ハードドライブの進化の見通し：高度な技術と実装の課題

Western Digitalにとって、2017年は多くの注目を集めたプレミアでマークされました。 4月6日に、10 TBの容量を持つ特殊なビデオ監視ドライブWD Purpleのラインアップの更新を発表し、5月19日に、企業のNASの一部としての個人的な使用と操作を目的とした10テラバイトモデルのWD RedおよびWD Red Proシリーズを発表しました。 秋には新たなリリースもありました。9月にWD Goldが12 TBの販売を開始し、10月にHGST Ultrastar Hs14というブランド名で市場に最初の14 TBハードドライブが発売されました。



これはすべて、IT企業の増大するニーズへの対応でした。ビジネスは、情報ストレージの密度を緊急に高める必要があり、企業の欲求は毎年増大するだけです。 問題は、どこに限界があるのか​​、自信を持って言えることです。「問題に対する根本的に異なる解決策を探す時が来ました。ハードドライブの可能性は完全に使い果たされています。」 これについては、今日の記事で説明します。

業界は顧客に追いついていない

当社の歴史における重要なマイルストーンの1つは、HelioSealヘリウムプラットフォームの開発です。 その本質は非常に簡単です。ハードドライブのケースは完全に密閉され、ヘリウムで満たされています-空気に比べて密度が7倍低いガスです。 この設計には、いくつかの重要な利点があります。

• ディスク内の気体媒体の抵抗が大幅に低いため、より薄い磁気プレートを使用でき、その数は5から7に増加しました。
• 乱流の減少は、位置決め精度を改善し、磁気プレートと書き込みヘッドの間のギャップを減少させるのに役立ちました。これにより、物理的寸法を小さくすることができ、PMR法（垂直磁気記録）を使用してより高い記録密度を達成し、HDDの速度を21％向上させました;
• 摩擦力の低下により、ディスクの温度が4°C低下し、容量の面でほぼ49％経済的になりました（後者は、スピンドルの巻き戻しのエネルギー消費が少ないためです）。

HelioSealプラットフォームの利点





HelioSealのおかげで、最初は6テラバイトモデルと8テラバイトモデル、そして次に10 TB、12 TB、14 TBの「ヘビーウェイト」を見ることができました。 しかし、これでも需要を完全に満たすことはできませんでした。 情報サービスの分野（特にクラウドテクノロジー）の急速な発展により、処理される情報量が爆発的に増加しました。 データセンターのボリュームは毎年約40％増加していますが（コンサルティング会社International Data Corporationの推定によれば）、同期間のHDD容量は20％しか増加していません。 この点に関して、HelioSeal Western Digitalが最初の1年半で6 TBおよび8 TBのハードドライブを約100万台販売し、2015年の第3四半期だけで合計110万台が販売されたのは驚くべきことではありません。 HDDは、既に2016年10月の初めに、1,000万台のドライブの出荷量を超え、その総容量は76 EB（エクサバイト）に達しました。



提示された統計には疑いの余地はありません。新しいドライブはその重量で世界記録を破っていますが、デバイスごとに14 TBでも、生産性の高い機器を既に必要とする現代のビジネスの欲求を考慮すると、少なすぎます。 今日、この問題を解決する方法は何ですか？

SMR-有望なファイルストレージソリューション

HelioSealプラットフォームはハードドライブのボリュームを大幅に増やすのに役立ちましたが、磁気プレートの数をさらに増やすことはできません：実践が示しているように、少なくとも1つのデバイスを追加するとデバイスが非常に不安定になり、信頼性が大幅に低下します。 ただし、「パンケーキ」の数は、HDDの容量を決定する多くのパラメーターの1つにすぎません。また、情報の単位を格納するセルのサイズやトラックの幅などの特性は長年にわたって変化していないため、開発の見通しがまだあります。



最初に思い浮かぶのは、新しいHGSTウルトラスターHs14に用途を見出したSMR（Shingled Magnetic Recording）テクノロジーです。 「タイル」記録方式は、従来の垂直方式とは異なり、後続の各トラックが前のトラックと重複します。このようにして、1 Tbit / inch2（PMRから絞り出せる最大値）のしきい値を超えることができます。 2つのアプローチの違いは、以下の図に明確に示されています。





