Mehr Platz auf der Festplatte

Perpendicular Recording stellt Bits senkrecht

10.04.2007 | Autor / Redakteur: Rainer Graefen / Rainer Graefen

Kaum eine andere Technologie wird die Speicherwelt so verändern wie Perpendicular Recording. Die neue Aufzeichnungstechnik für Festplatten wird die Datenhaltung nachhaltig beeinflussen und viele alternative Produkte verdrängen.

Festplattenherstellern wie Hitachi, Seagate und Toshiba war seit einigen Jahren klar, dass die longitudinale Aufzeichnungstechnik bei Festplatten nicht mehr viel Potenzial für höhere Speicherdichten hatte. Die Polarisierung von Magnetpartikeln in Laufrichtung lässt auch aus heutiger Sicht nur eine Steigerung der Flächendichte auf maximal 250 GBit pro Quadratzoll (GBit/inch²) zu. Davon nutzt die Industrie augenblicklich etwa 150 bis 180 GBit/ inch² aus.

Höchste Packungsdichte

Die maximale Flächendichte soll sich allein durch perpendicular recording, so haben die Physiker und Ingenieure errechnet, auf etwa 500 GBit/inch² steigern lassen. Die Magnetpartikel werden dabei nicht mehr in der Bewegungsrichtung des Mediums, sondern senkrecht zur Bewegungsrichtung polarisiert.

Bislang haben Seagate und Hitachi Flächendichten von 245 bzw. 235 GBit/inch² im Labor nachgewiesen. Die Datentransferrate aktueller Modelle mit Queraufzeichnung liegt bei etwa 130 MByte/s. Ein SCSI-Bus mit 320 MByte/s Bandbreite wäre also schon mit drei Festplatten überlastet. Serial Attached SCSI (SAS) mit 600 MByte/s kommt insofern zur rechten Zeit.

Festplatten mit 3,5-Zoll-Formfaktor könnten bei Ausschöpfung der max. Flächendichte etwa zwei Terabyte Daten, bei 2,5-Zoll-Formfaktor noch 500 GByte und bei 1-Zoll-Durchmesser immerhin noch 50 GByte auf einer Platte speichern.

Startschuss

Das ist aber nur der erste Schritt. Perpendicular recording ist nur der Startschuss für eine weitaus höhere Verdichtung der Magnetdomänen, die ein Bit speichern. Mit weiteren technischen Tricks lässt sich die Flachendichte auf das Hundertfache steigern, also auf 50.000 GBit/inch² erhöhen, wenn man die superparamagnetische Phänomene in den Griff bekommt. Dieser Effekt tritt bei zunehmender Gedrängtheit der Magnetdomänen auf, die sich gegenseitig beeinflussen und dadurch instabil werden. Schon geringe Wärmeeinwirkungen kehren dann die Polarität – eine „0“ wird zur „1“ und umgekehrt – um.

In den Labors wird an mehreren unterschiedlichen Wegen gearbeitet, um diese Grenze zu kippen. Die wichtigsten Ansatzpunkte sind:

  • Einsatz hartmagnetische Materialien,
  • Magnetdomänen verkleinern und
  • Medien vorstrukturieren.

Alle Methoden lassen sich später miteinander kombinieren und treiben die Speicherkapazität in bislang ungekannte Größenordnungen.

Umsetzungsschwierigkeiten

Leider sind diese faszinierenden Konzepte nicht ganz so einfach in die Praxis umzusetzen. Hartmagneten lassen sich nur durch starke Magnetfelder in ihrer Orientierung beeinflussen. Dieser Weg verbietet sich angesichts der gewollten Speicherverdichtung, da benachbarte Informationen überschrieben werden könnten. Das führt zu einer interessanten technischen Herausforderung. Der Hartmagnet ist dann zuerst mit einem sehr feinstrahligen Laser punktuell zu erhitzen und wird dadurch in einen weichmagnetischen Zustand überführt. In diesem Zustand kann er wieder mittels klassischer Verfahren polarisiert werden. Das alles muss bei Drehgeschwindigkeiten von etwa 160 Kilometer pro Stunde passieren. Fujitsu hat im Labor schon erste Erfolge erzielt und gibt an 1 TBit/inch² beschreiben zu können.

Will man mehr Domänen auf einer Scheibe unterbringen, die einzelne also verkleinern, ist es notwendig die Magnetfeldstärke zu reduzieren. Das ist allerdings nur möglich, wenn die Flughöhe des Schreib-/ Lesekopf erniedrigt wird. Die Experten wollen auf drei bis vier Nanometer Abstand zur Platte runterkommen. Auch hier sind neuartige Fertigungsmethoden notwendig. Die für jedes Menschenauge schon heute absolut flachen und gleichmäßigen Oberfläche einer Speicherscheibe, lässt sich selbst mit sorgfältigster Politur nur auf eine Rauheit von sechs bis zehn Nanometern reduzieren.

Mittels vorstrukturierter Speichermedien (Patterned Medias) soll die für ein Bit Information benötigte Speicherfläche ebenfalls kleiner werden. Bislang liegen die magnetischen Partikel kreuz und quer in der Fläche und tragen damit teilweise nicht zum Magnetimpuls bei. Um trotz geringerer Fläche dieselbe Magnetisierung zu erreichen, müsste diese Fläche zu kleinen Inseln aus vorpolarisierten Magnetpartikeln geformt werden. Auch das wird nicht ganz einfach, da die Inseln nicht linear, sondern an kreisförmigen Spuren auszurichten sind.

Eine Erfolgsmeldung nach der anderen

Einfach ist die Verdichtung der Magnetdomänen und damit die weiter steigende Kapazität von Festplatten also nicht zu erreichen. Dazu kommt, dass auch bei der Festplattenelektronik einige Verbesserungen anstehen. Der Schreib-/ Lesekanal innerhalb der Festplatte arbeitet schon jetzt im Grenzbereich. Allein durch Perpendicular Recording verdoppelt sich absehbar die Datentransferrate, es werden immer mehr Bits pro Zeiteinheit überflogen. Um hier noch höhere Datenraten zu erzielen, wäre es wünschenswert gleichzeitig alle Köpfe auslesen zu können.

Trotz aller physikalischen und technischen Schwierigkeiten, werden wir in den nächsten Jahren laufend von neuen Fortschritten in der Festplattentechnik zu hören bekommen. Hitachi Global Storage hat im Wettstreit um die Tera-Disk marketingtechnisch erst mal für ein halbes Jahr die Nase vorne, Seagate will diesen Erfolg aber durch seine produktionstechnischen Vorsprung bei Perpendicular Recording in Kürze wieder wettmachen. Statt fünf Platten, wie bei Hitachis Deskstar 7K1000, wird Seagates Modell nur vier Platten besitzen. Das heißt, man muss 125 GByte netto auf einer Oberfläche unterbringen. Der dritte Mitstreiter, Toshiba, konzentriert sich auf schmale Festplatten mit 1,8-Zoll-Formfaktor, die im iPod verbaut werden sollen. Der Hersteller will in Kürze ein 40 und ein 80 Gigabyte Modell mit 5 Millimeter Dicke ausliefern (aktuell 60 GB bei 8 Millimetern).

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