A magia dos discos rígidos: quantos terabytes cabem em 3,5 polegadas?

Indicadores objetivos de entregas de discos rígidos magnéticos parecem indicar claramente uma diminuição do interesse por parte dos clientes. Assim, segundo a Trendfocus, para o segundo trimestre. Em 2023, foram enviados 38 milhões de HDDs em todo o mundo, o que representa uma redução de 7% em relação ao trimestre anterior. A capacidade total das unidades de disco magnético fornecidas durante o período especificado, 189 EB, revelou-se 20% inferior à do período de janeiro a março de 2023. Porém, uma simples comparação com a dinâmica do segmento vizinho já faz pensar: os mesmos analistas estimaram as remessas globais de SSD para o mesmo segundo trimestre deste ano em 75 milhões de unidades (+16,6% em relação ao primeiro trimestre), e o total capacidade desses drives semicondutores – em 64,1 Ebytes (+12,4% também em relação ao trimestre anterior). Acontece que embora os HDDs sejam vendidos globalmente com quase metade do tamanho dos SSDs e a dinâmica de suas remessas seja claramente negativa, os primeiros são quase três vezes maiores que os segundos em termos de espaço disponível para armazenamento de dados. E isso apesar do fato de os preços de varejo de unidades magnéticas e sem fuso de 1 TB serem quase iguais: nos EUA, HDDs com essa capacidade são oferecidos, dependendo da marca, por US$ 40-48, e SSDs – de US$ 49 a US$ 110 por unidade.

As aproximadamente duzentas máquinas Intevac 200 Lean atualmente implantadas no mundo, que produzem mídia de armazenamento de dados de filme magnético para pratos HDD PMR, são suficientes para produzir mais de 700 milhões de discos rígidos anualmente (fonte: Intevac)

É claro, porém, que comparar o preço unitário por 1 TB de capacidade para essas duas categorias de drives é geralmente incorreto: modelos voltados para uso doméstico com características de baixa velocidade certamente custarão menos, enquanto aqueles destinados a servidores de alto desempenho custarão mais. Mas esta é a conclusão a que chegaram os especialistas em Scality após estudarem um trabalho intensivo com dados não estruturados, cujos volumes chegam a petabytes: o que é importante para o cliente final (especialmente aqueles que precisam equipar data centers inteiros com drives) não é apenas o preço específico por unidade de capacidade do dispositivo de armazenamento, mas também a sua eficiência energética. E aqui, ao que parece, a situação está longe de ser clara, uma vez que a alardeada eficiência das mídias de armazenamento baseadas em chips de memória NAND desaparece sob cargas significativas.

Julgue por si mesmo: somente no modo inativo, os discos rígidos magnéticos consomem mais energia do que as unidades de classe de servidor sem fuso – 5,7 W versus 5,0 W. Mas sob uma carga de leitura intensiva, os SSDs de servidor requerem uma média de 14,5 W de energia e os HDDs requerem apenas 8,7 W. Ainda mais impressionante é a diferença sob carga com ênfase nas operações de gravação: 18,0 W e 6,6 W, respectivamente. A densidade média de informação calculada pelos pesquisadores em termos de consumo de energia ao trabalhar com aplicativos que exploram ativamente o subsistema de armazenamento de dados para drives NAND é de 2,1 TB/W no caso de prevalência de escrita intensiva e 1,7 TB/W para leitura. Para unidades de disco magnético, os indicadores correspondentes são muito melhores: 2,5 e 3,3 TB/W.

Uma unidade de disco magnético com três pratos sem caixa protetora: parece atraente, mas não funciona – partículas de poeira do ar danificarão o revestimento dos discos e do cabeçote (fonte: Wikimedia Commons)

Obviamente, as conclusões acima foram tiradas com base em uma comparação de armazenamento de dados em servidores – SSD com capacidade nominal de até 30,72 TB e HDD de até 22 TB; As unidades de consumo com os chips NAND mais avançados sob cargas típicas de casa/escritório continuam a ser mais eficientes em termos de energia do que as unidades de disco magnético. E, no entanto, é óbvio que as tecnologias de HDD estão envelhecendo, como dizem, graciosamente – permitindo que cada nova geração coloque mais e mais terabytes de capacidade disponível para armazenamento de dados em um gabinete padrão de 3,5 polegadas. Então, como eles realmente conseguem fazer isso?

⇡#Nunca há muito espaço

A primeira unidade de disco magnético, o IBM 350 Disk Storage Model 1, apareceu em 1956, contendo 50 pratos que giravam a 1.200 rpm e eram capazes de armazenar até 5 milhões de caracteres alfanuméricos. Um caractere foi então codificado com 8 bits de dados (já que havia poucos caracteres na tabela de codificação – letras do alfabeto latino, algarismos arábicos e alguns caracteres especiais), de modo que a capacidade do dispositivo em termos modernos é equivalente a 5 MB – onde o prefixo “mega-” é usado de acordo com as regras clássicas do SI, denotando “milhão” e não “1024 vezes 1024”, como é habitual para a indústria de TI como um todo. A aritmética aqui é simples: cada uma das 50 placas do Modelo 1 continha 10 mil setores, cada um dos quais, por sua vez, estava pronto para registrar exatamente 100 caracteres – daí o número decimal redondo 5.000.000. É bem possível que a tradição de medir HDD a capacidade em número de bytes com os prefixos SI corretos (quando “1 kilobyte” é 1.000 bytes, e o termo “kibibyte” deve ser usado para designar 1.024 bytes) remonta a esta primeira unidade serial.

