Жесткие диски знакомы всем пользователям, без них сложно представить современный компьютер. Конечно, SSD вытеснили жесткие диски в сценариях, где требуется максимальная производительность, например, для загрузочного раздела ОС. Но если нужна максимальная емкость, то без HDD не обойтись.

Сегодня жесткие диски достигли емкости 20 Тбайт, а скоро выйдут и более емкие модели, в том числе и благодаря технологии термомагнитной записи (HAMR). 3,5" форм-фактор жестких дисков сегодня утвердился, однако они не всегда были такими. В нашем цикле статей мы проведем небольшой экскурс в историю жестких дисков.

В первой части мы начали с 50-х годов прошлого века, во второй части мы перешли к эпохе миникомпьютеров, которые появились в 1980-е годы. В третьей части мы рассмотрели тему миниатюризации и поговорили о том, почему прогнозы не оправдались. Четвертая часть описывает наиболее значимые события индустрии жестких дисков до наших дней.

1990: Магниторезистивные головки

В 1856 году Уильям Томсон, более известный как лорд Кельвин, открыл феномен магнетосопротивления, при котором действие магнитного поля приводило к изменению электрического сопротивления материала. В 1975 году IBM представила кассовые терминалы IBM Model 3660/3663 со считывателем магнитных полос пластиковых карт на основе магниторезистивных головок. Считываемый сигнал от подобной MR-головки оказался намного сильнее, чем от обычной индукционной головки. Фактически, главным отличием MR-головки является то, что она представляет собой резистивный датчик магнитного поля, а не генератор электродвижущей силы, как использовавшиеся ранее индукционные головки, в том числе тонкопленочные.

Но поскольку MR-головки подходят только для чтения, для накопителей IBM разработала уже комбинированную головку чтения/записи, состоящую из MR-головки чтения и индукционной головки записи, как показано на рисунке выше. Такие головки впервые были использованы в 1984 году в стримере на магнитных лентах IBM Model 3480. Лаборатория IBM в Сан-Хосе адаптировала эту технологию для жестких дисков под кодовым названием «Sawmill», которые вышли в ноябре 1990. MR-головки обеспечили преимущество по сравнению с конкурентами благодаря более плотной записи данных. У первого накопителя устанавливались два 5,25" жестких диска (HDA) на 1 Гбайт, у второй — два на 1,5-Гбайт. Плотность записи Sawmill достигла 107 Мбит/дюйм². В 1991 IBM удалось увеличить плотность записи до 132 Мбит/дюйм² с жесткими дисками Corsair, которые опирались на оптимизированные компоненты. В 1994 Fujitsu, Hitachi и Hewlett Packard разработали свои собственные MR-головки, независимо от IBM.

Переход на MR-головки позволил увеличить емкость накопителей от 1 до 30 Гбайт по мере совершенствования технологий.

1996: Поставки HDD превысили 100 млн. штук в год

Рыночный аналитик Джеймс Портер, глава калифорнийской компании Disk/Trend of Mountain View, сообщил о превышении планки 100 млн. поставленных HDD в 1996 году. Совокупный среднегодовой темп роста с 1956 года составил 37%, поэтому индустрию HDD можно назвать одной из самых быстро растущих в мире. 85% жестких дисков составили 3,5" модели для настольных и вычислительных систем. Оборот индустрии подобрался к $30 млрд., лидерами рынка в то время были IBM, Seagate, Quantum, Fujitsu, Western Digital (WD) и Maxtor. Потребность в снижении затрат на производство привела к тому, что в Азии было построено множество заводов по сборке жестких дисков. Хотя многие наукоемкие операции, такие как производство тонкопленочных головок чтения/записи, по-прежнему осуществлялись в США.

Однако рост продаж не сопровождался увеличением прибыли, все же конкуренция на рынке только усиливалась, продуктовые циклы сокращались. Поэтому рано или поздно на рынке должны были остаться только самые крупные производители. В 1985 году производителей жестких дисков насчитывалось более 90, причем многие из них «отпочковались» от IBM. Но к концу XX века их осталось меньше 20. К 2015 году из шести топов 1996 года конкуренцию выдержали только Seagate и WD. Toshiba купила бизнес Fujitsu в 1999 году. Maxtor купила Quantum в 2000 году, затем Seagate приобрела Maxtor в 2006 году. IBM продала свое подразделение жестких дисков в 2002 году Hitachi, сформировав совместное предприятие Hitachi Global Storage Technologies (HGST), но в 2012 и оно было поглощено WD.

