img

فناوری HAMR

/
/
/
HAMR مخفف Heat-assisted magnetic recording یک فناوریِ ذخیره سازیِ مغناطیسی برای هارد درایو ها است که در آن از یک اشعه ی کوچک لیزر برای حرارت دادن به قسمتی از دیسک که نوشتن بر روی آن انجام خواهد شد، استفاده می شود

امروزه هارد درایو ها چندان محبوب نیستند. فناوری دیسک یاصفحه ی چرخان (spinning-platter) در یک مسیر کُند به حرکتش ادامه داده و پیشرفت های ادامه دار در جهت ذخیره سازی مبتنی بر NAND (نقیض وَ: یکی از عملگر های منطقی که نقیض عملگر منطقی وَ می باشد) موجب شده تا تمایلی به استفاده از هارد درایو ها (HDD ها که مخفف Hard Disk Drive است) در شرایط حساس، وجود نداشته باشد. البته پایین بودن سرعت HDD ها دلیلی بر بدون استفاده بودن آن ها نیست. در شرایطی که تنها به دنبال ذخیره سازی اطلاعات باشیم، رقیبی برای HDD های جدید و به روزی که قیمت آن ها در مقابل حجمشان بسیار کم است، وجود ندارد. بررسی ها نشان می دهد که بسیاری از هارد درایو های ۶ و ۸ ترا بایتی موجود در بازار، قیمتی پایین تر از ۱۵۰ تومان به ازای هر گیگا بایت دارند. این قیمت در مقایسه با ارزان ترین SATA SSD ها (SDD مخفف Solid State Drive به معنی درایو حالت جامد) که قیمتی در حدود ۱۵۰۰ تومان به ازای هر گیگا بایت دارند، بسیار پایین است.
تولید کنندگان HDD به دنبال راه هایی برای بهتر شدن چگالی ذخیره سازی اطلاعات هستند تا بتوانند به رقابت با پیشرفت های بی نظیر و سریع فناوری SDD ادامه دهند. ضبطِ مغناطیسیِ کمک حرارتی (HAMR)، یکی از پیشرفت های کمتر دیده شده ای است که امکان افزایش قابل توجه ظرفیت فضای ذخیره سازی را برای تولید کنندگان HDD فراهم می کند اما مشکلات فنیِ زیادی در سر راه این فناوری وجود دارد. از آن جایی که HDD ها به نهایت فناوری ضبط مغناطیسی موجود رسیده اند، بدون تردید لازم است که شاهد موفقیت HAMR باشیم.

