MAMR. Новая технология магнитной записи
Прислано Stan Korb Ноябрь 10 2018 09:34:13
Пару недель назад все электронные таблоиды запестрели новостями о том, что корпорация Western Digital, купившая подразделение по разработке и производству накопителей информации компании Hitachi, реализовала новую технологию, существенно повышающую плотность записи на магнитную пластину – MAMR (Microwave assisted magnetic recording – магнитная запись с помощью микроволн). Использование современных технологий записи позволяет создать магнитное «пятно» чтения-записи, имеющее размеры 8 – 16 нм. Использование технологии MAMR даст возможность создавать такое «пятно» величиной всего 4 нм, т.е. увеличить плотность записи по отношению к современной теоретически в 4 раза. При таком увеличении плотности записи могут быть созданы жесткие диски емкостью до 40 ТБ. Это, без сомнений, прорыв.

Электронные таблоиды начали нахваливать новую технологию, решающую проблему предыдущей разработки – HAMR (heat-assisted magnetic recording – магнитная запись с помощью тепла). Эта разработка была на слуху лет 5 назад, но после про нее было слышно мало, и не спроста. В теории все выглядело очень красиво – локально нагревается участок поверхности, за счет этого увеличивается анизотропия материала и уменьшается «пятно», куда можно записать данные. Но это в теории. На практике же оказалось, что использование обычной воздушной атмосферы внутри дисков большой емкости, куда предполагалось ставить HAMR-головки, невозможно, так как от трения о воздух поверхности будут сильно нагреваться, плюс – нагрев поверхностей головками HAMR – в итоге диски будут или непростительно медленными, или непростительно ненадежными. Вы скажете – но есть же решение, это гелий! Да, разработчики HAMR-головок думали также. Но неумолимая практика показала, что гелий обладает большей теплопроводностью, чем воздух (ну а иначе зачем бы его закачивать в диск?), а это значит, что нагревать «пятно» под головкой придется сильнее. Это, в свою очередь, повысит энергопотребление и, опять же, увеличит нагрев. За что боролись, на то и напоролись.

Технология MAMR лишена температурных проблем. В основе ее лежит STO – Spin Torque Oscillator (спинотронный осциллятор), «многослойный тонкопленочный генератор высокочастотного (20–40 ГГц) поля, возникающего за счет поляризации спинов электронов под действием постоянного тока», пишут на Хабре. И вот тут начинается самое интересное. Похоже, что описывая новость, никто из описателей толком и не понял, что же такое этот спинотронный осциллятор, и за счет чего работает вся эта замечательная технология. Люди просто перечисляют какие-то сложные слова и термины, не вдаваясь в детали.

Чтож, попробуем объяснить, как это работает. Как известно, любой атом состоит из ядра и летающих вокруг него электронов. Электроны летают с определенной скоростью и по определенным траекториям. Однако мало кто знает, что у электрона, кроме вращения вокруг ядра, есть еще собственный момент вращения – импульсные колебания, которые он совершает вокруг своей оси, если можно так это представить. Мы привыкли представлять себе электрон как маленькую планету, движущуюся вокруг звезды – ядра. На самом же деле электрон – это скорее размазанный вокруг ядра туман, состоящий из отдельных элементов – кварков. Поэтому спин электрона – это согласованное колебание всех кварков в одном магнитно-электрическом направлении. Для упрощения можно представить это себе так. Пусть электрон – это мини-планета, летающая вокруг солнца – ядра. У каждой планеты есть собственное вращение, электрон – не исключение. Спин – это вращение электрона вокруг своей оси. Так вот, спинотронный осциллятор выравнивает вращательный момент спинов всех электронов в пространстве, которое он охватывает, заставляет все электроны вращаться вокруг своей оси в одну сторону, согласованно. И это его единственная функция.

А в чем смысл? Вопрос логичный.

Представьте себе обычные микроволны, как, скажем, в микроволновой печи. Что они делают? Они заставляют вращаться молекулы вещества, и за счет этого вращения вещество нагревается. Однако если мы применим тот же принцип на атомном, а не на молекулярном, уровне, мы получим лишь локальный нагрев поверхности и, что более опасно, момент ионизации – часть электронов будет неизбежно отрываться со своих атомных орбиталей, сходить с орбит, а это уже термоядерная реакция. Конечно, в пятне размером 4 нм получить полноценный термоядерный синтез нельзя, но момент ионизации будет присутствовать постоянно, а это – довольно быстрый износ вещества внутри диска, ведь постоянная бомбардировка соседних кусков поверхности разогнанными до большой скорости электронами и ионами тяжелых металлов ни к чему хорошему не приведет.

Проблему ионизации и нагрева полностью решает спинотронный осциллятор. Кроме того, как только участок поверхности выходит из области воздействия микроволнового «пятна», спины электронов приходят в свое естественное состояние, то есть поляризация спинов исчезает. Это делает всю систему в целом очень стабильной: если к ней не прикладывать энергию, никаких изменений в ней не будет происходить.

Как же работает запись в ячейку памяти с помощью новой головки? Под действием постоянного тока в спинотронном осцилляторе происходит поляризация спинов электронов, то есть вращательный момент каждого электрона в осцилляторе упорядочивается; в результате этого в свободном слое осциллятора возникает высокочастотная генерация в пределах 20–40 ГГц. Из-за поляризации спинов меняется вектор намагниченности в свободном слое (он приобретает строго определенное направление) и возникшее под ним круговое поле накачивает энергией магнитный домен в записывающем слое магнитной пластины. Записывающей головке в таких условиях достаточно создать небольшую напряжённость магнитного поля, чтобы изменить намагниченность участка пластины. Так происходит запись одного бита данных на дорожку.

А в чем смысл, спросите вы?

А смысл, как обычно, в прибыли. Не секрет, что твердотельные накопители все больше теснят традиционные жесткие диски. Доходит уже до того, что новые сервера на базе SSD дисков емкостью 20 – 40 ТБ становятся обычными обитателями облачных хранилищ, даже не смотря на их баснословную цену. Новейшая технология записи позволит жестким дискам продолжить конкуренцию с SSD: при той же емкости в 20 – 40 ТБ, стоимость диска будет примерно в 10 раз меньше, чем стоимость SSD. Такая разница в цене, естественно, представляет весьма существенный фактор и позволяет видеть за новыми дисками большое будущее.

А это значит, что война между SSD и HDD пока еще находится в ее стратегической фазе, с короткими тактическими ударами, бьющими не в бровь, а в глаз. Чтож, посмотрим, чем ответят производители SSD, хотя, и это весьма очевидно, достойным ответом может быть только кратное снижение цены устройств.