По материалам :
- New Paradigms in Magnetic Recording.
M.L. Plumer, J. van Ek, and W.C. Cain
- Microwave Assisted Magnetic Recording Utilizing Perpendicular Spin Torque Oscillator With Switchable Perpendicular Electrodes.
Jian-Gang Zhu, Fellow, IEEE, and Yiming Wang
- Channel Models and Detectors for Two-Dimensional Magnetic Recording (TDMR).
Chan Kheong Sann, Rathnakumar Radhakrishnan, Kwaku Eason, Rachid Moulay Elidrissi, Jim Miles, Bane Vasic, Anantha Raman Krishnan
Про взрывной рост объема данных, генерируемых в мире проели уже всю плешь. Не вдаваясь в подробности, констатируем ожидание от производителей НЖМД накопителей все большей емкости. Но вот незадача!.. Методы и средства относительно простого увеличения плотности записи давно уже себя исчерпали. Физика... Как следствие - емкость накопителей растет не так интенсивно, не успевает за динамикой данных. Ищем варианты.
- носитель информации (диск с магнитным слоем);
- записывающий элемент;
- считывающий элемент.
Реализации этих трех составляющих определяют метод записи, самой интересной конечной характеристикой которого является плотность записи информации на единицу площади.
Записывающая головка. Самый большой прогресс происходил в 90-х годах, когда в качестве материала последовательно сменились сплавы NiFe (никель-железо), CoNiFe (добавился кобальт) а теперь - CoFe (без никеля), который имеет самую высокую среди известных материалов намагниченность насыщения. Уперлись.
Физика считывающей головки. Также с 90-х годов было несколько существенных рывков, связанных с открытием новых магнитных эффектов в материалах. Это и гигантский магниторезистивный эффект (GMR) (1990..), за открытие которого - ни много, ни мало, дали Нобелевскую премию в 2007 году, и анизотропный магниторезистивный эффект (AMR) и туннельный магниторезистивный эффект (TuMR) (2005..2006). Одни названия внушают уважение! Цель - повышение чувствительности головки и - как следствие, соотношения сигнал/шум.
Как у нас любят говорить - "космические" материалы, "космические" технологии... В чем проблема? В носителе, точнее - в его магнитном слое. Собственно, магнитный слой имеет зернистую структуру. Каждое зернышко в процессе записи намагничивается в ту или иную сторону. Отсюда - чем мельче зерно, равномернее их физический размер и однороднее состав - тем большую плотность записи можно обеспечить. За последнее десятилетие, размер зерна удалось снизить с 20 нм до примерно 9 нм.
Идем дальше.
Соотношение сигнал/шум пропорционально квадратному корню из числа зерен (гранул), участвующих в записи одного бита информации. Значит уменьшать количество зерен не теряя при этом доли полезного сигнала нельзя. А давайте зерна расположим не в плоскости, а вертикально? Тогда площадь, занимаемая нужным количеством зерен
уменьшится. И пятно магнитного поля, создаваемое головкой, можно "сфокусировать" на меньшей площади. Этот метод получил название "Перпендикулярная магнитная запись" (Perpendicular Magnetic Recording) и был реализован "в железе" в 2005..2007. Помимо дизайна записывающей головки, для перпендикулярной записи усложняется структура магнитного слоя - теперь он состоит из собственно магнитного слоя и магнито-мягкой подложки, которая замыкает магнитное поле, генерируемое головкой. Дополнительные плюсы перпендикулярного метода записи - а) меньшее взаимное влияние соседних зерен с разнонаправленной намагниченностью (их поля ориентированы параллельно, а не "лоб-в-лоб"), б) соосность полей отдельных зерен лучше, чем при плоской записи - это дает более контрастное записанное пятно.