Teria sido necessário o Superman, e não o James Bond, para roubar aqueles 5 MB de dados em 1956 (fonte: IBM)

O primeiro HDD de 1 TB, o Hitachi Deskstar 7K1000, chegou ao mercado em 2007 e, desde então, os limites de capacidade das unidades de disco magnético produzidas em massa têm aumentado constantemente. É verdade, não muito uniformemente: se o “disco rígido” (o termo vem do nome comercial da tecnologia proprietária de placas hermeticamente vedadas com dados dentro do disco para proteger suas superfícies da poeira, implementada no IBM 3340 Direct Access Storage Facility, o armazenamento em disco mais popular na era dos mainframes) de 2 TB, Western Digital Caviar Green, apareceu já em 2009, depois o Hitachi Deskstar 5K de 4 TB – em 2011, o modelo Seagate de 8 TB (suas amostras foram enviadas para “ clientes selecionados” sem indicar nome próprio ou mesmo uma série específica) – em 2014, Seagate Exos X16 de 16 TB – em 2019.

Mas a próxima duplicação da capacidade, para até 32 TB, pode ser esperada, se você acreditar no anúncio da Seagate em junho, antes do final de 2023. No momento, a mais espaçosa entre as unidades de disco magnético comerciais é a Western Digital Ultrastar DC HC670 de 26 TB. , anunciado em maio de 2022 A empresa japonesa Showa Denko KK (SDK), responsável pelo desenvolvimento de pratos magnéticos para uma grande parte dos HDDs modernos de altíssima capacidade, planejou há um ano lançar um prato que pudesse conter mais de 3 TB de dados no final de 2023, o que permitiria aos seus parceiros, logo depois disso, trazer ao mercado drives no formato de 3,5 polegadas com capacidade total superior a 30 TB, mas até agora nenhum deles fez os anúncios correspondentes .

O maior HDD desta foto foi lançado em 1971 e contém 30 MB, o menor foi lançado em 2011 e contém 1 TB (fonte: IBM)

Observe que seria difícil perder tais anúncios: no mundo hoje existem apenas três fabricantes independentes de HDD – Seagate, Toshiba, WDC (também conhecida como Western Digital) – que dividem o mercado de fornecimento global pelo número de unidades enviadas aos clientes em uma proporção de aproximadamente 46:17:38, e em termos de volume de dados que essas unidades podem conter – 48:10:41. Ao mesmo tempo, a Toshiba não possui produção própria de placas magnéticas; nesse sentido, ela depende totalmente do SDK – enquanto seus dois maiores concorrentes, embora também comprem alguns dos wafers necessários desse desenvolvedor japonês, continuam a desenvolver sua própria P&D nesta área. Assim, no início de 2020, os especialistas do SDK alegaram que a tecnologia HAMR que estavam desenvolvendo tornaria possível nos próximos 4-5 anos aumentar a capacidade dos HDDs de 3,5 polegadas para 70 ou mesmo 80 TB – mas por enquanto os fabricantes de HDD apostam em mais métodos disponíveis hoje para organizar o armazenamento de dados em placas magnéticas: ePMR, MAMR, EAMR. Vamos tentar descobrir qual é sua essência e características.

⇡#Tradição e além

E vamos começar com a diferença mais simples, mas relevante para todos os entusiastas de informática – entre CMR e SMR. É a falta de compreensão dessa diferença que leva ao fato de que um usuário que compra um HDD espaçoso a um preço atraente descobre repentinamente que a velocidade de interação do sistema e dos aplicativos com tal unidade (na maioria das vezes durante a gravação intensiva de dados) é extremamente baixo – afinal, ele nem imaginava como os discos SMR são mais lentos que os discos CMR sob certas condições. A diferença no custo de fabricação de HDDs usando essas duas tecnologias também é grande: alguns anos atrás, chegou ao ponto em que os compradores de drives NAS reclamaram que os fornecedores retinham deliberadamente informações sobre se um disco CMR ou SMR estava escondido sob o rótulo , por exemplo, “WD Red NAS” , – mas é precisamente para o armazenamento em rede que uma velocidade suficientemente alta de troca de dados com o disco é de fundamental importância.

