De capaciteit van harde schijven blijft van jaar tot jaar gestaag toenemen, maar grote sprongen worden er al lang niet meer gemaakt. In de afgelopen jaren is de groei in capaciteit sterk afgenomen. Zo kwamen in 2010 de eerste 2TB-hdd's breed beschikbaar en vanaf 2015 boden diverse fabrikanten 8TB-hdd's aan. Zo'n verviervoudiging van de capaciteit heeft in de afgelopen vijf jaar niet plaatsgevonden. Als consument kun je momenteel hdd's kopen met een capaciteit van maximaal 18TB. In vijf jaar tijd is de maximale capaciteit dus met een factor 2,25 gegroeid.
Die afnemende groei komt door beperkingen van de perpendicular magnetic recording-techniek waarop harde schijven zijn gebaseerd. De datadichtheid van dergelijke hdd's is niet of nauwelijks meer te verhogen. Fabrikanten werken achter de schermen dan ook al jaren aan alternatieve technieken, die weer moeten leiden tot grote vooruitgang in de opslagcapaciteit van hdd's.
Seagate maakte onlangs bij de presentatie van zijn kwartaalcijfers bekend dat eind dit jaar de eerste productie-hdd's op basis van de heat-assisted magnetic recording-techniek geleverd worden. Die techniek gebruikt lasers om bits kleiner weg te kunnen schrijven op hdd's.
Vooralsnog zal het gaan om een beperkte hoeveelheid samples van 20TB-hdd's, maar vanaf volgend jaar wil Seagate groter inzetten op dat soort hdd's en de fabrikant verwacht dat de capaciteit van hamr-hdd's in 2026 zal oplopen tot 50TB.
Er wordt al ongeveer twintig jaar gewerkt aan hamr-hdd's. Het eerste bericht over de techniek op Tweakers stamt uit 2002. Seagate demonstreerde destijds een hamr-hdd in zijn lab. In 2013 was de fabrikant zo optimistisch dat er hamr-hdd's op de planning stonden voor 2014. De nieuwe techniek is echter lastig te implementeren en die planning werd niet gehaald. Concurrent Western Digital kiest daarom voorlopig voor een tussenoplossing onder de noemer energy-assisted perpendicular magnetic recording, die voortbouwt op de pmr-techniek. Ook werkt WD aan microwave-assisted magnetic recording, een variant van hamr, die eenvoudiger toe te passen is.
Nu de huidige hdd's wat maximale capaciteit betreft tegen hun beperkingen aanlopen en de nieuwe technieken voor de deur staan, maken we de balans op en bekijken we de beloftes van de twee grootste hdd-fabrikanten.
Beperkingen van perpendicular magnetic recording
Traditionele hdd's bestaan uit platters die van een aluminiumlegering zijn gemaakt. Dat zijn ronde schijven die aan weerszijden zijn voorzien van datatracks met magneetvelden om bits op te slaan. Om de dichtheid te vergroten, staan de magneetvelden rechtop op het schijfoppervlak, waar de techniek zijn naam aan dankt. De pmr-techniek wordt ook conventional magnetic recording genoemd, ofwel cmr.
De maximale opslagcapaciteit van een harde schijf wordt bepaald door het aantal platters en de dichtheid van de magneetvelden. Fabrikanten lopen inmiddels op beide vlakken tegen het maximaal haalbare aan. De 3,5"-hdd's met de hoogste capaciteit gebruiken momenteel negen platters. Om dat mogelijk te maken, moeten harde schijven al gevuld worden met helium. Dat heeft een lagere dichtheid dan lucht en levert minder wrijving op, waardoor het mogelijk is om relatief veel dunne platters te plaatsen en die te beschrijven met de bewegende schrijfkoppen.
Bij pmr-hdd's is gebleken dat de maximale dichtheid ongeveer 1 terabit per vierkante inch bedraagt. Als de magneetvelden voor de opslag van bits nog kleiner gemaakt worden, komt de stabiliteit in het geding. De huidige 18TB-hdd's met negen platters lopen tegen die limiet aan.
Capaciteit verhogen met shingled magnetic recording
De capaciteit van hdd's is enigszins op te rekken door shingled magnetic recording toe te passen. Dat is een variant van pmr waarbij de datatracks op de platters deels over elkaar heen liggen. Dat kan de dichtheid met zo'n 1,3x verhogen, maar er zitten ook nadelen aan vast. Het kan de prestaties bij toepassingen met veel random write-acties negatief beïnvloeden. Eerder dit jaar kwamen verschillende hdd-fabrikanten in opspraak omdat ze smr bleken toe te passen zonder dat te vermelden in de specificaties.
Dunnere platters van glas
Een andere manier om de capaciteit van pmr-hdd's te vergroten, is het verhogen van het aantal platters. Dat zou kunnen door ander materiaal te gebruiken. In 2017 toonde Hoya al een prototype van een 3,5"-hdd met tien platters, gemaakt van glassubstraat met een dikte van 0,5mm. Tot op heden zijn er nog geen hdd's met tien platters uitgebracht, vermoedelijk vanwege de hoge kosten.
