Seagate Mozaic 3+ HAMR-HDDs sind endlich serienreif

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Nun ist es soweit: Seagate bringt mit Exos-Festplatten auf Basis der Mozaic-3+-Plattform erstmals HAMR in die Großserie. Die HDD bietet mit einer Kapazität von 30 TB eine Datendichte von mehr als drei TB pro Magnetscheibe. Das soll erst der Anfang sein.

Seagate ist der Festplattenhersteller, der schon seit Jahren die Hauptarbeit bei der Entwicklung von HDDs mit Heat Assisted Magnetic Recording Technologie (HAMR) leistet. Mit HAMR lässt sich die eine Flächendichte pro Platter erheblich steigern, was eine deutlich höhere Gesamtkapazität einer Festplatte im herkömmlichen 3,5-Zoll-Format ermöglicht. Bereits 2021 hat Seagate in kleinem Umfang HAMR-Festplatten mit 20 TB Kapazität an ausgewählte Kunden geliefert, um deren Haltbarkeit unter realen Bedingungen zu erfassen. Laut Seagate hat sich dabei gezeigt, dass die Zuverlässigkeit der Schreib- und Leseköpfe die Anforderungen der Kunden um den Faktor 20 übertreffen. Mit der Mozaic-3+-Plattform hat Seagate eine Implementierung der HAMR-Technologie geschaffen, die eine Flächendichte von mehr als 3 TB pro Magnetscheibe ermöglicht und reif für die Massenproduktion ist. Der Name „Mozaic“ soll dabei deutlich machen, dass Seagate hier ein ganzes Bündel an Technologien entwickelt hat, die dafür sorgen, dass HAMR serienreif ist.

Exos-Festplatten mit 30 TB Kapazität werden in diesem Quartal in großen Stückzahlen an Hyperscale-Cloud-Kunden ausgeliefert. Sie ersetzen dort die vorwiegend verwendeten PMR-Festplatten mit 16 TB Speicherplatz, was die Speicherkapazität bei gleichem Platzbedarf im Storage-System nahezu verdoppelt, wie John Morris, CTO bei Seagate betont. Das senkt nicht nur die Betriebskosten, da keine zusätzlichen Speichersysteme installiert werden müssen, für die zusätzlicher Platz im Rechenzentrum nötig wäre, sondern auch den Stromverbrauch pro Terabyte um bis zu 40 Prozent. Dem Channel sollen die 30-TB-Exos-Festplatten im nächsten Quartal zur Verfügung stehen, verspricht der Hersteller.

Die Technologie hinter Mozaic 3+

Bei herkömmlichen Festplatten mit Perpendicular Magnetic Recording lässt sich die Flächendichte und damit die Kapazität pro Magnetscheibe kaum über 2,4 TB steigern. SMR-Platten (Shingled Magnetic Recording) können zwar mehr Daten auf derselben Fläche speichern, sind durch die überlappenden Spuren allerdings beim Schreiben deutlich langsamer und damit nur für bestimmte Anwendungen geeignet. Das Problem bei herkömmlichen PMR- und auch SMR-Festplatten ist, dass die für die einzelnen Partikel in den Metalloberflächen der Platter bei den derzeit genutzten Legierungen nicht mehr kleiner werden können, ohne dass die magnetische Stabilität für eine effektive und zuverlässige Speicherung der Daten leidet. Bei den HAMR-Festplatten auf Mozaic-3+-Basis setzt Seagate eine Eisen-Platin-Legierung mit einer Gitterstruktur ein, bei der eine höhere magnetische Koerzitivfeldstärke eine feinere Körnung im Nano-Maßstab mit hoher magnetischer Stabilität und damit eine höhere Datendichte ermöglicht.

Mit einem herkömmlichen Schreibkopf kann die magnetische Polarität der Bits dieser magnetisch „härteren“ Medien allerdings nicht verändert werden, um so Daten zu speichern. Hier kommt dann Hitze bei der HAMR-Technologie ins Spiel. Ein nanophotonischer Laser mit 800 nm Wellenlänge erzeugt auf der Medienoberfläche einen winzigen Wärmepunkt, der die Koerzitivkraft der Körner für den winzigen Augenblick so weit vermindert, dass Daten geschrieben werden können. Weitere dafür notwendige Komponenten sind ein optischer Pfad, Seagate bezeichnet ihn als „photonischen Trichter“, sowie ein plasmonischer Near-Field-Transducer (NFT), dem Seagate bei Mozaic 3+ den Namen „Quantum Antenna“ gibt. Beide zusammen sorgen dafür, dass der auf der Plattenoberfläche erhitzte Punkt viel kleiner ist, als die Wellenlänge des Laserlichts. Denn die Schutzschicht über der Metalloberfläche der Platter wurde so angepasst, dass sie die kurzzeitige Erhitzung auf mehr als 400 Grad Celsius übersteht. Eine Interlayer- und eine Heatsink-Schicht zwischen Recording Layer und dem Glassubstrat sorgen für eine kontrollierte Wärmeabfuhr.

Ein weiterentwickelter „Gen 7 Spintronic-Lesekopf“ sorgt dafür, dass die Daten in den kleineren Körnern auch wieder gelesen werden können. Laut Seagate nutzt die Mozaic-3+-Plattform dafür Quantentechnologie und einen der kleinsten und empfindlichsten Magnetfeld-Lesesensoren der Welt. Den für die Steuerung notwendigen, leistungsstarken Controller mit Risk-V-Architektur hat der Hersteller selbst entwickelt und lässt ihn in 12-nm-Technik fertigen. Wie Morris anmerkt, ist der Materialaufwand für Mozaic 3+ minimal, was die Technologie angesichts der Kapazitätssteigerung sehr nachhaltig macht. Die Haltbarkeit und die Performance der HAMR-Festplatten lägen auf dem Niveau herkömmlicher PMR-Platten und die Mehrkosten würden durch den größeren Speicherplatz pro Storage-System leicht ausgeglichen.

Mozaic-3+ im Vergleich zu anderen HDD-Technologien und Flash

HAMR ist nicht die einzige Technologie, mit der die Speicherdichte bei HDDs erhöht werden soll. Toshiba arbeitet an Microwave Assisted Magnetic Recording (MAMR), Western Digital nutzt eine Kombination aus Energy-Assisted PMR und OptiNAND. Laut Morris ermöglichen diese Technologien allerdings keine so große Skalierung der Speicherkapazität wie HAMR, sondern seien eher als Brückenlösungen zu sehen. Letztlich seien sich alle Festplattenhersteller einig, dass nur HAMR den Weg zu deutlich höheren Flächendichten ebnet, so der Seagate-CTO. Auch SSDs mit Quadruple Level Cells (QLC) und sogar den kommenden Penta Level Cells (PLC) sieht Morris nicht als geeignete Medien für den steigenden Bedarf nach kosteneffizienten Datenspeichern, da die Kosten pro TB hier immer noch deutlich höher seinen als bei HDDs, die mit Mozaic 3+ sogar noch ein besseres Verhältnis liefern. „HAMR-Festplatten bleiben für die nächste Dekade die günstigsten Speichermedien für Large-Scale Storage“, ist Morris überzeugt. Mit Mozaic 4+ will der Hersteller schon Ende 2025 eine Kapazität von vier TB pro Magnetscheibe erreichen und bis 2028 mit Mozaic 5+ dann fünf TB pro Platter.

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