Diagrama esquemático do LMR: uma cabeça universal de leitura e gravação, que é um “anel” indutivo com uma lacuna, passa sobre uma trilha feita de material ferromagnético, alterando a magnetização de suas seções individuais (escrita) ou registrando alterações feitas anteriormente na magnetização ( leitura) (fonte: Hitachi)

Assim, a partir de 1956, as informações foram gravadas em discos rígidos por meio da tecnologia LMR (gravação magnética longitudinal). Acima da placa giratória (suponhamos, para simplificar, que haja apenas uma no modelo HDD), uma cabeça de leitura/gravação é colocada no balancim. Deslocando-se ao longo do diâmetro do disco do centro para a borda, a cabeça no modo de gravação cria anéis concêntricos magnetizados de uma determinada maneira – trilhas, também conhecidas como trilhas. Entre cada par adjacente de pistas, é permitida uma pequena lacuna tecnológica (em comparação com sua própria largura), e ao longo da pista – por isso o método de gravação é chamado de longitudinal – sob a influência indutiva da cabeça de gravação, áreas elementares de magnetização são formado. A orientação do campo magnético nesta mini-região – na direção de rotação ou contra ela – determina se um “0” ou “1” é codificado em uma determinada seção da pista.

Em 2006, a Seagate, seguida pela Hitachi GST e Fujitsu, introduziu no mercado discos de gravação magnética perpendicular (PMR). A essência da inovação fica clara no nome: graças a um design diferente da cabeça de gravação – um “monopolo magnético” (leitores com formação em física apreciarão a ironia dos engenheiros) em vez de um anel de indução – os vetores de magnetização de cada A região elementar que codifica 1 bit de dados não é mais paralela ao plano da superfície do prato, mas ortogonal a ele. Isso pode ser demonstrado aproximadamente usando o exemplo do dominó: gravação paralela – colocar os dominós “cara a cara”, à medida que são colocados de ponta a ponta na mesa de jogo; perpendicular – firmemente embalado em uma pilha, em pé, em uma caixa de armazenamento.

Comparação dos métodos de gravação LMR (topo) e PMR: uma cabeça com um “monopolo” forma uma zona de magnetização de tal forma que a orientação da trilha de campo induzida na substância é ortogonal à superfície da placa (fonte: Wikimedia Commons )

Como resultado, o tamanho físico da área da superfície do disco rígido alocada para codificação de um bit permaneceu praticamente inalterado em volume, mas a área ocupada na superfície do prato foi simultaneamente reduzida várias vezes. Sim, isso exigiu um redesenho do design do próprio prato magnético (a introdução de uma camada de serviço adicional sob o próprio prato magnético) e a reconstrução das cabeças de leitura/gravação, mas o jogo valeu a pena: literalmente em um Em questão de meses, o tamanho médio de um HDD disponível comercialmente saltou de 50 para 500 GB. O efeito da rápida transição para novas tecnologias foi tão grande que o PMR se tornou o novo padrão da indústria. E como resultado, em vez de sempre apontar para a colocação perpendicular dos vetores de magnetização em um prato de disco, eles começaram a falar simplesmente sobre gravação magnética padrão, ou geralmente aceita – gravação magnética convencional, CMR. Durante quase uma década, as siglas PMR e CMR foram completamente intercambiáveis, e ainda hoje denotam essencialmente o mesmo tipo de registo – embora já há algum tempo que não tenha sido formalmente aceite de forma geral.

Representação visual da diferença entre a largura das trilhas de gravação e leitura ao usar a tecnologia PMR, também conhecida como CMR (fonte: Synology)

Com a miniaturização constante da largura física dos trilhos e, consequentemente, a compactação dos trilhos nas superfícies dos pratos HDD, uma característica puramente de design da tecnologia PMR começou a se afirmar cada vez mais ruidosamente: a diferença fundamental entre o transversal (relativo à direção dada pela trilha) dimensões das cabeças de leitura e gravação. Na era do domínio do LMR, as cabeças de leitura e gravação eram universais: o mesmo circuito gerava um campo magnético para alterar a magnetização de seções da trilha no disco e reagia de maneiras diferentes, passando por áreas com um ou outro vetor de esta mesma magnetização. No entanto, desde a década de 1990, a indústria de HDD começou a mudar para cabeçotes magnetorresistivos (MR) para leitura de dados, juntamente com cabeçotes de gravação indutivos.

Por um lado, isto libertou as mãos dos engenheiros: afinal, anteriormente eles tinham que selecionar as dimensões geométricas da cabeça universal de uma forma comprometida. Como os processos de magnetização e detecção das propriedades magnéticas de uma superfície são significativamente diferentes em energias características, as dimensões ideais (largura) para cabeças de gravação e leitura também diferem. É lógico que o cabeçote de leitura seja estreito – isso aumenta a sensibilidade do método magnetorresistivo, minimizando erros durante a leitura. O cabeçote de gravação deve ser largo – neste caso, é gerado um campo mais potente, revertendo a magnetização do trecho desejado da pista de forma mais rápida e confiável. A capacidade de projetar esses cabeçotes separadamente aumentou significativamente a eficiência de ambos os processos – tanto de gravação quanto de leitura de dados.