Hoya maakte in juli dit jaar bekend dat het bedrijf wel samples van zijn dunne platters heeft verstuurd naar een fabrikant. Dat kan erop wijzen dat een hdd-fabrikant werkt aan een harde schijf met tien platters. Of en wanneer die uitkomt, is nog niet duidelijk. Platters van glas werden al langer gebruikt in 2,5"-hdd's. Dat soort hdd's zijn echter steeds minder in trek. Ze worden veelal in laptops gebruikt en daarin zitten tegenwoordig steeds vaker ssd's.
Grote vooruitgang met energy assisted magnetic recording
Met smr en het toevoegen van platters zit er dus nog wel wat rek in de huidige 3,5"-hdd's, maar een echt grote groei in opslagcapaciteit is niet meer mogelijk. Voor nog meer opslagcapaciteit moet de dichtheid van de data op de platters verder omhoog. Dat is mogelijk met een aantal technieken die al decennialang in ontwikkeling zijn. De verzamelnaam daarvan is energy assisted magnetic recording, ofwel eamr. Hierbij worden de magneetvelden gemanipuleerd voordat ze beschreven worden, waardoor de bits veel kleiner gemaakt kunnen worden en de datadichtheid toeneemt.
Hamr: heat-assisted magnetic recording
Seagate werkt zoals gezegd al jarenlang aan hdd's op basis van heat-assisted magnetic recording. Deze hamr-hdd's zijn voorzien van platters met een stabieler magnetisch materiaal, bestaande uit een legering van ijzer en platina. Doordat dit stabieler is, kunnen de bits kleiner worden gemaakt. Het materiaal is echter ook veel harder en om dat te kunnen beschrijven, moet het eerst verhit worden tot 400°C. Hamr-hdd's gebruiken daar schrijfkoppen met minuscule lasers voor. Het toepassen van de hamr-techniek is complex, omdat de bits binnen een nanoseconde verhit en vervolgens weer afgekoeld moeten worden.
Hamr-hdd's hebben dezelfde 3,5"-formfactor als pmr-hdd's en zijn ook uitwisselbaar, maar vanwege het gebruik van laser zijn er nieuwe schrijfkoppen nodig en ook moeten de platters gemaakt zijn van materiaal dat bestand is tegen hitte. De glassubstraten van fabrikanten als Hoya komen hier weer van pas. Volgens die fabrikant zijn die bestand tegen temperaturen tot 700°C, terwijl op aluminium gebaseerde platters maximaal 200°C kunnen weerstaan. Het glassubstraat wordt voorzien van een dunne film met het magnetische materiaal dat beschreven kan worden.
Volgens SDK, eveneens een fabrikant van glassubstraat voor platters, zal de dichtheid van hamr-platters in de toekomst oplopen tot 5 of 6 terabit per vierkante inch. Daarmee is de datadichtheid ongeveer vijf keer zo hoog als bij pmr-hdd's. SDK stelt dat dit uiteindelijk zal resulteren in 3,5"-hdd's met een capaciteit van 70 of 80TB, zonder dat het aantal platters wordt verhoogd. Ook Seagate geeft aan dat de datadichtheid van hamr-hdd's uiteindelijk ongeveer vijf keer zo hoog zal zijn als bij pmr-hdd's. De fabrikant denkt met de techniek tien jaar vooruit te kunnen.
Seagate: hamr is interessant vanaf 24TB
Eind dit jaar gaat Seagate zijn eerste hamr-hdd's uitleveren. Dat gaat om exemplaren met een capaciteit van 20TB en die zullen niet in grote aantallen worden geproduceerd. Met die capaciteit biedt het gebruik van de nieuwe techniek nog geen duidelijke voordelen boven pmr- of smr-hdd's, die immers verkrijgbaar zijn met dezelfde capaciteit. Waarschijnlijk zijn de hamr-hdd's veel duurder door de complexe techniek.
Welke klanten de eerste hamr-hdd's ontvangen, zegt Seagate niet. Vermoedelijk gaat het om grote techbedrijven en datacenters, zodat die ermee kunnen experimenteren. Volgens Gianluca Romano, de cfo van Seagate, wordt de overgang naar de hamr-techniek aantrekkelijk als een capaciteit van 24TB wordt bereikt. Hamr-hdd's met een dergelijke capaciteit moeten in het volgende kalenderjaar volgen, aldus de cfo bij de bespreking van de kwartaalcijfers in oktober.
Dave Mosley, de ceo van Seagate, zegt dat het uitbrengen van de 20TB-variant significant is omdat het een technologische mijlpaal is. Hoeveel van de hdd's er geleverd worden, is volgens de topman niet belangrijk. "Het gaat erom dat de techniek werkt en dat we precies doen wat we gezegd hebben: een 20TB hamr-hdd leveren voor het einde van het kalenderjaar."
