorcový palec sú tieto stopy 75 nm široké, čo znamená, že každá strana platne ich obsahuje stovky miliónov. Ďalšie zužovanie stôp sa negatívne prejavuje na sile magnetického poľa, ktoré prestáva byť dostatočné, takže riešenie, s ktorým prichádza magnetický zápis s prekrývaním je to, že stopy v skutočnosti nezmenší, ale jemne ich vzájomne prekryje. Prekrytie však môže byť len čiastočné podobne ako pri strešných šindľoch, pretože keby ste stopy prekryli kompletne, boli by na seba navrstvené a spodnú by nebolo možné prečítať.

Princíp magnetického zápis s prekrývaním stôp (SMR): Aby bolo možné zastaviť dominový efekt pri prepise, rozdelia sa stopy do zoskupení ukončených jednou neprekrytou stopou

Ako môžete vidieť na ilustračnom obrázku, jednotlivé stopy sú o niečo širšie, než potrebuje čítacia hlava (aby vytvorili dostatočne silné magnetické pole), pričom je medzi nimi bezpečnostná medzera. S vertikálnym prekrytím, pri ktorom má čítacia a zapisovacia hlava stále dostatok priestoru na interakciu, môžu výrobcovia dosiahnuť zvýšenie hustoty o 25 %, čo prinesie diskové platne s kapacitou 1,25 TB.

S precíznym prekrytím na úplný limit by pritom mohla hustota stúpnuť ešte o niečo viac. Kde je teda háčik? Problém je, že zatiaľ čo dáta sú z prekrytých stôp bez problémov čítané, pri zápise sa situácia dosť komplikuje. Pokiaľ sa dáta zapisujú kontinuálne na prázdny disk, všetko je v poriadku. Ak máte napríklad prázdny 1 TB disk a začnete naň kopírovať 1 TB dát, disk sa zaplní až do konca.

Takto sa však dáta zapisujú málokedy. Zvyčajne sú na disku už nejaké dáta uložené, a tak sa zapisuje tam, kde je voľné miesto, pri zachovaní čo najmenšej fragmentácie. V okamihu, ako sa zapíšu dáta do jednej stopy, z dôvodu prekrytia dôjde k zmene tej nasledujúcej. Ak je prázdna, nič sa nedeje. No ak prázdna nie je, disk si musí jej dáta pred zápisom podržať a následne ich uložiť nazad. To však zmení zas ďalšiu stopu pred ňou, čím vzniká dominový efekt a disk by musel prepisovať všetky stopy až po úplný okraj platne. Je jasné, že tadiaľto cesta nevedie, takže Seagate pri technológii SMR zaviedol delenie stôp na zoskupenia, ktoré na seba nenadväzujú.

V praxi sa teda bude prekrývať vždy len niekoľko stôp za sebou, za ktorými bude nasledovať jedna neprekrytá, kde sa dominový efekt ukončí. V rámci zoskupenia stôp však každopádne dôjde k poklesu výkonu z dôvodu nutnosti prepisovania všetkých ovplyvnených dát, čo môže byť citeľné pri náhodnom zápise veľkého množstva veľmi malých súborov. Na druhej strane podobnú situáciu rieši aj NAND flash v rámci svojich jednotných blokov.

Seagate momentálne disky s technológiou SMR produkuje v rámci skúšobnej prevádzky (sú na trhu), ale neuvádza, ktoré modely to sú. Vzhľadom na to, že platne s 1,25 GB ešte neohlásil, pôjde zrejme o testovanie širších stôp, ktoré po prekrytí dosahujú rovnakú hustotu ako v súčasnosti klasický zápis. Cieľom môže byť vyladenie výroby a technológie, kým sa prejde k ďalšiemu zúženiu. Platne s kapacitou 1,25 TB by však mali prísť na trh už tento rok a uvidíme, ako na to konkurencia zareaguje.

Kde je HAMR?

Po magnetickom zápise s tepelnou asistenciou, skrátene HAMR (Heat-assisted magnetic recording), poškuľovali vývojári v súvislosti s aktuálnymi technológiami už v roku 2002, keď sa začali prvé vážnejšie pokusy v laboratóriách (koncept je však starý viac ako pol storočia). Prakticky od konca roka 2006, keď bol kolmý zápis ešte čerstvou novinkou, sa s ním ráta ako s nástupníckou technológiou a do jeho vývoja sa investuje značné úsilie.

Na začiatku 21. storočia sa uvažovalo s jeho nástupom okolo roku 2011, čo očividne nevyšlo. V roku 2010 sme sa mohli stretnúť s roadmapami, kde sa ukazovalo jeho zavedenie v roku 2014, čo sa však takisto nestane skutočnosťou. Čo sa s ním teda stalo? Výrobcovia pevných diskov majú približne sedemročný cyklus, v ktorom sa jednotlivé technológie dostávajú do sériovej výroby.

Prvé tri roky sa zvyčajne venujú vývoju technológie, pričom sa preukáže jej použiteľnosť a perspektívnosť. Nasledujú dva roky vývoja mechanizmov, ktoré túto technológiu uplatnia na vrcholovej úrovni. Ide teda o inžiniersky vývoj jednotlivých esenciálnych prvkov hardvéru. Posledné dva roky potom zaberie vývoj výsledných produktov a čo najefektívnejší návrh sériovej výroby. Samozrejme, v ktorejkoľvek časti tohto procesu sa môžu objaviť problémy, ktorých zložitosť môže spôsobiť značné zdržanie.