Representação esquemática da cabeça magnética do HDD na extremidade do balancim (canto superior esquerdo), uma parte frontal ampliada do mesmo com uma cabeça de gravação indutiva (disco grande) e uma cabeça de leitura MR fabricada litograficamente (no centro), bem como – em escala ainda maior – detalhamento das camadas, componentes do cabeçote MR (fonte: IBM)

Por outro lado, faixas “com bordas” apareceram nas superfícies dos discos HDD: o cabeçote de gravação forma uma trilha relativamente larga, ao longo da parte central da qual o cabeçote de leitura lê as informações armazenadas no drive. Acontece que se você de alguma forma compactar as trilhas, permitindo que elas se sobreponham parcialmente, isso complicará um pouco o procedimento para reescrever trilhas criadas anteriormente – mas permitirá que você coloque significativamente mais informações no disco sem reduzir a qualidade e eficiência de seu leitura por cabeças de RM especializadas e altamente sensíveis.

⇡#Terabytes para todos, mas não à toa

E em 2015, surgiram no mercado os primeiros HDDs fabricados com tecnologia SMR (gravação magnética em telhas). É claro que seus desenvolvedores estavam plenamente conscientes de que, durante a reescrita, o cabeçote correspondente certamente sobrescreveria pelo menos uma trilha adjacente, portanto, gravar novas informações em uma trilha arbitrária em algum lugar no meio de uma área preenchida do disco é simplesmente inaceitável. Por esse motivo, a regra mais importante para o correto funcionamento dos drives SMR é “ir devagar”: a pressa leva a uma queda acentuada no desempenho.

Se um comando de gravação for recebido, o disco SMR se comporta da mesma forma que um dispositivo CMR: ele magnetiza uma das trilhas “externas” na borda das áreas preenchidas e vazias (é claro que ambas se alternam na superfície do funcionamento da pulsão, formando uma estrutura que lembra os anéis de Saturno). Mas quando é necessário reescrever as informações existentes, o cabeçote do HDD CMR é capaz de direcionar diretamente uma das trilhas ocupadas dentro da área preenchida e remagnetizá-la com calma, sem afetar as vizinhas – mas com o SMR esse truque não funcionará mais.

Operações básicas com trilhas em um disco SMR, de cima para baixo: gravação de uma trilha em uma seção livre, gravação de uma segunda trilha com sobreposição parcial, gravação de uma terceira trilha, sobreposição intencional de dados na primeira trilha com sobreposição forçada (indesejada) de parte das informações do segundo (fonte: Wikimedia Commons)

No caso do SMR, a reescrita é um procedimento mais complexo: envolve escrever novos dados em trilhas vazias além do limite externo de uma das áreas preenchidas, marcar os dados a serem excluídos como uma potencial área vazia e, em seguida, ativar uma “reorganização”. modo” aquele durante o qual os dados das trilhas adjacentes àquela programada para limpeza também são transferidos para trilhas externas a fim de liberar espaço para uso livre do amplo cabeçote de gravação. Os “anéis de Saturno” nas superfícies dos discos magnéticos SMR são, portanto, uma estrutura muito dinâmica, cuja reconfiguração contínua requer tempo adicional. E embora o fluxo de dados para gravação no HDD seja pequeno – o que é verdade para a unidade de um típico PC doméstico ou de escritório – não há diferença prática entre as tecnologias SMR e CMR, mas a primeira garante uma relação obviamente mais favorável para o usuário entre os recursos gastos em um novo disco e o dinheiro recebido como resultado em volume.

Mas como parte de um NAS, e especialmente de um servidor (e mesmo sob algumas cargas específicas durante o uso doméstico – ao baixar torrents com boa propagação através de um canal amplo, por exemplo), o drive SMR começa a desacelerar visivelmente, interrompendo o fluxo de dados de entrada para o período de reconfiguração das trilhas – o que às vezes leva a uma queda extremamente significativa no desempenho no modo de gravação. Mas para o chamado armazenamento frio e arquivamento de longo prazo, que não implicam reescrita frequente de dados, os HDDs SMR são mídias quase ideais: baratos, de alta capacidade, com velocidade de leitura bastante aceitável (sequencial e aleatória). Observe que a introdução do SMR foi um passo quase tão revolucionário quanto o surgimento do PMR: usando quase o mesmo equipamento, otimizado para a produção de modelos CMR de 500 GB, os fabricantes conseguiram produzir unidades de disco magnético com capacidade nominal de 1,33 TB.

Um slide de uma apresentação explicando o TDMR: as trilhas estão dispostas de forma ainda mais densa e, para que a leitura não seja prejudicada pela interferência das trilhas vizinhas, o balancim carrega duas ou mais cabeças, cuja análise das informações que chegam simultaneamente torna possível para determinar com precisão o que exatamente está gravado em uma determinada trilha (fonte: Seagate)

Um desenvolvimento adicional da tecnologia SMR tem sido o TDMR (gravação magnética bidimensional) desde 2017. Seu surgimento foi necessário pela redução sistemática da largura das trilhas nas placas magnéticas: quanto mais estreitas elas se tornavam, mais frequentemente se manifestava o efeito parasita da interferência entre pistas – uma leitura errônea do nível de magnetização de uma determinada seção de um trilha (ou seja, um único bit) sob a influência de seções semelhantes em seções vizinhas estreitamente espaçadas. Para combater este flagelo, os engenheiros da Samsung propuseram colocar dois ou mesmo um pente inteiro no rocker em vez de uma única cabeça de leitura – para capturar sequencialmente informações não apenas no centro da pista, mas também com um ligeiro deslocamento para as vizinhas. . Neste caso, um controlador configurado apropriadamente é capaz de detectar com bastante precisão interferências espúrias no bit atualmente lido, geradas por bits próximos de trilhas próximas.