Итак - уменьшаем размер зерна? Не так все просто. С уменьшением размера стабильность намагниченного зернышка резко ухудшается (суперпарамагнитный предел), поскольку энергии для изменения его состояния требуется меньше. На помощь в решении проблемы подтянули методы с общим названием Energy Assisted Magnetic Recording (EAMR). Суть их в том, что для изменения состояния используемого материала требуется значительно больше энергии, чем поступает от записывающей головки и тем более - в состоянии хранения. Дополнительная энергия поступает в виде тепла от излучения лазера (Heat Assisted Magnetic Recording, HAMR) или от ферромагнитного резонанса (Microwave Assisted Magnetic Recording, MAMR)/
HAMR. Дополнительный уровень энергии, подаваемый точечно, привносится излучением дополнительного источника. Нагреваем маленькое пятнышко лазером до 100 градусов Цельсия и получаем Термоассистируемую магнитную запись (Heat-assisted magnetic recording, HAMR). Убирается, помимо прочего, частичное затирание информации в соседних ячейках в процессе записи. HAMR эксплуатировался на протяжении ряда лет в устройствах магнитооптической записи (MO), которые производили сначала Sony и Fujitsu, а потом Fujitsu в одиночестве. MO устройства со съемными дисками канули в лету, но идея использовать преимущества метода записи в накопителях с жесткими дисками живет. Воплотить ее в реальном промышленном образце пока не удалось. В MO драйвах, в отличие от НЖМД, диск был единственным по природе своей. Соответственно, и источник - лазер - нужен был один. А в многодисковых
накопителях, что - на каждую головку по лазеру монтировать? К тому же, если кто использовал MO - должен помнить, какой горячий картридж "выплевывался" из устройства при записи большой порции данных. Теперь мы все умножаем на количество дисков (поверхностей) в НЖМД и берем поправку на герметично закрытый объем, в котором диски работают.
MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording). Предложена в 2008 году. Я не нашел устоявшегося русскоязычного перевода. По аналогии с HAMR, это может выглядеть так: "Микроволноассистируемая магнитная запись". Несколько другая история. Идея та же - снизить сопротивление перемагничиванию в очень ограниченной области материала. Но достигается за счет другого эффекта - ферромагнитного резонанса. Материал магнитного слоя в очень ограниченной области возбуждается на частоте ферромагнитного резонанса (около 50 ГГц) в течение 1 наносекунды.Как часто бывает - возбужденное тело меньше сопротивляется воздействующим на него силам.. В этом состоянии происходит запись информации, т.е., намагничивание с нужной ориентацией, с приложением энергии, значительно меньшей, чем требуется этому материалу в состоянии покоя. Да еще и в два раза быстрее. Необходимое воздействие генерируется устройством под названием Perpendicular Spin Torque Oscillator (PSTO).
Как говорил один персонаж - "В узбекском такого слова нет, а как по-русски называется, я не знаю!" Лобовой перевод дает что-то такое: "Перпендикулярный спин-моментный колебатель" (или "возбудитель") - наверное, подобное совершенно спокойно воспринимается любителями фантастических романов про освоение далекого космоса. Хотя "спин" - это из области ядерной физики. У меня упорно вертится в голове "вихревой", но, скорее всего - это неверно. Отвлекся.
Говорю "воздействие", поскольку, как специально подчеркнули разработчики - это не электромагнитное излучение, да еще на столь опасной частоте. Процесс происходит в очень ограниченной области - строго по ширине головки (25 нм) и в толщине слоя порядка 10 нм, называемой слоем генерации поля (Field Generating Layer, FGL) и представляет собой процесс, похожий на
происходящее в лазере - изначально случайным образом ориентированные в намагниченности частицы, приобретают согласованное вращение вектора ориентации, "подхватывая" с каждым проходом еще не втянутых в процесс соседей. Если при этом приложить магнитное поле в нужном направлении - получается область, в которой намагниченность всех частиц ориентирована строго в одну сторону. PSTO интегрируется с записывающей головкой. Он представляет собой пирог из 7 слоев (на картинке в сильно упрощенном виде - оранжево-голубо-желтое образование). Что замечательно - к нему не надо никаких сложных генераторов, фокусирующих и прочих устройств. Подал напряжение - генерирует, снял напряжение - молчит. Поле, создаваемое усовершенствованной при помощи осциллятора головки очень четко локализовано - имеет резкие границы и равномерно в области действия.
