Diski vračajo udarec
Konceptualno se diski vse od prvih osebnih računalnikov niso bistveno spremenili, saj jih še vedno sestavljajo magnetne plošče za hranjenje podatkov in pisalno-bralna glava za dostop do njih. Ko pa so se diski z naraščanjem zmogljivosti začeli bližati fizikalnim omejitvam, so izdelovalci staknili glave in izumili več tehnologij, ki na te nosilce še bolj na gosto tlačijo podatke.
emara se je ob zmagovitem pohodu flasha in SSDjev po domačih računalnikih zdelo, da bodo diski kmalu zgodovina, a smo se ušteli. Čeprav je disk lani praznoval častitljivo šestdeseto obletnico, nič ne kaže, da bi se mogli od velikanskih in poceni skladišč podatkov kaj kmalu posloviti. Povečevanje zahtev po zmogljivosti pa inženirje nenehno sili v iskanje novih zvijač, s katerimi lahko na majhne namagnetene plošče nagnetejo čedalje več podatkov. Dandanes niso neobičajni hermetično zaprti, s helijem napolnjeni diski, na vrata pa že trkajo taki z vgrajenim laserjem za segrevanje površine ob zapisu.
Levo: pri klasičnem zapisu podatkov se posamezen bit (obrobljen rdeče) shranjuje v več naključno razporejenih feromagnetnih zrnih. Desno: pri BPM so na površini v pravilnem vzorcu razporejeni magnetni otoki, ki jih sestavlja po eno zrno in shranjujejo vsak svoj bit. Vir: Albrecht et al. Bit Patterned Magnetic Recording: Theory, Media Fabrication, and Recording Performance, HGST.
Prazgodovina
Disk so izumili v IBMu leta 1954, ko so potrebovali napravo za shranjevanje podatkov, na katero je mogoče podatke zapisovati v realnem času ter z nje tudi brati. Prvi model IBM 350 je bil velik kot hladilnik in je lahko shranil 3,75 MB podatkov, to je bilo za tisti čas zares veliko. Sestavljalo ga je petdeset okroglih diskov s premerom 61 centimetrov, ki so se vrteli s hitrostjo 1200 obratov na minuto. Podatki so bili zapisani na obeh straneh plošč (skupaj sto površin), brali pa sta jih dve glavi (za vsako stran ena), ki sta morali najprej pripotovati do želenega diska. Povprečen dostopni čas je bil eno sekundo, hitrost prenosa podatkov pa 52,8 kilobita na sekundo.
Od tistih dni do danes so diski postali več kot milijonkrat večji, več tisočkrat manjši, lažji in hitrejši ter, preračunano na zmogljivost, več kot stomilijonkrat cenejši. Izboljšav je bilo zelo veliko, a so bile vse evolucijske narave, revolucije pa nismo dočakali. Osnovni koncept delovanja diskov se je v šestdesetih letih komajda kaj spremenil. Ali to priča o pomanjkanju vizije danes ali pa o odlični zamisli inženirjev že pred pol stoletja, bo sodila zgodovina. Mi si bomo ogledali, kakšne zvijače so uporabili, da so iz stare tehnologije iztisnili dovolj, da je več kot relevantna tudi danes.
OSNOVA
Od kod izvira magnetizem
Materiale delimo na diamagnetne in paramagnetne. Če prve podvržemo zunanjemu magnetnemu polju, se v njih inducira magnetno polje, ki nasprotuje zunanjemu magnetnemu polju. Paramagnetne snovi pa, ravno nasprotno, zunanje magnetno polje rahlo okrepijo. Oboji po izključitvi zunanjega magnetnega polja izgubijo namagnetenost in to jih razlikuje od tretje skupine – feromagnetov. Ti po izpostavitvi magnetnemu polju tudi v njegovi odsotnosti obdržijo inducirano magnetizacijo.
Da je material feromagneten, mora izpolnjevati precej pogojev, zato so pri sobni temperaturi edini feromagnetni elementi železo, kobalt, nikelj in gadolinij (ter seveda še številne njihove spojine).
