Hoe fabrikanten meer bits op harde schijven kwijt kunnen

Moderne harde schijven benutten allerlei methoden om de steeds kleinere bits betrouwbaar op te slaan. We geven een overzicht van de huidige en aankomende technieken.

Harde schijven zijn in moderne laptops uitgestorven en worden vaak alleen nog gebruikt voor back-ups of het opslaan van grote hoeveelheden bestanden. De wereldwijde honger naar opslagruimte in datacenters wordt echter steeds groter, met miljoenen en miljoenen magnetische schijven die daar ronddraaien.

Fabrikanten van harde schijven onderzoeken daarom voortdurend hoe ze de grenzen van de fysica kunnen omzeilen om steeds meer bits in hetzelfde formaat behuizing te kunnen proppen. In een artikel van zeven jaar geleden beschreven we de weg naar de 100TB-schijf, die toen als het maximum werd beschouwd.

Tegenwoordig gaan de plannen al voorbij de 200 TB. Bij een ssd is het verdubbelen van de opslagcapaciteit in principe eenvoudig. Je stopt er het dubbele aan flashgeheugen in en misschien moet je een nieuwe controller ontwikkelen. Bij harde schijven is dat veel moeilijker. We beschrijven hier hoe de drie overgebleven fabrikanten van harde schijven van plan zijn om dat voor elkaar te krijgen. We beginnen met een historische excursie langs de technologieën die hebben geleid tot de huidige hardeschijfcapaciteiten – daarbij beginnen we niet bij de IBM 350 uit de jaren 1950, maar ongeveer tien jaar terug in de tijd. De technologie

Tegenwoordig passen er 11 magneetschijven en daarmee 22 lees-/schrijfkoppen in een 3,5-inch behuizing met een hoogte van net geen 26 millimeter. De Japanse fabrikant Hoya heeft al een ontwerp laten zien met 12 glazen schijven die elk slechts 0,381 millimeter dik zijn. Ter vergelijking: een standaard visitekaartje is ongeveer 0,2 millimeter dik.

Een twaalfde schijf, in hardeschijfjargon een platter genoemd, zou echter slechts resulteren in een capaciteitstoename van minder dan tien procent. Andere technologieën beloven meer groei. De aluminium platters in harde schijven met tien of elf platters zijn met ongeveer0,6 millimeter iets dikker, maar die zijn niet stabiel genoeg voor met lucht gevulde behuizingen. Ze zouden daarin kromtrekken, waardoor de lees-/schrijfk op er niet dicht genoeg bij kan komen. De behuizingen zijn daarom gevuld met helium. Dat inerte gas is aanzienlijk lichter dan lucht en veroorzaakt minder turbulentie.

Veel patenten gaan over het afdichten van de behuizingen. Tegenwoordig zijn ze gelast en kunnen ze niet meer worden ge opend met een schroevendraaier. Helium diffundeert echter gewoon door veel materialen heen en daarom worden er speciale oplossingen toegepast. Heliumplatters controleren hun eigen vulniveau en rapporteren dat via SMART-queries. Maar zelfs als het helium volledig vervangen zou zijn door omgevingslucht, zouden de schijven nog steeds werken – alleen veel langzamer, omdat de koppen dan iets hoger boven de schijven moeten zweven en de signalen zwakker zijn. Zoals altijd beschermt een back-up tegen de kosten van een reddingsoperatie door een professioneel datarecoverybedrijf.

Met helium gevulde schijven zijn nu zo’n twaalf jaar op de markt en de technologie is zeer betrouwbaar gebleken. Een leeskop, die nu uit minstens twee, zo niet drie delen bestaat, is verantwoordelijk voor het lezen van de gegevens. Two Dimensional Magnetic Recording (TDMR) en Multiple Sensor Magnetic Recording (MSMR) zijn de twee technologieën die worden gebruikt om de signalen te lezen.

In principe werken harde schijven met magnetische sensoren en nogal zwakke analoge signalen. Die vallen nauwelijks op tussen de achtergrondruis van de elektronische componenten en worden bovendien overlapt door signalen van naburige sporen. Daarom zijn er een aantal trucjes en complexe digitale signaalverwerkingsen foutcorrectieprocedures nodig om magnetisch opgeslagen gegevens met een voldoende hoog betrouwbaarheidsniveau te lezen.

