Werksbesichtigung: So fertigt Seagate Festplatten-Schreibköpfe in Irland

Bit Patterned Media

Eine weitere Zukunftstechnologie zur Erhöhung der Speicherdichte sind Bit Patterned Media (BPM). Bei derzeit üblichen Plattern für Festplatten besteht die Oberfläche aus einer dünnen magnetischen Legierung mit unregelmäßigen Körnern, die eigene magnetische Domänen bilden. Ein einzelnes Bit besteht dabei aus einer Vielzahl dieser Körner. Bei BPM verfügen die Platter im Gegensatz dazu über eine regelmäßige Oberflächenstruktur mit kleinen, gleichförmigen Inseln, die jeweils eine einzige magnetische Domäne bilden und ein Bit speichern können.

Diese genau definierten magnetischen Domänen bieten gegenüber derzeitigen Magnetscheiben einige Vorteile. Sie sind deutlich stabiler gegenüber thermischen Einflüssen und erreichen ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis, weshalb einzelne Bits näher beieinander liegen können und höhere Speicherdichten ermöglichen. Ideal wäre die Kombination von BPM mit HAMR, vermutlich werden die beiden Technologien aber getrennt voneinander eingeführt und erst zu einem späteren Zeitpunkt miteinander kombiniert.

Eines der Hauptprobleme von BPM sind die im Vergleich zu heutigen Plattern höheren Kosten, da die hohe Präzision bei der Ausrichtung der einzelnen Bits kostspieligere Herstellungsverfahren mit Photolithografie erfordert. Durch die neuen Fertigungsverfahren sind zudem bei den Platterherstellern Investitionen in Milliardenhöhe notwendig.

Shingled Magnetic Recording

Da PMR sich der Grenze des Möglichen nähert und HAMR und BPM noch auf sich warten lassen, steht die Festplattenindustrie nun vor dem Dilemma, eine Lücke schließen zu müssen, um auch in der Zwischenzeit steigende Speicherkapazitäten bieten zu können. Der mögliche Lösungsansatz für dieses Problem heißt Shingled Magnetic Recording (SMR) und bietet den Vorteil, dass die Herstellungsprozesse für Schreibköpfe und Medien jenen aktueller Modelle sehr stark ähneln. Durch das Überlappen mehrerer Spuren wird bei SMR eine höhere Speicherdichte erreicht. Die im Vergleich zu aktuellen Festplatten breitere und im Design weniger begrenzte Schreibspitze ermöglicht höhere Feldstärken beim Schreiben und folglich den Einsatz von Datenträgern mit höherer magnetischer Anisotropie und geringerer Teilchengröße. Diese Eigenschaften von SMR-Schreibköpfen und die überlagerten Spuren haben aber auch einen entscheidenden Nachteil:

Während das sequenzielle und zufällige Lesen unproblematisch ist, da mit einem entsprechend feinen TGMR-Sensor auch die dünnen Spuren eines SMR-Platters gelesen werden können, sieht es beim Schreiben und beim Löschen anders aus. Hier tritt ein Problem auf, das wir in ähnlicher Form auch von Solid State Drives kennen: Bei aktuellen Festplatten können bei Random Writes Daten einfach überschrieben werden, was bei SMR aber nicht mehr geht, da immer auch die angrenzenden Spuren beschrieben werden. Da diese noch benötigte Daten enthalten können, müssen sie zuerst gelesen und im Speicher zwischengesichert, dann angepasst und schließlich neu geschrieben werden, was vor allem Zeit und Leistung kostet. Das Schreiben erfolgt dabei stets sequenziell und quer zu den Tracks in eine Richtung. Aber auch in leeren Arealen sind Random Writes problematisch, da sie eine hohe Fragmentation erzeugen.

Speziell im Enterprise-Bereich, der kurze Latenzen und viele IOPS benötigt, wird dies wohl in einigen Fällen kaum ausreichen, sodass der Einsatz von SMR auf weniger IO-kritische Anwendungsfälle begrenzt sein könnte. In jedem Fall nötig sein werden wohl Veränderungen an der interne Datenarchitektur der Festplatten oder Anpassungen am Betriebssystem, um zum Beispiel Random Writes zu emulieren.

Wann die neuen Schreibtechnologien ihren Weg in marktreife Produkte finden werden, steht noch nicht fest. Eines jedoch ist sicher: Die Speicherkapazitäten von Festplatten werden auch weiterhin steigen und sind noch lange nicht am Limit.

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