ابزار از دور خارج شده
در ساختن HDD های جدید از PMR (مخفف Perpendicular Magnetic Recording به معنی ضبط مغناطیسی عمودی) یا SMR (مخفف Shingled Magnetic Recording به معنی ضبط مغناطیسی توفال) استفاده شده است.
فناوری PMR در سال ۲۰۰۵ به صورت تجاری معرفی شد و از همان ابتدا به عنوان فناوری فراگیر برای ضبط داده بر روی HDD ها به حساب می آمد. قبل از PMR، از فناوری ضبط مغناطیسی طولی (Longitudinal Magnetic Recording) در HDD ها استفاده می شُد که در آن، هر بیت از داده ها به صورت افقی و موازی بر روی صفحه ی چرخان هم راستا می شوند. فناوری PMR، محدوده های بیت داده ها را در انتهای یک لایه ی ضبط مغناطیسی هارد دیسک قرار می دهد. به جای دفع کردن که در رسانه ی طولی اتفاق می اُفتد، بیت های مجاور (هم پَهلوی) PMR، جذب می کنند که این موضوع به ایجاد بیت های مغناطیسی پایدار گرمایی بیشتر کمک می کند. اما بعد از پیشتاز بودن در یک دهه، تولید کنندگان HDD به انتهای آن چیزی که PMR می توان به آن دست پیدا کند، رسیده اند.
برخی از HDD های امروزیِ با ظرفیت بالا از SMR استفاده می کنند که در مقایسه با فناوری PMR از مسیر (track) های باریک تری برای نوشتن استفاده می کند. در فناوری SMR، امکان هم پوشانی مسیر (track) ها (مانند چیدمان توفال ها در سقف های ساختمان) وجود داشته و به همین دلیل چگالی سطحی افزایش پیدا می کند. وقتی داده های جدید نوشته می شوند، مسیر به شکلی مرتب می شود (ترتیب پیدا می کند) که یک الگویِ تَکی (singled) ایجاد شود. تمام داده ها می توانند از بخش مرتب شده، به طور کامل، خوانده شوند و به همین دلیل، این فناوری از هر نظر قابل اعتماد است.
با وجود ویژگی های قابل توجه، یک نقطه ی منفی در مورد فناوری SMR این است که در عمل به اندازه ی HDD های دارای فناوری PMR، سریع نیستند. زمانی که بخواهیم داده ها را دوباره در هارد درایو های SMR بنویسیم، باید داده های مورد نظر و همچنین مسیر های احاطه کننده ی آن ها، نوشته شوند. فناوری PMR، مسیر های تَکی را در باند (band) ها دسته بندی کرده و به همین دلیل نیازی به نوشته شدن تمامِ درایو نخواهد بود. تردیدی وجود ندارد که SMR موثر ترین چیزی بود که باعث شد تولید کنندگان HDD بتوانند به ظرفیت ۱۰ ترا بایت در یک درایوِ تَکیِ ۳٫۵ اینچی (single 3.5-inch) دست پیدا کنند.
بر اساس این روش ها، افزایش چگالی سطحی یا بیشتر از ۱٫۵ ترا بایت بر هر اینچ مربع (۱٫۵Tbsi) کردن تعداد بیت های قابل ذخیره سازی بر روی یک سطح مشخص، برای تولید کنندگان HDD، چالش برانگیز است. تولید کنندگان هارد درایو ها، مدت ها پیش به مانع ۱ ترا بیت بر اینچ مربع در درایو های ۲٫۵ اینچی رسیده اند. فرانک تالک (Frank Talke)، استاد دانشگاه و مهندس مکانیک فضایی Center For Memory And Recording Research می گوید: «افزایش چگالی ضبط برای هارد درایو های کنونی با توجه به این که ارتفاع پرواز در کوچک ترین حد ممکن قرار دارد بسیار دشوار است چرا که در این شرایط، چگالی مسیر و همچنین چگالی خطی، به مقدار بیشینه (ماکسیمم) بسیار نزدیک هستند.
پایداری داده (Data Stability)، یکی از مهم ترین دلیل هایی است که اجازه نمی دهد فناوری های PMR و SMR در چگالی های فشرده تر کار کنند. در برخی شرایط، بیت ها و بافت (دانه) های آهن ربایی (مغناطیسی) تا اندازه ای باریک می شوند که در اثر حرارت، بیت های مغناطیسی شده، ناپایدار شده و باعث خرابی فایل می شوند. این موضوع علمی که به اثر اَبَر پارا مغناطیس (superparamagnetic) معروف است، یکی از دلیل هایی است که بیش از ده سال پیش، سازندگان HDD را از ضبط مغناطیسی طولی جدا کرد (و به سمت PMR متمایل کرد).

