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2025年產業環境應用下 高容量硬碟儲存技術現況
 

【作者: 盧傑瑞】   2019年06月04日 星期二

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長久以來,硬碟設備已經廣被電腦、影音設備產品、資料儲存中心所使用。最近這些年,由於使用快閃記憶體為基礎的SSD竄起,已經開始瓜分了原本硬碟設備的一些市場比例。不過,就以記錄容量和Bit/成本比來看,依舊是硬碟設備佔有較大的優勢性。


面對雲端服務的普及,以及動畫內容、影片共存於同一網站等應用的急速擴大,負責管理資料保存的資料中心也不斷提出,更大單一硬碟容量的要求。因此,新世代的硬碟儲存技術,以及實品化的消息也就不斷的被發表出來。


硬碟設備是利用磁性碟片中,微小的磁石進行轉向的原理,來代表著1或0的資料技術與存取動作。自從1956年IBM發表了全球第一台「RAMAC」的硬碟儲存產品後,經過半個多世紀以來,硬碟設備透過讀寫頭,對磁性碟片進行儲存與讀寫的機械性原理基礎,並沒有革命性的改變。


而世代性更替的技術則是磁性技術與密度的突破。在過去,「RAMAC」的基礎下,使用了50片的24英吋磁性碟片下,僅僅只能達到2K Bit的儲存容量,已經今天的眼光來看,幾乎是無法容忍的超低性能比,但是在當時,在儲存產業領域中卻是猶如阿姆斯壯登月第一步似的革命性突破(圖一)。



圖一 : 硬碟儲存技術與演進
圖一 : 硬碟儲存技術與演進

就現今硬碟儲存的form factor幾乎為3.5英吋與2.5英吋,而儲存密度方面,已經可以達到每平方英吋為1Tera Bit。就單存的計算而言,硬碟設備的紀錄密度,在過去的60年間,已經增加了5億倍。


此外,過去曾經是主流尺寸的1英吋與1.8英吋的小型硬碟產品,現在已經完全被快閃記憶體(SSD)所取代了。


快閃記憶體所帶來的競爭壓力

面對快閃記憶體的崛起,硬碟設備競爭力的基礎還是在每一Bit的成本。根據威騰(WD)的分析,在10年前,TB級硬碟的成本大約是100多美元,但是與同儲存量的快閃記憶體成本相比,僅僅是快閃記憶體的50~60分之一左右。當然,隨著半導體技術進步所帶動的生產成本降低,使得近幾年的快閃記憶體成本,已經是硬碟設備的20倍左右。


根據Techno System Research資料,將SSD應用區分了4大領域的部分,分別是「企業(Enterprise)」、「資訊電腦(PC)」、「增加(Add-On)」、和「其他」。而其中,對於SSD需求最大的仍舊是資訊電腦(PC)產業,佔了總出貨台數的58%,2018年的全球出貨數比前一年成長了40.1%,市場規模為9700萬台。


其次是「增加(Add-On)」,佔了總出貨數量的24%,成長率方面,比前一年增加了27.4%達到了4070萬台。而在這四大領域中,成長率最高的是企業方面應用,和2017年相比,大幅度的增加了50.9%,數量約達到2410萬台。在其他領域應用方面,市場規模則是為535萬台,成長了約15.1%。


根據日本HDD協會的資料,預計在2020年,SSD的市場銷售金額將會超越傳統的硬式磁碟。不過,雖然SSD的市場規模呈現急速成長的基礎下,SSD在每一記憶單元/成本的部分,即便是到了2023年時,還是硬碟的7.7倍。因此,要讓SSD的每一記憶單元/成本達到和硬碟一樣,仍舊是相當困難的一件事情。


未來,在快閃記憶體多值化(3 Bit的TLC,還是4 Bit的QLC),以及3D立體堆疊技術下,相信成本將會再更進一步的降低。


面對來自快閃記憶體製程進步所帶動的成本降低壓力下,硬碟唯有不斷提升相關技術,才能在儲存市場中,繼續保有領先的地位。因此,在此競爭環境驅動之下,包括MAMR、HAMR等等的新一代技術,就被發表出來,帶動著硬碟儲存設備持續朝向更高密度與更低成本前進,減緩快閃記憶體在性價比上,追上硬碟設備的速度。


MAMR以及HAMR等等新技術觀念被提出

在過去數十年中,硬碟中的磁性技術,從最早期IBM所開發出來的「RAMAC」後,硬碟高密度的革新技術,便不斷出現新技術觀念被提出來與實用化。例如因為期望克服磁石粒徑大小的問題所造成密度上的物理極限,由LMR(縱向磁紀錄)轉為PMR(Perpendicular Magnetic Recording ; 垂直磁紀錄)。而這項技術,在2004年由東芝發表出領先全球的第一款商品化硬碟設備。隨後,高密度化技術就一直支撐著硬碟設備的發展。