TDMR gebruikt twee licht verschoven sensors en genereert een beter bruikbaar signaal door ze bij elkaar op te tellen. MSMR maakt daarentegen gebruik van twee leeskoppen die achter elkaar zijn geplaatst en die hetzelfde adres lezen, maar verschillende gegevens leveren. Terwijl de eerste sensor is geoptimaliseerd voor het lezen van de gegevens, is de tweede ontworpen om de thermische ruis op te pikken – als die wordt afgetrokken van het signaal van de eerste, krijg je een beter signaal. Zelfs het signaal dat op die manier wordt gegenereerd kan nog steeds fout zijn.

Daarom heeft elke sector van de harde schijf zijn eigen gebied voor foutcorrectiegegevens. Met behulp van wiskundige procedures die fouten herkennen en corrigeren, evalueert de controller de ruwe gegevens op zo’n manier dat een niet corrigeerbare leesfout in de praktijk slechts uiterst zelden voorkomt.

Opnamemethoden met overlap Shingled Magnetic Recording (SMR) is een opnamemethode die meer bits op de schijven plaatst door middel van overlappende sporen. De term SMR is afgeleid van de Engelse benaming voor dakpannen. De opnamekop overschrijft een deel van het zojuist geschreven spoor met nieuwe gegevens. Dat betekent dat er geen ruimte tussen twee sporen meer is en dat het resulterende spoor smaller wordt. SMR gebruikt bijvoorbeeld zones met een grootte van 256 MB. Als er ook maar één bit in zo’n zone moet wordt veranderd, moet de controller de hele zone inlezen, de gegevens veranderen en de zone opnieuw beschrijven. Daarom zijn SMR-schijven erg langzaam bij het herschrijven.

SMR is beschikbaar in drie versies. Bij harde schijven voor desktops zorgt de schijf zelf voor de distributie van de gegevens. Daarvoor is de term Drive-Managed SMR (DMSMR) ingeburgerd, soms wordt ook de term Client-Managed SMR In datacenters wordt daarentegen bijna uitsluitend Host-Managed SMR (HM-SMR) gebruikt. Daar sorteert de opslagsoftware de gegevens in de optimale volgorde voor de schijven, de schijven zorgen daar zelf niet voor.

Het derde type SMR wordt Host- Aware SMR (HA-SMR) genoemd, waarbij de schijf de gegevens zelf kan sorteren, maar dat niet hoeft te doen. Seagate en Western Digital hadden dergelijke universele modellen in hun programma, maar de andere twee hebben de overhand gekregen. Western Digital gebruikt ook een verdere ontwikkeling van de SMR-technologie, UltraSMR genaamd.

UltraSMR vergroot de opslagcapaciteit ten opzichte van SMR door meer gebruiksgegevens per spoor op te slaan via geoptimaliseerde blokcodering en efficiëntere pariteitsinformatie. Terwijl SMR ongeveer 10 procent meer capaciteit oplevert, claimt Western Digital 20 tot 25 procent voor haar verbeterde proces. gebruikt.

De afstand van de lees-/schrijfkoppen tot de platters wordt steeds kleiner. Ze zweven slechts 1 tot 2 nanometer boven de schijven, die draaien met 7200 omwentelingen per minuut. Hoe kleiner de afstand, des te sterker het signaal bij het lezen en des te minder energie er bij het schrijven namelijk verloren gaat. Een manager van Seagate vergelijkt het met een Airbus 380 die met 1000 km/u een halve meter boven de grond vliegt.

Om steeds meer data op een schijf te krijgen, moeten de sporen steeds smaller worden. Bij de huidige 30TB-HAMR-schijven is de spoorbreedte iets meer dan 30 nanometer en volgen de koppen de sporen met een maximale afwijking van 3 nanometer. Een andere analogie: dat is vergelijkbaar met een automobilist die bij 130 km/u zijn stuur zo goed onder controle heeft dat hij maximaal 5 watermoleculen naar links of rechts afwijkt.

