Jak zmieścid 50 TB na twardym dysku, czyli o fizyce zapisu informacji

Jak zmieścid 50 TB na twardym dysku, czyli o fizyce zapisu informacji

Jak zmieścid 50 TB na twardym dysku,
czyli o fizyce zapisu informacji
Michał Krupioski
Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczaoskiego, 2010
O czym jest ta prezentacja ?
• Jak działają twarde dyski ?
• Jak zapisywad i odczytywad informację ?
• Co zrobid, aby dyski były pojemniejsze ?
• Jakie zjawiska fizyczne rządzą zapisem informacji ?
• Co czeka nas w przyszłości ?
Na początek proste pytanie celem rozruszania:
Czy jest w ogóle możliwe, aby standardem dla zwykłego laptopa
był twardy dysk o pojemności 50 TB ?
a)
b)
c)
d)
tak, jak najbardziej – to bardzo proste
tak – to trudne, ale fizycy i inżynierowie coś wymyślą
nie – bo chod to możliwe, to jest to nieopłacalne
nie – fizyka tego zabrania
(odpowiedź na ostatnich slajdach)
Helmut Dosch, Stuttgart
Helmut Dosch, Stuttgart
Pierwszy twardy dysk
1956 IBM 305 RAMAC
„Oszałamiające” parametry
pierwszego twardego dysku:
• pojemnośd:
• budowa:
• dzierżawa:
4 MB
50  24’’
35000 $/rok
http://ed-thelen.org/RAMAC
„Zapotrzebowanie na komputery na świecie szacuje się na około 5 sztuk”
Tomas Watson, prezes IBM, 1943
Dziś:
• zmniejszenie rozmiarów 108 razy
• zwiększenie mocy obliczeniowej 108 razy
Ewolucja pamięci magnetycznych
http://www.tomcoughlin.com/Techpapers/head&media.pdf
Gęstośd zapisu informacji
Jest miarą ilości informacji (wyrażonej w bitach), którą można zapisać
na określonej jednostce powierzchni (objętości).
Przykłady:
1 cal = 2,54 cm
Nośnik
Gęstośd zapisu
informacji [Gbit/cal2]
CD
0,9
DVD
2,2
Blu-ray
12,5
Twardy dysk 500 GB
200
Największa gęstośd osiągalna obecnie na rynku
400
Fizyczna granica (oszacowanie)
1 000 000 000
Ewolucja gęstości zapisu
http://www.kk.org/thetechnium/archives/2009/07/was_moores_law.php
Gęstośd zapisu informacji
Na gęstośd zapisu informacji mają wpływ:
•
•
•
•
geometria i sposób zapisu
rodzaj, wielkośd, wymagania głowicy (elementu odczytującego)
materiał dysku
fizyka
Oprócz gęstości zapisu ważne są:
•
•
•
•
szybkośd zapisu i odczytu
trwałośd przechowywania informacji
cena
wymagania eksploatacyjne
Trwałośd zapisu informacji
DVD
w idealnych warunkach:
300 lat (ponod nawet 1000 lat)
przy standardowym używaniu:
10 lat
twarde dyski
w idealnych warunkach:
10 lat
przy standardowym używaniu:
5 lat
Wymaganiem stawianym każdemu twardemu dyskowi
jest trwałośd wynosząca 8 – 10 lat
Ceny twardych dysków
pojemnośd dysku
cena
500 GB
150 – 300 zł
1 TB
200 – 400 zł
1,5 TB
300 – 500 zł
2 TB
300 – 600 zł
4 TB
1500 – 2400 zł
Ceny twardych dysków o różnych pojemnościach
nie skalują się linowo !
www.wikipedia.org
1 cal = 2,54 cm
8 cali
3,5 cala
5,25 cala
2,5 cala
1,8 cala 1 cal
Rozmiary twardych dysków
tutaj kryją się wszystkie
nasze pliki
Dysk 3,5 cala
Dysk 2,5 cala
http://www.komputerswiat.pl/media/304970/Dyski-twarde-1.jpg
Budowa talerza
warstwa „smarna” 1 nm
warstwa węgla 15 nm
0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1
warstwa magnetyczna 30 nm
Cr 50 nm
Ni-P 10 m
metal (dawniej szkło)
Nanoszenie cienkich warstw metali
1
podgrzewane tygielki z metalami
Jak stworzyd materiał
na talerz twardego dysku ?
