Western Digital: Die magnetische Anziehungskraft von ePMR

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Bild: WesterDigital

Manchmal entsteht eine gute Idee auf Umwegen: Seit 40 Jahren forscht und entwickelt Western Digital Innovationen rund um Speicherung und Abrufen von Daten mit verschiedenen Speichertechnologie. Erst vor kurzem gelang es den Ingenieur-Teams des Unternehmens dank Durchbrüchen beim mechanischen Design und der Energy-Assisted Magnetic Recoding (EAMR)-Technologie die Kapazität von Festplatten mithilfe von ePMR (Energy-Assisted Perpendicular Magnetic Recording) deutlich zu erhöhen und gleichzeitig die Gesamtbetriebskosten zu senken. Carl Che, Senior Vice President und HDD Chief Technology Officer bei Western Digital, beschreibt EAMR als einen der größten Fortschritte in der HDD-Aufnahmetechnologie in den letzten 15 Jahren.

Was ist ePMR?

Daten auf einer HDD werden auf Spuren geschrieben. Um eine höhere Flächendichte einer Festplatte zu erzielen, gibt es zwei Möglichen: Entweder wird die Tracks per Inch (TPI)-Anzahl oder der Bits Per Inch (BPI)-Wert auf einer Spur erhöht (Abb. 1).

Abbildung 1: Visualisierung, Tracks Per Inch (TPI) und Bits Per Inch (BPI)

ePMR ist die erste Implementierung der EAMR, die das ältere Perpendicular Magentic Recording (PMR) übertrifft. Die Technologie führt zu einer Optimierung der Magnetfeld-Konsistenz am Schreibkopf und somit zu einer Verringerung von Jitter sowie zu einer Erhöhung der BPI. Das bedeutet, dass einzelne Datenbits entlang einer Spur enger geschrieben werden können.

Der Schreibkopf erzeugt ein Magnetfeld, das magnetische Elemente in der Granularität aufeinander abstimmt (Abb. 2). Dank einer gesteigerten BPI-Anzahl konnte das Unternehmen die branchenersten Festplatten entwickeln, die eine Flächendichte von 1.022 Gbits/Zoll² bzw. 1.160 Gbits/Zoll erreichen.

„Beim herkömmlichen Perpendicular Magnetic Recording (PMR) erzeugt der Schreibkopf ein variables Magnetfeld, was zu einer Inkonsistenz im Schreibvorgang (sog. Jitter) und damit zu einer erheblichen Beschränkung für die Optimierung der linearen Dichte führen kann“, erklärt Manfred Berger, Senior Business Development Manager Enterprise and Platforms. Bei ePMR hingegen wird während des gesamten Schreibvorgangs ein Strom an den Hauptpol des Schreibkopfes angelegt. Dieser Strom erzeugt ein zusätzliches Magnetfeld, welches Jitter reduziert. So kann der Abstand zwischen den geschriebenen Bits verringert und folglich die Flächendichte erhöht werden.“

Abbildung 2: Jitter mit und ohne ePMR

Die große Idee, die zu einem ePMR-Patent führte

Während der Entwicklung weiterer energieunterstützter Ansätze zur Erhöhung der Flächendichte verwendeten die Ingenieur-Teams von Western Digital ursprünglich elektrischen Strom, um den Schreibkopf sehr nahe an der Medienoberfläche zu positionieren. Die Signalform eines geschriebenen Bits macht sich innerhalb der Dauer des Stromflusses von einer Sättigungsrichtung in die andere bemerkbar. Die Mitte der Schreibsignalkurve liegt dort, wo das Magnetfeld auf das Medium angewendet wird, wenn der Schreibkopf die Polarität wechselt. Allerdings erreicht der Schreibkopf die Sättigung nicht auf kontinuierliche Weise und erzeugt ein variables Magnetfeld auf dem Medium, das Jitter erzeugt. Diese Variabilität im Schreibmechanismus stammt von der Flüchtigkeit in der Sättigung am Schreibkopf, wenn der Stromfluss von einer Richtung in die andere wechselt. Wird nun aber der Stromfluss sehr viel näher an die Medienoberfläche gelegt, kann ein konsistenteres Magnetfeld generiert werden.

