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HAMR vs. MAMR: Die Zukunft hochkapazitiver Festplatten

Energie-gestützte Festplattentechnologie etablieren sich langsam. Aufzeichnungsverfahren wie HAMR und MAMR sind dabei, noch mehr Veränderungen auf dem Festplattenmarkt zu bringen.

Datenspeicher mit hoher Kapazität werden heute mehr denn je benötigt, da in der heutigen Work-from-Home-Welt die Nutzung von Cloud-Diensten, Videoinhalten und die gemeinsame Nutzung von Bildern zunimmt. Laut IDC werden die meisten der heute generierten Daten auf kostengünstigen Festplatten gespeichert.

Da Flash-Laufwerke mit höherer Leistung mittlerweile zum Mainstream gehören, liegt der Fokus der Festplattenhersteller auf der Kapazität. Die Hersteller verwenden die Flächendichte, um die HDD-Kapazität zu beschreiben, normalerweise in Form von Gigabit gespeicherter Daten pro Quadratzoll. Festplattenhersteller haben daran gearbeitet, die Flächendichte zu erhöhen, um Platz zu sparen, Laufwerke mit höherer Kapazität zu ermöglichen und die Speicherkosten zu senken.

Neue Technologien werden entwickelt, um die Flächendichte zu erhöhen, während sich die Industrie von der Perpendicular Magnetic Recording (PMR) und der Shingled Magnetic Recording (SMR) Technologie entfernt. Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR) und Microwave-Assisted Magnetic Recording (MAMR) scheinen die nächsten vielversprechenden Technologien zu sein. Der Wettstreit zwischen HAMR und MAMR wird vielleicht erst in einiger Zeit entschieden werden, aber er wird die Arten von Festplatten beeinflussen, die in Zukunft in der Cloud-Infrastruktur und in Rechenzentren eingesetzt werden.

PMR- und SMR-Laufwerke

Die ersten PMR-Laufwerke kamen 2005 auf den Markt und verwendeten einen neuen Ansatz zur Erweiterung der Flächendichte. Bei diesen Laufwerken sind die Bits vertikal ausgerichtet und senkrecht zum Plattenteller positioniert, anstatt horizontal.

Festplattenhersteller haben die PMR-Technologie weiter verfeinert, indem sie unter anderem den Kopf- und Medienabstand und die Größe reduziert haben. Aber die Technologie stößt an ihre Grenzen, wenn es darum geht, wie viele Daten auf kleinerem Raum gespeichert werden können. Bei etwa 1,1 Terabit pro Quadratzoll wird die thermische Stabilität in PMR-Laufwerken zu einem Problem. Die Bit-Werte werden weniger zuverlässig, wenn die Flächendichte und die Kapazität in den Terabyte-Bereich steigen.

Als Nachfolger von PMR haben sich zwei Technologien herauskristallisiert: SMR und die zweidimensionale magnetische Aufzeichnung (Two-Dimensional Magnetic Recording, TDMR). SMR ersetzte das parallele Datenspur-Layout von PMR durch teilweise überlappende Schreibspuren. Dieser Ansatz erhöht die Anzahl der Spuren pro Zoll und verkleinert den Abstand zwischen den Spuren. Die SMR-Architektur erfordert jedoch, dass die Daten sequentiell geschrieben werden, und kann zu Leistungsproblemen führen, wenn dies nicht der Fall ist. Sie erfordert erhebliche Systemänderungen, um die Leistung zu optimieren.

TDMR verwendet mehrere Leseelemente, um Daten von einer oder einer benachbarten Spuren zu lesen. Durch die Kombination von Signalen von mehreren Leseköpfen verbessert dieser Ansatz das Signal-Rausch-Verhältnis von aufgezeichneten Spuren. Durch die Bereitstellung eines stärkeren Signals ermöglicht TDMR Laufwerke mit höherer Kapazität und kann auf SMR- und Nicht-SMR-Festplatten verwendet werden.