С 1996 года совокупный среднегодовой темп роста HDD замедлился к 2010 году примерно до 10%, по информации Statistica, Inc. поставки жестких дисков в 2010 году превысили 600 млн. штук. Но вместе с тем рост поставленной емкости составил 73% за тот же период, в 2012 году емкость выпущенных HDD достигла одного зеттабайта (за всю историю жестких дисков; начиная с 2020 года такая емкость будет выпускаться за год). В 2014 году оборот составлял $30 млрд., здесь он мало изменился по сравнению с 1996 годом. Рынок разделили между собой Seagate (41%), Toshiba (16%) и Western Digital (43%). В 2021 году доля Seagate выросла до 43%, Toshiba до 21%, а Western Digital упала до 36%. Оборот индустрии в 2021 году составит порядка $25 млрд.

Если посмотреть на 2021 год, то производители жестких дисков выпустят всего около 260 млн. штук (прогноз Forbes). То есть объемы производства после пика 600 млн. штук в 2010 году сокращались. Но, опять же, рост емкости продолжается, в 2021 она вновь превысит зеттабайт в год.

1997: Deskstar 16GP и GMR-головки

Следующим этапом стали «гигантские магниторезистивные головки» (GMR), но термин «гигантский» относится не к размеру головки, которые, напротив, уменьшились. Суть в рабочем принципе, а именно в гигантском магниторезистивном эффекте, который был открыт независимо друг от друга сразу двумя учеными Питером Грюнбергом и Альбертом Фертом в конце 80-х годов двадцатого века. За данное открытие они в 2007 году получили Нобелевскую премию по физике. Суть открытия заключается в том, что в тонких слоях самых различных материалов наблюдается очень большое изменение сопротивления, когда на эти вещества воздействует сильное магнитное поле.

Исследования GMR-головок проводились под эгидой консорциума Information Storage Industry Consortium (INSIC), и в 1997 году IBM вместе с жестким диском Deskstar 16GP на 16,8 Гбайт представила свои первые GMR-головки. Плотность записи удалось увеличить до 1 Гбит/дюйм². В 1998 году на GMR-головки переходят другие производители жестких дисков, и к 2000 году все выпускаемые жесткие диски базировались на GMR-головках.

В линейке Deskstar 16XP присутствовали семь моделей емкостью от 3,2 Гбайт на одной пластине до «монстра» на 16,8 Гбайт с пятью пластинами. Скорость вращения шпинделя составляла 5.400 об/мин, скорость передачи данных 161,9 Мбит/с, использовался интерфейс ATA-33.

2004: Seagate Momentus II и TMR-головки

В 1975 году Мишель Жюльер открыл эффект туннельного магнитного сопротивления (TMR) — квантовомеханический эффект, который проявляется при протекании тока между двумя слоями ферромагнетиков, разделенных тонким (около 1 нм) слоем диэлектрика. При этом общее сопротивление устройства, ток в котором протекает из-за туннельного эффекта, зависит от взаимной ориентации полей намагничивания двух магнитных слоев. Сопротивление выше при антипаралельной намагниченности слоев. Эффект туннельного магнитного сопротивления похож на эффект гигантского магнитного сопротивления, но в нём вместо слоя немагнитного металла используется слой изолирующего туннельного барьера. Головки TMR позволили добиться плотности 84 Гбит/дюйм² в 2004 году с 2,5" 120-Гбайт Seagate Momentus II. Интересно, что с этими накопителями были предложены версии как со старым интерфейсом UltraATA, так и новым Serial ATA. Скорость вращения шпинделя Momentus 5400.2 составляла 5.400 об/мин, емкость одной пластины — 60 Гбайт, то есть в модели на 120 Гбайт использовались две пластины. Остальные производители HDD перешли на TMR-головки в 2005 году.

Три поколения MR-головок вместе с перпендикулярной магнитной записью позволили увеличить плотность до 1 Тбит/дюйм² к 2014 году. Кстати, настало самое время рассказать о перпендикулярной магнитной записи.

