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MAMR-Festplatten könnten die Storage-Industrie verändern
Wichtige mögliche Nachfolger des heutigen Perpendicular Magnetic Recording sind HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) und MAMR (Magnetic-assisted Magnetic Recording).
Im Oktober 2017 gelang Western Digital die erste Demonstration einer Harddisk, die mit mikrowellenunterstützter magnetischer Speicherung (MAMR, Microwave-assisted Magnetic Recording) arbeitet. MAMR ist eine energieunterstützte Speichertechnologie. Sie wurde von Jimmy Zhu entwickelt, einem Professor an der Fakultät für Elektro- und Computertechnik der Carnegie Mellon University. Die neuen MAMR-Laufwerke beseitigen viele Probleme, die durch die wärmeinduzierte magnetische Speicherung entstehen. Das ist eine alternative energieunterstützte Speichertechnologie, von der viele glaubten, sie werde die nächste Festplattengeneration prägen.
Festplattenhersteller suchen ständig nach Methoden, die Speicherdichte ihrer Laufwerke zu erhöhen, also die Zahl der Bits, die auf einer bestimmten Fläche gespeichert werden können. Einer der wichtigsten Durchbrüche ereignete sich 2005. Damals wurden Laufwerke mit Perpendicular Magnetic Recording (PMR) kommerziell verfügbar. In einem PMR-Laufwerk werden die Bits vertikal gespeichert und nicht mehr horizontal wie in traditionellen Festplatten. Die vertikale Ausrichtung der Bits erhöht die Speicherdichte erheblich.
PMR-Laufwerke konnten sich breit im Markt etablieren, allerdings erreichen sie hinsichtlich der Speicherdichte schon wieder ihre Grenzen, die bei etwa 126 Gigabit pro Quadratzentimeter liegen. Technologien wie Shingled Magnetic Recording (SMR), bei dem sich die Speicherzellen teilweise überlagern, und zweidimensionales Magnetic Recording haben die Speicherdichte erhöht, aber auch Disks mit diesen Storage-Technologien erreichen hinsichtlich der Speicherdichte ihre Leistungsgrenzen.
Energieunterstütztes Speichern
Ein Teil des Problems besteht darin, dass größere Dichten Storage-Medien erfordern, die erst bei höheren Energieschwellen thermisch instabil werden. Um jedoch Daten trotz dieser stärkeren Barrieren zuverlässig zu schreiben, müssen die Aktuatoren stärkere magnetische Felder erzeugen. Das kann mit den existierenden Komponenten schwierig sein. Energieunterstützte Technologien ermöglichen den Köpfen, dichtere Festplatten zu beschreiben.
Storage-Hersteller arbeiten an zwei Arten energieunterstützter Technologien: Heat-assisted Magnetic Recording (HAMR), wobei die Energie als Wärme zugeführt wird, und das schon erwähnte MAMR. Für die Storage-Medien eines HAMR-Laufwerks werden besondere Materialien verwendet. Sie werden durch eine Laserdiode direkt vor dem Schreibkopfmodul erhitzt. Nach dem Schreiben der Daten kühlt das Medium aus und hält die Bits in ihrem aktuellen Status.
In den vergangenen Jahren haben Seagate, Western Digital und andere HAMR-Technologien erforscht, allerdings ging es nur langsam voran. Das lag unter anderem an der teuren Implementierung eines Lasers in jedem Schreib- oder Lesekopf. Sogar wenn die Kosten dafür sinken, bleiben Zweifel an der Zuverlässigkeit der erhitzten Medien.
HAMR bedeutet auch Herausforderungen für Engineering und Produktion. Die Laufwerke benötigen spezielle Medien, die zu fertigen ein sehr komplexer Prozess ist. Die Produktionsanlagen müssen dafür erheblich umgebaut werden. Seagate scheint in der HAMR-Technologie zu führen. Deren Kunden testen bereits HAMR-Laufwerke, der Hersteller verspricht Lieferungen in großen Stückzahlen für das Jahr 2019.