استفاده از گرما در HAMR
فناوری HAMR با استفاده از رسانه ی ضبط مقاوم (resistant recording media) بیشتر و حرارت دادن آن در طول فرآیند نوشتن، بر اثر اَبَر پارا مغناطیس غلبه کرده است. وادارندگی (Coercivity) مقاومت مواد در مقابل تغییرات مغناطیسی بوده و زمانی که رسانه تا نقطه ی کوره (Curie point : دمایی که در آن یک ماده خواص مغناطیسی اش را از دست می دهد) حرارت داده شود، پایین می آید (اُفت می کند). تالک می گوید: «از آن جایی که رسانه ی ضبط در HAMR دارای وادارندگی بالاتری نسبت به رسانه ی PMR است، سلول بیت در HAMR می تواند کوچک تر ساخته شود. این ویژگی، اجازه می دهد تا بیت ها کوچک تر شده و در نتیجه، چگالی بیشتر شود».
یک لیزر مخصوص بر روی هِدِ نوشتن HDD قرار دارد که بافت های مغناطیسی یک بیت را به نزدیکی دمای نقطه ی کوره یا بالاتر از آن (بر اساس نوع طراحی) رسانده و پس از آن، میدان مغناطیسی جدیدی را به کار می گیرد. با سرد شدن بافت ها، مسیر مغناطیسی بیت، ثابت می ماند (یخ می زند). تمام فرآیند حرارت دادن، مغناطیسی کردن و خنک کردن بیت های مغناطیسی شده می تواند با همان سرعتی که در فناوری HDD های امروزی وجود دارد، انجام شود.
اگر فکر می کنید که دستیابی به فرآیند HAMR سخت است، حق با شماست. تالک می گوید: «یک روان ساز (روان کننده) را تا ۶۰۰ درجه ی سلسیوس حرارت داده و سپس آن را در چند نانو ثانیه (میلیاردیوم ثانیه) سرد کنید تا بببینید چرا با روان ساز مشکل خواهید داشت. همین مشکل برای پوشش های مغناطیسی، مواد هِد، مسیر لیزر، موارد داخل تَرا رسان (transducer یا ترانسفورماتور: وسیله ای برای تبدیل انرژی از یک نوع به نوعی دیگر) و غیره نیز وجود دارد».
همچنین لازم است که HAMR در کنار فناوری های امروزی HDD مانند PMR یا SMR کار کند تا چگالی ذخیره سازی بهبود داده شود. بنا بر این جای تاسف است که طراحی متراکم HDD های امروزی می تواند در زمان استفاده از HAMR پیچیده تر شود. تالک می گوید: «فناوری PMR امروزی با وجود سطح مشترک ۱ نانو متریِ هِد/صفحه (دیسک)، به اندازه ی کافی پیچیده بوده و اضافه کردن PMR به دما های ناپایدار و بالای HAMR، با توجه به این که مواد با استفاده از لیزر حرارت داده می شوند، نشان دهنده ی پیچیدگی و دُشوار بودن استفاده از این فناوری است».
هارد درایو های HAMR به هِد های پیشرفته تری نیاز دارند تا امکان به کار گرفتن گرما و یک میدان مغناطیسی، به طور هم زمان بر روی یک بیت، فراهم شود. به طور نوعی از یک ترانسفورماتور نوری نزدیک زمین (near-field) برای متمرکز کردن پرتو لیزر بر روی رسانه ی ضبط استفاده می شود. با توجه به این که باید موارد مختلف نوری و حرارتی مورد بررسی قرار می گرفتند، محققان چندین سال در حال بررسی اثر HAMR را بر روی مواد مختلف بوده اند. برای نمونه، HAMR باید توازن بین قدرت لیزرِ هِد و جریان نوشتن را برقرار کند تا عملکرد نوشتن/خواندن و قابل اعتماد بودن، در کنار هم قرار بگیرند. یکی از موادی که در هِد ها برای ترانسفورماتور های نزدیک زمین، بیشتر از مواد دیگر استفاده می شود، طلا است چرا که کیفیت نوری خوب و ایستادگی شیمیایی قابل قبولی دارد.
با وجود تمام تغییراتی که HAMR در فرآیند نوشتن ایجاد می کند، خواندن داده های ضبط شده با این فناوری درست مانند فناوری های امروزی هارد درایو ها است. هِد HDD ها بر روی میدان های مغناطیسیِ روی دیسک حرکت کرده و می تواند تقارن (قطبیت) ذره های مغناطیسی را تشخیص دهد. داده ها بر اساس یک الگوی مرتب ذخیره شده و HDD، هِد را به سمت موقعیت مورد نظری که توسط کامپیوتر درخواست داده شده، حرکت می دهد.