Metod jest kilka,
jedną z nich jest metoda
naparowywania termicznego
tu lecą sobie atomy
z rozgrzanego tygielka
z metalem
a tu nam się tworzy cienka warstwa
podłoże
Nanoszenie cienkich warstw metali
2
Gdy uzyskaliśmy warstwę
o pożądanej grubości
wystarczy po prostu zamknąd
wylot atomów z tygielka
przesłony
podłoże
Nanoszenie cienkich warstw metali
3
Otwierając inny tygielek możemy
nanieśd następną warstwę
z innego metalu
i znów lecą sobie atomy,
tym razem innego metalu
warstwa po warstwie
uzyskujemy układ
wielowarstwowy
podłoże
http://www.physics.ucf.edu/~roldan/laboratory.html
Zapis informacji na twardym dysku
Informacja na twardym
dysku zapisywana jest
magnetycznie.
Każdy bit odpowiada
obszarowi o dobrze
zdefiniowanym kierunku
namagnesowania.
http://www.komputerswiat.pl/media/304970/Dyski-twarde-1.jpg
Materiały do zapisu
©IBM
1 domena ~ 10 – 100 nm
M. Doerner et al., IEEE Trans. Magn., 37 (2001) 1052
1000 ziaren/bit
obraz domen
magnetycznych
na talerzu twardego
dysku obserwowany
mikroskopem MFM
pojedyncze domeny
= pojedyncze bity
informacji
http://www.spmlab.science.ru.nl/eng/uitleg/varianten/mfm/
Jak działa mikroskop sił magnetycznych ?
igła pokryta materiałem magnetycznym
droga igły
laser
płaska magnetyczna próbka
igła
dźwignia
podstawka
http://www.mechmat.caltech.edu/~kaushik/park/1-3-0.htm
http://www.farmfak.uu.se/farm/farmfyskem-web/instrumentation/afm.shtml
25 m
obraz magnetyczny
25 m
obraz topografii
10 m
obraz topografii
10 m
obraz magnetyczny
Tytuł
http://www.veeco.com.tw/library/nanotheater_detail.php
30 m
http://www.dataclinic.co.uk/data-recovery
Jak zapisywana i odczytywana jest informacja ?
głowica
odczytująca
element
zapisujący
ziarna
magnetyczne
i granica domen
©IBM
http://hardware.hoga.pl/articles/dysk/front3.asp
głowica twardego dysku sunąca po powierzchni talerza
www.wikipedia.pl
głowica twardego dysku
„od spodu”
Odczyt danych
głowica
odczytująca
element
zapisujący
ziarna
magnetyczne
i granica domen
©IBM
Głowica odczytująca
Wykorzystuje zjawisko
gigantycznego magnetooporu
po raz pierwszy zaobserwowane dla
układu Fe/Cr w 1986 r
Nagroda Nobla w 2007 r. dla
Alberta Ferta i Petera Grünberga
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/
(RH-RH=Hs/RH=Hs) x 100%
Gigantyczny magnetoopór
B
2
B
1,5
1
0,5
0
-800
-600
-400
-200
0
B [mT]
200
400
600
800
Zapis informacji na twardym dysku
Fizyczny obraz domen magnetycznych:
I sposób kodowania informacji:
0
1
0
0
1
0
1
1
1
0
II sposób kodowania informacji:
1
1
1
0
1
1
1
0
0
1
Ze względu na typ głowicy odczytującej stosowany jest drugi sposób.
