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HAMR是甚麼?它又是如何帶動未來的高容量需求?

Q4時,Backblaze將100PB的Seagate硬碟裝入它們的資料中心。 新裝入的Seagate 10TB及12TB的硬碟運行的非常好,且符合它們的短期儲存需求,但它們知道它們將會需要更多的硬碟—而且要有更高的效能。這就是為何Seagate的新硬碟科技,像是熱輔助磁記錄(HAMR,Heat-Assisted Magnetic Recording)等與Backblaze息息相關,或者應該說對一般的儲存產業來說都蠻有關聯性的。在今日的專訪中,Backblaze非常榮幸的邀請到Seagate的技術總監,Mark Re,為我們帶來關於硬碟、更深入的內幕看法,並告訴我們Seagate的工程師們是如何開發HAMR技術,並為2018年底上市做好準備。

HAMR是甚麼?它又是如何帶動未來的高容量需求

(以下文章由Seagate高級副總兼技術總監Mark Re撰寫)

今年稍早,Seagate宣布製造第一款使用HAMR技術的硬碟的計畫,並將在2018年底前推出試用版。雖然目前的市場還是10TB+硬碟的天下,但20TB+硬碟的需求近期內可說是勢在必行。HAMR是Seagate研發團隊在硬碟技術方面下一項主要進展。

HAMR是一種能夠隨著時間的推移,讓大量增加的資料儲存在磁碟上的技術。一個小型雷射器會被裝在讀取頭上以加熱在磁碟上將被寫入資料的小點,這讓更小的位元單位能夠以0或1寫入。更小的位元單位尺寸讓它能夠將更多位元壓縮在同樣大小的表面區域上—增加資料的區域密度,進而擴大硬碟的容量。

這聽起來似乎非常容易,但需要科學及技術專家、無數次的研究及實驗、實驗室開發以及產品開發,才能使這項技術更臻完美,而這些投入所費不貲。以下是HAMR技術的概述,而你可以在Seagate的技術簡介中瀏覽更多相關細節—這份文件會逐一介紹幾個關於HAMR設計的關鍵進展。

由於投入在發展HAMR的資源及時間越來越多,資料密度增加的需求是毋庸置疑的。資料儲存的需求一直在增加—相對來說,管理與妥善運用更多容量的商業能力是至關重要的,而IT業界對容量方面所付出的資源亦越發增長。

儲存容量增長歷史

過去50年來,硬碟的區域密度增長速度已經比摩爾定律還要快,而這當然是件好事。畢竟,無論是來自資料中心和雲端服務提供商的顧客,還是創意專業工作者及遊戲狂熱者,都不會在購買硬碟的短短兩年後就再次購入新的硬碟。增長的資料容量之需求必將增加,而技術也將持續進步。

根據ASTC(Advanced Storage Technology Consortium)表示,HAMR將成為下個增加區域儲存量(亦稱為硬碟的「儲存密度」)以儲存資料的重大儲存技術創新。Seagate相信這樣在區域密度上的進步能夠幫助增進硬碟產品下個十年的發展與成長。

為何我們必須發展高容量硬碟?目前的技術做不到嗎?

為甚麼HAMR增加資料密度如此重要?

資料對人類生活的各個面向都變得更加重要,並改變我們的教育及娛樂方式。它影響並告知我們與彼此互動的方式,一方面也影響我們在商業上、甚至是整個廣闊世界的互動。IDC的研究數據顯示:世界上所有商業及數以十億計的終端消費者所製造的資料量會持續每兩年翻倍一次。 IDC預計2025前全球資料量將增長至163ZB(等同於一兆GB)—而這個數字更是2016年所製造的16.1ZB的十倍。IDC引用五項強化資料角色並改變我們的世界的關鍵潮流:嵌入式系統及物聯網(IoT)、允許及時移動通訊的資料和實時資料、AI系統、增長的資安需求,以及非常重要的—商業背景運作資料的演進,以上五點都扮演著與世界潮流「性命攸關」的角色。

消費者使用雲端服務來管理每件事—從家庭照片與影片到與他們健康相關或日常運動的資料。由互相連結的裝置的實時資料—從Fitbit、Alexa以及智慧手機,到家庭安全系統、太陽能系統和自動駕駛車輛都促進了增長的資料時代。除了顯而易見的商業及消費者資料增長外,重要的基礎設施像是電網、供水系統、醫院、道路設施以及大眾運輸設施也都需要且增加了實時資料的成長。無論是哪個方面,資料現在已經是日常生活順利運行的重要元素。

這些都意味著全球重要基礎設施都對資料儲存有著貪婪的胃口。雖然各式各樣的儲存科技都將持續在資料密度上有所進展(舉例來說,Seagate發布了第一款3.5吋60TB SSD),高容量硬碟提供內部連結、雲端服務以及以資料獨立性維基礎的物聯網的初階基礎。

