Patterned Media, Perpendicular und Heat Assisted Magnetic Recording Festplatten – noch ist kein Kapazitätslimit in Sicht

Mit Perpendicular Recording konnten die Festplattenhersteller die Speicherdichte deutlich erhöhen. Die Zukunft verspricht dank neuer Verfahren wie Thermally oder Heat Assisted Magnetic Recording und Patterned Media noch feinere Strukturen auf den Hard Disks. Dadurch werden Seagate, Fujitsu, Western Digital, Hitachi und andere Unternehmen auch in den kommenden Jahren Laufwerke mit immer höheren Speicherkapazitäten anbieten können.

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Die Kapazitätssteigerungen von Festplatten sind enorm. Als Faustregel könnte man formulieren, dass sich die Kapazität der größten Platten in den vergangenen zehn Jahren vertausendfacht hat. Das übertrifft als Faktor sogar die Geschwindigkeitszunahme von Prozessoren oder den Zuwachs an RAM eines durchschnittlichen Fertigrechners im selben Zeitraum.

Gleichwohl ist nicht abzusehen, dass der Bedarf nachlassen wird. Je mehr Speicherkapazität zur Verfügung steht, desto mehr wird auch genutzt. Um also auch in Zukunft entsprechende Zuwachsraten bieten zu können, ist die Festplattenbranche auf eine forcierte Entwicklung neuer Technologien angewiesen.

Perpendicular Recording

Perpendicular Recording ist ein sehr junges Verfahren, das 2005 erstmals von Toshiba in der Praxis eingesetzt wurde. Mehrere Hersteller brachten ihre ersten Platten mit dieser Technik vergangenes Jahr auf den Markt. Momentan findet eine generelle Umstellung hin zu Perpendicular Recording statt.

Traditionell wird mehr Kapazität auf einer Festplatte gewonnen, indem die bit-tragenden magnetischen Bereiche immer weiter verkleinert werden. Es gibt aber ein Limit, bei dem der Superparamagnetismus zuschlägt, das heißt, die thermische Energie der Bereiche bei normaler Umgebungstemperatur übertrifft ihre magnetische Energie. Dadurch verlieren diese ihre magnetische Ausrichtung – und die Bits „kippen“. Die maximalen Speicherdichten, die sich mit der herkömmlichen Aufzeichnungstechnik erzielen lassen, dürften bei 100 bis 150 Gigabit pro Quadratzoll liegen.

Dieses Problem lässt sich umgehen, indem andere Platter-Materialien verwendet werden, die erst bei noch kleineren magnetischen Bereichen für den superparamagnetischen Effekt anfällig sind. Solche Materialien lassen sich aber nicht mehr traditionell beschreiben, also mit den magnetischen Einheiten parallel zur Platter-Oberfläche.

Daher sind die Hersteller zum Perpendicular Recording, der lotrechten Aufnahme, übergegangen. Hier befindet sich unterhalb des eigentlichen Platters, auf dem die Aufzeichnung erfolgt, eine weitere Materialschicht, die den Schreib-/Lesekopf unterstützt. Mit dieser Schicht kann der Kopf schwerer veränderliche Materialien modifizieren, während das die Umgebungstemperatur noch nicht vermag.

Mit Perpendicular Recording sind erheblich höhere Speicherdichten möglich. Das zeigt ein Blick auf die verfügbaren oder angekündigten Ein-Terabyte-Laufwerke: Hitachis 5-Platter-Laufwerk hat 148 Gigabit pro Quadratzoll, die Produkte von Seagate (4 Platten) und Samsung (3 Platten) sollten demnach Speicherdichten von 185 und 250 Gigabit pro Quadratzoll erreichen.

Thermally/Heat Assisted Magnetic Recording

Dieses Verfahren ist relativ leicht zu verstehen: Will man noch robustere Platter-Materialien einsetzen, bei denen es bei Gehäuse-Innentemperatur nicht zum Superparamagnetismus kommt, wird das Beschreiben immer schwieriger. Von daher liegt es nahe, die Temperatur für die Aufnahme zu erhöhen. Dazu benötigt man einen extrem präzisen Laser, der noch dazu in den Schreib-/Lesekopf integriert werden muss – und natürlich die geeigneten Materialien für die Platter, die es auch erst zu erfinden gilt.

Es ist wichtig zu verstehen, dass Thermally oder Heat Assisted Magnetic Recording nichts mit magneto-optischen Laufwerken zu tun hat. Die erscheinen zwar im Computer als Festplatten, und die Aufzeichnung erfolgt mittels Laser auf einem ferromagnetischen Material, aber ausgelesen werden die Daten über die Reflexion des Laserlichts, die je nach Magnetisierungszustand anders ausfällt (Kerr-Effekt).

Wann Festplatten mit Thermally/Heat Assisted Magnetic Recording auf den Markt kommen werden, ist derzeit noch unklar. Seagate gibt nach 2010 an, Hitachi sogar nach 2013. Dort will man zuerst eine andere Technik umsetzen, Patterned Media.

Patterned Media

Hitachi ist natürlich nicht die einzige Firma, die an Patterned Media forscht. Aber Seagate glaubt, zuerst die laser-unterstützte Aufnahmetechnik marktreif zu bekommen. Wie auch immer: Die beiden Verfahren schließen sich nicht aus, sondern unterstützen sich sogar wechselseitig. In Kombination werden sie enorme Kapazitäten erlauben, über die derzeit nur spekuliert werden kann: Hitachi gibt bis zu 15.000 Gigabit pro Quadratzoll an. In einem Bericht der Fachpublikation „Wired“ über die Seagate-Forschung ist sogar von 50.000 Gigabit pro Quadratzoll die Rede.

Bei aktuellen Festplatten besteht die Oberfläche aus chaotisch angeordneten Körnern in Nanometer-Größenordnung. Ein einzelner magnetischer Bereich besteht aus Hunderten solcher Körner. Bei Patterned Media („Medien, auf die ein Muster aufgebracht wurde“) wird die Oberfläche vorbehandelt, indem Gräben ins Material geschnitten werden. Dadurch entstehen geordnete Bereiche mit Abständen, die sogenannten Inseln. So lassen sich die magnetischen Bereiche verkleinern, da sie sich nicht mehr gegenseitig beeinflussen. Die Herausforderung besteht natürlich darin, dieses Verfahren so zu perfektionieren, dass es kostengünstig ist und dabei zuverlässige Platter liefert.

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