Poenostavljena kvantnomehanska slika gre takole: magnetni moment zaradi spina nosijo že posamezni elektroni in protoni, pri čemer so prvi tisočkrat vplivnejši od slednjih. Če so elektroni v orbitalah sparjeni, se njihovi magnetni prispevki izničijo, zato so magnetni le posamezni atomi, ki imajo delno zapolnjene orbitale. Taki atomi se morajo v materialu urediti v isto smer. Možno je tudi, da so urejeni naključno ali izmenično (antiferomagnetizem). Skupke atomov z istosmerno magnetizacijo imenujemo magnetne domene. Kadar so tudi te poravnane v isto smer, je material feromagneten. Pri segrevanju nad Curiejevo temperaturo se razmagneti, znova pa ga namagnetimo z ohladitvijo in izpostavitvijo močnemu magnetnemu polju.
Kako deluje disk
Srce vsakega diska so plošče, na katerih so fizično zapisani podatki, do katerih imajo dostop bralno-pisalne glave. Dandanes podatke zapisujemo na obe strani plošč, več plošč pa je koncentrično nameščenih druga nad drugo na isti osi. Glav je torej dvakrat več kot plošč, da lahko beremo z vseh strani.
Plošče so izdelane iz aluminija ali stekla in keramike, zato so trdne, in tako so diski pravzaprav dobili ime (nekdaj smo govorili tudi o gibkih diskih, torej disketah). Nanje je na obeh straneh nanesenih več slojev, izmed katerih je zadnji magnetni iz kobaltove zlitine.
Teorija je od tu naprej preprosta, izvedba pa malo manj. Površina je razdeljena na vrsto razdelkov, na katerih magnetizacija določa, ali zapisujejo ničlo ali enico. Razdelki so široki okrog 200–300 nanometrov (v smeri prečno na vrtenje plošče) in približno desetkrat krajši (vzdolž). Vsak razdelek je sestavljen iz feromagnetnih zrn, katerih magnetizacijo uravnavamo s tokom, ki zaradi Lorentzove sile odklanja glavo z močnimi neodim-železo-borovimi (NIB) magneti, da vzpostavi enotno magnetizacijo razdelka. Pri potovanju glave nad ploščami pa lahko iz induciranega toka razbere zapisane bite.
Magnetne plošče se vrtijo s hitrostjo 7200 ali 5400 obratov na minuto (pri strežniških modelih tudi 10.000). To ustvarja zadosten pretok zraka, da glave med delovanjem lebdijo na zračni blazini tri nanometre nad površino (to je približno 40 atomov), ta pa mora biti seveda dovolj ravna. Prav tako mora biti notranjost diska popolnoma čista, saj je tudi najmanjši kos prahu tako velik, da na glavi in plošči povzroči pravo razdejanje.
Poglejmo, kako izboljšamo to grobo zamisel.
Prvi IBMovi diski (velik kolut desno) so bili tolikšni kot hladilniki. Vir: IBM.
Superparamagnetizem
Shranjevanje podatkov v obliki magnetizacije površine je eden najstarejših in najzanesljivejših konceptov, ki ga najdemo ne le pri diskih, temveč tudi pri magnetnih trakovih, tračnih enotah in kasetah. Na površini nosilca potrebujemo feromagnetni material, ki mu lahko z zunanjim magnetnim poljem postavimo magnetizacijo v eno izmed dveh stabilnih smeri, s čimer nanj zapisujemo ničle in enice. Žal je ena izmed smeri vedno malenkost bolj stabilna od druge. Čim manjši so razdelki na površini, tem več podatkov lahko shranimo na nosilec.
Poljubno zmanjševanje velikosti razdelkov preprečuje superparamagnetizem, ki nastane, ko je velikost tako majhna, da je celoten razdelek za zapis enega bita sestavljen iz ene same magnetne domene, to je pri velikosti pod 10–50 nm. Tedaj se magnetizacija domene zaradi termične energije spontano obrne. To onemogoča zanesljivo shranjevanje podatkov.
Opraviti imamo z verjetnostmi, zato definiramo povprečni čas med dvema spremembama magnetizacije, ki se imenuje Néelov relaksacijski čas.
Česa nas nauči japonščina
Prvi diski so podatke zapisovali z magnetizacijo, ki je bila orientirana vzdolž vrtenja plošče, kakor so si sledili razdelki. Ko se je gostota zapisa povečevala, so se razdelki krajšali in kmalu so bili že tako kratki, da je nadaljnjo miniaturizacijo preprečeval superparamagnetizem (glej okvir). Na univerzi Tohoku na Japonskem so že leta 1976 pokazali, da je pametneje magnetizacijo orientirati pravokotno na smer vrtenja plošč, da torej kaže navpično v ploščo ali iz nje – podobno kot klasično japonščino beremo navpično. S tem so lahko razdelki na površini manjši, saj lahko ustrezno dimenzijo pridobimo z globino magnetnega sloja. Pod zgornjim magnetnim slojem najdemo še drugega, skozi katerega teče magnetni pretok pri zapisu podatkov. Tehnologija se imenuje pravokotni magnetni zapis (PMR – perpendicular magnetic recording).
