Жесткие диски: успехи и проблемы

Первый накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД) появился в далеком июне 1956 г. И даже его создатель Рейнолд Джонсон, руководитель одной из исследовательских лабораторий IBM, скорее всего, вряд ли мог предположить, сколь огромное влияние окажет его изобретение на все последующее развитие компьютерной индустрии. Говоря о производительности компьютеров, принято ссылаться на закон Мура. Но объемы жестких дисков порой увеличивались вдвое быстрее, чем частоты процессоров. Сейчас уже сложно сказать, чьи темпы роста были выше — объемов жестких дисков или потребности в хранении все большего объема данных. Ясно одно: количество информации постоянно увеличивается со все большей скоростью. А вот на пути повышения емкости и производительности жестких дисков уже наметились проблемы.

Первая и главная — так называемый барьер суперпарамагнетизма. Впрочем, специалисты ведущих компаний-производителей заявляют о том, что проблема ими детально изучена, а ее решение, как и всех последующих, давно известно и будет применяться по мере необходимости. Да и слово «барьер» стараются не употреблять, заменяя его более нейтральным — «эффект». В чем причина возникновения барьера, каких решений можно ожидать от производителей? Когда накопители с использованием новых технологий смогут получить широкое распространение? Попробуем разобраться.

Взгляд назад

Первый жесткий диск имел емкость около 5 Мбайт. Устройство состояло из 50 дисков диаметром 24 дюйма, вращающихся с частотой 1200 об/мин, среднее время поиска составляло около 1 с. Конечно же сегодня эти цифры вызывают в лучшем случае снисходительно-уважительную улыбку. Современные накопители занимают значительно меньшее пространство, время поиска сократилось на несколько порядков, а в значении объема хранимой информации появилось еще больше нулей. Но по сути дела, главным изменяющимся параметром было и остается количество информации, записываемое на единицу поверхности, — плотность записи. Б?ольшее ее значение автоматически означает не только б?ольший объем данных на диске, но и более высокую скорость поиска и считывания, меньшую стоимость хранения мегабайта данных. Неудивительно, что основной задачей исследовательских центров компаний — производителей накопителей стало увеличение плотности записи.

Плотность записи, в свою очередь, определяется двумя параметрами: плотностью дорожек (track density), которая измеряется в количестве дорожек на дюйм, и линейной плотностью — количеством битов на заданной длине одной дорожки. Фактически оба этих параметра зависят от того, сколько пространства на диске занимает один бит. Чем выше плотность записи, тем больше дорожек помещается на диске и тем больше битов информации можно разместить на одной пластине диска. Соответственно увеличиваются общий объем данных и скорость поиска и уменьшаются размеры самого накопителя. Примерно по такому принципу и шло развитие последние десять лет. В настоящий момент рекорд по объему 3,5-дюймового жесткого диска cоставляет 250 Гбайт. Но уже высказываются предположения, что в ближайшем будущем планомерный рост объемов может закончиться.

Объем или градус?

Не вдаваясь в детали, отметим, что для корректного считывания данных увеличение плотности записи требует соответствующего уменьшения так называемой «магнитной толщины». Она численно равна произведению величины магнитного момента на толщину магнитного слоя. Традиционное решение, применявшееся до настоящего времени, — использование более тонкого магнитного слоя, что означает, в свою очередь, меньшую энергию магнитного домена. Но чем меньше размер магнитного домена, направление намагниченности которого определяет бит информации (0 или 1), тем меньшая энергия требуется для изменения направления намагниченности на противоположное. Возникает впечатление, что снижать размер домена выгодно, но как только энергия, необходимая для изменения направления намагниченности, будет сравнима по порядку с тепловой энергией частиц, жесткие диски больше нельзя будет считать надежным способом хранения данных. Ведь повышение температуры на несколько градусов будет автоматически означать потерю данных без возможности их восстановления, так как направление намагниченности будет произвольно изменяться под действием тепла. Такое явление принято называть эффектом суперпарамагнетизма. Разумеется, с серийными образцами ничего подобного не произойдет, поскольку ни один производитель не пойдет на увеличение объема в обмен на риск потери данных. Тем не менее количество информации растет с каждым днем, а значит, необходимость увеличивать объемы хранимой на дисках информации существует, т. е. в какой-то момент место НЖМД могут занять накопители данных, работающие по совершенно другой технологии. Исследования в этом направлении уже ведутся.

Впрочем, когда именно прекратится развитие жестких дисков, выпускаемых по существующей традиционной технологии, пока неизвестно. Несмотря на то что об эффекте суперпарамагнетизма в связи с производством жестких дисков сказано уже очень много, единого мнения о том, какова максимально допустимая плотность записи, так и не сформировалось. Ранее предполагалось, что барьер суперпарамагнетизма находится вблизи величины 100 Гбит/кв. дюйм, но сейчас существуют образцы дисков с плотностью записи около 110 Гбит/кв. дюйм. Теперь считается, что барьер расположен где-то между 150 и 200 Гбит/кв. дюйм. Но эта оценка тоже приблизительная и впоследствии также может измениться.