Einführung von MAMR-Laufwerken
Da kommerziell verfügbare HAMR-Laufwerke noch immer weit weg sind, konzentriert sich Western Digital jetzt auf MAMR. Ein MAMR-Laufwerk braucht keine Laser und keine externe Wärmequelle, was es zuverlässiger macht. Dazu schreibt es bei Temperaturen, die vergleichbar sind mit denen bei traditionellen PMR-Drives.
Eine MAMR-Festplatte kann mit ähnlichen Abläufen wie PMR-Laufwerke gebaut werden. Die Herstellungsprozesse ändern sich nur hinsichtlich der Aktuatorenköpfe. Hersteller können die bestehenden Anlagen also nutzen, um MAMR-Laufwerke zu produzieren, was die Produktionskosten senkt und die Zeit bis zur Marktreife verkürzt.
Integriert in den MAMR-Aktuatorkopf ist ein Spin-Drehmoment-Oszillator (Spin Torque Oscillator, STO). Er erzeugt ein elektromagnetisches Feld in der Nähe des Schreibpols des Kopfes. Dadurch kann der Kopf Daten bei einem schwächeren magnetischen Feld auf das Medium schreiben, so dass dichtere Laufwerke entstehen, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.
Western Digital verwendet zur Produktion der Aktuatorköpfe Damaszener-Bearbeitung (ein Prozess, bei dem wie beim antiken Damaszener-Verzierungsverfahren Material in Vertiefungen eingebracht wird). Dieser Prozess formt die Köpfe mit der nötigen Genauigkeit, um die STO in das Kopfmodul zu integrieren. Damaszener-Bearbeitung ermöglicht die Massenfertigung dieser Laufwerke und kann trotzdem die Anforderungen an Leistung und Zuverlässigkeit erfüllen.
Western Digital verwendet weiter Mikroaktuator-Technologien bei der Produktion seiner MAMR-Laufwerke. Mikroaktuatoren können die Magnetschreib- und Leseköpfe genauer positionieren und so auch auf hochdichtem Medium zuverlässig lesen und schreiben. Verglichen mit traditionellen Aktuatorarmen bewegen Mikroaktuatoren den Artikulationspunkt näher zum Kopf hin. Dadurch ist eine feinere Positionierung und Steuerung möglich.
Indem das Unternehmen MAMR-Technologie mit Damaszener-Prozess und Mikroaktuatoren verbindet, kann Western Digital nach eigenen Aussagen Laufwerke liefern, die rund hundert Mal zuverlässiger sind als die heutigen HAMR-Festplatten.
Die MAMR-Technologie kann auch zusammen mit anderen Technologien eingesetzt werden. Beispielsweise sind Western Digitals MAMR-Laufwerke mit Helium und nicht wie traditionell üblich mit Luft gefüllt, um den Widerstand der Schreib- und Leseköpfe zu verringern.
Was MAMR verspricht
Western Digital verwendet dieselben Medienmaterialien sowie Herstellungsprozesse wie bei PMR-Laufwerken und will die ersten MAMR-Festplatten 2019 ausliefern. Das Unternehmen will schließlich Laufwerke mit einer Dichte von mehr als 2,48 Terabit pro Quadratzentimeter bauen. Das Ziel sind 40-TByte-Drives bis 2025.
Es ist schwer zu sagen, was das für HAMR bedeutet. Seagate prescht mit HAMR voran und sogar Western Digital will weiter HAMR-Forschung betreiben. Bis MAMR- oder HAMR-Laufwerke im Handel erhältlich sind, kann man nur raten, welche Technologie die nächste HDD-Generation bestimmen wird. Auf jeden Fall sind MAMR-Laufwerke in einer guten Position, um die gesamte Storage-Industrie nachhaltig zu verändern. Wir werden noch viel von ihnen hören.
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