A tecnologia TDMR não deu origem a um salto qualitativo na densidade de gravação de dados, mas, de acordo com várias estimativas, em 10-20% do típico para drives SMR com cabeçotes únicos (“single” acima de cada um dos pratos do drive, de claro – acima de cada prato há sua própria cabeça combinada de leitura e gravação) aumentou seu nível. Um passo muito mais sério foi o surgimento de unidades de disco magnético cheias de hélio em vez de ar atmosférico (cuidadosamente limpo de poeira, é claro). Sendo sete vezes mais rarefeito que o ar, o hélio oferece uma série de vantagens: tem menor resistência à rotação das placas e aos movimentos dos balancins com cabeçotes de leitura e escrita e é menos propenso à formação de vórtices turbulentos em altas velocidades. de rotação dos discos – o que permite torná-los mais finos. Como resultado, até 8 wafers foram colocados em caixas padrão de 3,5 polegadas preenchidas com hélio até 2016 – contra um máximo de 6 quando se utiliza ar.

⇡#Lasers para o resgate

A densidade máxima alcançável de colocação de dados em uma placa magnética usando gravação clássica (longitudinal) é de 150-200 Gbit/in², dependendo do tipo de material magnético usado. Isso se deve ao chamado efeito superparamagnético, em que áreas localizadas muito próximas no plano com direção oposta de magnetização perdem estabilidade devido à interferência mútua, de modo que as informações registradas pelo método magnético são prejudicadas. A transição para PMR+TDMR permitiu recuar o limite teórico de densidade de gravação para cerca de 1,1 Tbit/in², o que é precisamente teórico; na prática, com um HDD Seagate de 12 TB (8 pratos de 1,5 TB; preenchidos com hélio), por exemplo, esse número se aproximou de 0,93 Tbit/in² em 2017. Em outras palavras, contar apenas com a tecnologia PMR faz sentido por muito tempo não mais – precisamos procurar outras maneiras de aumentar a densidade.

Impressão artística da tecnologia HAMR implementada no processo de gravação (fonte: Seagate)

Os mais recentes pratos SDK, nos quais são construídas unidades de 10 discos com capacidade nominal de 26 TB, a densidade de registro chega a quase 1 Tbit/polegada². Quando esse marco for ultrapassado, afirma a empresa, seus parceiros poderão oferecer aos clientes um HDD de 30 TB. E no futuro, a tecnologia HAMR utilizada na sua criação (gravação magnética assistida por calor – “gravação magnética com aquecimento do meio”, ou simplesmente gravação termomagnética) atingirá uma densidade de 5 e até 6 Tbit/in² – para que após um certo número de anos Com a ajuda, os especialistas têm certeza, será possível obter um HDD de formato padrão de 3,5 polegadas com capacidade nominal de 70 e até 80 TB.

A rigor, a tecnologia HAMR não é tão jovem: a Seagate realizou uma demonstração pública de suas capacidades em 2002, e o início real do trabalho neste tópico remonta a 1998. Baseia-se em uma ideia bastante simples: o efeito indesejável (do ponto de vista de aumentar ainda mais a densidade dos dados) do superparamagnetismo se manifesta devido ao fato de que a estabilidade magnética do portador direto de dados – a camada magnética na superfície de o prato – é insuficiente na temperatura dentro de seu volume, típica de uma unidade em funcionamento. Uma conclusão razoável é selecionar um material com maior estabilidade magnética: então você pode aumentar a densidade de gravação sem medo de influência mútua parasitária de áreas magnetizadas vizinhas.

Esquema de operação de um cabeçote combinado com HAMR: a gravação é feita sob aquecimento a laser, e o tipo mais recente de cabeçote MR é usado para leitura – baseado no efeito de magnetorresistência gigante, GMR (fonte: HGST)

No entanto, essa alta estabilidade magnética tem uma desvantagem: também não será possível simplesmente pegar e magnetizar a área pretendida de tal substância em condições normais, o que significa que é impossível registrar dados em tal meio com uma cabeça magnética convencional. . O que fazer? Claro, aqueça! Se você encontrar uma substância com alta estabilidade magnética em condições normais e reduzida sob aquecimento relativamente forte, então, grosso modo, será suficiente iluminar a área da placa sob a cabeça magnética com um laser pontual (um local com um diâmetro de literalmente várias dezenas de nanômetros) para registrar ou apagar o próximo bit. Em seguida, a cabeça se move e/ou o disco gira no fuso, a zona aquecida esfria rapidamente – e agora a alta estabilidade magnética entra em ação novamente, evitando a manifestação do efeito superparamagnetismo.