„Wir haben gemerkt, dass wenn wir während des gesamten Schreibvorgangs einen Strom an den Hauptpol des Schreibkopfes anlegen, wird ein zusätzliches Magnetfeld erzeugt. Das war ein ‚Aha‘-Moment für uns, denn so können wir einen bevorzugten Pfad für die Bit-Flips auf dem Medium schaffen“, sagt Terry Olson, Senior Technologist im Advanced Magnetic Recording Team. Durch die Anwendung des bevorzugten Magnetpfads erhält jeder Durchlauf mit mehreren Datenschreibvorgängen eine konsistentere Wellenform (Abb. 3) und dadurch wiederum ein beständiges Schreibsignal, welches Jitter deutlich reduziert. Bei geringerem Jitter lässt sich der Abstand zwischen den geschrieben Bits verringern und folglich die BPI-Zahl und Flächendichte erhöhen.

Abbildung 3: Jitter mit und ohne ePMR

Ein Balanceakt

Eine notwendige Überlegung bei der Entwicklung von ePMR, war die Hitze-Entwicklung.  Zu viel Strom kann das System überhitzen, aber zu wenig lässt das Potenzial der Technologie nicht voll zur Geltung kommen. Es war von entscheidender Bedeutung, die optimale Wellenlänge zu finden, welche die Zuverlässigkeit und Leistung des Geräts nicht beeinträchtigt.

Neben der im Schreibkopf erzeugten Wärme, kann auch die Temperatur der Festplatte selbst problematisch werden. „Je kleiner die Bits werden, desto größer ist der Kompromiss zwischen thermischer Stabilität und Beschreibbarkeit“, so Olson.  „Es handelt sich um ein Dreifachproblem, bei dem das Signal-Rausch-Verhältnis, die Beschreibbarkeit und die thermische Stabilität ausbalanciert werden muss. Wenn wir die Flächendichte erhöhen wollen, müssen wir das Schreibfeld beibehalten, aber die Breite des Schreibfelds verringern, damit wir schmalere Spuren erzeugen und mehr Daten auf die Festplatten bringen können. Außerdem müssen wir auch den Feldgradienten verbessern – wie schnell sich das Feld räumlich ändert – wenn wir es schaffen, dass sich das Feld räumlich von einem aufsteigenden Bit zu einem absteigenden Bit ändert, wird die Übergang sehr flüssig.“

Western Digital hat den optimalen erforderlichen Bias ermittelt, der zur Erfüllung von Anforderungen von Rechenzentren von unter 1 in 1015 nicht korrigierbarer Bitfehlerrate (nicht behebbar/gelesene Bits) und 2,5 Mio. Stunden MTBF (projiziert) erforderlich ist. Die Erfüllung strenger Anforderungen von Rechenzentren bringt mit sich, dass das Unternehmen volles Vertrauen darin hat, die Zuverlässigkeit durch die Einführung von ePMR nicht beeinträchtigt wird.

Die ersten ePMR-Implementierungen

Die branchenweit ersten Festplattenlaufwerke, die die EAMR-Technologie nutzen, sind die kapazitätsstarke Ultrastar DC HC550 18TB CMR-HDD von Western Digital und die Ultrastar DC HC650 20TB SMR-HDD. ePMR erreicht im Rahmen der Erforschung und Charakterisierung von EAMR-Technologien wie Microwave-Assisted Magnetic Recording (MAMR) durch Western digital die Produktreife.

Seit mehr als 40 Jahren erweitert Western Digital die Festplattenkapazität, um den Anforderungen von Cloud- und Hyperscale-Speichern, massiven Rechenzentren mit hoher Dichte, Content Delivery Networks und dem Handel gerecht zu werden. Das Unternehmen arbeitet kontinuierlich an Innovationen, um Organisationen zu helfen, mit den schnell wachsenden Datenmengen Schritt zu halten. ePMR ist eine der Technologien, die HDDs magisch machen.


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