Aus großen Storage-Infrastrukturen sind Festplatten nicht wegzudenken, da sie nach wie vor das mit Abstand günstigste Speichermedium sind, das direkte Zugriffe ermöglicht. Daran hat sich trotz fallender SSD-Preise nichts geändert, denn die kontinuierliche Weiterentwicklung der Festplattentechnik sorgte stets dafür, dass die Kapazitäten der Laufwerke stiegen und die Kosten pro TByte sanken.

Um Kapazitätssteigerungen zu erreichen, stehen den HDD-Herstellern im Grunde zwei Wege offen: Sie packen mehr Disks in den 3,5-Zoll-Formfaktor oder erhöhen die Datendichte auf den Magnetscheiben. Die Helium-Füllung der Laufwerke und dünnere Disks erlaubten vor rund zehn Jahren den Einbau von neun statt acht Scheiben. Eine kleinere Leiterplatte am Gehäuse, die nicht mehr bis unter den Plattenstapel reicht, machte dann eine weitere Disk möglich.

Inzwischen lassen sich die Disks noch schlanker gestalten und sind nur noch 0,55 statt zuvor 0,635 Millimeter dick, wodurch elf Scheiben in ein Laufwerk passen. Toshiba konnte sogar schon erfolgreich ein Design mit zwölf Disks demonstrieren. Wichtigste Neuerung ist hier der Wechsel von Aluminiumsubstrat auf Glas als Basismaterial für die Platten, da Glas sich bei der Beschichtung und durch die Rotation weniger stark verformt und dadurch auch dünnere Scheiben mechanisch stabil und ohne größere Schwankungen in der Rotationsebene drehen.

Neue Beschichtungen bieten mehr Bitstabilität

Bei der Steigerung der Datendichte auf den Disks hingegen spielt das Aufzeichnungsverfahren die entscheidende Rolle. In den vergangenen 20 Jahren handelte es sich um Perpendicular Magnetic Recording (PMR) – so genannt, weil die Bits anders als beim vorher genutzten Longitudinal Magnetic Recording (LMR) senkrecht und nicht mehr horizontal angeordnet wurden. Eine immer kleinere Körnung der magnetischen Beschichtung auf den Disks erlaubte es, die einzelnen Bits, aber auch die Datenspuren immer enger nebeneinander zu platzieren und somit mehr Daten auf der gleichen Fläche unterzubringen. Hier setzt die Physik jedoch Grenzen, die mittlerweile erreicht sind: Bei einer noch kleineren Körnung wären die Bits nicht mehr ausreichend stabil und würden leicht "kippen", wenn sich das Laufwerk im Betrieb erwärmt.

Vermeiden lässt sich das mit neuartigen Beschichtungen, die eine höhere Koerzitivfeldstärke als die bisher verwendeten Eisen-Kobalt-Legierungen aufweisen. Denn je höher die Koerzitivfeldstärke, desto besser hält die Beschichtung ihre Magnetisierung und desto stabiler sind die Bits.

Zum Ausrichten der Bits bei Schreibaktivitäten auf den neuen Oberflächen wird mehr magnetische Energie als bisher benötigt – mehr als die Schreibköpfe von Festplatten liefern können, wenn sich ihre Größe nicht verändern soll. Größere Schreibköpfe sind jedoch unerwünscht, weil sie den Abstand zwischen den Disks wieder vergrößern würden. Die Festplattenhersteller haben daher mit Microwave Assisted Magnetic Recording (MAMR) und Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR) neue Technologien entwickelt, die auf eine Eisen-Platin-Beschichtung mit höherer Koerzitivfeldstärke setzen und deren magnetische Eigenschaften kurzzeitig verändern, sodass mit weniger magnetischer Energie geschrieben werden kann.

MAMR ist nicht gleich MAMR

Genaugenommen existiert MAMR in zwei Ausprägungen: Flux-Controlled MAMR (FC-MAMR) und Microwave-Assisted Switching MAMR (MAS-MAMR). FC-MAMR kommt schon eine Weile in Festplatten zum Einsatz und bündelt lediglich den magnetischen Fluss durch ein per Spin Torque Oscillator generiertes Mikrowellenfeld. Dadurch lassen sich Bits dichter schreiben, doch es werden zwei Leseeinheiten im Schreib/Lese-Kopf benötigt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und die Bits zuverlässig auslesen zu können.

Da das Material der Beschichtung bei FC-MAMR nicht direkt beeinflusst wird, funktioniert die Technologie mit den bestehenden Beschichtungen, bringt aber nur vergleichsweise geringe Kapazitätssteigerungen. Mittelfristig größere Zuwächse sind mit MAS-MAMR möglich, das tatsächlich auf die Beschichtung einwirkt.