Zanimivo, da je Toshiba to že leta 1989 uporabila na 3,5-palčnih disketah z zmogljivostjo 2,88 MB, a trga niso navdušile. Od leta 2005, ko je spet Toshiba prva uporabila PMR v disku, to tehnologijo uporabljajo vsi diski . V številkah: klasični zapis dosega gostoto do 200 gigabitov na kvadratni palec, PMR pa od tri- do štirikrat več.
Česa nas nauči zlaganje strešnikov
Razdelki na površini diska so nagneteni blizu skupaj, a se, razumljivo, ne prekrivajo. Koncentrične sledi na ploščah so široke okrog 75 nanometrov, to je zelo malo – manjše od virusa gripe. Med njimi so razmiki, ki zmanjšajo interferenco med njimi in preprečujejo kvarjenje podatkov v sosednjih sledeh pri zapisu. Kaj pa, če bi se prekrivali?
Izkaže se, da lahko ob žrtvovanju hitrosti že zdaj iztisnemo približno 25 odstotkov več prostora. Za branje namreč potrebujemo manj široko sled kot za zapis. Sledi zato položimo na ploščo tako, da se prekrivajo podobno kot strešniki (SMR – shingled magnetic recording). Izpostavljeni del je dovolj širok, da lahko ožja bralna glava bere podatke. Za zapis pa je treba najprej prebrati celotno serijo prekritih sledi in jih potem zapisati drugo za drugo, četudi se je spremenila le ena. (Analogen problem imajo zaradi povsem drugih razlogov SSDji, kjer lahko brišemo le bloke, ne pa posameznih bitov, zato uporabljajo ukaz TRIM). Seveda se ne prepisuje celoten disk, saj so deloma prekrite sledi razdeljene na pasove, med katerimi je razmik. Prepisati je treba torej le sledi v enem pasu. Diski s SMR uporabljajo tudi sistem za dvodimenzionalni magnetni zapis (TDMR – two-dimensional magentic recoring), kjer imamo več bralnih glav za izboljšanje razmerja med signalom in šumom.
Potreba po zapisu več sledi seveda upočasnjuje zapis podatkov, a razlike niso tako velikanske, kot je sklepati iz opisa. Diski s SMR imajo večje predpomnilnike in logiko, ki skrbi za optimalen zapis podatkov. Možni so trije: avtonomni, restriktivni in kooperativni SMR. Pri avtonomnem SMR se disk navzven predstavlja kot običajen disk in skrb za ustrezen zapis podatkov prevzame sam, to pa nekoliko upočasni njegovo delovanje. Diski z restriktivnim SMR niso nazaj združljivi in se odzivajo le na ukaze, ki izrecno obsegajo kontrolne podatke za SMR (podobno kot TRIM za SSD). Najuporabnejši so diski s kooperativnim SMR, ki zmorejo izvesti tako ukaze s podporo SMR kot tudi običajne. Skrb za optimalen zapis podatkov si tu delita sistem in disk. Diski s SMR so že komercialno dostopni.
Česa nas naučijo baloni na sejmu
Drugi način za povečevanje zmogljivosti diskov je konceptualno preprostejši. Namesto da bi tlačili čim več magnetnih sledi na plošče, lahko povečamo število plošč. V običajnih diskih so tri ali največ štiri plošče, ki se vrtijo s 7200 ali 5400 obrati na minuto. To pomeni, da obod diska potuje s hitrostmi do 260 kilometrov na uro. Diski niso nepredušno zaprti, temveč imajo majhno luknjico s filtrom za izenačevanje pritiska. V notranjosti je torej zrak z gostoto 1,18 grama na liter. Visoka hitrost vrtenja plošč povzroča vibracije in turbulence, zato morajo biti plošče dovolj trdne in dovolj razmaknjene vsaksebi, obenem pa zračni upor povzroča znatno segrevanje.
Zato je Western Digital leta 2012 razvil tehnologijo HelioSeal, s katero so diski neprepustno zaprti in v notranjosti napolnjeni s helijem. Ta je redkejši od zraka in ima v enakih razmerah gostoto 0,16 grama na liter. To omogoča uporabo tanjših plošč bliže skupaj, ker je zračnega upora in turbulenc manj. V takem disku je lahko kar šest plošč, in Western Digital je lani že predstavil 10 TB disk, ki uporablja tako SMR kot helij in je na trg prispel letos.