تاریخچه ای طولانی تر از آن چه به نظر می رسد
تا اینجا باید متوجه شده باشید که چالش های مهندسیِ HAMR بسیار زیاد است. مشکلات زیادی بر سر راه توسعه ی فناوری HAMR در طول سال های گذشته وجود داشته است. در سال ۲۰۰۱، موسسه ی ملیِ استاندارد و فناوریِ ایالات متحده در یک دوره ی پنج ساله، مبالغی بیش از ۲۱ میلیون دلار را به یک پروژه ی سرمایه گذاری مشترک با مشارکت Seagate و مراکز تحقیقاتی دیگر از جمله دانشگاه کارنِگی مِلون (Carnegie Mellon University) و کُنسِرسیوم صنعت ذخیره سازیِ ملی (National Storage Industry Consortium)، اختصاص داد.
در زمان های مختلفی در طول ۱۰ سال گذشته، شرکت های HDD نمونه هایی از HDD ها مبتنی بر فناوری HAMR را معرفی کرده اند تا احساس در دسترس بودن هارد درایو های با ظرفیت بالا در مردم ایجاد شود. برای نمونه، در سال ۲۰۱۳ میلادی، Seagate از فناوری HAMR در CEATEC رو نمایی کرد در حالی که WD نیز فناوری HAMR را در انجمنِ تجاری سازی و مواد پیشرفته ی بین المللی چین در همان سال نمایش داده بود. رونمایی از این محصول ها در چند سال گذشته نشان دهنده ی این موضوع بود که تحقیقات به جایی رسیده است که امکان استفاده ی تجاری و از این فناوری و درایو های مبتنی بر آن و همچنین تولید انبوه آن ها فراهم شده اما موضوع اصلی و مهم، قابل اعتماد بودن است.
صنعت HDD هر روز تاریخ رونمایی رسمی از هارد درایو های مبتنی بر فناوری HAMR برای استفاده ی مصرف کنندگان را به عقب می اندازد. تالک می گوید: «پیش بینی می شُد که چهار یا پنج سال گذشته، درایو های HAMR به بازار فرستاده شوند اما چنین نشد چرا که این فناوری، از آن چه که تصور می شُد، بسیار پیچیده تر است».
چشم انداز امروزی از HAMR آن قدر ها هم تیره و تار نیست. در ماه آگوست سال گذشته ی میلادی، گروهی از محققان و متخصصان HDD در پردیس دانشگاهی استَنفورد (Stanford) و در ۲۷ اُمین کنفرانس ضبط مغناطیسی، با یکدیگر ملاقات کردند. فناوری HAMR یک موضوع پُر طرفدار در این کنفرانس بود و مطالب زیادی در مورد اصلاح و بهینه سازی این فناوری مطرح شد. برخی از گفتگو ها نیز شامل ظرفیت های مسیر های با تراکم بالا برای ضبط HAMR، تاثیرات چگالی سطح بر روی شعاع انتقال، اندازه گیری های اٌفت حرارت، بهینه سازی نوری و طراحی حرارتی بودند.
ما از Seagate و WD درباره ی برنامه هایشان برای به بازار فرستادن درایو های HAMR در آینده ای نزدیک سوال کردیم. پاسخ Seagate این بود که آن ها همچنان در مسیر از پیش اعلام شده ی خود حرکت می کنند و در سال ۲۰۱۸ این درایو ها را به تولید انبوه می رسانند و WD نیز اعلام کرد که همچنان بر اساس برنامه ی خود برای تولید HDD های مبتنی بر HAMR در یکی دو سال آینده حرکت می کند.

