¿Qué es la tecnología HARM y cómo funciona?

 



 

Qué es HAMR

HAMR es una tecnología que, con el tiempo, permitirá un gran aumento de la cantidad de datos que se pueden almacenar en un disco.

Muchos fabricantes de dispositivos de almacenamiento nos prometen que la tecnología HAMR nos permitirá ver cubiertas las necesidades de almacenamiento del futuro, con discos duros mecánicos con capacidades de más de 20 TB por unidad, pero con la intención de superar los 100 TB en un futuro próximo.

La palabra HAMR es el acrónimo de Heat Assisted Magnetic Recording, o grabación magnética asistida por calor, y como su nombre indica se basa en el antiguo principio de la grabación magnética que se viene utilizando desde los años 70 en los dispositivos de almacenamiento tal y como los conocemos.

Para aumentar la capacidad de los discos duros, los ingenieros intentan acomodar más bits de datos (podemos asemejarlos a paquetes o granos de información) en cada plato de disco aumentando la densidad de bits empaquetados en cada pulgada cuadrada de superficie. Más bits en un disco significa que se pueden almacenar más datos.

Pero cuando aumenta la densidad de bits, los granos se acercan entre sí, tanto que el magnetismo de cada grano puede afectar a la dirección magnética de los granos que lo rodean. La estabilidad de cada grano a temperaturas normales se convierte en un problema. La única forma de solucionarlo es fabricar el plato del disco con nuevos materiales que hagan que los granos sean más estables térmicamente, para que no se influyan entre sí.


  La solución funciona, ya que hace que cada bit sea muy estable incluso a temperatura ambiente, pero esto introduce un segundo problema: ¿cómo forzar a un bit muy estable a cambiar su dirección magnética cuando sea necesario? ¿Cómo escribir nuevos datos en el disco duro, si los granos son muy estables térmicamente?

La tecnología HAMR resuelve estos problemas. HAMR utiliza un nuevo tipo de tecnología de soportes magnéticos en cada disco que permite que los bits de datos sean más pequeños y estén más densamente asignados que nunca, manteniendo al mismo tiempo la estabilidad magnética y térmica. A continuación, para escribir nuevos datos, un diminuto diodo láser instalado en cada cabezal de grabación calienta momentáneamente una pequeña zona del disco, lo que permite al cabezal de grabación cambiar la polaridad magnética de un bit cada vez, permitiendo la escritura de los datos. Cada bit se calienta y enfría en un nanosegundo, por lo que el láser HAMR no afecta en absoluto a la temperatura de la unidad ni a la temperatura, estabilidad o fiabilidad generales del soporte.

Según el Consorcio de Tecnología de Almacenamiento Avanzado (ASTC), HAMR es la próxima innovación significativa en almacenamiento para aumentar la cantidad de datos almacenados en el área disponible para almacenar datos, lo que se conoce como “densidad de área” del disco. Este aumento de la densidad de área contribuirá a impulsar el desarrollo y crecimiento de los productos de disco duro durante la próxima década.

Un disco duro “estándar” actual es capaz de almacenar alrededor de 1.14 TB por pulgada cuadrada, mientras que con HAMR esta densidad se incrementa hasta 6 TB/in2, por lo que potencialmente se podrían alcanzar hasta 80 TB de capacidad.

Cómo funciona HAMR

Un disco duro típico de cualquier ordenador o servidor contiene uno o varios discos rígidos recubiertos de una película magnéticamente sensible formada por diminutos granos magnéticos. Los datos se graban cuando un cabezal magnético de escritura vuela justo por encima del disco giratorio; el cabezal de escritura invierte rápidamente la magnetización de una región magnética de granos para que su polo magnético apunte hacia arriba o hacia abajo, para codificar un 1 o un 0 en código binario.

Para aumentar la cantidad de datos que se pueden almacenar en un disco es necesario acercar las regiones magnéticas, lo que significa que los granos deben ser más pequeños para que no interfieran entre sí.

Por eso, para que los granos mantengan su estabilidad -su capacidad de almacenar bits durante un largo periodo de tiempo- necesitamos desarrollar un soporte de grabación que tenga mayor coercitividad. Eso significa que es más estable magnéticamente durante el almacenamiento, pero es más difícil cambiar las características magnéticas del soporte al escribir (es más difícil cambiar un grano de 0 a 1 o viceversa).