表一 磁碟相關技術的提升

容量提升相關技術

效能提升相關技術

PMR:增加記錄密度

SMR:疊瓦式架構增加記錄密度

Helium:增加碟片數

MAMR:使用微波加熱技術增加穩定度與記錄密度

HDMR:使用雷射加熱技術增加穩定度與記錄密度

TDMR多讀寫頭,增加S/N比

Multi Actuator讀寫頭能獨立運作

Parallelism2倍順序寫入效能

(資料來源:CTIMES整理)

為了改善PMR,機械式硬碟寫頭寬度大於讀頭寬度,而寫頭寬度已達到物理上最小的限制,因此新一代的寫入技術SMR(Shingled Magnetic Recording,疊瓦式磁記錄)就被提出來。簡單的說,PMR就像是一軌軌的資料寫入方式,彼此間沒有重疊。而SMR就是利用碟片上Track(記錄資料時同心圓狀的圓周)的一部分,進行重疊記錄,讓資料軌部分重疊方式進行紀錄,因作法與瓦片交疊方式相仿,所以稱為疊瓦式磁記錄技術。


數據上,如果單純採用PMR技術的話,每平方英吋可以有1T Bit的儲存容量,但是如果同時混合採用PMR和SMR技術,每平方英吋的儲存容量可以提升到1.4 T Bit。


不過,業界並不滿意PMR和SMR的記錄穩定性。這是因為在碟片中不斷地在提升記錄層中磁石的細微化,雖然因為磁石的細微化可以提升記錄的密度能力,但是另一方面,卻會犧牲掉磁石對於磁性的維持能力。因為粒徑越小磁石的熱安定性也愈低,這樣一來對於磁性的保持能力也就會等比降低。


由於低熱安定性的狀況下,經常會發生寫入讀出錯誤,或者資料無端消失等問題。因此,一方面除了不斷降低磁石的粒徑之外,如何能不犧牲磁石對於磁性維持的能力,提高熱安定性也就成了另一層次的研發方向。


面對這樣的問題,技術人員提出利用微波的MAMR技術,以及使用雷射的HAMR等新技術觀念。


透過微波加入的MAMR磁性儲存技術

MAMR技術在寫入時利用自旋力矩振盪器(Spin Torque Oscillator)在磁頭產生電磁場,使磁頭可以在較低磁性條件下進行寫入,可以在寫入顆粒可以再縮小的前提下,正確完成寫入動作,目的是使硬碟碟片上的磁軌密度再次提高,造出更大容量的硬碟(圖二)。



圖二 : MAMR是利用微波的方式來提高磁軌密度。(資料來源:威騰)
圖二 : MAMR是利用微波的方式來提高磁軌密度。(資料來源:威騰)

在眾多的新技術中,威騰(Western Digital)是偏向MAMR技術。威騰最新MAMR產品,預定將在2019年內推出,初步可提供 16TB(ePMR)、18TB(eSMR)容量,到了2020年則可增加到20TB。


針對大容量硬碟需求的趨勢,日本昭和電工也在其MAMR技術下,不斷增加硬碟儲存媒體的容量。昭和電工正式的宣布,從2019年開始提供可以支援3.5 英吋應用的次世代MAMR碟片。這次昭和電工利用鋁材質基板,開發出單片容量高達2 TB高容量的MAMR碟片,以傳統記錄技術包括CMR、PMR、SMR等世代區分,大約是位於第10世代(表二)。


表二 磁記錄技術世代容量

世代

2.5 英吋

3.5 英吋

1世代

80GB

160GB

2世代

120GB

250GB

3世代

160GB

3340GB

4世代

250GB

500GB

5世代

334GB

750GB

6世代

500GB

1 TB

7世代

 

 

8世代

670GB

1.1 TB~1.3 TB

9世代

750GB

1.3 TB~1.5 TB

10世代

1 TB

1.5 TB~1.8 TB

 

 

2 TB

(資料來源:CTIMES整理)

東芝電子除了現有的TDMR和疊瓦式SMR磁記錄技術之外,還將開發MAMR技術,正式導入日本昭和電工的MAMR碟片。昭和電工也對外宣布,將先提供東芝電子來生產採MAMR技術的大容量硬碟裝置,其可儲存量將高達18 TB。預計在2019年中,正式對外以Near-Line(近線儲存)的硬碟產品型態出貨。


另一方面,東芝電子除了積極發展MAMR技術之外,也不放棄HAMR技術。面對現有市場需求,在較短期的規劃中,東芝電子已計劃提供首批16TB TDMR硬碟,不過CMR和SMR磁記錄技術,也已在積極醞釀中。