چرا توسعه و گسترش HAMR حیاتی است
تقاضای موجود برای فضا های ذخیره سازی، نتیجه ی مستقیم افزایش بیش از اندازه ی تولید داده ها است. شرکت تحقیقات بازار IDC (مخفف International Data Corporation) تخمین می زند که دنیای دیجیتال، که با داده هایی که توسط ما ایجاد می شود تعریف شده است، در سال ۲۰۲۰ برابر با ۴۴ زِتا بایت (zettabyte: برابر با یک هزار میلیارد یا یک تیلیارد گیگا بایت) خواهد بود که در مقایسه با گستردگی ۱۰ زِتا بایتی آن در حال حاضر، افزایش قابل توجهی را نشان می دهد. نکته ی جالب توجه این است که این شرکت پیش بینی کرده که دنیای دیجیتال در سال ۲۰۲۵ میلادی به بزرگی ۱۸۰ زِتا بایت خواهد بود. انتظار می رود که اینترنتِ چیز ها (IoT مخفف Internet of Things که اینترنت اشیاء هم نامیده می شود، به بسیاری از چیز ها شامل اشیاء و وسایل محیط پیرامون ما اشاره دارد که به شبکه ی اینترنت متصل شده و بتوان توسط اپلیکیشن های موجود در تلفن های هوشمند و تبلت ها کنترل شوند) و دستگاه های متصل شده، گروه بزرگی از دنیای دیجیتال باشند. برای نمونه، IDC انتظار دارد که تعداد دستگاه های متصل شده از عدد ۲۰ میلیارد امروز به ۳۰ میلیارد در سال ۲۰۲۰ و ۸۰ میلیارد در سال ۲۰۲۵ برسد.
تنها ماشین ها (دستگاه ها) نیستند که داده های بیشتری تولید می کنند. در گزارشی که به تازگی توسط Deloitte منتشر گردید، پیش بینی شده بود که تعداد عکس های ذخیره شده و به اشتراک گذاشته شده در فضای آنلاین در سال ۲۰۱۶ برابر با ۲٫۵ تیلیارد باشد و اگر این عدد را در کنار ویدیو ها و دیگر فایل های شخصی قرار دهیم، بدون تردید به این فکر می اُفتیم که این حجم از داده ها باید در جایی ذخیره شوند. بهتر شدن کیفیت رسانه، مانند ویدئو های ۴K و عکس های ۲۰ مگا پیکسلی، در مقایسه با چند رسانه ای های قدیمی تر به فضای بیشتری برای ذخیره شدن نیاز دارند. داده های دیجیتالی تولید شده برای اهداف تجاری (در محیط های کسب و کار) هم سرعت کمتری ندارند. فرا داده (Metadata: آن دسته از داده هایی که جزئیات یک داده ی دیگر را تشریح می کنند و به عبارت دیگر داده هایی درباره ی داده های دیگر هستند و به همین دلیل به داده نما، اَبَر داده یا فوق داده نیز ترجمه شده اند) هایی که از ایمیل ها و فهرست مخاطبان می آیند، ویدئو های مراقبتی و نظارتی (مانند دوربین های مدار بسته) و همچنین افزایش حجم اطلاعات، دلیل های دیگری هستند که نشان دهنده ی نیاز ما به فضا های ذخیره سازی با ظرفیت بالا هستند.
درایو های حالت جامد (SSD ها) به کار کردن در کنار HDD ها در سازمان ها و مراکز داده ها برای کمک به آن ها و نیاز هایشان ادامه می دهند اما قیمت بالای آن ها هنوز هم به عنوان یک مانع جدی برای پذیرش آن ها در بازار به حساب می آید مگر آن که تولید کنندگان SSD یا NAND راهی برای پایین آوردن قیمت آن ها پیدا کنند. اگر HAMR یا دیگر فناوری های HDD توانسته اند راهشان را در بازار پیدا کنند، سازمان های ذخیره سازی نیز می توانند با هزینه های کمتری به نیاز های مربوط به فضا های ذخیره سازی پاسخ بدهند.
تردیدی وجود ندارد که مرکز های داده تنها می توانند تعداد سِرور هایشان را بیشتر کنند یا درایو های بیشتری در سیستم ذخیره سازیشان قرار دهند اما سطحِ بنا اهمیت و ارزش مادی زیادی دارد. مرکز های داده باید به تاثیر اضافه کردن سرور بر روی نیروی برق مصرفی و سیستم خنک کنندگیِ اتاق سرور نیز توجه داشته باشند. استفاده از HDD های با ظرفیت بالا به یک سازمان یا مرکز داده اجازه می دهد که ظرفیت فضای ذخیره سازی را بدون زیاد کردن سرور، متراژ اتاق سرور، توان نیروی برق و میزان خنک کنندگی، بیشتر کنند. یک سرور ۶۰ درایوی با HDD های ۸ ترا بایتی دارای ظرفیتِ ذخیره سازیِ نیم پِتا بایت (petabyte: برابر با ۱۰۲۴ ترا بایت) است در حالی که همین سرور با HDD های ۲۰ ترا بایتی می تواند یک فضای ذخیره سازیِ ۱٫۲ پِتا بایتی را در اختیار شما قرار دهد.

