МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК

технический журнал для специалистов сервисных служб

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

HAMR головки чтения/записи для накопителей HDD. Взгляд в будущее.


В 2006 году мы начали публикацию серии статей, рассматривающих головки чтения/записи накопителей HDD. В этих статьях мы обсудили историю развития головок, их конструктивные особенности и принципы функционирования. Как можно было видеть из этих статей, развитие головок чтения/записи шло, да и до сих пор идет, очень высокими темпами. И именно развитием технологий производства головок во многом можно объяснить то, что емкость накопителей за последние годы возросла на порядок. Однако в данный момент времени можно наблюдать некоторое замедление темпов роста емкости накопителей, и это можно объяснить тем, что ресурсы современных технологий начинают исчерпывать себя и упираются в физические пределы самих магнитных носителей информации. Но у разработчиков жестких дисков уже сейчас имеется "тайное оружие", способное вывести емкость накопителей на совершенно новые рубежи. Практически всеми производителями ведется активная работа над новыми методами записи, а значит и над новым типом головок чтения/записи. И вот эта новая технология записи и стала темой данной статьи, продолжающей публикации прошлого года.

 

В самых современных и передовых накопителях HDD с максимальными значениями емкости используются сейчас технология перпендикулярной записи (CPP или PMR) и GMR-головки чтения/записи. Применение этих технологий позволяет в коммерческих изделиях достигать плотности записи до 130-200 Гбит на квадратный дюйм. Однако теоретический предел плотности записи для этого метода составляет 1 Тбайт/дюйм2.

Более значительное повышение плотности записи в рамках этих технологий уже не представляется возможным. Дальнейшее снижение размеров носителей отдельных битов приведет к их магнитной нестабильности, обусловленной достижением так называемого суперпарамагнитного предела. И дело здесь в следующем. Очень малые ферромагнитные частицы представляют собой единичные домены, обладающие однородной намагниченностью. Однако направление намагниченности каждого такого домена уже не остается неизменным, а хаотически меняется, в зависимости от направления внешних магнитных полей, а также  при изменении температуры. Этот эффект аналогичен случайным колебаниям векторов магнитных моментов атомов парамагнетиков под воздействием теплового движения, и потому называется суперпарамагнетизмом.

Суперпарамагнетизм ставит естественный верхний предел плотности любой магнитной записи. Однако граница супермагнетизма не абсолютна, а зависит от технологии записи и структуры носителя. Принято считать, что суперпарамагнитный предел для продольной записи не превышает 200 Гбит/дюйм2, а для перпендикулярной, как уже упоминалось, – 1 Тбайт/дюйм2.

Преодоление этого порога и является основной задачей разработки новой технологии, получившей название HAMR или TAMR Heat (Thermal) Assisted Magnetic Recording (магнитной записи с помощью разогрева).

Итак, после короткого введения в суть проблемы, расскажем обо всем этом, не спеша и по порядку.

Введение

Для увеличения плотности записи, размер магнитного домена (зерна) необходимо уменьшать, однако при этом, размер домена должен гарантировать высокое значение соотношения сигнал/шум (параметр SNR), что позволяет осуществлять уверенное считывание информации из домена. Кроме того,  сильное уменьшение размера домена наталкивается еще и на проблему термических флуктуаций.

Термическая флуктуация – это явление, при котором намагниченный домен постепенно размагничивается через некоторый период времени из-за теплового движения элементарных частиц. И чем меньше размер домена, тем более он подвержен явлению термической флуктуации. Решить проблему термической флуктуации можно двумя способами:

- увеличением коэрцитивной силы магнитного материала;

- увеличением константы магнитной анизотропии материала (здесь необходимо понимать, что увеличение данной константы также приводит к увеличению коэрцитивной силы магнита).

Стабильность магнитного домена (а значит и надежность всего диска) рассчитывается производителями накопителей через значение фактора стабильности, как KuV/kBT (где Ku – константа магнитной анизотропии, V-объем магнитного домена, kB – постоянная Больцмана, T – температура). Значение фактора стабильности, рассчитанное по данной формуле, должно иметь значение более 60 для того, чтобы диск обеспечивал сохранение  информации в течение 10 лет. Как видно из представленной формулы, увеличение температуры и снижение объема магнитного домена снижают коэффициент надежности диска. И единственно-возможным путем увеличения надежности хранения информации, как видно, является увеличение постоянной магнитной анизотропии, а значит, и увеличение коэрцитивности магнитного материала.