Resta apenas selecionar a substância certa para o suporte de dados, encontrar uma base adequada para as placas do disco (de modo que não deforme devido ao aquecimento pontual produzido continuamente de suas várias seções a aproximadamente 450 ° C), montar o laser em a cabeça de leitura/gravação, coordena a operação desta estrutura complicada em nível de software – e sim, claro, certifique-se de que toda essa riqueza e esplendor caiba em um case padrão de 3,5 polegadas. Na verdade, os criadores do HDD levaram quase duas décadas para resolver esses (e aqueles que surgiram paralelamente durante o processo de desenvolvimento) problemas de engenharia e design. Somente em 2018, a Seagate trouxe o HDD HAMR de 16 TB para o estágio de protótipo de pré-produção – pretendendo posteriormente começar a produzir modelos comerciais nesta base e até 2020 superar a marca de 20 TB de capacidade por unidade de disco magnético. A rigor, essa promessa foi cumprida: em 2020, junto com o anúncio do software de código aberto para armazenamento de dados de objetos CORTX, a arquitetura de armazenamento de referência Lyve Drive Rack foi apresentada com um HDD Seagate HAMR de 20 TB de primeira geração, mas esses drives são mais amplamente distribuídos não receberam.

O sistema de armazenamento modular Lyve Drive Mobile System, lançado em 2020, foi equipado com unidades de disco magnético de classe empresarial com tecnologia HAMR (fonte: Seagate)

E só em julho de 2023, esta empresa iniciou as entregas comerciais de outros sistemas de armazenamento, Corvault, equipados com HDD HAMR de segunda geração. Sua capacidade é especificada como “30+ TB”, e os primeiros sistemas são enviados, segundo Gianluca Romano, CFO da Seagate, para “clientes selecionados de hiperescala” para testes práticos. Esta pode realmente ser a melhor maneira de testar os próximos drives: as cargas de trabalho dos hiperescaladores são vastas, variadas e extremamente intensas. Além disso, como os drives HAMR consomem mais energia do que seus equivalentes PMR e SMR (porque é um laser!), é necessário avaliar em operação real um parâmetro tão crítico do ponto de vista comercial como o custo total de propriedade (total custo de propriedade, TCO). Se, digamos, duas unidades de 30 TB em um mês com uma intensidade de carga comparável consumirem mais energia do que três unidades de 20 TB, não é um fato que mesmo um hiperescalador (que, ah, como é importante embalar suas prateleiras de discos com o máximo disponível número de terabytes por decímetro cúbico) decidirá mudar para uma nova tecnologia: não rentável.

⇡#E aqui não poderíamos viver sem semicondutores!

Em meados da década de 2010, na produção de cabeçotes de leitura e gravação para HDDs, a Western Digital começou a usar o processo Damasco em vez da gravação anteriormente usual de material pré-depositado por um feixe de íons – o mesmo que descrevemos anteriormente no artigo “Ataque difícil às alturas microscópicas: como os chips atingem a terceira dimensão” como forma de obter conexões ponta a ponta entre camadas de chips semicondutores. As cabeças feitas desta forma têm uma geometria quase perfeita – uma vez que o processo Damasco é inerentemente aditivo (e não subtrativo, como a gravação ou a fresagem) e proporciona um controle muito mais preciso sobre a forma e o tamanho da peça resultante. Além disso, a deposição sequencial de camadas condutoras e não condutoras durante o processo de Damasco permite a formação – apenas como parte integrante da cabeça – de uma estrutura nanométrica não trivial (menos de 100 nm de diâmetro) como um oscilador de torque de rotação (STO).

Comparação do processo clássico de metalização subtrativa (esquerda) e do processo Damasco para formação de microestruturas (fonte: CRC Press)

É esta estrutura que desempenha o papel mais importante na criação de unidades de disco magnético utilizando outra tecnologia promissora – MAMR (gravação magnética assistida por micro-ondas – “gravação magnética com ativação por micro-ondas”). O gerador de spin é formado por um par de camadas ferromagnéticas separadas por um dielétrico através do qual os elétrons fazem um túnel sob a influência de uma tensão externa. Devido às pequenas dimensões da estrutura, forma-se uma densidade de corrente extremamente elevada (cerca de 107 A/cm²), o que permite controlar a magnetização da camada inferior do ferromagneto que forma o gerador de spin – e, consequentemente, que seção do prato do disco rígido localizada diretamente abaixo deste gerador.

Na implementação Western Digital, o gerador de spin como parte do complexo MAMR emite radiação de microondas com uma frequência de 20-40 GHz, criando assim força coercitiva suficiente para que a cabeça de gravação possa, se necessário, alterar a magnetização da codificação do fragmento da trilha o próximo bit de dados gravados. Como o tamanho físico de tal bit (a área magnetizada do disco) é medido em algumas dezenas de nanômetros, e as trilhas podem estar localizadas bem próximas umas das outras, a densidade máxima de gravação de dados alcançável usando esta tecnologia é estimada a 4 Tbit/polegada² – o que potencialmente abre caminho para a criação de HDDs MAMR de dez pratos em 40 TB. Sim, o HAMR promete densidades mais altas, mas será necessário muito mais esforço para desenvolver tais drives.