Судя по всему, «винчестеры» совершенно не собираются сдавать позиции, и к тому же похоже, что в запасе у компаний-производителей достаточно нововведений, чтобы обеспечить дальнейшее увеличение объемов. Попробуем разобраться в принципах некоторых из них и попытаемся оценить, как скоро диски с применением подобных технологий могут получить более или менее широкое распространение.

AFC — спрашивайте в магазинах города

Одна из причин, по которым увеличение объемов при достижении плотности в 200 Мбайт гарантированно не остановится, — появление разработанной в исследовательском центре IBM технологии AFC (Antiferromagnetically coupled — антиферромагнитно сопряженные пары). Суть ее заключается в следующем: вместо традиционного магнитного покрытия используется многослойное, с двумя слоями магнитного вещества, разделенными очень тонким слоем рутения (редкого металла, сходного по свойствам с платиной). На первый взгляд использование редкого драгоценного металла должно значительно увеличить себестоимость носителя. Но на самом деле технология разрабатывалась совершенно не для того, чтобы выпускаемые продукты встали в один ряд с соединительными проводами из чистого серебра или мобильными телефонами инкрустированными бриллиантами . Слой рутения разделяет верхний и нижний слои с противоположными направлениями вектора намагниченности. Таким образом, напряженность измеряемого головкой диска магнитного поля уменьшается, соответственно уменьшается и эффективная магнитная толщина диска. Однако при этом сохраняется размер доменов верхнего слоя, достаточный для того, чтобы энергия намагниченности значительно превышала тепловую энергию частиц.

Специалисты исследовательского центра IBM предполагают, что использование данной технологии в перспективе позволит увеличить плотность записи до 100 Гбит/кв. дюйм.

Фактически AFC дает возможность выпускать диски на имеющихся производственных мощностях сразу или после минимального переоборудования, чего не скажешь о других возможных технологиях. Причем диски, изготовленные c использованием AFC, вы уже можете найти в ближайшем компьютерном магазине.

Перпендикулярный мир

Другой возможный способ увеличения плотности записи — использование технологии перпендикулярной записи. Кстати, эту технологию только с определенной натяжкой можно назвать новой, перпендикулярная запись уже применялась (может быть, вы помните пятидюймовые дискеты объемом 2,88 Мбайт в конце 80-х — начале 90-х?). Тогда этот способ не получил широкого распространения из-за высокой стоимости носителей. Как следует из названия, основное его отличие от применяемого сегодня способа записи состоит в том, что векторы намагниченности доменов располагаются не в плоскости диска, а перпендикулярно его поверхности. По результатам экспериментов, такой способ записи позволяет заметно увеличить плотность дорожек на диске с гарантированным различением соседних дорожек при считывании.

Предполагается также, что в случае перпендикулярного расположения магнитных доменов эффект суперпарамагнетизма будет наблюдаться при заметно большей плотности данных, чем при традиционном способе записи.

Однако, если эта технология получит массовое распространение, потребуются значительные инвестиции в создание соответствующих производственных мощностей. Тем не менее первый опытный образец диска с применением технологии перпендикулярной записи уже был продемонстрирован компанией Seagate. Экспериментальный накопитель имеет плотность записи около 60 Гбит/ кв. дюйм, а уже к началу 2004 г., согласно заявлениям представителей компании, Seagate планирует приступить к серийному выпуску таких дисков.

Светлое и жаркое будущее дисков — HAMR

Технологии AFC и перпендикулярной записи, скорее всего, будут востребованы в течение ближайших нескольких лет. Но в более отдаленной перспективе готовятся и другие альтернативы, например технология HAMR (Heat-assisted magnetic recording — магнитная запись с нагревом носителя), с помощью которой предполагается увеличить плотность записи до величин порядка терабита на квадратный дюйм. Ее применение обусловлено следующими соображениями. Существует ряд магнитных материалов, отличающихся заметно большей устойчивостью к суперпарамагнитному эффекту при рабочих температурах жесткого диска. Но как следствие, такие материалы обладают при обычных температурах большим сопротивлением к изменению направления намагниченности и поэтому их использование в накопителях, работающих по традиционной технологии, фактически невозможно. Вывод напрашивается сам — для того, чтобы использовать такие материалы, необходимо иметь возможность нагреть до более высокой температуры участок диска, ответственный за хранение бита информации, непосредственно перед его намагничиванием. Наиболее вероятный способ нагрева — использование лазера, примерно как в магнитооптических дисках. Информация записывается совершенно аналогично тому, как это происходит в магнитооптических накопителях, — участок поверхности диска нагревается лазером непосредственно перед записью и под действием магнитного поля головки получает требуемое направление вектора намагниченности. Принципиальное отличие от магнитооптических накопителей заключается в способе чтения: данные считываются так же, как и в сегодняшних жестких дисках, с помощью магнитной головки, а не фотосенсора, регистрирующего изменения лазерного луча.

