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Neue HDD-Technologien

Mit Mikrowellentechnik zu höheren Speicherdichten bei Festplatten

| Autor / Redakteur: Rainer Käse* / Dr. Jürgen Ehneß

Die Helium-versiegelten HDDs der MG08-Serie von Toshiba bieten 16 Terabyte Speicherkapazität.
Die Helium-versiegelten HDDs der MG08-Serie von Toshiba bieten 16 Terabyte Speicherkapazität. (Bild: Toshiba Electronics Europe)

Der Bedarf an Speicherung großer Datenmengen wächst kontinuierlich. Eine entscheidende Rolle nehmen dabei nach wie vor HDDs ein, die mit immer größeren Speicherkapazitäten verfügbar sein müssen. Neue Technologien wie HAMR und MAMR ebnen dafür den Weg.

In immer höherer Zahl sind Cloud-, Video-Streaming- und Social-Networking-Services verfügbar. Parallel dazu steigt auch das Datenaufkommen, und Rechenzentren müssen eine immer größere Speicherkapazität vorhalten. Aus diesem Grund planen auch viele große IT-Unternehmen wie Amazon, Apple, Facebook oder Google die Inbetriebnahme zusätzlicher Rechenzentren.

Für Festplattenhersteller bedeutet diese Entwicklung, dass sie HDDs mit immer größerer Speicherkapazität entwickeln und bereitstellen müssen, denn eine klare Anforderung von Rechenzentrumsbetreibern lautet: mehr Kapazität auf gleicher Fläche. Schließlich kann der Schritt von 12 oder 14 Terabyte zu 16 oder 18 Terabyte Laufwerkskapazität den entscheidenden Unterschied machen, um Storage-Server oder ganze Racks einsparen zu können. So können auch vorhandene Rechenzentren mit höherer Kapazität ausgestattet werden, falls die restliche Infrastruktur noch ausreichend ist.

Um künftig die höheren Speicherkapazitäten zu realisieren, rücken verstärkt neue Technologien ins Blickfeld: etwa die Mikrowellentechnik oder der Einsatz von Lasern zur Erhöhung der Aufzeichnungsdichte.

Höhere Speicherdichten erfordern neue Technologien

Die Erhöhung der Speicherkapazität bringt diverse Anforderungen mit sich: Eine höhere Aufzeichnungsdichte bedeutet zunächst, dass eine größere Anzahl von Bits auf einer bestimmten Fläche gespeichert wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei Platten mit höherer Dichte Material verwenden werden muss, das schwerer zu magnetisieren und zu verändern ist; dies ist erforderlich, um die Daten lange und sicher speichern zu können.

Folglich ist eine bestimmte Energiemenge vonnöten, um die magnetischen Bits beim Schreibvorgang zu kippen, das heißt von 0 auf 1 zu ändern. Und dafür muss der Schreibkopf im Prinzip eine Mindestgröße besitzen, was andererseits wiederum die Speicherdichte begrenzt. Der Grund: Wenn Schreibköpfe kleiner werden, damit mehr Spuren auf der Platte Platz finden, sind sie nicht mehr stark genug, um Bits zu magnetisieren.

Im Hinblick auf diese Herausforderung gibt es aktuell drei konkurrierende Technologien: Shingled Magnetic Recording (SMR), Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR) und Microwave-Assisted Magnetic Recording (MAMR).

Drei Ansätze

Der einfachste Ansatz ist Singled Magnetic Recording, das die magnetischen Aufzeichnungsspuren bewusst überlappt, anstatt parallele Spuren zu verwenden, um die Datendichte zu erhöhen. Dies ist möglich, weil der Lesekopf viel schmalerund kleiner als der Schreibkopf ist. Das Überlappen kann aber dazu führen, dass frühere Schreibvorgänge gelöscht werden und damit neu geschrieben werden müssen. In der Praxis kann dies eine geringere Schreibperformance und langsamere Schreibgeschwindigkeit bedeuten, sodass das SMR-Verfahren im Enterprise-Segment lediglich für rein sequenzielle Archivierungsaufgaben geeignet ist.