Dodatna prednost teh diskov je prav hermetična zaprtost, zaradi česar jih lahko uporabljamo v sistemih, ki so potopljeni v hladilno tekočino (običajno mineralna olja). V Western Digitalovi podružnici HGST (nekdanji Hitachi) so napovedali, da bodo do leta 2017 vsi njihovi diski polnjeni s helijem.
Pri HAMR se koercitivnost materiala ob segrevanju zadosti zniža, da zmore magnetno polje pisalne glave spremeniti magnetizacijo razdelka in zapisati podatke. Vir: IEEE.
Helija zmanjkuje
Helij je, podobno kot vodik, velika kozmična ironija. Sestavlja 25 odstotkov vse snovi v vesolju in je drugi najpogostejši element. Toda do zvezd ne moremo, na Zemlji pa je poceni helija zelo malo. V atmosferi ga je 0,0005 %; to je v absolutnih številkah veliko, a preveč razredčeno za komercialno izkoriščanje. Obenem ves uporabljeni helij prej ali slej pobegne v atmosfero, tam pa je za nas izgubljen.
Komercialni helij prihaja iz podzemnih virov, kjer počasi nastaja z alfa razpadom radioaktivnih kamnin in se je imel 4,5 milijarde let čas kopičiti. Nekateri redki viri zemeljskega plina imajo od 0,1 do 7 odstotkov helija, ki ga ločujejo s frakcionirano destilacijo. Ko bo tega zmanjkalo, bo cena helija – ki je zaradi vrelišča pri –269° C ključna sestavina za hlajenje superprevodnih magnetov v bolnišnicah, raziskovalnih centrih in vesoljskih plovilih – poskočila v stratosfero. Helija seveda ne bo zmanjkalo čez noč, temveč bo njegovo pridobivanje iz čedalje manj bogatih vrtin čedalje dražje.
Česa nas nauči kuhinjska pečica
Toplotno magnetno zapisovanje (HAMR – heat-assisted magnetic recording) je naslednja tehnologija, ki bo nadomestila SMR. Slednja je bila že od samega začetka mišljena kot prehodna rešitev do boljših tehnologij. In tu nastopi HAMR, ki ga Seagate v komercialnih diskih obljublja za prihodnje leto (Hitachi pa leto pozneje pod imenom TAR – temperature-assisted recording).
Namesto kobaltovih zlitin bodo plošče v teh diskih prevlečene s feromagnetno zlitino železa in platine. Glava bo imela majhen laser, ki bo tik pred zapisom segrel razdelek na disku na 400–500° C. Za to bo imel na voljo le nekaj nanosekund, saj se površina diska hitro vrti.
Pri segrevanju se magnetna koercitivnost materiala zniža hitreje kot magnetizacija, to pa v praksi pomeni, da potrebujemo manj energije oziroma šibkejše magnetno polje za zapis podatkov. Za spremembo magnetizacije že namagnetene površine potrebujemo več energije kot za namagnetenje nemagnetne površine. Poenostavljeno: namagnetenje je cenejše kot razmagnetenje.
S segrevanjem koercitivnost strmo upade in zapis je mogoč tudi v tako majhna zrna, ki imajo pri sobni temperaturi previsoko koercitivnost, tako da bi na glavi terjala nedosegljivo visoka magnetna polja. Ko pa se temperatura zniža, se koercitivnost zviša in zapisani podatki so stabilni (glej okvir o magnetni trilemi). V teoriji naj bi HAMR omogočal postoterjenje gostote zapisa, a začetki bodo bržčas previdni, torej diski v razponu 10–20 TB.
Možen je tudi MAMR (microwave-assisted magnetic recording), pri katerem namesto segrevanja z laserjem za pripravo površine tik pred zapisom uporabimo mikrovalove z magnetnim poljem s frekvenco 30–40 GHz. Logika je podobna.
Številni strokovnjaki so bili ob napovedi HAMR skeptični in nekateri še danes dvomijo, da bomo diske s HAMR dejansko videli v diskih za rabo doma. A izdelovalci diskov so neomajni v svojih prizadevanjih, da še pred koncem desetletja predstavijo 3,5-palčni disk z zmogljivostjo 100 TB.