Abbildung 1: Die 5 wichtigsten Festplattentechnologie, die künftig den Markt bestimmen könnten, im Überblick.
Abbildung 1: Die 5 wichtigsten Festplattentechnologie, die künftig den Markt bestimmen könnten, im Überblick.

Energie-unterstützte Technologien führen zu HAMR und MAMR

Thermische Instabilität ist nach wie vor ein Problem bei den heutigen Festplattentechnologien. Immer dichter werdende Laufwerke erfordern höhere Energiebarrieren in den Speichermedien, um die thermische Stabilität zu erhalten.

Um Daten zuverlässig gegen höhere Energiebarrieren aufzuzeichnen, müssen HDD-Aktor-Köpfe stärkere Magnetfelder erzeugen. Laufwerkshersteller setzen dabei auf die EAMR-Technologie (Energy-Assisted Magnetic Recording). Mit Hilfe von Wärme oder Mikrowellen senkt die EAMR-Technologie den Widerstand des Speichermediums gegen eine Änderung der polaren Magnetisierung und erhöht so das Magnetfeld und die thermische Stabilität. Und hier kommen die HAMR- und MAMR-Technologien ins Spiel.

Western Digital hat die indirekte energieunterstützte PMR entwickelt, auch Energy-enhanced PMR (ePMR) genannt. Das Unternehmen verwendet ePMR in seinen kürzlich veröffentlichten Neun-Platten-Gold-HDDs mit 16 TB und 18 TB.

Western Digital behauptet, dass diese Festplatten die erste kommerzielle Implementierung von EAMR sind. Mit ePMR werden größere Bits pro Zoll erreicht, indem ein elektrischer Strom an den Aufzeichnungskopf angelegt wird, um das Magnetfeld zu erhöhen und die Beschreibbarkeit zu verbessern, so Western Digital.

Western Digital kam auf ePMR während der Arbeit an MAMR-HDDs, die Mikrowellen zur Erwärmung des Speichermediums verwenden. MAMR und HAMR, das Laser für den gleichen Zweck verwendet, werden als nächster Schritt zur Erhöhung der HDD-Kapazität gesehen. Im Wettlauf HAMR vs. MAMR werden die nächsten Jahre entscheiden, welche Technologie sich durchsetzt.

Was ist die MAMR-Technologie?

Die MAMR-Technologie wurde ursprünglich von Jimmy Zhu, einem Professor für Elektro- und Computertechnik an der Carnegie Mellon University, entwickelt. Western Digital demonstrierte die erste MAMR-Festplatte im Jahr 2017.

Die MAMR-Technologie verwendet ein stabileres Aufzeichnungsmedium als PMR, das einen kleineren Bitbereich aufnehmen kann. Der Antriebskopf des Laufwerks enthält einen Spin-Torque-Oszillator und erzeugt ein elektromagnetisches Feld in der Nähe des Schreibpols.

Die Daten können bei einem niedrigeren Magnetfeld auf das Medium geschrieben werden, was dichtere und zuverlässigere Laufwerke ermöglicht. Die MAMR-Technologie verwendet keine externe Wärme, und die Betriebstemperaturen beim Schreiben sind ähnlich wie bei PMR-Laufwerken. Darüber hinaus ist die Architektur der MAMR-Laufwerke ähnlich wie die der PMR-Laufwerke, es sind lediglich Änderungen an den Antriebsköpfen erforderlich.

Ein Prototyp eines Dual-Aktor-Antriebs, den Western Digital auf dem Open Compute Project Summit 2019 präsentierte. (Quelle: Western Digital)
Abbildung 2: Ein Prototyp eines Dual-Aktor-Antriebs, den Western Digital auf dem Open Compute Project Summit 2019 präsentierte.