Hoe smaller de banen worden, des te groter de interferentie van trillingen van externe bronnen – vooral ventilatoren met een onbekende en fluctuerende snelheid. De trillingen van andere harde schijven in dezelfde behuizing zijn eenvoudiger uit te sluiten met de ervan bekende rotatiesnelheid. Dat heeft ook invloed op de installatie. Oude racks zijn niet meer geschikt voor nieuwe schijven met hoge capaciteit omdat ze niet star genoeg zijn.

Een andere technologie van Western Digital helpt ook om kleine mechanische tekortkomingen te verbergen, namelijk dat de sporen op een harde schijf soms niet 100 procent rond zijn. Traditionele harde schijven slaan dergelijke afwijkingen en andere metadata over de schijven op de harde schijf zelf op, zodat de firmware van de schijf erop moet zoeken als dat nodig is.

Western Digital gebruikt daarentegen meestal een 64 GB groot flashgeheugen op de printplaat om die gegevens te bewaren, wat uiteindelijk iets smallere sporen mogelijk maakt en dus leidt tot een hogere datadichtheid. Die technologie, OptiNAND genaamd, dient echter ook als een persistente schrijfcache, die nog te schrijven gegevens bewaart in het geval van een stroomstoring. OptiNAND is ook bedoeld om SMR- en UltraSMR-schijven te helpen gegevens efficiënter te verdelen en zo wat opslagruimte te besparen.

De capaciteit van harde schijven is de afgelopen jaren enorm toegenomen – en dat zal zo doorgaan. De snelheid is echter maar langzaam toegenomen. Als de dichtheid van gegevens in een spoor toeneemt, neemt de lees- en schrijfsnelheid bij dezelfde rotatiesnelheid ook evenredig toe. Vergeleken met schijven van tien jaar geleden is dat maar zo’ n 25 procent.

De snelheid van toegang tot willekeurige gegevens, voor veel toepassingen belangrijk, is ook nauwelijks toegenomen. In termen van invoer- en uitvoerbewerkingen per seconde (IOPS) zijn harde schijven hopeloos inferieur aan puur elektronische ssd’s omdat ze eerst de kop op het juiste spoor moeten krijgen en dan moeten wachten tot de data voorbij komen.

Eén benadering om IOPS te verhogen is het gebruik van gesplitste koppen, wat Seagate en Western Digital in een paar modellen al doen. In het ideale geval verdubbelt de Mach2-technologie van Seagate de snelheid bijna. Van buitenaf bekeken zijn dat als het ware twee afzonderlijke harde schijven in een gemeenschappelijke behuizing.

Seagate is van plan om door te gaan met die technologie, maar gaf tijdens een interview geen commentaar op of details over aankomende modellen. Toshiba heeft daar een prototype van gebouwd, maar ziet bij klanten de belangstelling niet toenemen. Degenen die IOPS-intensieve toepassingen draaien, gebruiken sowieso ssd’s.

Bij harde schijven met hoge capaciteit ligt de snelste mediazone niet meer aan de rand, maar er net naast. In de zoektocht naar de laatste stukjes en beetjes ruimte op het platteroppervlak benutten de fabrikanten de rand nu zo volledig mogelijk en zijn er zelfs pogingen geweest om de bevestiging van de schijf in het midden te verkleinen om daar ook wat ruimte te winnen. De magnetisatie aan de rand is echter iets zwakker dan verder naar het midden, dus gebruiken technici daar liever iets grotere oppervlakken om een bit op te slaan. Dat vermindert het aantal bits in een track en dus ook de snelheid. Western Digital heeft ooit uitgelegd dat het coatingproces van de platters een effect heeft. Omdat de schijven daarbij op drie punten worden gefixeerd, is de magnetisatie rond die drie punten iets zwakker – in vakjargon worden dat de sputter-holes genoemd.

Meer platters en Shingled Magnetic Recording zijn twee manieren om de capaciteit te vergroten, maar de belangrijkste is waarschijnlijk het vergroten van de oppervlaktedichtheid. Daarbij moet tegelijkertijd aan drie tegenstrijdige eisen worden voldaan:

1. Kleinere bits verhogen de oppervlaktedichtheid, maar zijn thermisch minder stabiel en gevoelig voor willekeurig schakelen, zogenaamde bitflips.