Однако здесь мы наталкиваемся на другую проблему. Дело в том, что магнитное поле, формируемое головкой записи, будет недостаточным для осуществления записи на магнитный носитель, коэрцитивная сила которого превышает значение 10 kOe (1 Oe =1000/4p A/m). Так как головка записи имеет малые размеры и сердечник в виде кольца, величина формируемого ею магнитного поля будет слишком малой для того, чтобы изменить направление магнитного поля домена с коэрцитивной силой более 10 kOe.

Если магнитное поле величиной в 10 kOe еще теоретически можно создать с помощью головок записи нового поколения, то превысить значение в 17 kOe не представляется возможным, даже при использовании головок, находящихся еще на стадии разработки - головок SPT (Single Pole Trimmed – срез с одного полюса). В результате, даже использование перпендикулярной записи, применение магнитных носителей с магнитомягкой подложкой и применение головок SPT не позволит превысить порог плотности записи в 1 Тбайт/дюйм2, и виной всему является "слабость" головок записи, т.е. материалы с большой коэрцитивностью требуют для перемагничивания куда более сильных полей, нежели те, которые генерируются современными магнитными головками.

Кардинальным решением этой проблемы является применение технологии магнитной записи с помощью тепла - TAMR. Эта технология, являющаяся  дальнейшим развитием магнитооптического (MO) метода записи, была предложена еще в 1999 году двумя независимыми исследователями  – Х. Катаямой (H.Katayama) и Х. Сагой (H.Saga). Предложенная ими технология может рассматриваться в качестве будущего, как магнитной записи, так и оптической записи.  В различных публикациях данный метод записи может называться по-разному, например:

- магнитная запись с помощью тепла – TAMR (именно так мы будем называть данную технологию в настоящем обзоре, т.к. данное название в наибольшей степени соответствует сути метода записи);

- магнитная запись и помощью оптики (оптическая запись - AOW);

- гибридная запись (HR).

На данный момент времени над технологией TAMR работают исследовательские лаборатории практически всех ведущих производителей дисков: Seagate, Fujitsu, Hitachi, Toshiba. И на сегодняшний день технология TAMR подразумевает продольную запись на синтетическом ферромагнитном носителе (SFM).

 

 Методы записи HAMR

Как мы уже отмечали, плотность записи на диске пропорциональна константе магнитной анизотропии Ku. Константа Ku магнитного материала должна быть увеличена до такого значения, чтобы фактор стабильности значительно превышал значение 60. Высоким значением Ku обладают железо-платиновые (FePt) сплавы с самоупорядочивающейся магнитной решеткой. Железо-платиновый сплав имеет коэрцитивную силу величиной порядка 50 kOe.

В результате, мы видим несоответствие – коэрцитивность материала составляет 50 kOe, в то время как головки записи не способны формировать поле величиной даже 17 kOe. Технология HAMR способна решить этот конфликт следующим образом. Материал с большой коэрцитивностью нагревается до высоких температур в тех участках, где должна осуществляться запись. В результате  нагрева, коэрцитивность домена значительно снижается, и запись может быть осуществлена даже слабым магнитным полем. После записи информации в магнитный домен, магнитный материал должен быстро охлаждаться, в результате чего его коэрцитивная сила опять возрастает. Таким образом, записанный в магнитный домен бит информации, будет стабильным при обычных температурах.  Другими словами, коэрцитивную силу можно снизить в десятки раз с помощью быстрого нагрева зоны записи, за которым должно последовать столь же быстрое охлаждение, стабилизирующее намагниченность, и тем самым, сохраняющее информацию.

В основу технологии HAMR положен эффект снижения коэрцитивной силы магнита при его нагреве. Если же нагреть магнитный материал до температуры Кюри, то его коэрцитивная сила становится равной нулю. Зависимость коэрцитивности материала от его температуры, демонстрируется на рис.1.

Рис.1

Для разогрева поверхности магнитного материала предлагается использовать нагревательный элемент, в основе которого лежит полупроводниковый  лазер. Световое излучение лазера должно быть сконцентрировано на той дорожке, на которую и осуществляется запись.

В технологии HAMR выделяют два метода записи:

-  магнитное доминирование (Magnetic dominant);

- оптическое доминирование (Optical dominant).

При использовании метода магнитного доминирования световое пятно, осуществляющее разогрев магнитного материала, имеет большие размеры, чем ширина дорожки (рис.2).

