Журнал Компьютерра - Журнал Компьютерра N741-742

В накопителях поколения RAMAC плотность записи составляла какие-то жалкие 2 кбит/кв. дюйм, а инженеров тогда больше занимали вопросы быстродействия и способы кодирования информации для повышения надежности хранения данных. По мере развития технологий емкость дисков увеличивалась, а габариты уменьшались (напомним, что 5-мегабайтный RAMAC в 1956 году был размером с платяной шкаф, а такой же емкости накопитель начала 1980-х уже занимал "всего" пару 5-дюймовых отсеков). К началу 1990-х размеры более-менее стабилизировались (появился, в частности, общепринятый ныне 3,5-дюймовый конструктив), но емкость продолжала расти. То есть плотность записи непрерывно повышалась, перевалив к концу 1990-х рубеж 1 Гбит/кв. дюйм.

В ходе этого процесса, изобретая все новые магнитные материалы и методы их нанесения, совершенствуя головки, схемы управления и механику, разработчики изыскивали способы сделать область хранения единичного бита, называемую магнитным доменом, как можно меньше.

Но беспредельно уменьшать размеры домена нельзя, и вот почему.

Каждый домен состоит из отдельных магнитных зерен. Когда записывающая головка выдает импульс, сообщающий домену определенное направление намагничивания, то надо, чтобы большая часть зерен ориентировалась в нужном направлении.

Чем больше таких правильно сориентированных зерен, тем больше отношение сигнал/шум. Следовательно, для повышения надежности чтения мы заинтересованы в том, чтобы увеличивать количество элементарных зерен в домене (сейчас их около сотни на каждый домен), а если хочется повышать плотность записи, то ничего не остается, кроме как уменьшать размер каждого зерна. Но беспредельно уменьшать их тоже нельзя — слишком маленькие зерна будут самопроизвольно размагничиваться из-за теплового движения — помните, что магнитные ленты хранили в холодильниках? Это явление получило название суперпарамагнитного эффекта, и поначалу предсказывалось, что физическое ограничение на плотность записи, наложенное им, наступит уже при 10 Мбит/кв. дюйм. За счет разных технологических ухищрений и подбора материалов порог удалось снизить в десятки тысяч раз — сейчас считается, что суперпарамагнетизм начнет сказываться при плотностях 100-200 Гбит/кв. дюйм, характерных для дисков в 3,5-дюймовом конструктиве. Это составляет примерно 250 Гбайт данных на пластину и в принципе позволяет довести емкость диска до терабайта. На практике же последние традиционные накопители с продольной записью имели емкость 100-133 Гбайт на пластину, что фактически было пределом.

Недавно, проанализировав патент Поульсена, инженеры пришли к выводу, что датчанин делал запись не продольным, как во всех последующих конструкциях, а поперечным способом — когда ось намагниченности домена находится перпендикулярно плоскости материала. В 1970-х годах Шуничи Ивасаки из японского Технологического института Тохоку, ничего, видимо, не зная про Поульсена, изобрел перпендикулярную запись заново.

Любопытно, что этот способ первоначально пытались использовать для увеличения емкости дискет (до 2,88 Мбайт, такая емкость даже предусмотрена в некоторых технических спецификациях; например, Windows ее поддерживает), но что-то не заладилось, и технология "не пошла".

Почему во всех конструкциях, от бытовых магнитофонов до последних моделей винчестеров, традиционно использовали продольную запись, когда оси намагниченности доменов находятся в плоскости носителя, понятно из рис. 2 — просто симметричная индуктивная головка записи имеет именно такое, продольное направление магнитных линий. Перпендикулярная же запись (рис. 3) дает массу преимуществ — линейные размеры домена, если смотреть со стороны плоскости диска, становятся намного меньше, не теряя в объеме, то есть в количестве элементарных зерен, что увеличивает отношение сигнал/шум. Кроме того, соседние домены меньше влияют друг на друга, а границы между ними становятся более четкими.

Диск с перпендикулярной записью устроен сложнее обычного и имеет двухслойное покрытие. Нижний слой состоит из магнитомягкого материала, то есть такого, который не сохраняет намагничивание после воздействия магнитного поля, а верхний слой представляет собой обычное магнитное покрытие. Толщина каждого слоя составляет несколько десятков нанометров, в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Главная роль во всем этом деле отведена записывающей головке новой конструкции — на рис. 3 видно, что она имеет несимметричную форму.

Острый край концентрирует магнитное поле, увеличивая его интенсивность, и одновременно конфигурирует поле так, что оно оказывается направленным перпендикулярно поверхности. Противоположный край головки имеет большую поверхность, и магнитные линии рассредотачиваются на большем пространстве, то есть поле здесь значительно слабее. А магнитомягкая подложка собирает параллельные носителю линии в себе, не давая им повлиять на результирующее направление намагниченности домена.

Однако путь освоения перпендикулярной записи (PMR), имеющей реальные преимущества перед продольной, оказал ся тернистым. Только в 2003 году из недр Hitachi и Toshiba стали просачиваться сведения о работающих образцах дисков, а первый опытный диск был представлен лишь в 2004 году. В начале 2006 года компания Seagate привезла на CES первый "перпендикулярный" рыночный образец, он имел форм-фактор 2,5” и объем 160 Гбайт, в 2007-м Hitachi выпустила первый накопитель емкостью 1 Тбайт. Сегодня терабайтники есть у всех производителей, однако дальше этого объема дело пока не идет. Одна из причин — отсутствие реальной потребности в таких объемах среди пользователей и дороговизна одного гигабайта в таких продуктах.

Как я говорил в начале статьи, поначалу предполагалось, что PMR-накопители позволят отрасли продержаться где-то до 2010 года, после чего уступят место накопителям на других принципах записи, среди которых называются не только стремительно дешевеющие твердотельные диски, но и прямые наследники магнитных — диски на основе тепловой магнитной записи (heat assisted magnetic recording, HAMR). Однако еще прошлой осенью появились сведения, что хоронить магнитный принцип рано и что усовершенствованная PMR (с предварительной разметкой пластин в процессе изготовления и с увеличенным числом слоев) отодвигает поминки по крайней мере лет на пять, до 2015 года. Ну а за это время еще что-нибудь обязательно придумают…