Перпендикулярные терабайты: четвёртое дыхание магнитных накопителей

Магнитные диски (они же винчестеры, хард-диски, харды) давно обязаны были вымереть как класс. Или, по крайней мере, процесс их трагического ухода в прошлое должен был бы сейчас быть в самом разгаре.

Магнитные диски (они же винчестеры, хард-диски, харды) давно обязаны были вымереть как класс. Или, по крайней мере, процесс их трагического ухода в прошлое должен был бы сейчас быть в самом разгаре. Ухода туда же, куда вслед за магнитными барабанами и катушечными магнитофонами отправились ленточные накопители, аудио- и видеокассеты.

Тем не менее, магнитные диски и не думают сдаваться: производители уже придумали способ предварительной разметки поверхности, который позволит довести предельную плотность записи с сегодняшних 200–300 до 500–1000 Гбит/кв. дюйм. А это означает, что продержатся винчестеры куда дольше, чем до 2010 года, когда, как предполагалось ранее, магнитные накопители должны были бы окончательно сдать дела накопителям твердотельным.

ДЫХАНИЕ ПЕРВОЕ: ВСЁ ВОКРУГ МАГНИТНОЕ

Принцип записи информации на магнитных носителях был придуман даже не на заре, а еще в предрассветных сумерках электроники. В 1899 году, за десять лет до создания электронной лампы Ли де Форестом, датчанин Вальдемар Поульсен запатентовал принцип магнитной записи на магнитомягкую проволоку, причем сама идея высказывалась еще раньше. Стальную ленту (вместо проволоки) применяли для записи звука до 1940-х годов, когда появилась целлулоидная пленка на основе окиси железа. А с рождением первых компьютеров магнитный принцип стали использовать и для хранения информации. В пояснительной записке к первому отечественному патенту (точнее, авторскому свидетельству) под названием "Автоматическая цифровая вычислительная машина", выданному в декабре 1948 года И. С. Бруку и Б. И. Рамееву, среди прочего рассматривался вопрос построения накопителей данных на магнитных барабанах и лентах.

Мало того, самая распространенная в 1960-е конструкция ОЗУ с произвольным доступом тоже основывалась на магнитном принципе: биты хранились в виде состояний магнитных сердечников. Это дорогущее и трудоемкое в изготовлении устройство (ферритовые колечки миллиметровых размеров, организованные в трехмерную решетку, прошивались тончайшими проволочками вручную) обладало весьма высокой надежностью и превосходными по тем временам скоростными характеристиками.

Ключевым событием в области долговременного хранения данных стало изобретение магнитных дисков, в которых конструкторы попытались объединить скорость записи/чтения магнитных барабанов с емкостью магнитных лент. У дисков площадь поверхности значительно больше, чем у барабанов, а время доступа сокращалось благодаря использованию набора движущихся головок.

Вряд ли кто-либо в то время мог подумать, что это направление и станет определяющим на десятилетия: изобретенная в 1956 году в IBM первая дисковая система памяти под названием RAMAC 305 весила около тонны, состояла из пятидесяти 24-дюймовых (то есть более полуметра в диаметре!) пластин и могла хранить около 5 Мбайт данных при скорости чтения около 9 Кбайт/с. Цена RAMAC 305 превышала $50 тысяч, и корпорация IBM сдавала в аренду его дисковое пространство за $3200 в месяц. Как вы знаете, сейчас в продаже имеются жесткие диски емкостью в сотни тысяч раз большей, притом с пластинами диаметром от 1 дюйма, по цене порядка доллара за гигабайт, при скорости чтения до 100 Мбайт/с.

ДЫХАНИЕ ВТОРОЕ: ВИНЧЕСТЕРЫ И ДИСКЕТЫ

Старые магнитофонщики помнят, что качество записи сильно зависело от зазора в головке. Чем меньше зазор, тем мощнее поле и выше плотность записи (а следовательно, и лучше ее частотная характеристика), потому даже в бытовых магнитофонах зазор в головке составляет всего несколько микрон. Но действует это поле на малых расстояниях, и носитель приходится прижимать к головке как можно теснее. Эти рассуждения справедливы для магнитофонов (и для дискет), у которых скорость движения поверхности относительно головки не превышает нескольких сантиметров или десятков сантиметров в секунду. Жестким дискам контакт головки с магнитным слоем заведомо противопоказан: даже при давно оставшейся в прошлом скорости 3600 об./мин. линейная скорость диска относительно головки в трехдюймовом накопителе составит 15 метров (а не сантиметров!) в секунду. И до какого бы зеркального блеска ни доводились поверхности головки и магнитного слоя, на таких скоростях головка будет "пропахивать" поверхность диска, а диск, соответственно, стирать головку ускоренными темпами.

