Lokale verhitting van het schrijfoppervlak vergroot opslagdichtheid en stabiliteit (coërciviteit) van een hard disk drive (HDD) enorm. Warmte verlaagt de oppervlakteweerstand van de onderliggende magneetlaag en maakt het schrijven van bits gemakkelijker. De belangrijkste reden dat deze innovatie vele jaren nodig had om zich te ontwikkelen, was de benodigde, complexe miniatuurtechniek om zowel hitte, koeling als magnetische op steeds kleinere oppervlakken te concentreren. De hitte kan zowel met laser als met microgolven worden opgewekt, hetgeen twee nieuwe, verschillende opslagtechnieken bracht. Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR) met laser-gevoede verwarming en Microwave Assisted Magnetic Recording (MAMR) waarbij de schrijfkop een oscillator bevat die microgolven genereert.

Magnetische informatie opslag nog steeds populair

De eerste magnetische opnametechnologie was een draadopname – uitgevonden in 1898 – voor analoge audio-opslag waarbij gebruik werd gemaakt van een dunne staaldraad. Magnetische tape werd in 1928 ontwikkeld en kwam in de jaren vijftig commercieel op de markt. Naast tape werd vervolgens het magnetische materiaal ook op zowel slappe – floppy disk – als harde schijven toegepast. De innovatie op het gebied van betrouwbaarheid,  opslagdichtheid en schrijf/lees-snelheid is nog steeds niet gestopt. Zoals het gebruiken van lokale hitte bij het schrijven om de data-intensiteit te vergroten. 

De Curie temperatuur

Coërciviteit of de coërcieve veldsterkte, is een maat voor de permanentheid van een magneet. En dus voor de hoeveelheid magnetische kracht die nodig is om magnetisering om te keren. De coërciviteit van veel materialen is temperatuurafhankelijk. Als de temperatuur van een gemagnetiseerd object tijdelijk boven de Curie-temperatuur wordt verhoogd – tot wel 400 graden Celsius – zal de coërciviteit veel minder worden. Net zoals bij het in en vlam verhitten van een een magnetische naald die bij afkoeling zijn magnetisatie is verloren. De kunst is nu om tijdens die korte verhitting – rond een nanoseconde – juist een heel sterk lokaal magnetisch veld aan te brengen en dan direct het oppervlak weer snel af te koelen.

Verhitting van een heel klein oppervlak verbetert de granulariteit – de korrelgrootte – van de ‘magnetische bits’ enorm terwijl de stabiliteit van de magnetische informatie hoog blijft. Bij HAMR verwarmt een kleine laser in de harde schijf het gebied dat wordt geschreven, zodat het kortstondig een temperatuur bereikt waarbij het materiaal van de schijf tijdelijk veel van zijn ‘weerstand om te magnetiseren’ verliest. Vrijwel onmiddellijk schrijft de magneetkop de gegevens in een veel kleiner gebied dan anders mogelijk zou zijn, terwijl het materiaal weer snel afkoelt. En de oude coërciviteit terugkeert om te zorgen dat de geschreven gegevens bewaard blijven. Omdat slechts een klein deel van de schijf tegelijk wordt verwarmd, koelt het verwarmde deel snel af (minder dan 1 nanoseconde) en is relatief weinig energie nodig.

De huidige praktijk

De bekende leveranciers van disks zoals Seagate, Western Digital en Toshiba zijn ruim een decennium bezig geweest met de ontwikkeling en vooral de commercialisering van deze technologiën. Deze leveranciers hebben intussen goed werkende producten, waarbij een stammenstrijd tussen het gebruik van HAMR en MAMR is ontstaan. Beide technieken gebruiken hetzelfde natuurkundige fenomeen, maar creëren de warmte op een andere manier. En die manier kan van belang zijn voor de (verwachte) levensduur van het magnetische materiaal. Ook de uiteindelijk verwachte, maximaal te halen dichtheid verschilt. Met MAMR zijn al HDD’s tot 40 TB mogelijk terwijl HAMR daar iets onder blijft. 