Результат показан на рисунке (математическая модель). Верхняя часть - намагниченность поверхности после 20 циклов (вращений). Нижняя - 1 цикл. Наглядно видно, насколько легче распознать записанную при помощи MAMR информацию и как четко обрываются границы полезной области.
Существенный момент, который может повлиять на дальнейшую судьбу технологии и метода - конструкция накопителя и головок требует минимальной доработки для адаптации к MAMR. Как уже указывалось - осциллятор (PSTO) пристраивается к обычной записывающей головке. Теоретики прогнозируют плотность записи до 3Тб /кв. дюйм.
TDMR (Two Dimensional Magnetic Recording). Метод двумерной магнитной записи предложил Roger Wood в 2009 году. Потенциал существенный - до 10Тб / кв. дюйм и опирается он - что замечательно - на стандартные, промышленные решения (базовая плотность записи сейчас - примерно 1Тб /кв. дюйм).
Частный случай - метод записи с перекрытием, или черепичная запись (Shingled Magnetic Recording, SMR), реализуемый Seagate в 2014.
Идея основана на том, что считывающая головка может иметь меньшую ширину, чем ширина трека, оставляемая записывающей головкой. "Полезная" часть дорожки формируется углом записывающей головки, где концентрация поля в точке наибольшая - значит, качество записи наивысшее. Отсюда - некоторый разворот головки относительно оси. Последующий трек частично перекрывает, а значит - затирает дорожку. При чем тут двумерность? Пока не при чем.
Мед - плотность записи увеличивается.
Деготь - потеря возможности "модификации на месте". Чтобы изменить даже один бит в записанном участке, приходится переписывать все - от начала и до конца. Чтобы как-то сгладить этот недостаток, поверхность разбивается на группы дорожек - ленты (band) с технологическими зазорами между группами. При таком подходе, переписывать приходится меньше - отдельную ленту.
Добавляем 2D. Кодируем группу соседних дорожек. Они все равно у нас объединены в ленту... Если биты в группе из N дорожек считать 2D сектором, простой математикой мы получаем 2 в степени N объем записанной информации. То есть, 4 объединенных дорожки дают 2**4 = 16 бит на 4 записанных бита, а 8-дорожечная группа уже 2**8 = 4096 бит на 8 записанных бит! Таким образом, получаем 512 бит на каждый записанный бит, или виртуальное увеличение плотности в 512 раз. Время, затраченное при этом на чтение увеличится на N оборотов диска, а запись или модификация у нас и так уже идет лентой целиком. Дык, в одном выигрываем - в другом теряем.
?? Пока описывал, отгонял из головы - "странно, а почему речь идет о соседних дорожках на одном диске, а не о всех поверхностях в накопителе? Если в НЖМД три диска - это 6 поверхностей, которые можно писать синхронно, не теряя время на повторные проходы по соседним дорожкам. Имеем 6-разрядный код, это 64 бит на 6 записанных бит... 64/6 = в 10,5 раз больше информации..."
Более сложный случай - работа с отдельными кристаллами.
Кристаллы, составляющие основу магнитного слоя, имеют случайную геометрию и случайный (в определенных пределах) размер. Производители пластин для НЖМД стремятся к идеалу, но он по природе своей не достижим. Можно только стемиться получить более-менее равномерного размера кристаллы. Это не было проблемой, когда площадь, занимаемая отдельным битом информации перекрывала собой большое количество кристаллов. Напоминаю, что повышение "разрешающей способности" уменьшением размеров кристалла (зерна) уже уперлось в супермагнитный предел, разрушающий состояние намагниченности кристалла под воздействием температуры.
Тут больше математики, чем физики и технологии. Основа - анализ состояния каждого
кристалла, но без требования к жестко детерминированному расположению этих кристаллов (в отличии от BPMR, о котором речь ниже).