Потому даже в самых первых накопителях зазор между головкой и диском составлял несколько микрон, причем во время работы он должен выдерживаться постоянным. Это, в свою очередь, налагает повышенные требования к качеству изготовления носителя и механики — какие-либо биения и неровности абсолютно исключаются. Мало того, из-за высокой скорости вращения (в современных моделях — 7200, 10 и даже 15 тысяч об./ мин.) при перемещении диска начинает сказываться гироскопический эффект: ось вращения стремится сохранить свое положение в пространстве, отчего при достаточно резком повороте накопитель может сломаться. Потому обычные — не ноутбучные — жесткие диски в процессе работы не рекомендуется не только ронять, но и перемещать.

Для обеспечения постоянства зазора между головкой и диском стали использовать аэродинамический эффект — при надлежащей форме головки и достаточно высокой скорости вращения диска головка начинает планировать в воздушном потоке, подобно крылу самолета, причем этот процесс саморегулирующийся: зазор будет выдерживаться автоматически с высокой точностью. Этот принцип использовался еще в RAMAC; правда, там скорость вращения была относительно невелика (1200 об./мин.), и для поддержания зазора приходилось использовать специальные воздуходувки. Отметим, что принцип аэродинамического планирования головок с авторегулированием зазора тоже был предложен корпорацией IBM, в 1961 году, а в 1973 году ее филиал в одном из древнейших городов Англии Винчестере (где когда-то собирались рыцари Круглого Стола) начал выпускать такие накопители, с тех пор и именующиеся "винчестерами". Эта версия происхождения названия "винчестер" кажется мне гораздо более состоятельной и логичной, чем гуляющая из текста в текст легенда о совпадении калибра знаменитого оружия (30, то есть 0,3 дюйма) с номером айбиэмовского проекта какого-то из потомков RAMAC.

В современных дисках зазор составляет доли микрона. Поэтому там нельзя даже "парящую" головку долго держать на одном месте — из-за нагрева поверхности о воздух, и при простое контроллер периодически перемещает головки с места на место. Разумеется, главное в этом деле — не забыть вовремя убрать ("запарковать") головку при остановке диска, иначе она оставит на поверхности борозду не хуже плуга, и диск уже ничто не спасет — как и бывает при внезапном отключении электричества. Такие катастрофы случаются редко (но все же случаются), поскольку во всех современных накопителях головки при отключении питания паркуются автоматически.

Абсолютно недопустимо и попадание пыли в зазор между поверхностью и головкой, отчего все современные диски изолируют от внешней среды, а для выравнивания давления внутри и снаружи используют специальный барометрический фильтр. Для улавливания частичек, которые могут образоваться в процессе работы диска, внутри кожуха имеется еще один фильтр, устанавливающийся на пути воздушного потока, порожденного вращающимся пакетом дисков. Поэтому после разборки и сборки в бытовых условиях современный диск почти со стопроцентной гарантией можно отправлять в мусорное ведро. Есть и еще одна засада — если диск не предназначен для работы в специальных климатических условиях, то есть не имеет полностью герметичного корпуса, выдерживающего разность давлений, то после переноса из холодного помещения в теплое в нем может накапливаться конденсат. Так что при такой операции компьютер обязательно требуется выдержать как минимум несколько часов, пока не прогреется все его "нутро".

Как ни странно, гораздо более примитивные дискеты (флоппи-диски) изобрели позже жестких дисков — только в 1970 году сотрудник IBM Дэвид Ноубл под руководством Алана Шугарта сконструировал флоппи-диск, имевший 8 дюймов в диаметре и в первой версии позволявший записать 80 Кбайт данных. Вы не поверите, но дискета такой емкости вмещала ядро операционной системы далеко не персональных по возможностям и назначению компьютеров IBM System 370 — на ней содержались все данные, достаточные для "холодной" перезагрузки машины. Собственно, для этой цели первые дискеты, работавшие в режиме "только для чтения", и создавались.