Western Digital verwendet das Damaszener-Verfahren zur Herstellung seiner Aktorköpfe. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Köpfe zu formen und den Spin-Torque-Oszillator genauer in die Kopfbaugruppe zu integrieren. Das Unternehmen verwendet außerdem Mikroaktuatoren zur Feinabstimmung der Positionierung der Aktuatorköpfe, indem es den Gelenkpunkt der Aktuatorarme näher an den Kopf heranführt. Aktuatoren sind der Teil des Laufwerks, der die Köpfe zum Lesen und Schreiben von Daten positioniert. Mikroaktuatoren bieten mehr Kontrolle über die Aktuatoren für Antriebe mit ultrahoher Dichte.

Die MAMR-Technologie kann in Verbindung mit anderen Technologien eingesetzt werden, zum Beispiel mit Helium gefüllten HDDs, um den Widerstand an den Köpfen zu verringern. Es wird erwartet, dass MAMR-Laufwerke auch eine Multi-Aktor-Technologie enthalten, um den Durchsatz zu erhöhen und Lese- und Schreibvorgänge sowie Laufwerksrekonstruktionen zu beschleunigen.

Western Digital plant die Umstellung auf MAMR-basierte Laufwerke nach 2023. In der Zwischenzeit wird die ePMR-Technologie bereits in den Ultrastar DC-Laufwerken mit 18 TB und 20 TB eingesetzt.

Was ist die HAMR-Technologie?

Die HAMR-Technologie verwendet Aufzeichnungsmaterial, das weniger anfällig für thermische Instabilität und die daraus resultierenden unzuverlässigen Bit-Werte ist, was kleinere Aufzeichnungsbits in Festplatten ermöglicht.

Die in HAMR-Laufwerken verwendeten Medien müssen beim Schreiben der Daten erhitzt werden. Seagate Technology zum Beispiel verwendet eine kleine Laserdiode im Aufzeichnungskopf als Wärmequelle. Der Laser erhitzt das Glasaufzeichnungsmedium von Seagate auf 450 Grad Celsius und kühlt das Medium dann in einer Nanosekunde schnell auf Raumtemperatur ab.

Dieser Ansatz macht es einfacher, die magnetische Polarität jedes Bits umzukehren, wodurch Daten in einen viel kleineren Bereich geschrieben werden können, was eine höhere Laufwerksdichte ermöglicht.

Der HAMR-Prozess hat laut Seagate keine Auswirkungen auf die Laufwerkstemperatur oder die Temperatur, Stabilität und Zuverlässigkeit der Medien. Einige HAMR-Laufwerke enthalten die SMR-Technologie und können unter den gleichen Leistungsproblemen wie SMR leiden, wenn die Daten nicht in großen Sequenzen geschrieben werden.

Seagate hat 16-TB-HAMR-Laufwerke mit Kunden getestet und plant, bis eine 20-TB-HDD mit neun Platten auf den Markt zu bringen. Das Unternehmen geht davon aus, dass die Kapazitäten von HAMR-Laufwerken jährlich um 30 Prozent steigen und bis 2023 mindestens 40 TB erreichen werden.

HAMR vs. MAMR

Seagate ist nicht der einzige Anbieter, der an HAMR-Festplatten arbeitet. Western Digital und Toshiba erforschen sowohl HAMR- als auch MAMR-Laufwerke. Und der HDD-Medienhersteller Showa Denko K.K. gab Anfang 2020 bekannt, dass er Dünnschichtmedien (Thin Film Media) aus einer Eisen-Platin-Magnetlegierung für den Einsatz in HAMR-Laufwerken entwickelt hat. Mit diesen neuen Medien könnten 3,5-Zoll-HAMR-basierte HDDs mit Kapazitäten von bis zu 80 TB entwickelt werden.

In der HAMR- vs. MAMR-Debatte ist es unklar, welche Technologie sich durchsetzen wird, aber eines ist klar: Die HDD-Technologie wird sich weiterhin auf dem Speichermarkt durchsetzen. Welche Technologie (oder Technologien) die Führung übernimmt und sich letztendlich durchsetzt, wird sich in den ersten EAMR-Produkten zeigen, die in den nächsten Jahren auf den Markt kommen.

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