2005: Перпендикулярная магнитная запись (PMR)

У перпендикулярной магнитной записи (PMR) магнитные домены ориентированы вертикально, что позволило увеличить плотность записи по сравнению с обычной продольной магнитной записью (LMR). Сначала инженеры Ampex применили технологию PMR для магнитной ленты, затем IBM провела исследования с жесткими дисками IBM 1301, но лишь в 2005 году технология достигла уровня коммерческой реализации. Как мы отметили ранее, сочетание дисков PMR и нового поколения MR-головок позволило выпустить жесткие диски емкостью в несколько терабайт с плотностью 1 Тбит/дюйм² и выше.

Плотность записи, которую можно получить на магнитной пластине, зависит от магнитной коэрцитивной силы материала, а последняя ограничена магнитным полем, которое можно получить на головке записи. Сочетание оптимизированного материала пластин PMR и новых головок позволило примерно удвоить магнитное поле записи по сравнению с LMR. Более сильное магнитное поле записи позволяет использовать диски с более высокой магнитной коэрцитивной силой, в итоге плотность записи повышается. После появления технологии PMR производителям жестких дисков удалось десятикратно увеличить плотность записи.

В середине 70-х годов XX века профессор Шун-ичи Ивасаки из Университета Тохоку (Япония) доказал преимущества перпендикулярной магнитной записи. В 1995 году профессор Стен Чарап сделал прогноз, что плотность продольной магнитной записи будет ограничена эффектом суперпарамагнетизма, поэтому под эгидой консорциума National Storage Industry Consortium (NSIC) было проведено исследование, посвященное влиянию перпендикулярной магнитной записи на увеличение плотности. Toshiba, Seagate и HGST первыми реализовали PMR в своих коммерческих продуктах между концом 2005 и серединой 2006 года. У Toshiba MK4007GAL плотность записи составила 133 Гбит/дюйм². Все крупные производители перешли на технологию PMR, уже через два года HGST представила первый жесткий диск емкостью один терабайт, а именно Deskstar 7K1000 с плотностью 325 Гбит/дюйм².

Первый жесткий диск емкостью 1 Тбайт стал важной вехой для всей индустрии. Он поставил и другие рекорды. Накопитель перешел на интерфейс Serial ATA II, а также впервые получил 32 Мбайт кэша. Hitachi впервые реализовала поддержку PMR среди своих настольных жестких дисков, поскольку ранее технология поддерживалась только у мобильных Travelstar 5K160. Жесткий диск Deskstar 7K1000 получил пять пластин емкостью около 200 Гбайт каждая.

2013: Жесткие диски с гелиевым наполнением

Человечество создало огромные массивы цифровых данных. И каждый снимок или видеоролик увеличивают этот массив мегабайтами данных. Некоторые данные хранятся локально на смартфоне или ноутбуке, но значительная часть закачана в мессенджеры или социальные сети, чтобы делиться с друзьями. В таком случае компании хранят ваш контент в собственной базе данных. И совокупность подобных баз данных можно назвать облаком. Аппаратное обеспечение подобных облаков потребляет существенную мощность, поэтому они обычно располагаются в крупных дата-центрах рядом с дешевыми источниками энергии, например, ГЭС.

В подобных дата-центрах работают многие тысячи накопителей. Большая часть данных по-прежнему хранится на жестких дисках (HDD). Они записывают данные на магнитную поверхность вращающихся пластин. Чтобы объем хранимых данных был максимален, следует увеличивать плотность записи на квадратный дюйм пластины, а также упаковывать в форм-фактор HDD как можно большее число пластин.

Добавление пластин связано с преодолением различных механических проблем, причем увеличивается и энергопотребление, в результате чего HDD нагревается. Поскольку пластины и приводы головок становятся тоньше, внутренние вибрации превращаются в более серьезную проблему, поэтому головке сложнее удерживать дорожку для записи/чтения данных.