Суть проще объяснить по картинке. Сначала допущения. Представим, что гранулы, составляющие магнитный слой, относительно равномерны по размерам и форме и к тому же размеры считывающей головки сравнимы с размером гранулы. Идем по часовой стрелке. 1) Имеем 10 бит, которые необходимо записать. 2) Кодируем их избыточным кодом, получаем 40 бит. 3) Пишем полученные 40 бит в матрицу из 8-битных слов на 5 соседних дорожках методом черепичной записи. 4) Получаем очень приблизительно похожую карту распределения намагниченности гранул. Помимо влияния размера и геометрии, на результат влияет частичная "порча" уже записанных данных следующим проходом записывающей головки. 5) Считываем полученный результат головкой с высоким разрешением. Количество проходов считывания может не совпадать и быть больше, чем при записи. 6) На основе полученных данных, выстраиваем карту возможного расположения намагниченных участков, приведя ее к количеству проходов при записи. Видно, что карта довольно сильно отличается от исходной матрицы, к тому же часть ячеек имеет неоднозначное состояние. 7) Обратным п.2 декодированием из 40 бит получаем наши 10 бит полезной информации.
Как видим, используется уже существующие технологии, ни в конструкцию, ни в материалы изменений привносить не требуется. Новизна - в новой - более агрессивной математике кодирования и обработки. Преимущества метода проявляются, когда "разрешающая способность" записи и считывания становится сравнимой с размером отдельного зерна, поскольку он учитывает неидеальность размеров и случайное положение зерен в плоскости.
BPMR (Bit Patterned Media Recording). Один бит - одно зерно (ячейка, паттерн). Суть: в извечной борьбе сигнала с шумом, сигнал получает явное преимущество, если шум просто
исключить. Поверхность диска делается вообще не магнитной. На ней выстраиваются строго в определенном порядке паттерны - магнитные ячейки, состоящие либо из одного монокристалла, или из плотно связанной группы кристаллов.
Проблемы налицо. Первая - технологическая - найти способ наносить подобный "узор" на подложку (диск). Для диска с плотностью записи 1Тб /кв дюйм необходимо, чтобы паттерн имел размеры 13 х 13 нанометров при высоте 10 нанометров и весь массив паттернов располагался в очень жестко ограниченной по отклонениям сетке. Вторая - метод позиционирования головки относительно сетки паттернов. В обычном диске слой непрерывный и специальные реперы не нужны, сама запись на диске является синхронизирующей. В BPMR же расположение полезных областей дискретно. Для чтения и записи необходима четкая синхронизация, дабы быть уверенным, что головка в этот момент расположена строго над паттерном. Наконец - мы чуть не забыли, что у нас диск, а не прямоугольная пластина. А паттерны имеют один размер и расстояния между- по всей площади. При неизменной угловой скорости, линейная скорость пролета паттернов под головкой от периферии диска до внутренних дорожек будет различаться с каждой дорожкой и в пределе соотношение скоростей будет в разы.
Несмотря на текущие трудности, технология находится в разработке. Оценочный потенциал - 5Тб /кв дюйм. Стандартно использующаяся полупроводниковая литография не может обеспечить нужные для BPMR размеры. Электронно-лучевая литография "попадет в размер", но пока не очень понятно, как ее использовать в производстве со столь высокими требованиями к продукции. Nanoimprint-литография, при помощи которой уже реально делать 10-нм элементы, сама еще находится в разработке.
Есть чуть менее жесткая похожая идея - Discrete Track Recording (DTR). Треки разделяются немагнитным материалом, но при этом имеют непрерывную структуру. Т.е., половинчатое решение. Упрощение требует жертв - его потенциал ограничивается 2Тб /кв дюйм.
В заключение хочу привести результаты опроса. В рамках митинга TMRC 2013 года среди смешанной аудитории - 29 теоретиков / 95 представителей индустриии (практиков), 74 из которых прибыли из Японии / 40 из США проводилась оценка готовности разных технологий и методов в производство. Результаты в таблицах:
- New Paradigms in Magnetic Recording.
