HAMR e MAMR em discos rígidos

Quando pensamos em armazenamento de dados em grande escala, logo vem a mente o tradicional disco rígido magnético (HDD – Hard Disk Drive), já que a tecnologia SSD é mais voltada para a velocidade do que para o volume. Com o intuito de melhor ainda mais as antigas unidades rígidas, os principais fabricantes como Western Digital e Seagate apresentaram suas novas soluções para melhorar significativamente a densidade de gravação de dados.

Existem duas abordagens gerais para melhorar a densidade de gravação de dados em superfícies magnéticas de HDD:

• Gravação magnética assistida por calor (HAMR – Heat Assisted Magnetic Recording), utiliza energia de aquecimento a laser para reduzir a dureza magnética local ao gravar os dados.
• Gravação magnética assistida por micro-ondas (MAMR – Microwave-Assisted Magnetic Recording), aqui a cabeça de gravação magnética também contém um oscilador de torque de rotação (STO) que gera microondas. Eles diminuem a resistência da superfície da mídia de gravação subjacente e facilitam a gravação de bits.

Tais inovações foram trazidas para o mercado depois da indústria esgotar todas as outras opções para melhorias de densidade de registro, como vedação de hélio para colocar mais pratos em um único caso, ou utilizando grãos menores na superfície. Para entender melhor a necessidade de gravação de dados por laser ou por microondas, consideremos os conceitos básicos de um disco rígido.

Fundamentos da unidade de disco rígido

Um HDD consiste em alguns discos magnéticos, cabeçotes de leitura/escrita, um motor elétrico e uma placa controladora. O volume de dados depende diretamente dos pratos magnéticos, é possível colocar mais bits de dados em cada polegada, melhorando assim a capacidade de cada prato ou colocando mais pratos em um caso de HDD para melhorar significativamente o volume geral da unidade.

Esta abordagem tem sido muito utilizada nos últimos dez anos, mas agora a indústria enfrenta barreiras físicas quando se trata de mais compactação:

• Gravação shingled, onde os dados são colocados em faixas sobrepostas, usando menos espaço para algumas faixas de dados. Porém, isso é indesejável para drives de alto desempenho, porque você precisará reescrever todas essas trilhas sobrepostas quando apenas uma delas precisar ser alterada, diminuindo assim o desempenho geral de acesso a dados.
• Aumento da densidade linear (quantidade de bits de dados gravados na mesma faixa), é amplamente utilizado hoje em dia, pois permite melhorar a capacidade sem afetar o desempenho. Uma das principais abordagens é a utilização de gravação magnética perpendicular (PMR), que permite orientar cada bit perpendicularmente à mídia, em vez de ser ao longo da superfície. Mas bits menores se tornam menos estáveis ​​sem uma superfície magnética mais dura. Por outro lado, quanto mais dura e magneticamente estável for uma superfície, mais difícil será gravar dados na superfície.

Como os fabricantes não podem colocar um número infinito de pratos mantendo o mesmo fator de forma de 3,5 ”, eles estão pensando em abordagens alternativas para superar as barreiras na compactação de dados. Até o final de 2017, a indústria estava focada na pré-redação por meio da redução da dureza magnética usando aquecimento a laser (HAMR). Isso durou dez longos anos, mas sempre havia limitações na apresentação do produto real: questões materiais, ciclos de produção mais complexos, dissipação de calor, etc.

Mas a Western Digital anunciou sua própria solução para melhorar a densidade sem calor excessivo – MAMR, eles propõem o uso de pequenos osciladores de microondas para diminuir temporariamente a dureza magnética. Além disso, essa abordagem não requer muitas alterações na linha de produção, possibilitando a WD iniciar a produção em massa já em 2019.

Detalhes sobre HAMR

Como o aquecimento a laser é usado antes das operações de gravação, e a temperatura pode chegar a até 40ºC, isso pode causar degradação da superfície. Portanto, a Seagate desenvolveu novos discos rígidos HAMR com discos feitos com vidro, permitindo o uso de temperaturas mais altas para gravar camadas. Eles adicionaram um dissipador de calor e camada superficial adicional para controlar o fluxo de calor. Essas e algumas outras melhorias de hardware necessárias foram incluídas para alterar o ciclo de produção e as cadeias de suprimento, tornando o produto final mais caro. Entendendo isso, a Seagate confia em um preço mais baixo por TB, graças a uma densidade de bits significativamente melhorada.
Neste momento, a tecnologia está quase pronta para a fabricação permitindo unidades com uma faixa de densidade de 2 a 5 Tbpsi (Terabits por polegada quadrada) – comparado com 1,3 Tbpsi usado em unidades convencionais. O crescimento potencial de dados é de até 40 TB em três anos. Graças à tecnologia HAMR, os novos drives podem aproveitar a gravação em shingles sem degradação perceptível do desempenho, portanto a densidade de bits pode ser a mais alta do mercado, quando comparada com o MAMR.

A Seagate informa que os produtos finais terão um valor de preço por TB ainda melhor do que os discos baseados em PMR mais recentes. Para provar a resistência e a confiabilidade da nova unidade, a Seagate construiu mais de 40.000 discos rígidos HAMR para o estágio de pré-mercado, para verificar sua capacidade de transferir mais de 2 PB de dados por meio de um único cabeçote.

A partir de um aspecto de consumo de energia, as unidades suportadas por HAMR têm um emissor laser muito pequeno, de modo que não consomem muita energia, em comparação com as unidades de desempenho mais atuais.

Detalhes sobre MAMR

MAMR é a tecnologia de última geração em relação aos discos rígidos HAMR, ela resolve alguns problemas que vêm com a tecnologia de gravação baseada em laser: excesso de calor superficial e complexidade de construção.

A WD usava o oscilador de torque de spin (STO) trabalhando com frequências de microondas de 20 a 40 GHz, e essa adição alegava não exigir o redesenho completo da cabeça. Como o STO não fornece muito calor à superfície, a tecnologia geral parece ser “uma HAMR melhorada” com as mesmas vantagens porém menos desvantagens. Sendo possível obter níveis comparáveis ​​de alta densidade de bits sem efeitos colaterais em relação à sua confiabilidade.

A Western Digital afirma que conseguiu alterar ligeiramente o ciclo de produção da cabeça magnética existente para suportar as novas cabeças acopladas ao oscilador.

Mas eles também mencionaram o desenvolvimento de novos materiais de superfície magnética para suportar a nova tecnologia, então parece que a WD também mudou suas cadeias de suprimentos. Nós não estaremos contando com preços mais baixos, mas com taxas de oferta mais altas, em comparação com a HAMR, mas vamos esperar que os primeiros suprimentos de varejo revelem a verdade.

Comparativo HAMR X MAMR

Ambas as tecnologias são muito semelhantes ao usuário final, uma vez que ambas oferecem alta densidade de bits, com um desempenho similar ou até melhor do que suas contrapartes mais antigas.

Ambas as tecnologias são muito semelhantes para o usuário final (preço, oferta, velocidade e espaço disponível), mas diferem fundamentalmente em suas abordagens para reduzir a dureza magnética. As fontes de apoio da HAMR afirmam que sua tecnologia de laser é sólida o suficiente para permitir que as unidades girem por um longo tempo e sem problemas. Mas a comunidade MAMR acredita que a tecnologia laser de alta temperatura certamente encurta a vida útil do disco rígido. Isso é verdade, mas a questão é: por quanto tempo os discos rígidos HAMR permanecerão úteis? Bem, 2019 está quase aqui, vamos ver!

Referências

1. Seagate Blog. Acessado em 03/09/2018.