De toekomst van harde schijven

Op weg naar nog grotere capaciteiten

Platters en dichtheid

In een harde schijf wordt data opgeslagen op glimmende schijfjes, platters genaamd. Die zien er niet alleen mooi uit, ze zijn bedekt met een laagje ferromagnetisch materiaal, dat in kleine magnetische domeintjes is gerangschikt. Elk magnetisch domeintje kan data bevatten en hoe kleiner die magneetjes zijn en hoe dichter ze op elkaar zitten, hoe meer bits op een platter passen. Om die data te lezen en te schrijven, zijn koppen nodig, een voor elke kant van de platter. En omdat harde schijven vaak meer dan één platter hebben, zijn verschillende lees-schrijfkopparen nodig, opnieuw voor elke platter een paar. Als je als fabrikant de datadichtheid op een platter kunt vergroten, waardoor je met drie in plaats van vier platters dezelfde hoeveelheid data kunt opslaan, bespaar je dus niet alleen de kosten van een platter, maar ook van een lees- en schrijfkoppaar. Ook op de motor om die platters rond te laten draaien kan iets bespaard worden; die hoeft immers minder massa in beweging te brengen. Zo sijpelen de besparingen door het hele ontwerp.

Koppen van een harde schijf

Een van de manieren om de dichtheid op de platters te vergroten, is verandering van de techniek om de magneetdomeinen uit te lezen. In de afgelopen decennia zijn hardeschijftechnieken geëvolueerd van magnetoresistieve (MR-), via giant magnetoresistieve (gmr-) naar tunneling magnetoresistieve (tmr-) technieken. De MR-varianten maken gebruik van aparte lees- en schrijfkoppen, waarbij de leeskoppen dankzij het magnetoresistieve effect zeer gevoelig zijn voor magneetvelden. Een kleine verandering in het magneetveld kan daarmee gedetecteerd worden, waardoor de magneetjes op de platter kleiner en zwakker gemaakt konden worden. Een aparte schrijfkop is nodig, omdat MR-koppen niet het benodigde magneetveld kunnen genereren om data weg te schrijven.

Oppervlak van een hardeschijfplatter. Beeld: HGST

Parallel hieraan zijn de magneetdomeintjes kleiner geworden en op hun kant gezet dankzij perpendiculaire technieken. De belangrijkste innovatie van pmr is dat de magneetdomeintjes niet langer 'plat' op de schijf liggen, maar er haaks op staan. Noord- en zuidpolen zijn dus niet horizontaal, maar verticaal gerangschikt. Dat maakt een hogere dichtheid van dataopslag mogelijk en dichtheid is koning, samen met de afstand tussen de koppen en het medium.

Harde schijven met pmr zijn zo rond 2005 geïntroduceerd en maakten drives met datadichtheden van 133Gbit/inch² mogelijk bij introductie. Latere modellen vergrootten dat tot 325Gbit/inch² en meer in 2008. De oppervlakte van een 3,5"-platter is ongeveer 9 vierkante inch, dus op een enkele platter met een datadichtheid van 325Gbit/inch² past pakweg 18 x 325 = 700GB. Inmiddels zijn drives met capaciteiten van terabytes per platter mogelijk.

Fabrikanten hebben ook na pmr nieuwe technieken ontwikkeld om de datadichtheid te vergroten. Dat heeft geleid tot smr-technieken, wat staat voor shingled magnetic recording. Daarbij overlapt de schrijfkop de magneetdomeintjes een beetje; de sporen zitten dichter op elkaar dan de afmetingen van de kop. Dat geeft het medium een hogere dichtheid dan wanneer sporen en schrijfkop even groot zijn. Bij het schrijven van sporen bestrijkt het magneetveld van de kop daardoor ook de sporen aan weerszijden, waardoor een schrijfpatroon als shingles of dakpannen ontstaat.

Nu heeft smr als nadeel dat door de overlap buren van de datasporen die worden beschreven, eveneens worden overschreven. Dat brengt een hoop huishoudelijke taken met zich mee om data heen en weer te kopiëren om corruptie te voorkomen. Dat doet denken aan de garbagecollection en trimfuncties van flash in ssd's, al gebeurt alles in harde schijven trager. Om dat het hoofd te bieden, wordt data gecachet, maar als de cache vol is, opnieuw net als bij ssd's met pseudo-slc-cache, zakt de snelheid in. Voor de meeste eindgebruikers is dat niet zo'n probleem, aangezien dergelijke drives toch alleen voor relatief 'koude' data gebruikt worden. Dat is overigens ook het primaire doel van smr-schijven; ze zijn niet ontwikkeld als performante systeemschijven.

• Volgende pagina 6. Verdere ontwikkeling