M.L. Plumer, J. van Ek, and W.C. Cain
- Microwave Assisted Magnetic Recording Utilizing Perpendicular Spin Torque Oscillator With Switchable Perpendicular Electrodes.
Jian-Gang Zhu, Fellow, IEEE, and Yiming Wang
- Channel Models and Detectors for Two-Dimensional Magnetic Recording (TDMR).
Chan Kheong Sann, Rathnakumar Radhakrishnan, Kwaku Eason, Rachid Moulay Elidrissi, Jim Miles, Bane Vasic, Anantha Raman Krishnan
Про взрывной рост объема данных, генерируемых в мире проели уже всю плешь. Не вдаваясь в подробности, констатируем ожидание от производителей НЖМД накопителей все большей емкости. Но вот незадача!.. Методы и средства относительно простого увеличения плотности записи давно уже себя исчерпали. Физика... Как следствие - емкость накопителей растет не так интенсивно, не успевает за динамикой данных. Ищем варианты.
Куда грести?
Основных компонентов жесткого диска три:- носитель информации (диск с магнитным слоем);
- записывающий элемент;
- считывающий элемент.
Реализации этих трех составляющих определяют метод записи, самой интересной конечной характеристикой которого является плотность записи информации на единицу площади.
Записывающая головка. Самый большой прогресс происходил в 90-х годах, когда в качестве материала последовательно сменились сплавы NiFe (никель-железо), CoNiFe (добавился кобальт) а теперь - CoFe (без никеля), который имеет самую высокую среди известных материалов намагниченность насыщения. Уперлись.
Физика считывающей головки. Также с 90-х годов было несколько существенных рывков, связанных с открытием новых магнитных эффектов в материалах. Это и гигантский магниторезистивный эффект (GMR) (1990..), за открытие которого - ни много, ни мало, дали Нобелевскую премию в 2007 году, и анизотропный магниторезистивный эффект (AMR) и туннельный магниторезистивный эффект (TuMR) (2005..2006). Одни названия внушают уважение! Цель - повышение чувствительности головки и - как следствие, соотношения сигнал/шум.
Как у нас любят говорить - "космические" материалы, "космические" технологии... В чем проблема? В носителе, точнее - в его магнитном слое. Собственно, магнитный слой имеет зернистую структуру. Каждое зернышко в процессе записи намагничивается в ту или иную сторону. Отсюда - чем мельче зерно, равномернее их физический размер и однороднее состав - тем большую плотность записи можно обеспечить. За последнее десятилетие, размер зерна удалось снизить с 20 нм до примерно 9 нм.Идем дальше.
Соотношение сигнал/шум пропорционально квадратному корню из числа зерен (гранул), участвующих в записи одного бита информации. Значит уменьшать количество зерен не теряя при этом доли полезного сигнала нельзя. А давайте зерна расположим не в плоскости, а вертикально? Тогда площадь, занимаемая нужным количеством зерен
Итак - уменьшаем размер зерна? Не так все просто. С уменьшением размера стабильность намагниченного зернышка резко ухудшается (суперпарамагнитный предел), поскольку энергии для изменения его состояния требуется меньше. На помощь в решении проблемы подтянули методы с общим названием Energy Assisted Magnetic Recording (EAMR). Суть их в том, что для изменения состояния используемого материала требуется значительно больше энергии, чем поступает от записывающей головки и тем более - в состоянии хранения. Дополнительная энергия поступает в виде тепла от излучения лазера (Heat Assisted Magnetic Recording, HAMR) или от ферромагнитного резонанса (Microwave Assisted Magnetic Recording, MAMR)/
HAMR. Дополнительный уровень энергии, подаваемый точечно, привносится излучением дополнительного источника. Нагреваем маленькое пятнышко лазером до 100 градусов Цельсия и получаем Термоассистируемую магнитную запись (Heat-assisted magnetic recording, HAMR). Убирается, помимо прочего, частичное затирание информации в соседних ячейках в процессе записи. HAMR эксплуатировался на протяжении ряда лет в устройствах магнитооптической записи (MO), которые производили сначала Sony и Fujitsu, а потом Fujitsu в одиночестве. MO устройства со съемными дисками канули в лету, но идея использовать преимущества метода записи в накопителях с жесткими дисками живет. Воплотить ее в реальном промышленном образце пока не удалось. В MO драйвах, в отличие от НЖМД, диск был единственным по природе своей. Соответственно, и источник - лазер - нужен был один. А в многодисковых
MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording). Предложена в 2008 году. Я не нашел устоявшегося русскоязычного перевода. По аналогии с HAMR, это может выглядеть так: "Микроволноассистируемая магнитная запись". Несколько другая история. Идея та же - снизить сопротивление перемагничиванию в очень ограниченной области материала. Но достигается за счет другого эффекта - ферромагнитного резонанса. Материал магнитного слоя в очень ограниченной области возбуждается на частоте ферромагнитного резонанса (около 50 ГГц) в течение 1 наносекунды.