Bei MAS-MAMR generiert ein dualer Spin Torque Oscillator im Write Gap des Schreib/Lesekopfs ein kräftigeres Mikrowellenfeld, das den zu beschreibenden Bereich in der Eisen-Platin-Beschichtung gezielt in Schwingung versetzt. Schwingt er mit der richtigen Frequenz, ist nur noch eine geringe magnetische Energie notwendig, um die Körnung wie gewünscht auszurichten und ein Bit zu schreiben. Nach der Abschaltung des Oszillators schwingt das Material nicht mehr und das Bit steht stabil.

Abgesehen von der genauen Schaltung des Oszillators ist die Technik nicht allzu komplex und wenig belastend für das Material. Sie lässt sich mit Shingled Magnetic Recording (SMR) kombinieren, was in der nächsten Festplattengeneration mit noch elf Disks zu Kapazitäten von 32 bis 33 TByte pro Laufwerk führen soll. In der darauffolgenden Generation mit zwölf Disks und weiteren Verbesserungen an MAMR sollen es bereits rund 40 TByte sein.

Zwar stand SMR in der Vergangenheit wegen schwankender Schreibleistungen in der Kritik, doch durch größere Caches und bessere Caching-Algorithmen ist die Technik deutlich zuverlässiger geworden. Für Umgebungen mit hohen Schreiblasten oder mit hohen Anforderungen an eine konstante, vorhersagbare Performance wird es jedoch auch künftig Modelle ohne SMR geben – mit etwas geringeren Kapazitäten.

Hitze erhöht die Materialanforderungen bei HAMR

Damit der Spin Torque Oscillator in das Write Gap passt, muss er sehr klein sein. Dadurch ist seine Leistung limitiert, weshalb Kapazitätssteigerungen weit über 40 TByte hinaus mit MAMR unwahrscheinlich sind. Langfristig bietet HAMR mehr Potenzial. Hier sitzt eine Laserdiode oben im Schreib/Lesekopf, deren Laserstrahl mittels Lichtwellenleiter in einen Near Field Transducer (NFT) geleitet und von diesem genau auf den zu beschreibenden Bereich konzentriert wird. Dieser erwärmt sich kurzzeitig auf die Curie-Temperatur des Materials, weit über 400 Grad Celsius, und verliert dadurch weitgehend seine magnetischen Eigenschaften, sodass sich die Körnung mit wenig magnetischer Energie ausrichten lässt. Anschließend kühlt er schnell ab und stabilisiert damit die Magnetisierung.

Technisch ist HAMR herausfordernder als MAMR, weil die Leistung von Laserdioden mit der Zeit abnimmt und die Anforderungen an die Materialien durch die Hitzeentwicklung höher sind. Mit fortschrittlichen Analyse- und Designmethoden gelingt es den Herstellern jedoch, HAMR-Festplatten so zu konstruieren, dass sie ebenso zuverlässig und langlebig sind wie die bisherigen HDD-Generationen. Für Enterprise-Laufwerke heißt das, dass sie eine Mean Time To Failure (MTTF) von 2,5 Millionen Stunden aufweisen und mit Arbeitslasten von 550 TByte pro Jahr zurechtkommen. Der Stromverbrauch steigt durch die Laserdiode allenfalls minimal, was durch die höheren Kapazitäten mehr als aufgewogen wird. Der Watt-pro-TByte-Wert sinkt im Vergleich zu älteren Modellen deutlich.

Mit den nächsten HDD-Generationen, die auf HAMR basieren, werden die Kapazitäten zunächst auf voraussichtlich 45 und später auf 55 TByte pro Laufwerk steigen. Bei Modellen mit zwölf Disks liegt die Herausforderung darin, dass der Schreib/Lesekopf durch die oben sitzende Laserdiode etwas höher ausfällt und mit der bisherigen Bauweise nicht mehr zwischen die Magnetscheiben passen würde. Wahrscheinlich lässt sich dieses Problem aber durch ein kleines Loch in der Aufhängung des Kopfes lösen.

Welche Kapazitäten mit HAMR letztlich möglich sein werden, ist noch nicht ganz klar – einige Experten gehen von 100 TByte und mehr pro Laufwerk aus. Aber selbst, wenn HAMR das nicht schaffen sollte, forschen die Festplattenhersteller schon an Nachfolgetechnologien, die etwa mit einer gleichmäßig ausgerichteten Körnung oder kleinen, isolierten Bereichen (Dots) die Fläche auf den Magnetscheiben besser ausnutzen.

Fazit

Mit bis zu zwölf Disks und MAMR sowie HAMR als Aufzeichnungstechnologien werden Festplatten noch viele Jahre stetig höhere Kapazitäten bieten können und das wirtschaftlichste Speichermedium bleiben. Sowohl MAMR als auch HAMR setzen auf neue Beschichtungen, um eine höhere Bit- und Spurdichte zu erreichen, müssen deren magnetische Eigenschaften beim Schreiben jedoch kurzzeitig verändern, damit weniger magnetische Energie benötigt wird. (ln)

Über den Autor: Dean Edwards ist General Manager Engineering & Technical Support bei Toshiba Electronics Europe.