По инициативе того же Шугарта (впоследствии, кстати, основавшего фирму Sea gate) в 1975 году в его компании Shugart As sociates (совместно с Wang La boratories) была сконструирована дискета 5,25 дюйма, а в 1981 году из стен корпорации Sony вышла привычная ныне 3,5-дюймовая дискета в жестком пластмассовом корпусе (отчего в некоторых странах ее называют "жесткой"). Сначала для записи использовали одну сторону, так что 5-дюймовая дискета вмещала всего 110 Кбайт данных. Потом стали использовать обе стороны, удвоили количество дорожек (вместо сорока — восемьдесят) и усовершенствовали технологии кодирования данных. В результате удалось довести емкость 5-дюймовой дискеты до 1,2 Мбайт, а 3-дюймовой — до 1,44 Мбайт.

Изобретение дешевых сменных носителей в виде флоппи-дисков во многом по спо собствовало появлению персонального ком пьютера: первый IBM PC, как известно, жесткого диска не имел, и операционная система DOS, пользовательские программы и данные записывались в нем на 5-дюймовые дискеты емкостью 320 Кбайт, для которых было предусмотрено целых два привода. Аналогично был устроен и знаменитый Apple в своих первых модификациях I и II.

Кстати, по моим личным наблюдениям, несмотря на относительно примитивную конструкцию, "гибкие" дискеты 5,25 дюйма были даже надежнее, чем "твердые" 3,5-дюймовые: с последними, притом независимо от производителя, я в свое время достаточно натерпелся, даже выработалась привычка всегда писать данные в двух экземплярах, чего практически не требовалось в эпоху пятидюймовок (возможно, оттого, что поверхностная плотность информации в них значительно ниже). Факт: когда мне недавно потребовалось разыскать один старинный документ, датируемый примерно 1989 годом, я отряхнул пыль с пятидюймового привода, лежавшего на шкафу с незапамятных времен, без особой надежды засунул туда дискету "Изот" болгарского производства, предположительно содержавшую требуемое, и вся информация с нее прочиталась, словно была записана накануне. Без единого сбойного сектора — вот ведь!

ДЫХАНИЕ ТРЕТЬЕ: GMR И МАГНИТНЫЕ ХИТРОСТИ

Современный диск, в отличие от древних накопителей вроде RAMAC, во многом подобных бытовому магнитофону, имеет отдельные головки чтения и записи, лишь конструктивно объединенные в одну. При этом в традиционных накопителях с продольной записью, каковые доминировали на рынке еще года два назад, головка записи в принципе мало чем отличается от обычной индуктивной магнитофонной головки. Со временем менялись лишь размеры и расстояния — сейчас зазор между головкой и поверхностью не превышает 100 нм (в сто раз меньше, чем в конструкциях 1970-х — начала 1980-х годов).

А вот с головкой чтения происходили гораздо более значимые изменения. Совмещающая функции записи и чтения индуктивная головка имеет множество недостатков: очень плохое отношение сигнал/шум, зависимость чувствительности от скорости носителя и т. п. Потому еще в 1980-е вместо индуктивной головки для чтения стали применять более чувствительные тонкопленочные. А начиная примерно с 1991 года вообще изменили принцип их работы: в головках чтения стали использовать так называемый магниторезистивный эффект (MR). Суть его в том, что в зависимости от интенсивности внешнего магнитного поля меняется сопротивление некоего материала. Немаловажно, что эффект этот статический: головка будет выдавать сигнал, даже если носитель под ней остановить — в отличие от индуктивных, которые реагируют лишь на изменяющееся магнитное поле во время движения носителя. Поэтому сигнал в MRголовках не зависит от скорости. Увеличивается и отношение сигнал/шум, особенно в головках с "гигантским" (giant) магниторезистивным эффектом (GMR), что очень важно в связи с прогрессирующим уменьшением площади, занимаемой единичным битом на поверхности диска. И примерно со второй половины 1990-х все накопители стали выпускать только с GMR-головками.

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.

ДЫХАНИЕ ЧЕТВЕРТОЕ: ПЕРПЕНДИКУЛЯРНАЯ ЗАПИСЬ

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 — просто симметричная индуктивная головка записи имеет именно такое, продольное направление магнитных линий. Перпендикулярная же запись 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, оказался 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…