Наполнение жесткого диска гелием вместо воздуха решает обе проблемы. Плотность гелия в семь раз меньше воздуха. Трение с пластинами получается намного меньше, что снижает тепловыделение и нагрев, как и внутренние вибрации. Следовать дорожке становится проще, да и гелиевые HDD работают намного тише, что оценили пользователи. Но для появления гелиевых жестких дисков пришлось решить немало проблем. Главная в том, что гелий очень летучий, газ сложно сохранить внутри жесткого диска. Атомы гелия самые маленькие из всех, они очень быстро перемещаются и очень «скользкие» (не прилипают ни к чему). Гелий диффузно проникает в большинство материалов, даже воздушные шарики приходится фольгировать, чтобы снизить утечку гелия.

На самом деле гелиевые жесткие диски пытались создать еще в 1970-х годах и даже раньше. Но успеха удалось добиться лишь в 2013 году, когда HGST (сегодня Western Digital) представила 3,5" жесткий диск Ultrastar He6 на 7.200 об/мин емкостью 6 Тбайт. Жесткий диск содержал семь пластин (вместо пяти у предыдущих воздушных поколений) в стандартном форм-факторе толщиной один дюйм. Причем в апреле 2017 удалось увеличить число пластин до 8 (Ultrastar He12), а в марте 2018 — до 9 (Toshiba MG07ACA). Толщина пластин была уменьшена с 1,27 мм до всего 0,635 мм. Сегодня гелий используется во всех высокоемких жестких дисках для дата-центров. Их выпускают все три оставшихся производителя HDD (Western Digital, Seagate и Toshiba)

2014: Плотность записи достигла 1 Тбит/дюйм²

Плотность записи показывает, сколько бит информации можно сохранить на единице площади записываемого диска. Плотность записи всегда была важным фактором, позволяющим оценить максимальную емкость накопителей на том или ином этапе развития технологий. Плотность записи характеризует магнитные, оптические и полупроводниковые накопители, но в нашем случае мы будем использовать ее применительно к жестким дискам. Плотность записи здесь рассчитывается как количество бит на линейный дюйм (bpi), умноженное на число дорожек на радиальный дюйм (tpi). У жестких дисков IBM 350 RAMAC в 1956 году плотность записи составляла 100 бит/дюйм, что при плотности дорожек 20 на дюйм давало 2.000 бит/дюйм².

Развитие технологий производства механики HDD, головок и дисков привели к тому, что уже в 1971 году выходит IBM 3330 с плотностью записи 780.000 бит/дюйм² (4040 bpi x 192 tpi), совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) составил 50% в год. В следующие 20 лет технологии продолжили совершенствоваться, но рост замедлился до 25%. Изобретение магниторезистивных головок чтения, новых материалов пластин и интерфейсов затем увеличило темп роста до 60%. В апреле 2014 года Seagate впервые достигла плотности записи 1 Тбит/дюйм² с 3,5" жесткими дисками на 6 Тбайт, использующими черепичную магнитную запись SMR. В 2015 году Toshiba Corporation объявила о достижении планки 1 Тбит/дюйм² с 2,5" HDD, использующими традиционную магнитную запись CMR/PMR. В итоге плотность записи выросла с 2.000 бит/дюйм² в 1957 году (IBM RAMAC) до 1 триллиона байт в 2015 году (Toshiba). В целом, у жестких дисков совокупный среднегодовой темп роста составил 41%, что сравнимо с законом Мура для полупроводниковых устройств.

Дальнейший рост плотности возможен при переходе на жесткие диски с термомагнитной записью (HAMR), с использованием микроволн (MAMR), с битовыми шаблонами (BPM). Подобный переход стартовал в 2020 году, о чем мы писали в статье «От витражей к терабайтам: разгадываем тайны HAMR». Новые технологии позволят увеличить плотность записи до 10 Тбит/дюйм² в обозримом будущем. Число выпускаемых жестких дисков наверняка продолжит снижаться, но совокупная емкость будет увеличиваться.

Заключение

Четвертая часть завершает цикл статьей, посвященных истории жестких дисков. В первой части мы начали с 50-х годов прошлого века, во второй части мы перешли к эпохе миникомпьютеров, которые появились в 1980-е годы. В третьей части мы рассмотрели тему миниатюризации и поговорили о том, почему прогнозы не оправдались. Четвертая часть описывает наиболее значимые события индустрии жестких дисков до наших дней.

Жесткие диски останутся с нами еще многие годы, впереди нас ждут новые интересные технологии, дальнейшее увеличение емкости и производительности.