Las unidades de disco duro (HDD) siguen siendo indispensables para el almacenamiento rentable de grandes volúmenes de datos. Sin embargo, el método de grabación magnética perpendicular (PMR) utilizado durante los últimos 20 años ha alcanzado sus límites físicos. Las tecnologías de grabación magnética asistida por microondas (MAMR) y de grabación magnética asistida por calor (HAMR) permiten superar estas limitaciones y preparar a los HDD para el futuro. En los próximos años se esperan capacidades de 50 TB e incluso superiores. Pero ¿cómo funcionan estas nuevas tecnologías y cuál de ellas ofrece un mayor potencial a largo plazo?
Más energía para las operaciones de escritura
En los últimos años, la capacidad de almacenamiento de las unidades de disco duro (HDD) ha aumentado, por lo general, en torno a 2 TB al año. Para que esta tendencia continúe, son necesarias nuevas tecnologías, como MAMR y HAMR, ya que, como mencionaba antes, la grabación magnética perpendicular (PMR) convencional ha alcanzado sus límites. Pero ¿en qué se diferencian estas dos tecnologías y qué capacidades permitirán alcanzar en los próximos años?
Los HDD siguen siendo esenciales en las grandes infraestructuras de almacenamiento porque continúan siendo, con diferencia, el medio de almacenamiento más rentable que permite el acceso directo a los datos. La continua evolución de la tecnología HDD ha permitido incrementar de forma constante la capacidad de estas unidades.
Para alcanzar mayores capacidades, los fabricantes de HDD disponen básicamente de dos opciones: incorporar un mayor número de platos dentro del formato de 3,5 pulgadas o aumentar la densidad de datos en los platos magnéticos. Hace aproximadamente 10 años, la introducción de unidades rellenas de helio y el uso de platos más finos hicieron posible integrar nueve platos en lugar de ocho. Posteriormente, una placa de circuito impreso de menor tamaño situada en la parte inferior de la carcasa de la unidad -que dejó de extenderse por debajo del conjunto de platos- permitió añadir un plato adicional.
Desde entonces, los platos se han hecho todavía más finos, pasando de un grosor de 0,635 mm a solo 0,55 mm, lo que permite alojar 11 platos en una única unidad. Toshiba incluso ha demostrado con éxito un diseño con 12 platos. La principal innovación ha sido la sustitución del aluminio por el vidrio como material base de los platos, ya que el vidrio se deforma menos durante el proceso de recubrimiento y durante la rotación. Esto permite que platos más delgados mantengan su estabilidad mecánica y giren con una variación mínima en el plano de rotación.
Nuevos recubrimientos, mayor estabilidad de los bits
Al aumentar la densidad de datos en los discos, el método de grabación desempeña un papel decisivo. Durante los últimos 20 años, ese método ha sido la grabación magnética perpendicular (PMR), denominada así porque, a diferencia de la grabación magnética longitudinal (LMR), utilizada anteriormente, los bits se alinean verticalmente en lugar de horizontalmente.
La estructura de grano cada vez más fina del recubrimiento magnético de los discos ha permitido situar los bits individuales y las pistas de datos cada vez más próximos entre sí, almacenando así una mayor cantidad de información en la misma superficie. Sin embargo, la física impone unos límites que, en la práctica, ya se han alcanzado: si la estructura del grano se redujera aún más, los bits dejarían de ser lo suficientemente estables y podrían cambiar fácilmente de estado («flip») a medida que la unidad se calienta durante su funcionamiento.
Este problema puede evitarse mediante nuevos materiales de recubrimiento con una coercitividad superior a la de las aleaciones de hierro-cobalto utilizadas hasta ahora. Cuanto mayor es la coercitividad, mejor conserva el recubrimiento su magnetización y mayor es la estabilidad de los bits.
Alinear los bits durante las operaciones de escritura sobre estas nuevas superficies requiere mayor energía magnética que en el pasado, más de la que los cabezales de escritura de los HDD pueden proporcionar sin aumentar su tamaño. Sin embargo, incrementar el tamaño de los cabezales no resulta deseable, ya que volvería a aumentar la separación entre los discos. Por ello, los fabricantes de HDD han desarrollado nuevas tecnologías, como MAMR y HAMR, que utilizan recubrimientos de hierro y platino con mayor coercitividad y modifican temporalmente sus propiedades magnéticas para que la escritura pueda realizarse con menor energía magnética.
No todas las tecnologías MAMR son iguales
En sentido estricto, MAMR cuenta con dos variantes: la grabación magnética asistida por microondas con control de flujo (Flux-Controlled MAMR o FC-MAMR) y la grabación magnética asistida por microondas con conmutación (Microwave-Assisted Switching MAMR o MAS-MAMR).
La primera lleva ya algún tiempo utilizándose en los HDD y consiste en concentrar el flujo magnético mediante un campo de microondas generado por un oscilador de par de giro (Spin Torque Oscillator, STO). Esto permite escribir los bits con mayor densidad, aunque requiere dos elementos de lectura en el cabezal de lectura/escritura para mejorar la relación señal-ruido (SNR) y garantizar una lectura fiable de los datos.