Z laického hľadiska nie je problém magnetický zápis s tepelnou asistenciou pochopiť a celý proces vyzerá pomerne jednoducho, ale účinne. Podstata celého procesu je v tom, že po zahriatí sa zrnká v jednotlivých dátových regiónoch dajú ľahšie zmagnetizovať. V úvode článku sme vysvetlili, že pri množstve a veľkosti jednotlivých zrniek sa dávno narazilo na limit (koniec pozdĺžneho zápisu v roku 2005), a ak sa ďalej zmenšovali, vplyvom superparamagnetizmu sa samovoľne začala meniť ich magnetická orientácia (strata dát).

Riešením bol vertikálny zápis, ktorý regióny nakopil do výšky bez zmeny počtu a veľkosti zrniek, čím sa zmenšil horizontálny rozmer. Aj horizontálny zápis však narazil na limit. Zostáva sa teda vrátiť k jadru veci - zmenšovaniu počtu a veľkosti zrniek. Ale ako? Kľúčom je práve tepelný ohrev. Ak totiž zrnká pred zápisom ohrejme, môžeme použiť materiály, ktoré sú na zmenu magnetickej orientácie menej náchylné.

V určitom zmysle sú teda z hľadiska magnetizmu „horšie", ale superparamegnetizmus je pre ne na vzdialenejšej hranici. Namiesto zrniek zo zmesi kobaltu a platiny sa tak dajú použiť napríklad zrnká zo zmesi platiny a železa. Takéto materiály sú pri súčasných technológiách nepoužiteľné, no ak sa zvýši efektivita ich zmagnetizovania ohrevom, dajú sa použiť. Na ohrev sa používa podobne ako na optických mechanikách laserový lúč, ktorý je súčasťou zapisovacej hlavy. Ním sa na kratučký okamih zahreje daný región, čím sa zlepší jeho „ochota" na zmenu magnetickej orientácie, ktorú ihneď vykoná zapisovacia hlava.

Dotiahnuť celú technológiu do finálneho stavu je očividne veľmi náročné. Technickou výzvou sú nielen materiály, ale aj precízny laser, ktorý v spolupráci s magnetickou hlavou pri perfektnom načasovaní vykonáva zápis. Je totiž potrebný ohrev približne na 400 °C po dobu 0,1 nanosekundy. Netreba si predstavovať, že by sa niečo na diskovej platni vypaľovalo ako pri optických médiách.

Skutočne dochádza len k ohrevu zŕn, ktoré musia ihneď zas schladnúť, aby si zachovali svoje žiadané magnetické vlastnosti. Problém je, že pri ohrievaní sa ohreje aj okolitý priestor, čo môže viesť k zmene orientácie okolitých regiónov, a teda poškodeniu susediacich dát. Preto je potrebný mimoriadne presný laserový lúč s minimálnym rozptylom. Vývoj každopádne nestojí a stále napreduje.

V roku 2009 Seagate ešte dosahoval s HAMR vo svojich vývojových laboratóriách hustotu 250 gigabitov na štvorcový palec, čo bolo horšie, ako dosahoval v tom čase vertikálny zápis (500 Gbit/inch²). V marci 2012 sa mu však ako prvému vývojárovi diskov podaril úspešný zápis jedného terabitu na štvorcový palec, čím prekonal dodnes najvyššiu dosiahnutú hustotu vertikálneho zápisu (625 Gbit/inch)V minulom roku zaujala spolupráca spoločností Seagate a TDK, ktoré spoločne vyvinuli pre HAMR laser s lúčom v šírke len niekoľkých desiatok nanometrov, čo je desaťkrát menej než v prípade lasera na Blu-ray (405 nm).

A čo je hlavné, výrobcovia po prvýkrát verejne demonštrovali funkčné modely diskov. Seagate ukázal prototyp 10 000-otáčkového disku formátu 2,5" s HAMR v októbri na Kombinovanej exhibícii pokročilých technológií (CEATEC) v Japonsku a Western Digital kontroval v novembri na Medzinárodnom fóre pokročilých materiálov (IFAMN) v čínskom meste Ning-po. Zdá sa, že aktuálny plán so zavedením v roku 2016 by sa mohlo podariť dodržať.

Pohľad cez priehľadný kryt okienka do útrob 10 000-otáčkového disku s HAMR, ktorý v októbri minulého roka predviedol Seagate

Tak ako sa pred nástupom vertikálneho magnetického zápisu predpovedalo (úspešne), že dosiahne limit niekde medzi 500 až 1000 gigabitmi na štvorcový palec (5- až 10-násobok limitu predošlej technológie), aj dnes sa predpovedá, kam by to teoreticky mohol dotiahnuť magnetický zápis s tepelnou asistenciou. Súčasné odhady sú také, že limit HAMR by mohol byť na úrovni 80- až 100-násobku súčasnej hustoty, čo by znamenalo uloženie 50 terabitov dát na štvorcový palec a 80 TB na jednu platňu.

Je však možné, že na takéto objemy už bude potrebné vzorkovanie magnetickej vrstvy (BPM - Bit Patterned Media). Pri ňom sa pri výrobe platní vytvoria extrémne miniatúrne dierky, do ktorých sa umiestni feromagnetický materiál. Namiesto regiónov zrniek, ktoré sú oddelené iba magnetickými poľami, by tak jednotlivé bity boli reprezentované uniformnými magnetickými ostrovčekmi.

Seagate v súčasnosti predpokladá, že nástup HAMR v roku 2016 príde ruka v ruke s 10 TB modelmi 3,5" diskov. Na začiatku druhej dekády, teda v roku 2020, by sa mali na trhu objaviť 20 TB modely. Samozrejme, treba myslieť na to, že sa hovorí o highendových modeloch (dnes 6 TB), nie o diskoch, ktoré budú v tom čase štandardom za výhodnú cenu. Každopádne pevné disky budú s nábehom na novú technológiu ďaleko od toho, aby im z hľadiska kapacity došiel dych.