Как говорил один персонаж - "В узбекском такого слова нет, а как по-русски называется, я не знаю!" Лобовой перевод дает что-то такое: "Перпендикулярный спин-моментный колебатель" (или "возбудитель") - наверное, подобное совершенно спокойно воспринимается любителями фантастических романов про освоение далекого космоса. Хотя "спин" - это из области ядерной физики. У меня упорно вертится в голове "вихревой", но, скорее всего - это неверно. Отвлекся.Говорю "воздействие", поскольку, как специально подчеркнули разработчики - это не электромагнитное излучение, да еще на столь опасной частоте. Процесс происходит в очень ограниченной области - строго по ширине головки (25 нм) и в толщине слоя порядка 10 нм, называемой слоем генерации поля (Field Generating Layer, FGL) и представляет собой процесс, похожий на
происходящее в лазере - изначально случайным образом ориентированные в намагниченности частицы, приобретают согласованное вращение вектора ориентации, "подхватывая" с каждым проходом еще не втянутых в процесс соседей. Если при этом приложить магнитное поле в нужном направлении - получается область, в которой намагниченность всех частиц ориентирована строго в одну сторону. PSTO интегрируется с записывающей головкой. Он представляет собой пирог из 7 слоев (на картинке в сильно упрощенном виде - оранжево-голубо-желтое образование). Что замечательно - к нему не надо никаких сложных генераторов, фокусирующих и прочих устройств. Подал напряжение - генерирует, снял напряжение - молчит. Поле, создаваемое усовершенствованной при помощи осциллятора головки очень четко локализовано - имеет резкие границы и равномерно в области действия. Результат показан на рисунке (математическая модель). Верхняя часть - намагниченность поверхности после 20 циклов (вращений). Нижняя - 1 цикл. Наглядно видно, насколько легче распознать записанную при помощи MAMR информацию и как четко обрываются границы полезной области.Существенный момент, который может повлиять на дальнейшую судьбу технологии и метода - конструкция накопителя и головок требует минимальной доработки для адаптации к MAMR. Как уже указывалось - осциллятор (PSTO) пристраивается к обычной записывающей головке. Теоретики прогнозируют плотность записи до 3Тб /кв. дюйм.
TDMR (Two Dimensional Magnetic Recording). Метод двумерной магнитной записи предложил Roger Wood в 2009 году. Потенциал существенный - до 10Тб / кв. дюйм и опирается он - что замечательно - на стандартные, промышленные решения (базовая плотность записи сейчас - примерно 1Тб /кв. дюйм).
Идея основана на том, что считывающая головка может иметь меньшую ширину, чем ширина трека, оставляемая записывающей головкой. "Полезная" часть дорожки формируется углом записывающей головки, где концентрация поля в точке наибольшая - значит, качество записи наивысшее. Отсюда - некоторый разворот головки относительно оси. Последующий трек частично перекрывает, а значит - затирает дорожку. При чем тут двумерность? Пока не при чем.
Мед - плотность записи увеличивается.