Een ander belangrijk punt is dat HAMR-schijven nog niet kunnen worden gedemagnetiseerd. In tegenstelling tot MAMR-schijven die echter wel een veel hoger gauss-niveau nodig hebben om de schijven volledig leeg te maken. Zelfs bij gebruik van een NSA-geregistreerde degausser van 20.000 gauss blijven gegevens op gedemagnetiseerde MAMR-schijven achter. Daarom wordt binnen de industrie aanvaard dat bestaande degaussers die op de NSA-lijst staan, onvoldoende zullen zijn om HAMR- en MAMR-schijven volledig te ‘wissen’ en aan het einde van hun levensduur moeten worden vernietigd; dat wil zeggen vermalen of verbrand.

Toekomst

Afgelopen maanden maakte Seagate bekend binnenkort te starten met de massaproductie van 30 TB harde schijven gebaseerd op de HAMR techniek. Tot die tijd bestaan de grootste harde schijven nog steeds uit tien parallelle schijfjes van 2.2TB elk, die per laag de langzamere shingled magnetic recording (SMR) techniek gebruiken. De tweede generatie HAMR schijven kunnen uiteindelijk wel tot 5 TB per laag opslaan, maar de nu geproduceerde schijven hebben een capaciteit van 30 TB. In 2024 of 2025 wordt 40 TB en in 2026 zelfs 50 TB verwacht. Voor de microgolf-ondersteunde techniek (MAMR) lijkt 30 TB op korte termijn ook mogelijk en wellicht 40TB tegen 2026. 

De groei van de magnetische opslagdichtheid is voorlopig nog niet ten einde. ASRC – het Advanced Storage Research Consortium – geeft aan dat de komende tien jaar 200 TB HDD’s mogelijk zullen zijn. Belangrijkste gebruik van deze HDD’s is het gebruik voor decentrale nearline storage. Met de slimme combinatie van zowel SSD’s voor de metadata en HDD’s voor de bulkdata wordt dan supersnelle massa-opslag voor zowel edge- als decentrale computing mogelijk. Een belangrijke behoefte bij de groei van Web3 gebaseerde, decentrale grid-netwerken en blockchain-toepassingen.   

Zelfs tape groeit door

Hoewel warmte-ondersteunde techniek niet gebruikt kan worden bij tapes, zien we dat verbeteringen in het opslagmateriaal van disks, ook voor tape-opslag mogelijkheden tot groei biedt. Magneetband heeft als grote voordeel dat – eenmaal gemonteerd in de typedrive – datasnelheden mogelijk zijn die veel groter zijn dan die van HDD’s. Voor de massa-opslag van koude data blijft tape dan ook nog steeds populair op basis van de bekende LTO-techniek. 

De huidige LTO-9 generatie heeft per cartridge een capaciteit van 18 TB, waarbij de schrijf-capaciteit slechts een honderdste van een HDD is. De komende jaren komen in stappen van ongeveer 2,5 jaar nieuwe generaties op de markt met voor LTO-14 zelfs een verwachte capaciteit van 576 TB ergens rond 2036. De verwachte opslagcapaciteit voor HDD’s is dan rond de 200 TB. Tape-opslag blijft vanzelfsprekend energiezuiniger dan HDD’s en er zal nog decennia een markt blijven voor deze cold-storage opslag van jaarlijks 2 miljard dollar. 

Web3 cloud storage

Magnetische dataopslag blijft ook de komende tien jaar nog een uitdagende markt voor zowel archivering, datacenters en de groeiende markt van gedistribueerde edge- en node-toepassingen. Decentrale storage maakt – in relatie met blockchain als decentrale database – totaal nieuwe opslag-strategieën mogelijk, ook wel dStorage genoemd. 

dStorage is niet afhankelijk is van een centrale server of autoriteit. Gedecentraliseerde opslag wordt beheerd door een peer-to-peer-netwerk van door de gebruiker bediende knooppunten, die elk een kopie van de gegevens opslaan, waardoor een zeer veerkrachtige bestandsopslag ontstaat. Dit maakt het veel beter bestand tegen censuur en aanvallen dan traditionele opslagsystemen. Zie ook mijn eerdere blogs ‘Quantum veilige encryptie en data opslag’ en ‘Inhoud gerelateerde opslag’. 

Photo by Agung Raharja on Unsplash