(dlaczego ? przeanalizuj poprzedni slajd)
0
szybkośd zapisu
Szybkośd zapisu informacji na twardym dysku
rozmiar zapisywanych danych
 r
ω
R
prędkośd liniowa
punktu na talerzu
prędkośd kątowa
talerza twardego dysku
promieo
Talerz i głowica twardego dysku
• przerwa między powierzchnią twardego dysku a głowicą wynosi 5 - 15 nm
• głowica unosi się nad powierzchnią talerza na poduszce powietrznej
• gładkośd powierzchni talerza: kilka nanometrów
• niezwykła precyzja w pozycjonowaniu głowicy
www.wikipedia.pl
Jak zapisywad ? Pomysł 1 – zapis równoległy i prostopadły
element
zapisujący
element
zapisujący
ekran
ekran
głowica
odczytująca
głowica
odczytująca
zapisane
bity metodą
prostopadłą
zapisane
bity metodą
równoległą
nośnik
magnetyczny
nośnik
magnetyczny
miękka warstwa
magnetyczna
zapis równoległy
zapis prostopadły
obecnie: nieużywany w nowych produktach
granica: 30 Gb/cal2
obecnie: 400 Gb/cal2 (Hitachi)
granica: 1 Tb/cal2
Computer Desktop Encyclopedia ©The Computer Language Company
Zapis równoległy vs prostopadły
Zachowując podobną objętośd domen magnetycznych
zwiększamy powierzchniową gęstośd zapisu.
http://www.productwiki.com/upload/images/perpendicular_recording.gif
Jak zwykle są problemy
Cienkie warstwy materiałów magnetycznych nie chcą magnesowad się
w kierunku prostopadłym do warstwy.
Fe, Co, Ni, Gd i wiele wiele innych
Rozwiązanie: Opracujmy nowe materiały magnetyczne !
Materiały do zapisu prostopadłego:
stopy FePt, FePdCu, CoPt
Problemy piętrzą się dalej: Superparamagnetyzm
J. Eisenmenger, I.K. Schuller, Nature Materials 2 (2003) 437 – 438
Energia
Zjawisko występujące dla
materiałów złożonych z nanocząstek
magnetycznych lub bardzo małych
domen magnetycznych.
Kierunek namagnesowania
Fluktuacje termiczne mogą zmienid kierunek namagnesowania
obszarów magnetycznych.
Utrata zapisanej informacji !!!
Rozwiązanie problemu superparamagnetyzmu
1. Odizolowad od siebie obszary zapisu informacji
materiał magnetyczny
odpowiednio
ukształtowane podłoże
2. Zastosowad twardy materiał magnetyczny
magnetycznie „miękki”
(łatwo go rozmagnesowad)
magnetycznie „twardy”
(trudno go rozmagnesowad)
Jak zapisywad ? Pomysł 2 – Bit Patterned Media
nanostrukturyzowany dysk twardy
konwencjonalny
dysk twardy
magnetyzacja
magnetyzacja
wyspa magnetyczna
granica
domeny
ścieżka
danych
komórka danych
ziarna
dane
https://www1.hitachigst.com/hdd/research/storage/pm
Nanostruktury – Bit Patterned Media
krok 1:
Nanosimy warstwę magnetyczną na
uporządkowaną matrycę nanokulek
krok 2:
Zapisujemy informację
krok 3:
Cieszymy się z osiągniętego rezultatu 
http://www.tu-chemnitz.de/physik/OFGF/research/bilder/patterned2.jpg
Co czeka nas w przyszłości ?
M.K. Kryder, Ch.S. Kim, „After Hard Drives – What comes next ?”,
IEEE Trans. Magn. 45 (2009) 3406
• w 2020 roku twardy dysk o pojemności 14 TB będzie kosztował 40 $ (≈120 zł)
• za 10 lat dostępne będą twarde dyski o pojemności powyżej 20 TB
• pamięci flash szybko osiągną kres swoich możliwości
• do użycia wejdą nowe, obecnie nie używane typy pamięci komputerowych
Obecnie wydaje się, że na pytanie z pierwszego slajdu najbardziej
prawdopodobna jest odpowiedź b) lub ewentualnie c)
Wnioski
• Dyski twarde będą nadal (co najmniej przez 10 lat) najważniejszą
pamięcią trwałą w komputerach
• Zgodnie z prawami fizyki kres rozwoju technologicznego jest jeszcze
daleko przed nami
• Zbudowanie twardego dysku 3,5 cala o pojemności 50 TB
jest możliwe !
• Rola fizyków w tym procesie jest ogromna
Dziękuję za uwagę
Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczaoskiego, 2010