* * *

Подводя итоги, можно смело сказать, что, несмотря на имеющиеся проблемы, связанные с эффектом суперпарамагнетизма, и сопутствующие им, такие как необходимость значительных инвестиций в исследования и создание новых промышленных производств, объемы жестких дисков будут продолжать увеличиваться, причем вероятно, что в ближайшее время еще быстрее, чем раньше. При этом предполагается, что цены на лучшие модели дисков, в отличие от объема, будут оставаться примерно на сегодняшнем уровне. Появление cтандарта S-ATA и его дальнейшее развитие предполагает значительное увеличение скорости передачи данных, тактовые частоты процессоров продолжают стремительно расти, так что с обработкой хранимого объема данных проблем, скорее всего, не будет. Возможны проблемы совершенно другого плана. В последнее время все чаще можно услышать, что новые возможности компьютерной техники в общем-то совершенно и не нужны. Высказывалось такое мнение и в связи с эффектом суперпарамагнетизма: дескать, большие объемы дисков приучают людей не структурировать информацию, а записывать себе на диски по десять копий одних и тех же программ, да и те им ни к чему. Так что если уж барьер суперпарамагнетизма существует, давайте не будем стараться его преодолеть. К счастью, сотрудники исследовательских центров компаний-производителей не разделяют подобной точки зрения и готовы предоставлять все более мощные средства для решения вычислительных задач, твердо веря, что мы сможем найти им толковое применение (или, во всяком случае, будем продолжать их покупать). Так что, видимо, одна из проблем — достойно использовать все новые и новые технические возможности. Хотелось бы надеяться, что мы с вами с честью справимся с этой задачей и оправдаем надежды исследователей, создающих все более объемные накопители и еще более быстрые процессоры.

На новые рынки — с помощью FDB

Еще одной тенденцией в развитии жестких дисков стало их применение в бытовой аппаратуре. Уже сегодня их можно встретить в аудиоплеерах, диктофонах, игровых приставках и аудиосерверах. Такие устройства, в свою очередь, выдвигают ряд специфичных требований к накопителям, отличающихся от требований для ПК. В первую очередь это касается шума при работе дисков и температурных режимов работы.

Основной источник шума при работе накопителей — двигатель, вращающий пластины диска. Наиболее вероятный путь уменьшения шума — применение двигателей, созданных с использованием гидродинамических подшипников (технология FDB — Fluid dynamic bearing). В отличие от традиционных двигателей роль стандартных шарикоподшипников в них играет специальная жидкость. В результате шум заметно уменьшается как благодаря устранению одного из его основных источников, так и за счет того, что жидкость демпфирует другие источники звука. Кроме улучшения акустических показателей, использование FDB-двигателей имеет еще одно преимущество: малейшее отклонение формы металлических шарикоподшипников от идеального шара вызывает при вращении диска небольшие биения, дорожки приобретают отличную от окружности форму, что способно сделать невозможным считывание информации с некоторых дорожек и привести к потере данных. В накопителях, использующих технологию FDB, такой проблемы нет.

Новый стандарт на букву i?

Про видеомагнитофон с жестким диском мы уже писали. На очереди к встраиванию накопителя — телевизор и прочая бытовая техника. Несколько известных японских компаний — производителей электроники организовали консорциум iVDR, решив разработать единый стандарт сменных накопителей, которые можно будет использовать во всех бытовых устройствах. Одна из задач консорциума iVDR (information Versatile Disk for Removable storage — универсальный сменный диск для данных) — стандартизация интерфейсов обмена данными, файловой системы, форматов данных для хранения информации и т. д. для жестких дисков, используемых в бытовой электронике. На выставке Сonsumer Electronics Show были продемонстрированы первые прототипы устройств, и в самом ближайшем будущем предполагается выпуск серийных образцов. Емкость iVDR-дисков составит около 80 Гбайт, а цена не превысит 250 долл. В последующем предполагается значительно увеличить емкость накопителей и снизить стоимость до отметки 80 долл., что, согласно данным маркетинговых исследований, очень важно для успешного продвижения накопителей на рынок бытовой электроники.

Что касается технологий, то о каких-то значительных нововведениях в iVDR речи пока не идет. Накопители будут выпускать в стандартном «ноутбучном» форм-факторе 2,5 дюйма, в качестве интерфейса передачи данных используя Parallel или Serial ATA. Единственное известное отличие iVDR-дисков — собственная файловая система File System for iVDR.

С одной стороны, если в список поддерживаемых устройств добавится ПК, то мы получим нового лидера среди носимых накопителей. В то же время аналитики отмечают относительно малую емкость бытового рынка и возможность появления несовместимых корпоративных стандартов компаний, не вошедших в консорциум. Кроме того, развитию стандарта iVDR может помешать активное усовершенствование других носителей данных, например использующих флэш-память.

Так что станет ли iVDR новым индустриальным (всеобъемлющим) стандартом — это еще вопрос.