Por eso, el primer avance clave del hardware de HAMR exigía desarrollar un nuevo soporte de grabación que mantuviera estables los bits, utilizando materiales magnéticos de alta anisotropía (o “duros”), como la aleación de hierro y platino (FePt), que resisten el cambio magnético a temperaturas normales. A lo largo de los años de desarrollo del HAMR, los investigadores han ensayado y probado una gran variedad de películas de medios granulares de FePt, con distinta composición de aleación y ordenación química.

De hecho, el nuevo soporte es tan “duro” que los cabezales de grabación convencionales no podrán voltear los bits ni escribir nuevos datos a temperaturas normales.

Si se añade calor al pequeño punto en el que se quieren escribir los datos, se puede conseguir que el campo coercitivo del soporte sea inferior al campo magnético proporcionado por el cabezal de grabación, es decir, que el cabezal de escritura pueda voltear ese bit.

Por eso, uno de los retos de la HAMR ha sido sustituir la grabación magnética perpendicular (PMR) convencional, en la que el cabezal de escritura funciona a temperatura ambiente, por una tecnología de escritura que calienta el medio de grabación de película fina del plato del disco a temperaturas superiores a 400 °C.


  El principio básico consiste en calentar una pequeña región de varios granos magnéticos durante un tiempo muy breve (~1 nanosegundo) a una temperatura lo suficientemente alta como para que el campo coercitivo del soporte sea inferior al campo magnético del cabezal de escritura. Inmediatamente después del pulso de calor, la región se enfría rápidamente y la orientación magnética del bit se congela en su lugar.

Se ha desarrollado una forma en la que colocar un láser en cada cabezal que no es más grande que un grano de sal. En la aplicación de este nanocalentamiento dinámico es donde entra en juego el famoso “láser” de HAMR. Se ha integrado un transductor plasmónico de campo cercano (NFT) en el cabezal de grabación, para calentar el soporte y permitir el cambio magnético en un punto específico.

Los NFT plasmónicos se utilizan para concentrar y confinar la energía luminosa en regiones más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Esto nos permite calentar una región extremadamente pequeña, medida en nanómetros, en el soporte del disco para reducir su coercitividad magnética.

 

Historia del aumento de la capacidad de almacenamiento

Durante los últimos 50 años, la densidad areal de las unidades de disco duro ha crecido más rápido que la ley de Moore, lo cual es muy positivo. Después de todo, los clientes, desde centros de datos y proveedores de servicios en la nube hasta profesionales creativos y entusiastas de los juegos, rara vez van de compras buscando un disco duro igual al que compraron hace dos años. Las demandas de datos cada vez mayores sobre las capacidades de almacenamiento aumentan inevitablemente, por lo que la tecnología evoluciona constantemente.

Gracias a la grabación magnética perpendicular (PMR), fue posible añadir una capa de base lisa sobre el soporte y colocar el soporte en el “hueco” del cabezal, donde el campo es mayor y donde cada bit se sitúa perpendicularmente a los cabezales.

El siguiente paso evolutivo fue diseñar la grabación magnética Shingled (SMR), que consigue mayor superficie y densidad “apretando” las pistas de datos en lugar de reducir el tamaño de los bits. Las pistas se superponen, como las tejas de un tejado, lo que permite escribir más datos en el mismo espacio. Como el elemento lector del cabezal de la unidad es más pequeño que el escritor, todos los datos pueden leerse en la pista recortada sin problemas y sin comprometer la integridad de los datos. Además, el SMR no requiere una inversión significativa para su desarrollo, lo que permite implantar discos duros con esta tecnología manteniendo un bajo coste de fabricación.

Por sí sola, la SMR ya supuso una mejora del 25% en la capacidad de los discos duros con su introducción en 2014, pero no fue suficiente y también constataron que la PMR se acercaba a los límites de la tecnología de almacenamiento. Los soportes de hierro-platino (FePt) de alta anisotropía pueden superar los problemas de estabilidad térmica de los soportes PMR tradicionales y las altas densidades de área, pero con los soportes de grabación convencionales te quedas rápidamente sin campo en el que escribir.

Ahí es donde entra en juego la tecnología HAMR, que permite superar esta limitación calentando literalmente el soporte. A temperatura ambiente, los granos del soporte son pequeños y térmicamente estables, justo lo que necesitamos, pero calentarlos puede reducir temporalmente la coercitividad del soporte.

Así que, en resumen, con HARM lo que se hace es que los datos se almacenan a temperatura ambiente, pero antes de escribir se calienta el soporte para reducir su coercitividad y luego se vuelve a enfriar, todo ello en menos de 1 nanosegundo. Gracias a ello, podremos tener discos duros de hasta 100 TB en unos años.

 

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