Деготь - потеря возможности "модификации на месте". Чтобы изменить даже один бит в записанном участке, приходится переписывать все - от начала и до конца. Чтобы как-то сгладить этот недостаток, поверхность разбивается на группы дорожек - ленты (band) с технологическими зазорами между группами. При таком подходе, переписывать приходится меньше - отдельную ленту.
Добавляем 2D. Кодируем группу соседних дорожек. Они все равно у нас объединены в ленту... Если биты в группе из N дорожек считать 2D сектором, простой математикой мы получаем 2 в степени N объем записанной информации. То есть, 4 объединенных дорожки дают 2**4 = 16 бит на 4 записанных бита, а 8-дорожечная группа уже 2**8 = 4096 бит на 8 записанных бит! Таким образом, получаем 512 бит на каждый записанный бит, или виртуальное увеличение плотности в 512 раз. Время, затраченное при этом на чтение увеличится на N оборотов диска, а запись или модификация у нас и так уже идет лентой целиком. Дык, в одном выигрываем - в другом теряем.
?? Пока описывал, отгонял из головы - "странно, а почему речь идет о соседних дорожках на одном диске, а не о всех поверхностях в накопителе? Если в НЖМД три диска - это 6 поверхностей, которые можно писать синхронно, не теряя время на повторные проходы по соседним дорожкам. Имеем 6-разрядный код, это 64 бит на 6 записанных бит... 64/6 = в 10,5 раз больше информации..."
Более сложный случай - работа с отдельными кристаллами.
Кристаллы, составляющие основу магнитного слоя, имеют случайную геометрию и случайный (в определенных пределах) размер. Производители пластин для НЖМД стремятся к идеалу, но он по природе своей не достижим. Можно только стемиться получить более-менее равномерного размера кристаллы. Это не было проблемой, когда площадь, занимаемая отдельным битом информации перекрывала собой большое количество кристаллов. Напоминаю, что повышение "разрешающей способности" уменьшением размеров кристалла (зерна) уже уперлось в супермагнитный предел, разрушающий состояние намагниченности кристалла под воздействием температуры.
Тут больше математики, чем физики и технологии. Основа - анализ состояния каждого
Суть проще объяснить по картинке. Сначала допущения. Представим, что гранулы, составляющие магнитный слой, относительно равномерны по размерам и форме и к тому же размеры считывающей головки сравнимы с размером гранулы. Идем по часовой стрелке. 1) Имеем 10 бит, которые необходимо записать. 2) Кодируем их избыточным кодом, получаем 40 бит. 3) Пишем полученные 40 бит в матрицу из 8-битных слов на 5 соседних дорожках методом черепичной записи. 4) Получаем очень приблизительно похожую карту распределения намагниченности гранул. Помимо влияния размера и геометрии, на результат влияет частичная "порча" уже записанных данных следующим проходом записывающей головки. 5) Считываем полученный результат головкой с высоким разрешением. Количество проходов считывания может не совпадать и быть больше, чем при записи. 6) На основе полученных данных, выстраиваем карту возможного расположения намагниченных участков, приведя ее к количеству проходов при записи. Видно, что карта довольно сильно отличается от исходной матрицы, к тому же часть ячеек имеет неоднозначное состояние. 7) Обратным п.2 декодированием из 40 бит получаем наши 10 бит полезной информации.
Как видим, используется уже существующие технологии, ни в конструкцию, ни в материалы изменений привносить не требуется. Новизна - в новой - более агрессивной математике кодирования и обработки. Преимущества метода проявляются, когда "разрешающая способность" записи и считывания становится сравнимой с размером отдельного зерна, поскольку он учитывает неидеальность размеров и случайное положение зерен в плоскости.