ZAPISOVANJE
Magnetna trilema
Magnetna trilema pomeni, da moramo iskati kompromis med razmerjem signal/šum, zapisljivostjo in stabilnostjo podatkov.
Pri magnetnem zapisu podatkov moramo krmariti med tremi izključujočimi se zahtevami: toplotno obstojnostjo, zapisljivostjo ter razmerjem med signalom in šumom, ki odstirajo ključne zahteve pri magnetnem zapisu podatkov. Za to, da je prehod med biti dovolj izrazit, je treba zmanjšati velikost zrn. To terja uporabo materiala z visoko magnetno anizotropijo, da so zapisani podatki toplotno in časovno obstojni. Material z visoko anizotropijo ima tudi visoko koercitivnost, zato za spremembo magnetizacije – prepis podatkov – terja visoko magnetno polje. Jakost magnetnega polja, ki ga lahko inducira pisalna glava, pa je omejena z velikostjo in materialom. To je magnetna trilema, saj vseh treh zahtev ne moremo izpolniti, temveč iščemo kompromis.
Kaj še lahko storimo
Miniaturizacija razdelkov, ki lahko zapišejo vsak po en bit, dosega s HARM skrajne meje. A k sreči je mogoče k problemu pristopiti z druge strani. Trenutno imajo razdelki okrog 20–30 naključno razporejenih magnetnih zrn velikosti okrog 8 nanometrov, ki jih je treba za zapis bita magnetizirati v isti smeri. Če zrna zmanjšamo, zaradi superparamagnetizma izgubimo obstojnost magnetizacije in s tem podatkov. Ideja je zrna nekoliko povečati, na 10–20 nanometrov, in jih v pravilnem vzorcu namestiti po disku, potem pa posamezen bit zapisati z enim samim magnetnim zrnom, ki ga zdaj imenujemo magnetni otok, ker je razklopljen od okolice.
Tehnika se imenuje BPM (bit-patterned media) in v teoriji omogoča zapis 20–200 terabitov podatkov na kvadratni palec, z današnjimi tehnologijami pa se komaj približujemo enemu terabitu na kvadratni palec. Litografsko BPM dosežemo tako, da na ploščo nanesemo blok kopolimere, sestavljen iz dveh monomernih enot, ki se med seboj odbijata, zato je molekula polimera iztegnjena. Poskrbeti je treba, da se polimeri nanesejo na ploščo v ustreznem vzorcu, ki potem omogoča branje pri vrtenju plošče. V teoriji bi lahko tako dobili diske z zmogljivostjo več kot 1 PB (1000 TB). Kdaj? Čez kakšnih 20 let.
Pri tehnologiji BPM bo nanotehnologija na površino plošče posadila magnetne otoke. Vir: Nanotech etc.
Ko diskov ne bo več
Verjetno bodo vedno, a kljub temu omenimo tehnologije, ki jih bodo vsaj deloma nadomestile. Polprevodniški pomnilnik (NAND) oziroma flash, ki ga najdemo v SSDjih in ključih USB, ima v primerjavi z diski nekaj prednosti in nekaj pomanjkljivosti. Je dražji in manj obstojen, a bistveno hitrejši in brez premičnih delov.
Intel in Micron sta letos predstavila povsem novo tehnologijo, da bo brez premičnih delov in ga bodo sestavljale izmenično položene pravokotne plasti. Vsak stik sosednjih pravokotnih plasti naj bi omogočal shranitev enega bita podatkov. Izdelovalca obljubljata, da bo ta trajni pomnilnik hitrejši in gostejši od diskov in SSDjev.
Potem je tu še elektronski element memristor (Pozabljeni element, ki obljublja superpomnilnik, Monitor 02/15), ki so ga prvikrat proizvedli šele leta 2008 in zaokrožuje četverico osnovnih elektrotehniških elementov (upornik, kondenzator, tuljava, memristor). Z njimi nam obljubljajo hitre in velike pomnilnike, a še nihče ni pokazal nič konkretnega.
Še bolj eksotične možnosti, kot je shranjevanje neposredno v DNK, pa so za zdaj še v raziskovalnih laboratorijih, a zamisel sploh ni tako napačna. Molekulo DNK sestavljajo organske baze adenin, gvanin, citozin in timin, ki jih lahko na ribofosfatni skelet pripenjamo v poljubnem zaporedju, pa še dve komplementarni verigi se tvorita, tako da imamo redundanco. Na Harvardu jim je v en gram DNK že uspelo shraniti 700 TB podatkov.