В дата-центрах самым распространенным способом хранения крупных объемов данных остаются HDD — накопители на магнитных дисках, в которых данные записывают с помощью коротких слабых импульсов магнитного поля. Такие СХД дешевле твердотельных и обладают большей емкостью.
В то же время исследователи и инженеры не прекращают поиск решений для проблем энергоэффективности и скорости записи данных, возможно с использованием альтернативных воздействий — например, тока или даже света. Перспективная технология, способная привести к прорыву в создании новых устройств, плюс — повысить производительность магнитной записи, это — использование лазерных импульсов — оптомагнитная запись.
Исследования в этой области ведутся уже больше 20 лет, но вопрос о практическом применении такой записи пока открыт. О причинах этого физик Университета ИТМО и ФТИ им. А. Ф. Иоффе Александра Калашникова с коллегами из мировых вузов рассказала в журнале Physics Reports.
Рождение концепции
В 1996 году в журнале Physical Review Letters вышла научная работа французских исследователей, которые показали, что фемтосекундный лазер способен очень быстро — за доли пикосекундны — обратимо разрушать намагниченность в ферромагнетиках, не повреждая материал. Дальнейшие исследования растянулись на десять с лишним лет. Физики пытались выяснить, можно ли использовать этот феномен для хранения данных — не просто разрушать намагниченность, а переключать ее.
Первый успешный эксперимент в этом направлении был сделан в 2007 году — об этом был материал на Хабре. Группе физиков из Университета Неймегена в Нидерландах удалось переключить намагниченность в тонкой пленке металлического ферримагнетика путем быстрого ее нагрева с помощью фемтосекундного лазера — длительность вспышки составила всего 40 фемтосекунд.
Магнитное поле при этом не использовалось. Такой процесс получил название полностью-оптического переключения намагниченности и позволил увеличить скорость записи данных как минимум на порядок. Этот эксперимент привел к возникновению многих вопросов, начиная от фундаментальных («как это работает» — споры идут до сих пор!), единственный ли это способ оптически переключать намагниченность (ответ — нет, и про это мы рассказываем в обзоре). Также возникло много практических вопросов о предельной плотности такой записи, об ограничениях на типы материалов для оптического переключения намагниченности, о требованиях к самим лазерным импульсам.
Проблемы с плотностью
По словам Александры Калашниковой, лазерный луч легко сфокусировать в пятне размером в длину волны — примерно 500 нм, но этого недостаточно для записи данных на жесткий диск, где размер области хранения редко превышает 10 нм: «Эту проблему можно преодолеть с помощью таких областей знаний, как фотоника и плазмоника. Можно сфокусировать свет в небольших размерах. Сильная фокусировка лазерного излучения уже реализуется в технологии HAMR».
Технология HAMR — Heat-Assisted Magnetic Recording — объединяет концепции магнитной и лазерной записи. В момент записи поверхность магнитного диска нагревают на короткое время с помощью светового луча, снижая коэрцитивность магнитного материала, что позволяет переключить намагниченность относительно слабым импульсом поля. Когда материал остывает, область с переключенной намагниченность оказывается очень стабильной. Это позволяет уменьшить размеры области, хранящей бит данных, без риска их потери из-за случайных флуктуаций.
Первые такие устройства уже выходят на рынок — в этом году два диска обещает выпустить Seagate. Такие продукты могут стать переходным этапом перед появлением полноценных лазерных HDD.
Если отказаться от магнитных материалов
Долгое время параллельно с технологиями магнитной записи идет развитие сегнетоэлектрической записи. Сегнетоэлектрик — это материал, в котором существует спонтанная электрическая поляризация в отсутствии внешнего магнитного поля. ЕЕ направление можно переключать, например, приложив электрическое поле. В этом сегнетоэлектрики очень похожи на магнитные материалы.
Одна из проблем сегнетоэлектрической памяти, отсутствующая в магнитной, это усталость. Многократные переключения электрической поляризации могут разрушать сегнетоэлектрик и снижать величину электрической поляризации. Еще одна сложность — необходимость создания специальных контактов для изменения (записи) и считывания состояния электрической поляризации.
Могут ли лазерные импульсы решить некоторые из этих проблем? Раз сегнетоэлектрик во многом похож на магнитный материал, можем ли мы реализовать полностью-оптическое переключение сегнетоэлектрической поляризации лазерным импульсом?
Оказалось, что это — не так просто. Аналогии между магнитными и сегнетоэлектическими материалами заканчиваются очень быстро, как только мы начинаем разбираться во взаимодействии лазерного излучения с этими материалами и рассматриваем, как изменяется намагниченность и сегнетоэлектрическая поляризации под лазерным воздействием. Первое сообщение о кратковременном переключении сегнетоэлектрика лазерным импульсом в эксперименте появилось лишь в 2017 году, спустя 10 лет после переключения магнитного материала.
Александра Калашникова говорит, что решением проблемы оптической записи данных в перспективе могут стать мультиферроики, сочетающие в себе свойства магнитного и сегнетоэлектрического материала. Однако работа в этом направлении только начинается.
Сейчас у инженеров и ученых есть выбор направлений — новые материалы, лазерные технологии, фундаментальные основы оптического переключения магнитных и других материалов. Разработками в этих областях занимаются студенты и преподаватели Университета ИТМО. Несколько лет назад они предложили и проанализировали теоретическую возможность увеличения плотности записи на ферромагнетике в 10–15 раз. В перспективе технология повысит эффективность хранения данных на HDD, позволит создавать новые транзисторы, элементы логики и ячейки памяти.
Дополнительное чтение в нашем блоге на Хабре:
Cистемы ИИ в управлении, смена климата, science-митапы и конкурсы для ученых
Какие проекты готовит лаборатория молодежной робототехники: подкаст «ITMO Research_»
Подкаст: междисциплинарный подход к развитию в области робототехники и биомехатроники