利用Laser進行加熱的HAMR技術

正積極開發HAMR( Heat-Assisted Magnetic Recording,熱輔助磁記錄)技術的希捷(Seagate),也已經開始試產HAMR產品,即將推出16 TB大容量的3.5英吋硬碟「Exos HAMR」系列,預計在2020年時,再推出更大容量的硬碟。


此技術提供了資料讀寫後,再確認正確性的動作,因此可以確保和過去技術型態硬碟的互換成功性。希捷計畫每30個月將儲存密度提高一倍,也就是說,到2025~2026年之後,硬碟的儲存容量將會高達100 TB以上。


HAMR技術是在寫入時利用Laser對碟片的寫入區域進行加熱,使寫入顆粒可以再縮小,同時不影響資料的正確性。並且在磁性讀寫頭上,配裝有小型雷射二極體,因此可以透過雷射進行加熱的方式,提高Data Bit磁氣性穩定性。


因此透過HAMR的技術,可以解決在過去技術中,較小的磁性區域會因為溫度變化,與來自相鄰位的干擾,發生磁極性轉換,進而導致二進位位值變化。


根據希捷的說法,藉由標準硬碟的最適化測試後發現,針對企業需求所研發的HAMR技術,無論是作為讀出/寫入用的讀寫頭,在可靠度及壽命方面的測試數值,皆高於現下主流技術的20倍左右。


更進一步在Plug and Play的互換性上,也能夠確保穩定與安全。因此,希捷確認,透過採用HAMR的技術,能夠和過去的硬碟進行相當簡單化的互換動作,另外在相同的尺寸下,可以大幅度的提高儲存容量,並且因此能夠降低硬碟的總成本。


MAMR與HAMR白熱化爭奪下一代主流儲存技術

目前來看,仍無法確定是MAMR或HAMR會制霸次世代的主流技術,但就成本角度來看,或許MAMR較為有利些。另外,透過採用微波的方式,所產生的溫度和傳統的PMR差不多,也不會因為產生溫度而對資料的儲存與讀寫帶來影響,這些都是MAMR所能表現出來的優勢點。因此在記錄密度能達到4.5T bit/平方英吋的目標下,在目前主流技術8片碟片組合的硬碟基礎下,單一硬碟的儲存量就有可能高達40TB。


而HAMR技術中,需要花費數奈秒的時間進行加熱與冷卻的動作,如此一來,高溫會對讀寫頭的最前端造成一定程度的劣化,在長時間累積下,將會影響讀寫頭的使用壽命,這也是目前HAMR急待改善的問題點。


不過,由於HAMR技術的高密度化特色,使得在相同的面積中,可以出現更高的儲存容量,因此,對於超過50TB的大容量化目標,以HAMR技術為基礎,是完全可以被期待的。(圖三)



圖三 : HAMR技術是在寫入時利用 Laser 對碟片的寫入區域進行加熱。(資料來源:ArsTechnica)
圖三 : HAMR技術是在寫入時利用 Laser 對碟片的寫入區域進行加熱。(資料來源:ArsTechnica)

面對更高容量需求的次世代革命性技術

以將來更大量儲存需求而言,4.5~5T bit/平方英吋已經難以滿足了,因此10T bit/平方英吋超高容量的儲存技術就開始被提出來討論。而在此目標之下,傳統的磁性媒介是相當難以達到。因此,革命性記錄方式紛紛地被發展出來。



圖四 : MAMR與HAMR的比較表
圖四 : MAMR與HAMR的比較表

現階段,強誘電記錄(ferro-electric Recording)以及3D記錄是相當熱門討論的技術方向。


所謂的強誘電記錄技術,就是利用強誘電自發分極的方向,來達到記錄位元資料的方式,這有點類似PMR的記錄技術,但卻是以電氣的方式來實現。目前ASRC(Advanced Storage Research Consortium)所發表的技術報告,透過強誘電記錄的技術,已經可以完成4 Tbit/平方英吋的能力。


在3D記錄技術方面,東芝已發表了關於在記錄層透過3D結構下進行多層化,然後再透過多層化的磁性碟面進行儲存和讀寫的動作。這個多層化結構的碟片,是利用具有相異強磁性共頻的磁性體來完成製程,透過強磁性共頻所對應的微波來進行記錄印加。因為只有在特定的磁性體層下,才能夠進行磁性震動的勵起現象,而被磁性震動所勵起的記錄層,可以降低磁化反轉所需的能源,因此可以達到磁化反轉的可能性。


現今種種被提出的新一代技術,無不是為了即將到來2025年產業環境應用,例如透過磁性讀寫頭、多層記錄等,都是為了達到儲存裝置的更高記錄容量所準備的。但相信,達到這些技術目標前,所須要面對的問題,必定是相當多且困難。


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