Definition Was ist Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR)?

Heat-Assisted Magnetic Recording ist ein spezielles magnetisches Speicherverfahren, das für Festplatten mit höherer Speicherdichte zum Einsatz kommen soll. Es erhitzt den zu magnetisierenden Werkstoff vor dem Beschreiben per integrierter Laserdiode. Stand 2019 sind noch keine Festplatten mit HAMR-Technik in Serienreife verfügbar.

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Die Abkürzung HAMR steht für Heat-Assisted Magnetic Recording. Die deutsche Übersetzung des Begriffs lautet Wärme-unterstütztes magnetisches Aufzeichnen. Es handelt sich um ein Verfahren, das magnetische Werkstoffe, wie sie in Festplatten zum Einsatz kommen, mit noch höherer Speicherdichte und mehr Daten beschreiben kann.

Um noch kleinere Einheiten auf einer magnetisierbaren Oberfläche zu beschreiben, erhitzt die HAMR-Technik vor der Magnetisierung den betroffenen Bereich per im Schreib-/Lesekopf integrierter Laserdiode. Durch den Einsatz der Technik soll die Kapazität von Festplatten mit herkömmlicher Größe von 2,5- oder 3,5-Zoll erheblich gesteigert werden.

Erste Laborversionen von Datenträgern mit HAMR-Technik waren bereits im Jahr 2002 verfügbar. Bis heute (Stand Januar 2019) existieren jedoch noch keine serienreifen Festplattenprodukte, die auf Heat-Assisted Magnetic Recording basieren. Laut dem Festplattenhersteller Seagate soll die Serienfertigung von Festplatten mit HAMR-Technik und einer Speicherkapazität von 20 Terabyte oder mehr im Jahr 2020 beginnen. Erste Muster mit 16 Terabyte Speicherplatz stehen einzelnen Unternehmen bereits zur Verfügung. Ankündigungen von Herstellern, mit HAMR die Speicherkapazität von Festplatten zu verzehnfachen, werden aktuell nicht mehr als realistisch angesehen.

Die Problematik der Speicherdichte bei herkömmlichen mechanischen Festplatten

Die Speicherkapazität von mechanischen Festplatten, die mit magnetisierbaren Werkstoffen arbeiten, ist nicht beliebig steigerbar. Je kleiner die mit einzelnen Bits zu beschreibenden Magnetpunkte werden, desto eher tritt der so genannte superparamegnetische Effekt auf. Dieser Effekt bewirkt, dass die thermische Energie die Magnetkraft übersteigt und die Magnetisierung ihre Stabilität verliert. Einzelne Bits können spontan kippen und den Informationsgehalt bestimmter Festplattenbereiche vernichten.

Je kleiner die Magnetteilchengröße werden soll, desto stabiler müssen die Magnetisierungseigenschaften des verwendeten Materials sein, um den superparamegnetischen Effekt zu verhindern. Magnetisch stabilere Materialien erfordern beim Beschreiben jedoch mehr Energie. Der Schreibkopf muss hohe magnetische Feldstärken erzeugen, die auf einen kleinen Bereich zu begrenzen sind. Auch hier stoßen Schreibköpfe an ihre Grenzen. Selbst beim Einsatz des Perpendicular-Recordings, das die Magnetpartikel senkrecht zur Festplattenoberfläche magnetisiert, gilt der Punkt als bereits erreicht, bei dem sich die Speicherdichte durch Verkleinerung der magnetisierbaren Einzelpunkte weiter erhöhten lässt. Die Technik ist in diesem Bereich größtenteils ausgereizt und verhindert eine weitere Miniaturisierung.

Das grundlegende Funktionsprinzip des Heat-Assisted Magnetic Recordings

Das Heat-Assisted Magnetic Recording ermöglicht eine Erhöhung der Datendichte durch eine weitere Verkleinerung der Speicherpartikel. Die zuvor beschriebenen Probleme des superparamegnetischen Effekts und der hohen benötigten Feldstärken des Schreibkopfs schwächt die HAMR-Technik ab, indem ein Laser den zu magnetisierenden Bereich vor dem Beschreiben erhitzt. Dadurch reduziert sich die benötigte Stärke des für das Schreiben notwendigen Magnetfelds drastisch. Nach dem Schreiben kühlt der magnetisierte Bereich wieder ab und die geschriebenen Daten bleiben dauerhaft erhalten.