Рис.2

При таком методе записи, ширина дорожки определяется шириной сердечника записывающей головки. Кроме того, характерной особенностью данного метода является то, что магнитный материал разогревается до температуры, которую называют температурой записи Tw. Температура Tw характеризуется тем, что при ее достижении коэрцитивная сила домена становится меньше величины магнитного поля записывающей головки, но при этом до точки Кюри домен не разогревается. Другими словами, разогревом домена обеспечивается просто снижение его коэрцитивной силы, а не полное его "размагничивание", как это происходит в точке Кюри. Светового пятно лазера при таком методе записи  имеет размер порядка 1 мкм. Ширина дорожек, а значит и плотность записи в таком методе ограничивается конструктивными особенностями записывающей головки.

Метод оптического доминирования отличается значительно меньшим размером светового пятна – менее 50 нм. Ширина дорожки в этом случае определяется именно диаметром светового пятна, а ширина записывающей головки оказывается несколько больше ширины дорожки (рис.3).

Рис.3

Именно этот метод позволяет добиться меньшего размера магнитного домена и обеспечивает большую плотность записи, ведь ширина дорожки составляет всего 40-50 нм. Однако при таком способе записи необходимо использовать материалы с большей коэрцитивной силой. В результате, магнитный домен необходимо разогревать до большей температуры, т.е. до температуры Кюри, при которой магнитный материал имеет нулевое значение коэрцитивной силы и его очень легко перемагнитить, не смотря даже на малые габариты записывающей головки, а, значит, не смотря и на малое значение ее записывающего магнитного поля.

Сравнивая эти два метода можно сказать, что на сегодняшний день реально обсуждается использование лишь первого метода, т.е. метода магнитного доминирования. Это связано с тем, что пока еще не созданы лазеры с таким малым размером светового пятна, как 50 нм, и их разработка ограничивается дифракционным пределом.

Пока что, фирмой Fujitsu официально заявлено о получении лазера, формирующего световое пятно размером 88 х 60 нм с оптической мощностью 17%. В мире имеются разработки, позволяющие получить и меньшие значения светового пятна, но  мощность подобных лазеров пока еще незначительна (около 1.5%) , чтобы говорить об их применении в качестве нагревателя поверхности. В некоторых популярных публикациях рассказывается о том, как отдельные фирмы-производители разрабатывают системы, в которых  лазер фокусируется с помощью прецизионной зеркальной системы до размеров, приемлемых для записи с оптическим доминированием. Однако официальных заявлений от таких производителей о своих достижениях на данном поприще пока еще не приходилось встречать, и поэтому подобные публикации можно отнести лишь к разряду научно-просветительских, рассказывающих о светлых горизонтах науки. (Хотя автор данного обзора дает себе отчет о темпах, с которыми развиваются современные технологии и не сомневается в том, что положительные результаты будут достигнуты, но пока, реально, говорить приходится о другом методе записи – записи с магнитным доминированием.)

Нагревательный элемент для записи

Для разогрева магнитного материала, как уже говорилось, предлагается использовать нагревательный элемент на основе  лазера. При этом световое излучение  лазера должно быть в максимальной степени сфокусировано. Требования, выдвигаемые к нагревательному элементу, можно определить следующим образом:

- размер формируемого светового пятна должен быть менее 50 нм;

- оптическая эффективность должна быть на уровне 2%, чтобы обеспечить разогрев материала до необходимой температуры;

- длина затухания светового потока должна быть более 10 нм, т.к.  между нагревательным элементом и поверхностью магнитного носителя имеется определенный зазор;

- нагревательный элемент должен хорошо интегрироваться в состав магнитной головки;

- процесс производства нагревательного элемента должен быть совместим  с процессом производства магнитной головки;

- конструкция головки должна позволять осуществлять прецизионную регулировку расстояния меду световым пятном и записывающим магнитным полем.

В качестве нагревательного элемента, в принципе, могут использоваться следующие устройства:

- гребенчатый волновод;

- дуговая подвесная излучающая антенна;

- плоский дифракционный элемент;

- SMASH-головка.

Однако при использовании всех этих элементов записывающие магнитные поля ограничивается величиной 100 Oe, т.к. они комбинируются с катушкой без магнитного сердечника. Другими словами, эти элементы достаточно плохо интегрируются с магнитной головкой.

Fujitsu предлагает использовать в качестве нагревательного элемента слоенную дифракционную структуру. Такая структура очень хорошо сочетается с магнитной головкой, и процесс ее производства совместим с технологией изготовления современных магнитных головок. Все это означает, что головка чтения, головка записи и нагревательный элемент могут изготавливаться на подложке из AlTiC (алюминий-титан-углерод) планарным методом.

Нагревательный элемент для HAMR-записи, разработанный Fujitsu, представлен на рис.4.