PMR記録：読み取り範囲を大きく超えるトラック幅



HelioSealに基づく製品のヘッドポジショニングの高精度によるPMRの記録密度の増加について話すとき、トラック間のギャップを減らすことについて話します（図のガードスペース）。 理論的には、SMRは最大20％以上のボリューム成長を提供できます。





SMR録音：新しいトラックはそれぞれ、前のトラックに重ねられます



しかし、繰り返しますが、理論上のみです。 実際には、ダビングには重大な問題があります。記録ヘッドが読み取り領域よりも広いため、データを更新するときに、必要なフラグメントだけでなく後続のトラックも消去されます。 その結果、各操作はターゲットトラックと隣接するトラックの両方を調整する必要があります。 パフォーマンスの損失を最小限に抑えるために、トラックは個別のグループ（「テープ」）に配置されます。これにより、ダビングする必要があるトラックの最大数を記録し、安定したデバイスパフォーマンスを確保できます。 ただし、テープ間に追加のスペースが必要なため、SMRはディスク容量の増加という点ではそれほど効果的ではありません。



このアプローチの代替は、PMRとSMRの組み合わせです。 実際、HDDは「作業」ゾーンと「アーカイブ」ゾーンに分割されており、それぞれに異なる記録方法が使用されています。 作業領域は、ファイルが定期的に使用される一種のキャッシュの役割を果たします。 その後、ユーザーの介入なしに自動的にSMRゾーンに転送されます。これは、SSDの「ガベージコレクション」手順に似ています。



もう1つのオプションは、ハイブリッドモデルを作成することです。このモデルには、DRAMバッファーとともに、SLC NANDメモリまたはTLCに基づく安価な擬似SLCチップが存在します。 出力では、3レベルのキャッシュを実装するデバイスを取得します。これにより、HDDのアーキテクチャが大幅に複雑になり、そのようなバンドルの可能性を完全に引き出すことができる根本的に異なる読み取り/書き込みアルゴリズムが必要になります。



ただし、上記のすべての場合でも、SMRは特定の産業向けの狭義のソリューションのままです。たとえば、情報のアーカイブとビデオ監視（DRAM + SLC + PMRゾーンの組み合わせは、1つのドライブが32から64台のカメラ）。 小売部門では、この技術はコンパクトなUSBドライブの製造にのみ適しています。このようなデバイスは主にポータブルストレージとして使用されるため、SMRとPMRのパフォーマンスの違いはそれほど重要ではありません。 同時に、タイル記録により、外付けHDDの容量を増やすだけでなく、外付けHDDの全体的なサイズを大幅に削減できます。 残念ながら、そのようなデバイスは高性能サーバーやデスクトップでの動作には機能しません。

TDMR、HAMR、またはMAMR？

さらに興味深い技術は、2次元磁気記録TDMRです。これにより、HDDのパフォーマンスを損なうことなく、最大10％の安定した容量の増加を実現できます。





TDMRのワークフローと利点



その本質は、書き込みヘッドのサイズを物理的に小さくすることにあり、これにより、磁気トラックをよりコンパクトに配置することが可能になります。 ここで別の問題が発生します-ITI（Inter-Track Interference）の出現。 簡単に言えば、情報を読み取るプロセスで、リーダーは隣接するトラックからの電磁干渉を知覚しますが、これには認識エラーが伴います。 干渉は、1つのトラックへの追加の連続呼び出しによって無効にすることができます。 その結果、コントローラーは干渉を抑制するために必要な量のデータを受信しますが、そのようなアプローチでは遅延が大幅に増加し、キャッシュの大幅な拡張が必要になります。



別の解決策は、同じトラックから同時にデータを読み取ることができるリーダーモジュールの配列を作成することです。 この方法では、パスを追加することなくS / N比を減らすことができますが、リアルタイムフィルタリングには、より効率的なチップとエラー制御システムが必要です（ただし、後者はGallagerコードに基づいて実装できます）。 さらに、効果的なITI抑制システムがあれば、1つのヘッドで複数のリーダーを使用すると、複数のトラックを同時に読み取るため、ハードドライブの速度が向上します。



HAMR（Heat-Assisted Magnetic Recording）テクノロジーは、さらに興味深い可能性を開き、記録密度を最大2 Tbit / inch2以上に高めることができます。 熱アシスト磁気記録の本質は次のとおりです。書き込みヘッドには、波長810 nm、出力約20 mWのレーザーが装備されており、磁気プレートを450°Cに局所的に加熱します。 高温は保磁力（完全な消磁に必要な磁場強度の値）を下げるのに役立ち、その結果、1ビットの情報を格納するのに必要な領域が減り、超常磁性効果（強磁性粒子の単一ドメイン状態への任意の遷移）が排除されます、記録されたデータの損失につながります）。