Für das Heat-Assisted Magnetic Recording existieren beim Erhitzen des Materials zwei verschiedene Verfahren. Beim ersten Verfahren erhitzt der Laser einen wesentlich größeren Bereich, als die tatsächlich für die Magnetisierung genutzte Spurbreite. Im zweiten Verfahren ist der Laserpunkt mit nur 50 Nanometer sehr klein. Die tatsächliche Schreibbreite ist etwas größer als der erhitzte Bereich.

Hersteller von Festplatten mit Heat-Assisted Magnetic Recording haben angekündigt, die Schreib-/Leseleistung zusätzlich zu erhöhen, indem mehrere Schreib-/Leseköpfe im Laufwerk integriert werden.

Die Vor- und Nachteile von Festplatten mit Heat-Assisted Magnetic Recording

Gegenüber der bisher verwendeten Technik ohne Erhitzen des zu magnetisierenden Bereichs bietet das Heat-Assisted Magnetic Recording zahlreiche Vorteile. Die Speicherdichte lässt sich weiter erhöhen und damit die Speicherkapazität der Festplatten bei gleicher Größe steigern. Die Produkte sind mit herkömmlicher Festplattentechnik kompatibel, bieten aber wesentlich mehr Speicherplatz. Die zusätzliche Nutzung eines Lasers im Schreib-/Lesekopf wird die Preise der Festplatten nicht überproportional steigern, da die weiteren Komponenten und Einzelteile der Laufwerke überwiegend auf bewährter Technik basieren.

Stand 2019 sind noch keine serienreifen Produkte verfügbar. Zudem existieren einige Nachteile der Technik, die es zu beherrschen gilt. Die Festplatten mit ihren optisch-magnetisch kombinierten Schreib-/Leseköpfen besitzen höhere Komplexität und mit dem Laser eine weitere aktive Einheit. Die Laserdiode benötigt elektrische Energie zum Erhitzen der Magnetpartikel und steigert den Energieverbrauch der Festplatte.

Beim Erhitzen entstehen kurzzeitig sehr hohe Temperaturen, die zu weiteren Nebeneffekten führen. Die Haltbarkeit der beschichteten Oberflächen der rotierenden Scheiben (Platter) wird negativ beeinflusst. Die hohen Temperaturen verdampfen das Schmiermittel und reduzieren den Schutz der Oberfläche. Es sind Verfahren notwendig, die das Schmiermittel erneut auf die Oberfläche aufbringen. Der Festplattenhersteller Seagate plant Schmiermittel in sehr kleinen, nur einige Nanometer dicken Kohlenstoffröhrchen zu speichern. Diese geben bei Bedarf Schmiermittel für die Oberflächen ab. Die geschilderte Problematik und Komplexität des Schreib-/Leskopfs erhöht die Wahrscheinlichkeit von Headcrashes.

Kurz zusammengefasst im Folgenden die wichtigsten Vor- und Nachteile des Heat-Assisted Magnetic Recordings.

Die Vorteile des Heat-Assisted Magnetic Recordings:

• höhere Speicherdichte erzielbar

• Festplatten im 2,5-Zoll- und 3,5-Zoll-Format mit höherer Speicherkapazität realisierbar

• kompatibel mit herkömmlicher Festplattentechnik

Die Nachteile des Heat-Assisted Magnetic Recordings:

• komplexere Technik der Schreib-/Leseköpfe

• zusätzlicher Energiebedarf des Lasers für das Erhitzen der Magnetisierungsschicht

• hohe Temperaturen verdampfen das Schmiermittel und reduzieren die Haltbarkeit der Oberfläche der Magnetscheiben

• zusätzliche Technik für das erneute Aufbringen von Schmiermittel notwendig

• höhere Wahrscheinlichkeit von Headcrashes

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