BPMR (Bit Patterned Media Recording). Один бит - одно зерно (ячейка, паттерн). Суть: в извечной борьбе сигнала с шумом, сигнал получает явное преимущество, если шум просто
Проблемы налицо. Первая - технологическая - найти способ наносить подобный "узор" на подложку (диск). Для диска с плотностью записи 1Тб /кв дюйм необходимо, чтобы паттерн имел размеры 13 х 13 нанометров при высоте 10 нанометров и весь массив паттернов располагался в очень жестко ограниченной по отклонениям сетке. Вторая - метод позиционирования головки относительно сетки паттернов. В обычном диске слой непрерывный и специальные реперы не нужны, сама запись на диске является синхронизирующей. В BPMR же расположение полезных областей дискретно. Для чтения и записи необходима четкая синхронизация, дабы быть уверенным, что головка в этот момент расположена строго над паттерном. Наконец - мы чуть не забыли, что у нас диск, а не прямоугольная пластина. А паттерны имеют один размер и расстояния между- по всей площади. При неизменной угловой скорости, линейная скорость пролета паттернов под головкой от периферии диска до внутренних дорожек будет различаться с каждой дорожкой и в пределе соотношение скоростей будет в разы.
Несмотря на текущие трудности, технология находится в разработке. Оценочный потенциал - 5Тб /кв дюйм. Стандартно использующаяся полупроводниковая литография не может обеспечить нужные для BPMR размеры. Электронно-лучевая литография "попадет в размер", но пока не очень понятно, как ее использовать в производстве со столь высокими требованиями к продукции. Nanoimprint-литография, при помощи которой уже реально делать 10-нм элементы, сама еще находится в разработке.
Есть чуть менее жесткая похожая идея - Discrete Track Recording (DTR). Треки разделяются немагнитным материалом, но при этом имеют непрерывную структуру. Т.е., половинчатое решение. Упрощение требует жертв - его потенциал ограничивается 2Тб /кв дюйм.
В заключение хочу привести результаты опроса. В рамках митинга TMRC 2013 года среди смешанной аудитории - 29 теоретиков / 95 представителей индустриии (практиков), 74 из которых прибыли из Японии / 40 из США проводилась оценка готовности разных технологий и методов в производство. Результаты в таблицах:
| Ответов: 134 | ||||
| BPM | HAMR | MAMR | TDMR | |
| Будет реализовано | 48% | 66% | 61% | 65% |
| Не будет реализовано | 40% | 29% | 28% | 23% |
| Не знаю | 12% | 5% | 10% | 12% |
| Год, месяц реализации | 2019.9 | 2017.9 | 2017.1 | 2017.1 |
Распределение между учеными и внедренцами
| Научный мир. Ответов: 29 | ||||
| BPM | HAMR | MAMR | TDMR | |
| Будет реализовано | 55% | 76% | 59% | 62% |
| Не будет реализовано | 34% | 14% | 31% | 24% |
| Не знаю | 10% | 10% | 10% | 14% |
| Год, месяц реализации | 2018.7 | 2016.2 | 2018.1 | 2016.3 |
| Индустрия. Ответов: 95 | ||||
| BPM | HAMR | MAMR | TDMR | |
| Будет реализовано | 44% | 62% | 62% | 65% |
| Не будет реализовано | 43% | 34% | 31% | 24% |
| Не знаю | 13% | 4% | 7% | 11% |
| Год, месяц реализации | 2020.5 | 2018.6 | 2016.9 | 2017.5 |
Между Японцами и Американцами
| Япония. Ответов: 74 | ||||
| BPM | HAMR | MAMR | TDMR | |
| Будет реализовано | 36% | 58% | 54% | 57% |
| Не будет реализовано | 49% | 35% | 34% | 28% |
| Не знаю | 15% | 7% | 12% | 15% |
| Год, месяц реализации | 2019.6 | 2018.3 | 2018.0 | 2017.5 |
| США. Ответов: 40 | ||||
| BPM | HAMR | MAMR | TDMR | |
| Будет реализовано | 80% | 93% | 85% | 93% |
| Не будет реализовано | 13% | 8% | 8% | 5% |
| Не знаю | 8% | 0% | 8% | 3% |
| Год, месяц реализации | 2020.1 | 2017.1 | 2016.2 | 2016.3 |
Комментариев нет:
Отправить комментарий