Las tecnologías MAMR y HAMR en la nueva generación de HDD

Con las tecnologías MAMR (Grabación Magnética Asistida por Microondas) y HAMR (Grabación Magnética Asistida por Calor), los discos duros están a punto de superar los 30 TB por unidad. Ambas tecnologías utilizan una fuente de energía adicional para posibilitar un cabezal de escritura más pequeño, lo que permite una mayor densidad de bits y pistas. Pero estos no son los únicos avances en la próxima generación de discos duros.

La tecnología de grabación magnética perpendicular (PMR) convencional, estándar en los discos duros durante casi dos décadas, ha alcanzado sus límites. Por este motivo los fabricantes llevamos tiempo explorando nuevas tecnologías de grabación que amplíen la capacidad de almacenamiento de las unidades.

La aplicación de microondas y rayos láser se ha revelado especialmente prometedora ya que reduce la intensidad de la energía magnética requerida y permite que un campo magnético más débil magnetice los bits.

Esta innovación permite reducir el tamaño del cabezal de escritura y aumentar la densidad de escritura de los bits y las pistas de datos, lo que permite almacenar más datos en los discos magnéticos y, por consiguiente, aumentar la capacidad de almacenamiento. Estas tecnologías se conocen como grabación magnética asistida por microondas (MAMR) y grabación magnética asistida por calor (HAMR), dependiendo de si se utilizan microondas o rayos láser.

MAMR, el punto de partida

Los discos duros MAMR están disponibles desde 2022 y, por ahora, representan la primera etapa de desarrollo de la tecnología conocida como Control de Flujo MAMR (FC-MAMR). Aquí, las microondas concentran el flujo magnético en el cabezal de escritura para que la energía magnética se dirija al disco magnético de forma más focalizada.

En la siguiente etapa de desarrollo, Conmutación Asistida por Microondas MAMR (MAS-MAMR), las microondas también deben activar el material magnético de los discos para reducir aún más la energía magnética requerida. Esto supone un reto técnico mayor ya que requiere, no solo un nuevo recubrimiento que responda a las microondas, sino también una conmutación más precisa del generador de microondas. En principio, con FC-MAMR esto puede funcionar de forma continua, mientras que con MAS-MAMR debe activarse específicamente para cada bit a fin de preparar exactamente la zona correcta de la superficie magnética para el proceso de escritura.

Además, se ha demostrado que un generador de microondas con dos capas de generación de campo (FGL) produce menos ruido que uno con una sola FGL, lo que facilita la escritura y lectura de bits. Sin embargo, la tecnología aún requiere más pruebas y perfeccionamiento hasta que sea lo suficientemente fiable y rentable para la producción en serie.

Las tecnologías MAMR y HAMR en la nueva generación de HDD

Hasta entonces, FC-MAMR ya permite capacidades de almacenamiento superiores a 30 TB por unidad, gracias a la combinación inteligente con otras dos mejoras tecnológicas: un desarrollo posterior de la grabación magnética escalonada (SMR) y un undécimo disco magnético incorporado en la carcasa del disco duro. Toshiba presentó recientemente un prototipo similar, con una capacidad de 31,24 TB.

Mejoras en las tecnologías existentes

La tecnología SMR no es nueva, es una tecnología de grabación que utiliza pistas de datos superpuestas para aumentar la densidad de almacenamiento. Al sobrescribir datos existentes, las pistas superpuestas deben leerse y almacenarse temporalmente antes de volver a escribirse tras la escritura de los nuevos datos. Las operaciones adicionales de lectura y escritura pueden provocar fluctuaciones en el rendimiento de escritura, que los fabricantes intentamos compensar con mejores algoritmos de caché y cachés de mayor tamaño.

La novedad es que las cachés de mayor tamaño ahora también pueden utilizarse para operaciones de lectura normales, introduciendo más datos y permitiendo mecanismos de corrección de errores más complejos. Estos algoritmos de filtrado digital provienen en parte de la tecnología de radio, que permite filtrar las señales deseadas incluso con ruido intenso. En el sector de los discos duros permiten compensar un mayor número de errores de lectura, lo que posibilita que las pistas de datos se superpongan más que antes.

Además, los discos magnéticos más delgados ofrecen un aumento adicional de capacidad. Actualmente tienen un grosor de tan solo 0,55 mm en lugar de 0,635 mm, lo que significa que caben 11 discos en lugar de 10 en el formato estándar de 3,5 pulgadas. Conjuntamente, MAS-MAMR, SMR y los discos magnéticos más delgados deberían aumentar la capacidad de almacenamiento de los discos duros a unos 40 TB en los próximos años.

No obstante, seguirán existiendo unidades sin SMR para el sector empresarial, ya que muchas aplicaciones empresariales generan cargas de escritura muy altas y dependen de un rendimiento de escritura constante. SMR no es ideal para esto debido a las operaciones de escritura largas. Sin SMR, los discos duros empresariales tendrán capacidades ligeramente inferiores.

El futuro pertenece a HAMR

Para encajar en el denominado “espacio de escritura” del cabezal de escritura, el generador de microondas utilizado en MAMR debe ser muy pequeño, lo que limita su rendimiento y hace improbable que se pueda ampliar la capacidad más allá de los 40 TB. La tecnología HAMR ofrece mayor potencial. En su caso, un diodo láser se sitúa sobre el espacio de escritura, a

través del cual el haz láser se guía hacia un transductor de campo cercano (NFT) vía una fibra óptica y se concentra en la superficie magnética. El material se calienta hasta el punto de Curie, donde pierde sus propiedades magnéticas, de modo que los bits pueden alinearse con una energía magnética muy baja.

Mientras que MAMR aumenta principalmente la densidad lineal de bits en las pistas de datos, HAMR tiende a aumentar la densidad de pistas. Al igual que MAS-MAMR, HAMR también requiere un nuevo tipo de recubrimiento en los discos magnéticos capaz de soportar un calentamiento preciso y permitir una alineación estable de los bits. HAMR aún no ha alcanzado la fiabilidad de MAMR, y los procesos de producción también deben ser más rentables.

Después de todo, el requisito más importante en el desarrollo futuro de los discos duros es que las nuevas tecnologías no incrementen el precio por unidad de capacidad; de lo contrario, las empresas simplemente recurrirían a discos duros más antiguos y pequeños. Sin embargo, dos prototipos presentados recientemente por Toshiba demuestran que HAMR funciona: uno alcanza los 27 TB con 10 discos magnéticos, y el otro, en combinación con SMR (y también con 10 discos magnéticos), alcanza los 32 TB.

En conclusión, en los últimos años, la capacidad de los discos duros empresariales ha aumentado de forma continua en torno a 2 TB al año, mientras que los costes se han mantenido estables, también gracias a FC-MAMR. MAS-MAMR y HAMR deberán continuar este desarrollo para permanecer en el mercado, donde MAS-MAMR está actualmente más cerca y, por tanto, las próximas generaciones de discos duros de hasta 30 o 40 TB tenderán a utilizar esta tecnología. HAMR tomará gradualmente el relevo.

Autor: Rainer W. Kaese, director senior de Desarrollo de negocio de HDD de Toshiba Electronics Europe GmbH