Impressão artística do cabeçote de gravação MAMR em ação (fonte: Western Digital)

Nesse caso, as microondas, embora transfiram energia para a camada superior do disco magnético, praticamente não o aquecem – já que essencialmente toda essa porção de energia é gasta na reversão da magnetização. Isto obviamente alivia os desenvolvedores de “discos rígidos” MAMR da necessidade de selecionar um material adequado para as placas de armazenamento magnético, bem como da dor de cabeça de remover o excesso de calor de um disco fechado e selado (se falarmos de discos cheios de hélio) volume. Ainda mais agradável do ponto de vista do fabricante é o fato de que, de fato, a única inovação fundamental no drive MAMR é um cabeçote com nanogerador de spin: as placas do disco, o mecanismo do drive, o design do rocker e até o controlador do HDD pode ser usado quase da mesma forma que para dispositivos PMR/SMR seriais.

No caminho para a implementação completa desta tecnologia, a Western Digital, por volta de 2019, começou a introduzir em seus produtos seriais uma versão intermediária, por assim dizer, dela – ePMR (PMR aprimorado com energia – “PMR com bombeamento de energia” ). A rigor, tanto o MAMR quanto o HAMR podem ser combinados sob o denominador comum EAMR (gravação magnética assistida por energia – “gravação magnética usando energia adicional”), e o ePMR também se encaixa organicamente lá. Esta tecnologia intermediária usa quase o mesmo design de cabeça de gravação que o PMR clássico (ou seja, sem quaisquer nanogeradores), apenas durante o processo de gravação real uma corrente de polarização adicional é fornecida a ela. A corrente de polarização cria um campo magnético adicional – auxiliar àquele gerado pela própria cabeça de gravação – e assim enfraquece a manifestação de jitter, um tipo conhecido de distorção do sinal da forma ideal. Como resultado, uma área de magnetização mais claramente definida é formada sob o cabeçote de gravação – o próximo bit de dados – o que facilita ainda mais seu reconhecimento mais rápido e confiável pelo cabeçote de leitura.

Esquerda: grãos magnéticos dispostos aleatoriamente do revestimento granular do prato do HDD; O grupo circulado em vermelho codifica 1 bit de dados. À direita: estrutura BPM na mesma escala; um “coto” – um bit (fonte: IEEE Transactions on Magnetics)

O que esperar a seguir – depois que os discos rígidos seriais atingirem a marca de 3 Tbit/inch2 dentro de um ou dois anos, graças a uma ou outra versão do EAMR (ou várias de uma vez)? Pelo menos a Seagate tem planos napoleônicos nesse sentido – a empresa descreve com alguns detalhes o caminho para alcançar uma densidade de 4-6 Tbit/in² através do desenvolvimento do HAMR, depois para 5-7 Tbit/in² usando ambiente magnético granular ordenado em as superfícies das placas, e depois para 8 Tbit/in² – aqui a mídia com padrão de bits (BPM) deve vir em socorro. Como resultado, até 2030, os arautos das novas tecnologias prometem disponibilizar – pelo menos para grandes clientes como os mesmos hiperscaladores – HDDs de 3,5 polegadas com capacidades de 90, 105 e até 120 TB.

A ideia por trás do BPM é bastante evidente: minimizar a portadora de material de um bit de dados de gravação magnética até o limite físico de 10-20 nm. As cabeças modernas de leitura e gravação lidam com áreas magnetizadas que consistem em aproximadamente 20-40 grãos magnéticos (domínios, isto é, estruturas magnetizadas uniformemente em todo o seu volume); Materiais granulares ordenados promissores tornarão possível formar pedaços de cerca de uma dúzia desses grãos de domínio único, cujo diâmetro característico é de cerca de 10 nm. Mas em ambos os casos, um único bit de dados na superfície do disco HDD representa um grupo de grãos magnéticos adjacentes que estão sob a influência da cabeça de gravação e, portanto, possuem magnetização codirecional.

Representação esquemática da cabeça de um HDD promissor (a diferença de escala entre um amplo dispositivo de gravação, pólo de gravação e um minúsculo sistema de leitura GMR é claramente demonstrada) acima da superfície de um disco BPM (fonte: Seagate)

Por muito tempo foi possível aumentar a densidade de gravação de dados em um disco, reduzindo o tamanho físico dos grãos magnéticos individuais. Porém, atualmente, de fato, já foi atingido o limite – aqueles mesmos 8-10 nm – até o qual substâncias conhecidas pela ciência, que em princípio são adequadas para formar uma camada magnética em placas de HDD, ainda retêm mais ou menos adequado estabilidade do seu estado. O já mencionado efeito do superparamagnetismo se manifesta no fato de que o momento magnético de grãos ultrapequenos de domínio único pode mudar aleatoriamente de direção sob a influência da temperatura, e a probabilidade de tal evento aumenta com a diminuição do volume de um indivíduo grão. Isso significa que quanto menor for esse volume, menor será o limite de energia da influência térmica externa na direção do momento magnético: o menor aumento na temperatura ameaçará tal estrutura com a perda da magnetização original – e, portanto, dos dados registrados nela .