Рис.4

Элемент имеет стреловидную форму и состоит из  7 слоев. Данная структура, в какой-то мере, может называться зеркальной фокусирующей оптической системой, которая преобразует входной световой поток в световое пятно малого размера. Основная идея работы такого многослойного элемента заключается в следующем. В центральной части структуры средний (оксид-кремниевый) слой образует совместно с соседними алюминиевыми слоями однопериодный переход с высоким коэффициентом отражения. Одновременно с этим, граница слоев алюминия и алмаза образует с обеих сторон многослойной структуры переходы с низким коэффициентом отражения и с некоторым (небольшим) количеством периодов. Все этот способствует увеличению коэффициента оптической передачи нагревательного элемента. В результате, входной световой поток с длиной волны 400 нм  преобразуется в световой поток, имеющий размер 30 нм (в плоскости X), за счет высокого коэффициента оптической передачи нано-лучей, проходящих через слой оксида кремния. Но, кроме того, свет, поляризованный в плоскости X, начинает распространяться и в плоскости Y из-за интерференции лучей, отраженных от боковых стенок структуры. В результате, на выходе нагревательного элемента формируется световое пятно размером 45 нм (в плоскости X) на 60 нм (в плоскости Y). Длина затухания в плоскости Z составляет 15нм, что сопоставимо с величиной магнитного зазора. На данный момент времени недостатком рассмотренного нагревательного элемента является, все-таки,  высокий коэффициент оптической передачи, который  находится на уровне 1.6%, что  явно недостаточно, в соответствии с указанными выше требованиями. Однако, на взгляд разработчиков, данная структура является оптимальной и перспективной,  и продолжают работы по повышению ее оптической эффективности. Многослойный нагревательный элемент очень хорошо сочетается с обычной магнитной головкой и может быть изготовлен методом травления или напыления.

Примерный вариант конструкции головки HAMR, в которой используется традиционная магнитная  головка записи и многослойный нагревательный элемент, представлен на рис.5.


Рис.5

Материалы

На сегодняшний день, для технологии TAMR предлагается использовать синтетические ферромагнитные материалы (SFM). Одним из примеров SFM может служить композитный носитель, состоящий из следующих слоев:

- тонкая основа (нижний слой) из кобальт-хромового сплава (CoCr);

- толстый верхний слой из сплава кобальта-хрома-платины-бора (CoCrPtB);

- слой рутения (Ru), расположенный между двумя ферромагнитными слоями.

Подобная структура (рис.6) с широким слоем магнитного материала обладает высоким значением константы Ku и высоким значением фактора стабильности при малом размере магнитного домена.


Рис.6

Фирмой Fujitsu тестировались три разновидности SFM-материалов (SFM-L, SFM-H и SFM-X), которые напылялись на стеклянную подложку. Эти три материала сравнивались с существующим магнитным материалом, использующимся в магнитооптических носителях (2.5-дюймовы диски с плотностью записи 70 Гбит/дюйм2). И все три типа SFM-материалов имеют значительно более высокий Ku и большее значение коэрцитивной силы Hc. Результаты сравнений этих материалов представлены в табл.1.

Материал SFM-X обладает очень малым значением величины Mrs (где Mr – остаточная намагниченность, а s - толщина магнитного слоя), а это означает, что доменная граница может иметь минимальную длину (а это очень важный показатель для увеличения плотности записи).

Что же касается материалов SFM-L и SFM-H, то они имеют значительно лучшие термические показатели, чем существующие материалы для МО-носителей.

Таблица 1

Параметр

Существующие материалы для MO-носителей

Материал SFM-X

Материал SFM-L

Материал SFM-H 

Произведение остаточной намагниченности на толщину слоя – Mrs, (memu/cm2)

0.29

0.19

0.30

0.37

Намагниченность насыщения – Ms, (emu/cm3)



270

330

Динамическая коэрцитивная сила – Hcdyn, (kOe/s)

4700

5430

4600

6000

Коэрцитивная сила при температуре 0К – Hc, (Ое)


12000

10200

9600


О перспективах TAMR 

В заключение обзора технологии TAMR стоит сказать несколько слов о перспективах ее применения. Как мы выяснили, на сегодняшний день промышленное применение технологии TAMR сдерживается отсутствием технологий, необходимых для создания нагревательного элемента с необходимым значением КПД и размером светового пятна, а также отсутствием технологий для массового производства магнитных материалов с высокой коэрцитивной  силой. Поэтому пока еще всеми разработчиками TAMR-запись рассматривается исключительно с позиций будущего применения.