Como FC-MAMR no actúa directamente sobre el material del recubrimiento, esta tecnología puede utilizarse con los recubrimientos actuales, aunque solo proporciona incrementos de capacidad relativamente modestos. Se espera que las mayores mejoras a medio plazo provengan de MAS-MAMR, que sí interactúa activamente con el recubrimiento.
En MAS-MAMR, un oscilador de par de giro doble situado en el espacio de escritura del cabezal de lectura/escritura genera un campo de microondas más intenso que excita específicamente el área objetivo del recubrimiento de hierro y platino. Cuando oscila a la frecuencia adecuada, basta una pequeña cantidad de energía magnética para alinear la estructura del grano y escribir un bit. Una vez que el oscilador se desactiva, el material deja de oscilar y el bit permanece estable.
Aparte de la precisión requerida en el circuito del oscilador, la tecnología en sí es relativamente sencilla y somete al material a un nivel muy reducido de esfuerzo. Además, puede combinarse con la grabación magnética escalonada (Shingled Magnetic Recording, SMR), lo que permitirá alcanzar capacidades de entre 32 y 33 TB por unidad en la próxima generación de HDD con 11 discos. La siguiente generación, equipada con 12 discos e incorporando nuevas mejoras en MAMR, permitirá alcanzar capacidades cercanas a los 40 TB.
Aunque en el pasado la tecnología SMR fue objeto de críticas debido a las fluctuaciones en el rendimiento de escritura, la incorporación de memorias caché de mayor tamaño y algoritmos de almacenamiento en caché más avanzados ha incrementado significativamente su fiabilidad. No obstante, para entornos con cargas intensivas de escritura o con requisitos estrictos de rendimiento constante y predecible, seguirán estando disponibles modelos sin SMR, aunque con capacidades algo inferiores.
El calor aumenta los requisitos de materiales en HAMR
Dado que el oscilador de par de giro (Spin Torque Oscillator, STO) debe alojarse en el espacio de escritura del cabezal, su tamaño tiene que ser extremadamente reducido. Esto limita su rendimiento, por lo que resulta poco probable que la tecnología MAMR permita alcanzar capacidades muy superiores a los 40 TB. A largo plazo, HAMR ofrece un mayor potencial.
En la tecnología HAMR, un diodo láser se sitúa sobre el cabezal de lectura/escritura. El haz láser se guía a través de una guía de ondas óptica hasta un transductor de campo cercano (Near Field Transducer, NFT), que concentra la energía con gran precisión sobre el área donde se va a escribir. Esta zona se calienta durante un breve instante hasta alcanzar la temperatura de Curie del material, muy por encima de los 400°C, lo que provoca que pierda en gran medida sus propiedades magnéticas. De este modo, la estructura del grano puede alinearse utilizando únicamente un campo magnético débil. Posteriormente, el material se enfría rápidamente, estabilizando la magnetización.
Desde el punto de vista técnico, HAMR plantea mayores desafíos que MAMR, ya que el rendimiento del diodo láser disminuye con el paso del tiempo y los materiales deben soportar un estrés térmico considerablemente superior. No obstante, gracias a avanzados métodos de análisis y diseño, los fabricantes han conseguido desarrollar unidades HAMR tan fiables y duraderas como las generaciones anteriores de HDD. En el caso de las unidades para entornos empresariales, esto se traduce en un tiempo medio entre fallos (MTTF) de 2,5 millones de horas y en la capacidad de soportar cargas de trabajo de hasta 550 TB al año. El consumo energético solo aumenta ligeramente debido al diodo láser, un incremento que queda ampliamente compensado por la mayor capacidad de almacenamiento. Como resultado, la relación entre vatios consumidos y terabyte almacenado es significativamente inferior a la de los modelos anteriores.
Se espera que las próximas generaciones de HDD basadas en HAMR ofrezcan inicialmente capacidades cercanas a los 45 TB por unidad y, posteriormente, alrededor de 55 TB. En los modelos con 12 platos, uno de los retos consiste en que el diodo láser situado sobre el cabezal de lectura/escritura aumenta ligeramente la altura del conjunto, por lo que, con el diseño actual, dejaría de caber entre los platos magnéticos. Sin embargo, es probable que este problema se resuelva con una pequeña abertura en el conjunto de suspensión del cabezal.
Todavía no está completamente claro cuál será la capacidad máxima que podrá alcanzarse con HAMR, aunque algunos expertos prevén unidades de 100 TB o superiores. Incluso si HAMR no llegara a alcanzar esas cifras, los fabricantes de HDD ya están investigando tecnologías que la sucederán y que permitirán aprovechar de forma más eficiente la superficie de los platos, por ejemplo, mediante estructuras de grano alineadas uniformemente o mediante «puntos» magnéticos aislados.
En conclusión, con unidades equipadas con hasta 12 platos y tecnologías avanzadas de grabación como MAMR y HAMR, se espera que los HDD continúen incrementando de forma constante su capacidad durante muchos años, manteniéndose al mismo tiempo como el medio de almacenamiento más rentable del mercado. Tanto MAMR como HAMR se basan en nuevos materiales de recubrimiento que permiten aumentar la densidad de bits y de pistas. Además, ambas tecnologías modifican temporalmente las propiedades magnéticas de estos recubrimientos durante las operaciones de escritura para reducir la energía magnética necesaria.