HAMR硬碟技術

Seagate從1990年代末期就已致力於研發多種形式的HAMR(Heat Assisted Magnetic Recording)技術。而在這段期間內我們在製造近場感應器相關方面、特殊高容量HAMR媒介,以及找出正確將雷射器放在每個比鹽巴還小的端點上的方法創造了許多突破。

HAMR的發展讓Seagate研究及克服了無數的科學及技術挑戰,包括新的磁力媒介、奈米等離子設計及製造、雷射整合、高溫磁碟頭交互作用,以及熱調節等等。

任何電腦內的典型硬碟或伺服器包含一或多個硬碟,磁碟上塗有一層由微小磁粒組成的磁敏感薄膜。當磁性寫入頭在旋轉的磁碟上運行時,資料便會被記錄下來;寫入頭快速在磁區內翻轉,使其磁極點隨之上上下下,並以二進位制記錄編碼1或0。

若要增加可以儲存在磁碟上的資料量,就需要把磁區壓縮得更靠近—也就是說磁點必須變得更小,如此一來它們才不會互相干擾。

HAMR(Heat Assisted Magnetic Recording)是讓我們增加磁點或位元密度的下一步。目前的設計讓HAMR在傳統HAMR媒介上能夠達到5 Tbpsi (每平方英吋TB數),而未來在位元模式媒介(在一般、有效率且深度模式中,離散點在此媒介上會被重新定義)上將會達到10Tbpsi或更高。此技術能夠讓硬碟在2030前有多於100TB的容量。

而將位元封裝得如此靠近的主要問題是:如果你在傳統磁力媒介上進行這件事,位元(以及它們代表的資料)將無法具備熱穩定性,並且可能會翻轉。所以,為了讓粒子維持穩定性—也就是長時間儲存位元,我們必須開發一個擁有較高磁粒的記錄媒介。這意味著它在儲存時會有較穩定的磁力,但在寫入時該媒介的磁性轉換會較為困難(將粒子從0翻轉至1,反之亦然)。

這也就是為什麼HAMR的第一項關鍵硬體進展需要發展新的記錄媒介來讓位元穩定—使用高度各向異性的磁力材料,像是鐵鉑合金(FePt),能夠讓磁力在常溫下無法轉換。經過多年的HAMR發展,Seagate的研究人員已測試且證明多樣具有不同合金成分及化學排序的FePt粒狀媒介薄膜 的可用性。

事實上,這個新的媒介「硬」到傳統的記錄頭無法在常溫狀態下,在它上面翻轉粒子或寫入新的資料。假如你在你想要寫入資料的小點上加熱,就能夠讓該媒介的磁場低於記錄頭提供的磁區—換句話說,能讓寫入頭翻轉該位元。

所以,隨著寫入技術加熱該磁碟上的薄膜記錄媒介至超過400度C,HAMR在室溫之下的記錄頭運作挑戰已經取代了傳統的PMR(Perpendicular Magnetic Recording)。基本原理就是在極短時間內(約1奈秒)加熱好幾個磁點中的一小塊區域至夠高的溫度以使媒介的磁場低於寫入頭的磁場。一旦暫停加熱,該區域迅速冷卻並使該粒子的磁性取向凍結。

而這樣的動態奈米加熱就是HAMR著名的「雷射」由來。記錄頭會結合一個等離子進場感應器(NFT)來加熱媒介並讓磁力能夠在特定點轉換。等離子NFT用來聚焦並管制光能至比光波波長還小的區域。這讓我們能夠在磁碟媒介上加熱以奈米為計算單位的微小區域來降低它的磁力。

HAMR的未來進展

一如往常,對高級工程來說,「魔鬼藏在細節裡」。就像剛剛提到的,我們的技術簡介會逐一介紹幾個關於HAMR設計的關鍵進展。

雖然我們還在持續努力中,但我們相信這項技術已經快要準備好商業化了。Seagate擁有世界上最好的工程師,而他們正為2019年的20TB硬碟努力著。我們希望我們讓你更加了解目前的硬碟工程進展。為了迎頭趕上世界永不滿足、創造、攫取、儲存、保衛、管理、分析以及快速取得並分享資料的胃口,我們每日都致力於這樣的挑戰。

隨著數以千計的HAMR硬碟在我們的生產設備中被製作出來,我們內部及外部的供給鏈已經牢固到位,而量產工具也已經上線。這些年來我們開始出貨初代產品給客戶測試,而量產產品將在2018年底前出貨給關鍵客戶。準備好迎接跨時代的容量吧!

編譯自BACKBLAZE

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