Auch Heat-Assisted Magnetic Recording ist eine mögliche Antwort auf die Anforderungen höherer Speicherdichten. HAMR nutzt für die Magnetisierung eine Laserdiode. Diese unterstützt den Schreibvorgang durch punktuellen Energieeinsatz, das heißt Hitzeeinwirkung. Dadurch wird es möglich, mit weniger magnetischer Energie zu schreiben, einen kleineren Schreibkopf zu verwenden und somit eine höhere Speicherdichte zu realisieren. Zu berücksichtigen ist allerdings, dass der Energieeinsatz auf der Kostenseite und teils auf thermischer Ebene Auswirkungen hat. Außerdem bestehen bei Laserdioden noch Bedenken hinsichtlich der Dauerzuverlässigkeit im langjährigen Betrieb.

Ein weiterer Ansatz ist Microwave-Assisted Magnetic Recording, also die Nutzung von Mikrowellentechnik. Ein Mikrowellensender (Spin Torque Oscillator) am Schreibkopf erzeugt dabei Wellen im Bereich zwischen 20 und 40 Gigahertz, die als Hilfsenergie in das magnetische Medium eingetragen werden und damit für Schreibprozesse weniger Energie erfordern. So können auch deutlich kleinere Schreibköpfe verwendet werden. Mit diesem Verfahren ist die Produktion von 40 Terabyte großen Festplatten durchaus realistisch.

Die Vorteile von MAMR überwiegen

MAMR basiert auf einer seit vielen Jahren erprobten Technologie und ist eher als eine Evolution in der Entwicklung von Schreibköpfen einzustufen. Dabei kann auf eine Vielzahl gängiger Techniken zurückgegriffen werden, ohne dass zusätzliche Komponenten wie Laserdioden benötigt werden; erforderlich ist lediglich ein anderes Wafer-Design für die Nutzung der Mikrowellentechnik. Es ist davon auszugehen, dass MAMR die gleichen Spezifikationen und Zuverlässigkeitswerte hinsichtlich MTTF aufweisen wird wie aktuell ausgelieferte Produkte. Auch in Bezug auf den Energiebedarf sind keine negativen Auswirkungen zu erwarten.

Im großen Kontrast zu MAMR wird HAMR noch einiges an Grundlagenforschung erfordern; vor allem werden für die neuen HAMR-Laufwerke noch viele Felduntersuchungen nötig sein, um die Zuverlässigkeit exakt bestimmen zu können. Es besteht also ein Early-Adopter-Risiko bei HAMR-Einsatz, das so bei heliumgefüllten Laufwerken schon nicht mehr existiert.

Der Autor: Rainer Käse ist Senior Manager Business Development Storage Products bei Toshiba Electronics Europe.
Der Autor: Rainer Käse ist Senior Manager Business Development Storage Products bei Toshiba Electronics Europe. (Bild: Toshiba Electronics Europe)

Toshiba plant deshalb auch die Einführung von 18-TB-HDDs mit Heliumfüllung, welche die MAMR-Technologie nutzen. Auch ein MAMR-Einsatz bei Festplatten von 4 bis 12 Terabyte steht bei Toshiba im Raum, um die Kosten zu reduzieren und die Performance zu verbessern.

Welches energieunterstützte Aufzeichnungsverfahren sich auch immer durchsetzen mag, die Festplattenkapazität wird auf jeden Fall steigen. Und HDDs werden weiterhin die Technologie der Wahl für die kostengünstige Bereitstellung von Speicherkapazität für ein großes Anwendungsspektrum bleiben.

*Der Autor: Rainer Käse, Senior Manager Business Development Storage Products, Toshiba Electronics Europe.

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