Jak zmieścid 50 TB na twardym dysku, czyli o fizyce zapisu informacji Michał Krupioski Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczaoskiego, 2010
O czym jest ta prezentacja? Jak działają twarde dyski? Jak zapisywad i odczytywad informację? Co zrobid, aby dyski były pojemniejsze? Jakie zjawiska fizyczne rządzą zapisem informacji? Co czeka nas w przyszłości? Na początek proste pytanie celem rozruszania: Czy jest w ogóle możliwe, aby standardem dla zwykłego laptopa był twardy dysk o pojemności 50 TB? a) tak, jak najbardziej to bardzo proste b) tak to trudne, ale fizycy i inżynierowie coś wymyślą c) nie bo chod to możliwe, to jest to nieopłacalne d) nie fizyka tego zabrania (odpowiedź na ostatnich slajdach)
Helmut Dosch, Stuttgart
Helmut Dosch, Stuttgart
Pierwszy twardy dysk 1956 IBM 305 RAMAC Oszałamiające parametry pierwszego twardego dysku: pojemnośd: 4 MB budowa: 50 24 dzierżawa: 35000 $/rok http://ed-thelen.org/ramac Zapotrzebowanie na komputery na świecie szacuje się na około 5 sztuk Dziś: zmniejszenie rozmiarów 10 8 razy zwiększenie mocy obliczeniowej 10 8 razy Tomas Watson, prezes IBM, 1943
Ewolucja pamięci magnetycznych http://www.tomcoughlin.com/techpapers/head&media.pdf
Gęstośd zapisu informacji Jest miarą ilości informacji (wyrażonej w bitach), którą można zapisać na określonej jednostce powierzchni (objętości). Przykłady: 1 cal = 2,54 cm Nośnik Gęstośd zapisu informacji [Gbit/cal 2 ] CD 0,9 DVD 2,2 Blu-ray 12,5 Twardy dysk 500 GB 200 Największa gęstośd osiągalna obecnie na rynku 400 Fizyczna granica (oszacowanie) 1 000 000 000
Ewolucja gęstości zapisu http://www.kk.org/thetechnium/archives/2009/07/was_moores_law.php
Gęstośd zapisu informacji Na gęstośd zapisu informacji mają wpływ: geometria i sposób zapisu rodzaj, wielkośd, wymagania głowicy (elementu odczytującego) materiał dysku fizyka Oprócz gęstości zapisu ważne są: szybkośd zapisu i odczytu trwałośd przechowywania informacji cena wymagania eksploatacyjne
Trwałośd zapisu informacji DVD twarde dyski w idealnych warunkach: 300 lat (ponod nawet 1000 lat) przy standardowym używaniu: 10 lat w idealnych warunkach: 10 lat przy standardowym używaniu: 5 lat Wymaganiem stawianym każdemu twardemu dyskowi jest trwałośd wynosząca 8 10 lat
Ceny twardych dysków pojemnośd dysku cena 500 GB 150 300 zł 1 TB 200 400 zł 1,5 TB 300 500 zł 2 TB 300 600 zł 4 TB 1500 2400 zł Ceny twardych dysków o różnych pojemnościach nie skalują się linowo!
www.wikipedia.org 8 cali 1 cal = 2,54 cm 5,25 cala 3,5 cala 2,5 cala 1,8 cala 1 cal
Rozmiary twardych dysków tutaj kryją się wszystkie nasze pliki Dysk 3,5 cala Dysk 2,5 cala http://www.komputerswiat.pl/media/304970/dyski-twarde-1.jpg
Budowa talerza warstwa smarna 1 nm warstwa węgla 15 nm 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 warstwa magnetyczna 30 nm Cr 50 nm Ni-P 10 m metal (dawniej szkło)
Nanoszenie cienkich warstw metali 1 podgrzewane tygielki z metalami Jak stworzyd materiał na talerz twardego dysku? Metod jest kilka, jedną z nich jest metoda naparowywania termicznego tu lecą sobie atomy z rozgrzanego tygielka z metalem a tu nam się tworzy cienka warstwa podłoże
Nanoszenie cienkich warstw metali 2 Gdy uzyskaliśmy warstwę o pożądanej grubości wystarczy po prostu zamknąd wylot atomów z tygielka przesłony podłoże
Nanoszenie cienkich warstw metali 3 Otwierając inny tygielek możemy nanieśd następną warstwę z innego metalu i znów lecą sobie atomy, tym razem innego metalu warstwa po warstwie uzyskujemy układ wielowarstwowy podłoże
http://www.physics.ucf.edu/~roldan/laboratory.html
Zapis informacji na twardym dysku Informacja na twardym dysku zapisywana jest magnetycznie. Każdy bit odpowiada obszarowi o dobrze zdefiniowanym kierunku namagnesowania. http://www.komputerswiat.pl/media/304970/dyski-twarde-1.jpg
Materiały do zapisu IBM 1 domena ~ 10 100 nm 1000 ziaren/bit M. Doerner et al., IEEE Trans. Magn., 37 (2001) 1052
obraz domen magnetycznych na talerzu twardego dysku obserwowany mikroskopem MFM pojedyncze domeny = pojedyncze bity informacji http://www.spmlab.science.ru.nl/eng/uitleg/varianten/mfm/
Jak działa mikroskop sił magnetycznych? igła pokryta materiałem magnetycznym droga igły płaska magnetyczna próbka laser igła dźwignia podstawka http://www.mechmat.caltech.edu/~kaushik/park/1-3-0.htm http://www.farmfak.uu.se/farm/farmfyskem-web/instrumentation/afm.shtml
Tytuł 25 m 25 m obraz magnetyczny obraz topografii obraz topografii 10 m obraz magnetyczny 10 m http://www.veeco.com.tw/library/nanotheater_detail.php
30 m http://www.dataclinic.co.uk/data-recovery