Neste caso, os próprios grãos magnéticos são formados durante a formação de um filme do revestimento correspondente na superfície da placa de armazenamento de forma aleatória, como resultado de um processo químico estocástico, razão pela qual o padrão de seu arranjo mútuo está tão desordenado. As distâncias entre os grãos individuais que constituem a implementação física de um único bit de dados também variam um pouco; os vetores de sua magnetização, por uma série de razões objetivas, ainda não são coaxiais com 100% de precisão – e levando em consideração todos esses fatores, torna-se irracional reduzir o número de domínios isolados que juntos formam 1 bit abaixo de 10 -12. A abordagem BPM oferece uma saída radical para esse impasse: ao mudar o paradigma de produção, passar de um grupo de pequenos grãos de domínio único para um único domínio razoavelmente grande com um nível mais alto de conectividade interna – e usar esse domínio para armazenar os mesmos um bit de dados gravado no HDD.

Grãos magnéticos na superfície de um revestimento produzido comercialmente para placas HDD modernas: o comprimento do segmento da escala é de 100 nm (fonte: Yale Institute for Nanoscience and Quantum Engineering)

A produção da superfície magnética de um disco rígido moderno se resume à deposição química (sem eletrodo) e à deposição a vácuo de material magnético, o que resulta na formação de uma estrutura estocástica de grãos magnéticos pouco espaçados, mas ainda isolados, geralmente de átomos de cobalto , platina e cromo com pequenos aditivos de tântalo ou boro. A camada magnética de um disco BPM é formada por métodos nanolitográficos: grosso modo, primeiro um filme uniformemente denso de átomos de metal é depositado na base e, em seguida, por aplicação de fotorresiste, exposição e gravação, linhas e colunas de miniatura (cerca de 20 nm em diâmetro) e aproximadamente a mesma altura) cilindros, cada um dos quais é um grão magnético de domínio único.

Como resultado, saem esses tocos fortes, de volume muito grande em comparação com aqueles grãos que se formam por si próprios por métodos químicos. Isto significa que o limite de energia, além do qual a influência térmica externa ameaça a perda da magnetização original das estruturas BPM, é quase ordens de magnitude superior ao dos filmes magnéticos tradicionais em discos HDD. Cada toco monolítico individual ocupa uma área significativamente menor do que um grupo de grãos menores espalhados, o que abre perspectivas verdadeiramente fantásticas em termos de aumento da densidade de registro de dados. Em 2010, a Toshiba demonstrou um protótipo de superfície BPM com potencial para armazenar informações a 2,5 Tbit/in² – no entanto, até muito recentemente, a transição de um protótipo para pelo menos uma amostra de pré-produção de tal unidade ainda não era possível.

A indústria já é capaz de produzir nanoestruturas periódicas com tamanhos de “coto” característicos inferiores a 20 nm – agora é uma questão de criar cabeças BPM de ultraprecisão prontas para trabalhar com elas (fonte: Intevac)

O problema, na verdade, está na superminiaturização: em certo sentido, o HDD que usa tecnologia BPM é ideologicamente semelhante ao chip NAND – e desde os primeiros, mesmo com células de nível único (embora já estejam surgindo considerações sobre como organizar domínios em colunas, criando assim células magnéticas de vários níveis). Apenas o acesso a bits individuais no HDD BPM precisa ser feito não puramente eletricamente, mas eletromecanicamente – usando atuadores ultraprecisos com vários graus de liberdade e, presumivelmente, controladores de alto desempenho. Já é óbvio que para dominar a produção industrial de drives tão promissores será necessário desenvolver todo um ramo de produção em nanoescala (nanofabricação) – o que, no entanto, terá um impacto positivo não apenas na indústria de armazenamento de dados. E para um posicionamento ultrapreciso de cabeças de leitura/gravação, é possível que você tenha que usar dispositivos MEMS ou mesmo NEMS, sobre os quais escrevemos recentemente.

Se as declarações otimistas dos desenvolvedores de HDD forem totalmente verdadeiras e os caminhos que eles escolheram para o desenvolvimento do EAMR estiverem realmente prestes a dar frutos generosos, em um futuro muito próximo o ritmo de evolução das unidades de disco magnético aumentará significativamente. E independentemente de quão rápido seja o progresso na memória NAND, já está claro que HDDs e SSDs continuarão a coexistir na indústria de TI por um longo tempo: os primeiros como unidades ideais para armazenamento de longo prazo e de arquivamento; o segundo – mais rápido e com uma gama ampliada de aplicações (por exemplo, para equipar dispositivos móveis sujeitos a quedas e tremores, o armazenamento de dados sem fuso é a priori melhor do que conter elementos móveis). Pelo menos em 2021, 90% de todos os dados nos centros de dados na nuvem foram armazenados em discos magnéticos rígidos – e dada a rapidez com que as tecnologias relacionadas estão a desenvolver-se, este estado de coisas permanecerá relevante durante muitos anos, se não décadas.

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