از HAMR به HDMR
پس از آن که تولید کنندگان HDD در استفاده از فناوری HAMR موفق شوند، به طور منطقی باید به دنبال گام بعدی یعنی استفاده از فناوری HDMR (مخفف Heated Dot Magnetic Recording به معنی ضبط مغناطیسی نقطه ی حرارت دیده) برای بهبود چگالی سطحی باشند. به طور نظری (از نظر تئوریک) فناوری HDMR می تواند چگالی سطحیِ بیشتر از ۱۰ ترا بایت بر اینچ مکعب (۱۰Tbpsi) را تولید کند. در این فناوری از BPM (مخفف bit-patterned media به معنیِ رسانه ی الگویِ بیت) برای ایجاد ردیفی از بیت های مغناطیسی که به صورت یکنواخت از هم فاصله داده شده اند در داخل یک ماده ی غیر مغناطیسی استفاده شده است که یک گام فراتر از فناوری HAMR به حساب می آید. در این فناوری از بیت ها به عنوان جزیره های جدا از یکدیگر نام برده شده و این طراحی جدا از هم به بهبود پایداریِ حرارتی و مغناطیسی آن ها کمک می کند.
در BPM امکان ایجاد بیت هایِ چگال تر (با چگالی بیشتر) از بیت های تولید شده با فناوری های امروزیِ HDD وجود دارد. با استفاده از BPM، فناوریِ نانولیتوگرافی (nanolithography)، بیت ها را در جزیره های مغناطیسی به کوچکیِ ۵ نانو متر الگو بندی می کند. مانند HAMR، در فناوری HDMR نیز از یک لیزر برای رساندن دمای هر جزیره به بالا تر از دمای کوره استفاده می شود.
به نظر نمی رسد که در آینده ای نزدیک امکان استفاده از فناوری HDMR در تولید HDD ها فراهم شود. برای نمونه Seagate در سال ۲۰۱۵، پیش بینی کرد که تولید انبوه و تجاری سازیِ HDD های مبتنی بر HDMR را در سال ۲۰۲۵ شروع خواهد کرد.

مقایسه ی HDD و SDD
به نظر می رسد که فناوری HAMR بهترین قسمت در موفقیت HDD ها است. تالک می گوید: «قابلیت های HAMR شگفت انگیز است و بی نظیر تر خواهد بود اگر مشکلات تکنیکی مربوط به آن به زودی برطرف شوند». البته HDD ها دیگر تنها راه حل برای فضا های ذخیره سازیِ تَک درایویِ با ظرفیت بالا نیستند. در ماه آگوست، Seagate از نسخه ی آزمایشیِ یک SSD با ظرفیت ۶۰ ترا بایت رونمایی کرد که برای سازمان ها و شرکت ها طراحی شده و در صورت به بازار آمدن آن، ظرفیت SSD ها، چهار برابر می شود. اگر تولید کنندگان اصلی SSD ها یعنی Seagate و WD راهی برای تولید ارزان تر SSD هایی با ظرفیت ۶۰ ترا بایت پیدا کنند، صفحه های چرخان مغناطیسی از دور خارج می شوند. بدون تردید، تنها راه نجاتی که امروزه برای HDD ها وجود دارد، استفاده از فناوری HAMR است.

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

It is main inner container footer text