Mamr: microwave-assisted magnetic recording
Een andere vorm van eamr is microwave-assisted magnetic recording. Bij deze techniek kunnen traditionele aluminium platters met daarop een legering van kobalt en platina gebruikt worden, net als in pmr-hdd's. Door de magnetische laag te manipuleren met een elektromagnetisch veld is het mogelijk om de gegevens met een hogere dichtheid weg te schrijven. Mamr-hdd's werken met microgolven die gegenereerd worden door een spin torque oscillator, die zich vlakbij de schrijfkop bevindt.
Western Digital zei eind 2017 in te zetten op mamr en stelde toen dat de dichtheid van mamr-hdd's zou kunnen oplopen tot 4 terabit per vierkante inch en dat er in 2025 hdd's zouden uitkomen met een capaciteit van 40TB. Destijds verwachtte de fabrikant in 2019 de eerste mamr-hdd's te zullen leveren, maar dat is tot nu toe niet gebeurd.
In een promotiefilmpje legde WD destijds nadruk op de nadelen van hamr-hdd's; de noodzaak om de platters te verhitten zou de techniek onbetrouwbaar en duur maken. WD presenteerde mamr als een betrouwbaar en goedkoop alternatief.
Promotiefilmpje over mamr van Western Digital
Inmiddels lijkt WD wat minder stellig te focussen op mamr. Bij een technische presentatie begin dit jaar gaf de fabrikant aan zowel mamr als hamr te zien als opties voor toekomstige hdd's. De fabrikant gaat die technieken echter pas na 2023 inzetten. In de komende jaren verwacht WD nog pmr- en smr-hdd's uit te kunnen brengen met capaciteiten die oplopen tot 30TB.
Tussenstap: energy-enhanced perpendicular magnetic recording
Western Digital kan de capaciteit van zijn pmr- en smr-hdd's naar eigen zeggen verder oprekken door gebruik te maken van epmr. Volgens de fabrikant gaat dat om een variant van traditionele hdd's waarbij deels technieken worden toegepast die zijn ontdekt bij onderzoek naar mamr- en hamr-hdd's. WD wil deze epmr-hdd's als opstapje gebruiken om in de toekomst over te stappen op hdd's die volledig van eamr gebruikmaken.
WD heeft dit al toegepast in zijn Ultrastar DC HC550 18TB en in de HC 650 20TB-variant. Eerstgenoemde is een pmr-hdd met een datadichtheid van 1022 gigabit per vierkante inch en de tweede is een smr-hdd met een dichtheid van 1160 gigabit per vierkante inch. Deze hdd's hebben een traditionele schrijfkop, maar tijdens het schrijven van data wordt die onder stroom gezet, waardoor een extra magnetisch veld ontstaat. Daardoor vermindert de jitter en is het mogelijk om nauwkeuriger te schrijven. Zodoende kunnen de bits dus kleiner worden gemaakt. WD wil nog twee generaties van deze energy-enhanced pmr- en smr-hdd's maken en na 2023 overstappen op mamr of hamr.
Uit roadmaps en technische documenten van Seagate en WD is op te maken wat de plannen zijn voor de komende jaren. Seagate wil zoals gezegd dit jaar zijn eerste hamr-hdd van 20TB uitbrengen en het bedrijf denkt de hamr-techniek vanaf volgend jaar in te zetten voor meer hdd's met hogere capaciteiten. Concrete plannen voor meer hamr-producten zijn nog niet openbaar gemaakt.
Western Digital heeft op zijn roadmaps tot 2023 nog pmr- en smr-hdd's staan die een steeds hogere capaciteit krijgen. Om dat voor elkaar te krijgen moet de fabrikant al deels technieken toepassen die later gebruikt zullen worden in mamr- of hamr-hdd's.
Hamr- of mamr-hdd in je pc?
De concepten voor hamr- en mamr-hdd's zijn al tientallen jaren oud, maar de komst van daadwerkelijke producten op basis van de nieuwe technieken heeft lang op zich laten wachten. Genoemde planningen van de hdd-fabrikanten zijn in het verleden meer dan eens niet gehaald.
Het ligt niet voor de hand dat de nieuwe hdd's binnen afzienbare tijd beschikbaar komen voor consumenten. Het verhogen van de opslagdichtheid is vooral belangrijk voor datacenters, waar de datahonger nog steeds toeneemt. Hoewel er niets bekend is over de prijzen van mamr- en hamr-hdd's, is het aannemelijk dat ze duurder zijn dan pmr- en smr-varianten, vanwege de complexe techniek.
Nu Seagate zijn eerste hamr-hdd uitbrengt, is het startsein gegeven. Wel is het tekenend dat concurrent WD zich pas over een aantal jaar aan mamr of hamr waagt en voorlopig voortborduurt op de bestaande technieken. Het blijft dus afwachten of de techniek zich snel zal ontwikkelen en marktaandeel zal winnen.