HAMRの動作原理



伝統的に、ここには落とし穴がなかったわけではありません。 データ担体は、熱放射を磁気プレートに伝達し、記録を可能にする光学近接場変換器（NFT）によって加熱されます。 その優れた光学特性により、金がNFT製造の主要材料として選択されました。 ただし、この金属は機械的強度が不十分であり、長時間の高温暴露下で急速に変形するため、光コンバーターの故障が早すぎます。 したがって、この技術の商業的実装は、熱的に安定した合金の開発にかかっています。



別の問題は、HAMRがHelioSealと間接的に競合することです。 ヘリウムの熱伝導率は空気の熱伝導率よりも大きいため、磁気プレートを局所的に加熱するには、より強力なレーザーを使用する必要があり、NFT特性の要件が高くなります。 気体媒体を急速に加熱すると、HDD内の圧力が上昇します。つまり、「パンケーキ」の回転に対する抵抗力も増加し、必然的にエネルギー消費に影響します。 次に、ディスクエンクロージャの温度も上昇します。60℃を超えてはなりません。そうしないと、空調システムをアップグレードするコストが大幅に増加します。 これはすべて、この技術に基づいたHDDの大量生産に対する深刻な障害です。



これらの技術に代わるものは、Western Digital-MAMR（マイクロ波アシスト磁気記録-マイクロ波磁気記録）の革新的な開発です。





MAMR-マイクロ波磁気記録



その動作原理は、多くの点でHAMRに似ていますが、唯一の違いはスピンモーメントジェネレーター（STO-Spin Torque Oscillator）が記録層で使用され、磁区を励起することです。 モジュールは多層薄膜構造であり、そのギャップでは、直流電流の影響下で、磁気プレートに作用する高周波（20〜40 Hz）の円形磁場が発生します。これにより、保磁力を大幅に低減し、磁化ベクトルの変化を大幅に促進することができます。 MAMRは従来のPMRと互換性があり、「粒子」（1ビットの情報を記録するために必要な領域）のサイズを8〜12 nmから記録4 nm以下にまで縮小します。





MAMRを使用する利点



したがって、最大4 Tbit / inch2の記録記録密度を達成することができました。これにより、将来、3.5インチのフォームファクターのクラシックケースで40 TB以上の容量のドライブを作成できるようになります。 最初のシリアルデバイスは、2019年に市場に投入される予定です。 それらを使用すると、データセンターの総容量が40％増加しますが、ディスクストレージの運用コストは変わりません。HAMRとは異なり、新しいHDDは熱放散が低く、STOジェネレーターは実際には摩耗しません。 SSDドライブからMAMRに基づいたハードドライブへの移行について話す場合、それらの実装は、各ギガバイトの情報を保存するコストを10倍削減するのに役立ちます。

特化製品

ハードドライブのさらなる進化の見通しについて話すと、単純な真実が明確になります。ゲームのルールが変更され、業界はゆっくりですが確実に特定のタスクに合わせた高度に特化した製品の明確なセグメンテーションと作成に向かっています。 サーバーとニアラインアプリケーションに関しては、容量を増やすために速度を犠牲にすることは実用的ではなく、ここでヘリウムプラットフォームは高いパフォーマンスと印象的な容量の両方を提供できます。



ネットワークファイルストレージとDASの場合、SMRの機能は十分であり、DVRの場合、SLC NANDに基づく高度なキャッシングおよび情報処理システムと連携したタイルレコードが妥当な選択です。 TDMRは、消費者市場を征服します。2次元記録を適切に実装することで、プロや愛好家の間で非常に需要の高い、容量が大きく、高速で安価な（HelioSealベースのモデルと比較して）ソリューションを作成できます。



当初は企業セグメント向けでしたが、将来のMAMRドライブは、高性能データセンターとクラウドプラットフォームの「ゴールドスタンダード」になることができます。 HAMRに関しては、この技術の大量導入について話す必要はありません-あまりにも多くの技術的および経済的問題がまだ解決されていません。 マイクロ波アシスト磁気記録の出現を考えると、熱アシスト磁気記録は行き止まりの枝のように見え、HAMRが幅広い用途を見つけることはないかもしれません。