Jak zapisywana i odczytywana jest informacja? głowica odczytująca element zapisujący ziarna magnetyczne i granica domen IBM http://hardware.hoga.pl/articles/dysk/front3.asp
głowica twardego dysku sunąca po powierzchni talerza www.wikipedia.pl
głowica twardego dysku od spodu
Odczyt danych głowica odczytująca element zapisujący IBM ziarna magnetyczne i granica domen Głowica odczytująca Wykorzystuje zjawisko gigantycznego magnetooporu po raz pierwszy zaobserwowane dla układu Fe/Cr w 1986 r Nagroda Nobla w 2007 r. dla Alberta Ferta i Petera Grünberga http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/
Gigantyczny magnetoopór (RH-RH=Hs/RH=Hs) x 100% 2 1,5 1 0,5 B B 0-800 -600-400 -200 0 200 400 600 800 B [mt]
Zapis informacji na twardym dysku Fizyczny obraz domen magnetycznych: I sposób kodowania informacji: 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 II sposób kodowania informacji: 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 Ze względu na typ głowicy odczytującej stosowany jest drugi sposób. (dlaczego? przeanalizuj poprzedni slajd)
szybkośd zapisu Szybkośd zapisu informacji na twardym dysku ω R rozmiar zapisywanych danych r prędkośd liniowa punktu na talerzu prędkośd kątowa talerza twardego dysku promieo
Talerz i głowica twardego dysku przerwa między powierzchnią twardego dysku a głowicą wynosi 5-15 nm głowica unosi się nad powierzchnią talerza na poduszce powietrznej gładkośd powierzchni talerza: kilka nanometrów niezwykła precyzja w pozycjonowaniu głowicy www.wikipedia.pl
Jak zapisywad? Pomysł 1 zapis równoległy i prostopadły ekran element zapisujący ekran element zapisujący głowica odczytująca głowica odczytująca zapisane bity metodą równoległą nośnik magnetyczny zapisane bity metodą prostopadłą nośnik magnetyczny miękka warstwa magnetyczna zapis równoległy zapis prostopadły obecnie: nieużywany w nowych produktach granica: 30 Gb/cal 2 obecnie: 400 Gb/cal 2 (Hitachi) granica: 1 Tb/cal 2 Computer Desktop Encyclopedia The Computer Language Company
Zapis równoległy vs prostopadły Zachowując podobną objętośd domen magnetycznych zwiększamy powierzchniową gęstośd zapisu. http://www.productwiki.com/upload/images/perpendicular_recording.gif
Jak zwykle są problemy Cienkie warstwy materiałów magnetycznych nie chcą magnesowad się w kierunku prostopadłym do warstwy. Fe, Co, Ni, Gd i wiele wiele innych Rozwiązanie: Opracujmy nowe materiały magnetyczne! Materiały do zapisu prostopadłego: stopy FePt, FePdCu, CoPt
Energia Problemy piętrzą się dalej: Superparamagnetyzm J. Eisenmenger, I.K. Schuller, Nature Materials 2 (2003) 437 438 Zjawisko występujące dla materiałów złożonych z nanocząstek magnetycznych lub bardzo małych domen magnetycznych. Kierunek namagnesowania Fluktuacje termiczne mogą zmienid kierunek namagnesowania obszarów magnetycznych. Utrata zapisanej informacji!!!
Rozwiązanie problemu superparamagnetyzmu 1. Odizolowad od siebie obszary zapisu informacji materiał magnetyczny odpowiednio ukształtowane podłoże 2. Zastosowad twardy materiał magnetyczny magnetycznie miękki (łatwo go rozmagnesowad) magnetycznie twardy (trudno go rozmagnesowad)
Jak zapisywad? Pomysł 2 Bit Patterned Media konwencjonalny dysk twardy nanostrukturyzowany dysk twardy magnetyzacja magnetyzacja wyspa magnetyczna granica domeny komórka danych ścieżka danych ziarna dane https://www1.hitachigst.com/hdd/research/storage/pm
Nanostruktury Bit Patterned Media krok 1: Nanosimy warstwę magnetyczną na uporządkowaną matrycę nanokulek krok 2: Zapisujemy informację krok 3: Cieszymy się z osiągniętego rezultatu http://www.tu-chemnitz.de/physik/ofgf/research/bilder/patterned2.jpg
Co czeka nas w przyszłości? M.K. Kryder, Ch.S. Kim, After Hard Drives What comes next?, IEEE Trans. Magn. 45 (2009) 3406 w 2020 roku twardy dysk o pojemności 14 TB będzie kosztował 40 $ ( 120 zł) za 10 lat dostępne będą twarde dyski o pojemności powyżej 20 TB pamięci flash szybko osiągną kres swoich możliwości do użycia wejdą nowe, obecnie nie używane typy pamięci komputerowych Obecnie wydaje się, że na pytanie z pierwszego slajdu najbardziej prawdopodobna jest odpowiedź b) lub ewentualnie c)
Wnioski Dyski twarde będą nadal (co najmniej przez 10 lat) najważniejszą pamięcią trwałą w komputerach Zgodnie z prawami fizyki kres rozwoju technologicznego jest jeszcze daleko przed nami Zbudowanie twardego dysku 3,5 cala o pojemności 50 TB jest możliwe! Rola fizyków w tym procesie jest ogromna
Dziękuję za uwagę Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczaoskiego, 2010