2. Stabielere media met een hogere magnetische weerstand voorkomen bitflips, maar vereisen sterkere magnetische velden voor het schrijven.

3. Voor kleinere bits zijn ook kleinere schrijfkoppen nodig, maar die genereren zwakkere magnetische velden – te zwak voor stabielere media. Tot op heden zijn er geen materialen waarmee met kleine koppen voldoende sterke velden kunnen worden gegenereerd.

Alle harddiskfabrikanten zijn het er daarom al jaren over eens dat de conventionele opnametechnologie met Perpendicular Magnetic Recording (PMR) niet voldoende is voor de groeiende capaciteitseisen. De oplossing ligt in extra energie bij het schrijven. De hieronder genoemde methoden worden daarom samengevat onder de term Energy Assisted Magnetic Recording (EAMR): HAMR, MAMR en ePMR. MAMR en ePMR zijn slechts tijdelijke oplossingen, voor capaciteiten boven ongeveer 40 TB zullen alle bedrijven die vervangen door HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) en de daaropvolgende technologieën.

De geleverde energie verwarmt een klein gebied vlak voor het schrijven. Die verwarming vermindert de magnetische veldsterkte die nodig is voor het schrijven, zodat dat met een kleinere schrijfkop kan worden gedaan. Binnen een paar nanoseconden koelt het schijfoppervlak weer af tot de omgevingstemperatuur en is de polarisatie van de magnetische deeltjes stabiel. Seagate heeft grote vooruitgang geboekt met de ontwikkeling van HAMR. Het bedrijf doet er al meer dan 20 jaar onderzoek naar en heeft er naar verluidt meer dan twee miljard dollar in geïnvesteerd. Hoewel Seagate herhaaldelijk heeft aangekondigd dat het ‘binnenkort’ HAMR-schijven ging leveren, duurde het lang. Maar Seagate lijkt op het juiste paard te hebben gewed.

Mosaic 3+ is de naam die Seagate heeft gegeven aan het hardeschijfplatform waar de HAMR-schijven uit voortkomen. De energie is afkomstig van een laser die een fotontrechter en een kwantumantenne gebruikt om binnen 2 nanoseconden een klein deel van het oppervlak van de platter te verhitten tot een temperatuur van 427 °C – de laserstraal zelf zou veel te dik zijn voor het spoor, dat iets meer dan 30 nanometer breed is.

Seagate levert momenteel 40TB-schijven aan pilotklanten en verwacht dat die schijven dit jaar op grote schaal beschikbaar zullen zijn. Op de roadmap wordt zelfs gesproken over schijven met 100 TB voor het jaar 2032, maar zoals altijd is dat slechts een planning. Bij de productie lijkt nog niet alles vlekkeloos te lopen. Seagate verkoopt onder het label Recertified schijven met 26 en 28 TB die ook met HAMR werken, maar bij de eindcontrole nog niet de volledige capaciteit bieden.

Toshiba’s grootste schijf heeft momenteel een capaciteit van 24 TB en maakt gebruik van een andere technologie, Microwave Assisted Magnetic Recording, MAMR. In elke schrijfkop bevindt zich een kleine microgolfzender die tijdens het schrijven extra energie naar het magnetische materiaal stuurt. Toshiba gebruikt momenteel een speciale versie van MAMR, namelijk FC-MAMR. FC staat voor Flux Control, waarbij een Spin Torque Oscillator op de schrijfkop die direct ondersteunt tijdens het magnetiseren.

Het grootste voordeel van dat proces is dat Toshiba de oude magnetische platters kan blijven gebruiken en de capaciteit toch kan vergroten. Toshiba is van plan om volgend jaar nog een FC-MAMR schijf met 28 TB op de markt te brengen, maar die technologie heeft zijn grens bereikt. Of het bedrijf voor harde schijven boven de 30 TB zal vertrouwen op HAMR of MAS-MAMR (Microwave Assisted Switching-MAMR), de eigen verdere ontwikkeling van MAMR, is nog niet besloten – maar de trend is richting HAMR. Toshiba heeft vorig jaar al prototypes van beide technologieën laten zien.