В свое время, на рубеже 1997 – 1999 годов, фирмой Seagate очень много говорилось о технологии OAW - Optically Assisted Winchester, являющейся, по-сути, прямым аналогом технологии HAMR. В то время звучали очень бодрые отчеты, в которых  выпуск первых накопителей с технологией OAW планировался в конце текущего или следующего года (т.е. эти диски мы должны были увидеть в 1999 – 2000 году). Однако, похоже, что дальше громких заявлений дело не пошло, и до сих пор на официальном сайте Seagate технологиям OAW посвящены лишь публикации, датированные 1997-1998 годом, и кроме рисунков, описывающих общие идеи применения оптики в HDD и кроме обещаний скорого их выпуска, мы не найдем ничего.

Различные производители дисковых накопителей называют самые разные сроки предполагаемого выпуска промышленного образца дисков с TAMR-головкой чтения/записи, и, по-видимому, эти называемые сроки определяются успехами  исследовательских центров и степенью оптимизма руководителей данных корпораций.

Так, например, в Fujitsu считают, что появление коммерческого продукта на основе TAMR–технологии стоит ожидать лишь к 2012 году, хотя ранее попадались указания и на 2009 и на 2010 годы.

Нам же приходится лишь наблюдать за тем, как продвигаются работы по созданию новой технологии записи, и ждать, кто же из разработчиков окажется прав. Поживем – увидим.

Используемые в статье определения.

Доменные границы

При переходе от одной магнитной ячейки к соседней происходит изменение направления намагниченности. Это изменение происходит не скачком, а постепенно в пределах некоторого намагниченного перехода определенной ширины. Этот переход называется доменной границей, и является важным фактором, ограничивающим плотность записи. Длина доменной границы а определяется по формуле [4]:

 

 

Точка Кюри (или температура Кюри)

температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества. К примеру, при температуре ниже температуры Кюри ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью, вызванной упорядочной ориентацией магнитных моментов атомов. При температуре выше температуры Кюри упорядоченность разрушается из-за сильных тепловых колебаний атомов. В результате этого ферромагнетик становится парамагнетиком.

Точка Кюри была названа так в честь Пьера Кюри, который подробно изучал данный фазовый переход у ферромагнетиков.

 

Коэрцитивная сила

 коэрцитивное поле (от лат. Соёrcitio – удерживание), одна из характеристик явления гистерезиса.  В магнитном гистерезисе Коэрцитивная сила – это напряжённость Hc магнитного поля, в котором ферромагнитный образец, первоначально намагниченный до насыщения, размагничивается. Различают два типа коэрцитивной силы:

1) Hc (или JHC) когда обращается в нуль намагниченность J образца;

2) BHc - в нуль обращается магнитная индукция В в образце

Измеряют коэрцитивную силу коэрцитиметрами. Величина коэрцитивной силы ферромагнетиков меняется в широких пределах от 10-3 до 104 э (от 8·10-2 до 8·105 а/м). Для данного магнитного материала коэрцитивная сила в большой степени зависит от способа приготовления образца и его обработки, а также от внешних условий, например, температуры. Магнитные материалы принято делить по величине коэрцитивной силы на магнитно-мягкие (малое Hc) и магнитно-жёсткие (большое Hc). Значение коэрцитивной силы определяется факторами, препятствующими перемагничиванию образца. Наличие в образцах примесей, дефектов кристаллической решётки, различного рода неоднородностей затрудняет движение границ магнитных доменов и тем самым повышает Hc.

Особенно высоких значений (103—104 э) коэрцитивная сила достигает у однодоменных ферромагнитных частиц (со значительной магнитной анизотропией).


Суперпарамагнитный эффект

Важным фактором магнитной стабильности битовой ячейки является температура. Изменение температуры вызывает небольшие случайные флуктуации намагниченности частиц, аналогично тому, как она вызывает Броуновское движение небольших частиц.

Если общая энергия анизотропии однодоменной частицы KuV будет порядка температурной энергии KT, то намагниченность может самопроизвольно изменяться во времени.

Критический объем магнитной частицы (битовой ячейки), ниже которого наблюдается суперпарамагнитный эффект находят по формуле:


Здесь t - период наблюдения,
f0 - частота Лармора (~109 Гц);
Ku - константа плотности энергии анизотропии;
K - константа Больцмана;
T- абсолютная температура;
V-объем магнитной частицы.

 

Дополнительные материалы по теме:

 

Профессиональная инфракрасная паяльная станция

 

Восстановление данных на HDD.
Профессиональные технологии, програмные и аппаратные средства.
www.xprt.ru

Яндекс.Метрика
Рейтинг@Mail.ru Яндекс цитирования