Een HAMR-schijf met tien platters kwam op 32 TB, een met MAS-MAMR en 11 platter op 31 TB, in beide gevallen met SMR. Toshiba heeft geen eigen koppen- en mediaproductie, dus vertrouwt het bedrijf voor de ontwikkeling op zijn leveranciers. Western Digital gebruikt momenteel een derde type energieondersteuning: ePMR, Energy-Assisted Perpendicular Magnetic Recording. Dat proces werd ontdekt door WD-ingenieurs tijdens onderzoek naar MAMR en ontwikkeld tot een volwassen product. De capaciteiten zijn 26 TB en 32 TB met SMR-opname en dit jaar volgen schijven met respectievelijk 28 en 36 TB. WD’s CEO Irving Tan verwacht de eerste HAMR-schijven met 36 TB eind dit jaar, maar de massaproductie zal naar verwachting pas het jaar daarop starten.

De bijbehorende UltraSMR-varianten zullen naar verwachting al 44 TB bereiken. Schijven met 100 TB staan op de roadmap, maar een datum is nog niet bekend. Western Digital hoopt dat zijn eigen schijven sneller door klanten worden geaccepteerd dan die van HAMR-pionier Seagate. WD gelooft ook dat het met zijn UltraSMR-technologie de capaciteit sneller kan verhogen.

Volgens de huidige plannen is HAMR voldoende voor oppervlaktedichtheden tot 5 of 6 terabit per vierkante inch (Tbit per vierkant inch), wat overeenkomt met schijven tot ongeveer 100 TB met tien platters. Dat wordt gevolgd door HAMR+, een doorontwikkeling van HAMR met geoptimaliseerde magnetische lagen. HAMR+ verandert het productieproces van platters. In plaats van de magnetische laag ‘met een spuitbus’ aan te brengen, zoals voorheen het geval was, moet het magnetische materiaal in HAMR+ worden geordend – dat werkt alleen met lithografie.

De machines die daarvoor nodig zijn komen van het bedrijf Intenvac, dat sinds begin 2025 onderdeel is van Seagate. Maar ook Western Digital koopt daar zijn machines en Toshiba heeft daar indirect mee te maken omdat zijn platterfabrikant Resonac dergelijke machines nodig heeft. Harde schijven met HAMR+ zouden een capaciteit van 150 TB kunnen bereiken. Dat zal worden gevolgd door Heated-Dot Magnetic Recording (HDMR), waarvoor weer preciezere coatings nodig zijn. Individuele magneten in serie vormen dan de baan waarop de bits worden opgeslagen.

Hoewel de magneten daarbij iets groter zijn dan de huidige bij de ongeordende coating, moeten ze heel precies geplaatst worden. Aangezien dat ook een taak is voor een coatingmachine, zou Seagate, als eigenaar van Intenvac, opnieuw een voorsprong moeten hebben. Er is nog geen roadmap voor de tijd na HDMR, maar er zijn al wel ideeën waar het heen zou kunnen gaan. 3D-opname zou een rol kunnen spelen bij harde schijven. Japanse onderzoekers hebben daar al succesvolle tests mee uitgevoerd. Ze gebruikten twee lagen FePt (ijzerplatina), een magnetisch materiaal dat vaak wordt gebruikt bij HAMR, gescheiden door een laag ruthenium – een zilverwit, hard en bros platinametaal.

De metingen van de onderzoekers toonden aan dat die twee lagen verschillende Curie-temperaturen hebben en daarom afzonderlijk kunnen worden geregeld. Wanneer harde schijven met 50, 100 of zelfs 200 TB op de markt komen is echter niet alleen een kwestie van technologie. Die is in principe bekend, maar nog veel te duur. Het is waar dat fabrikanten over een paar jaar in staat zullen zijn om monsterschijven te bouwen, maar die kosten dan enkele tienduizenden euro’s per stuk. Alleen door een reeks aan innovaties voor de serieproductie van grotere hoeveelheden zullen de kosten dalen. Klanten zijn namelijk geïnteresseerd in twee dingen als het om harde schijven gaat: capaciteit en prijs – en die moeten in een realistische verhouding staan.