Laten we nu eens dieper ingaan op alle onderdelen van Mozaic 3+ om na te gaan hoe ze de baanbrekende oppervlaktedichtheid van Seagate hebben helpen realiseren.
Superroostermedium uit platinalegering
In de zoektocht naar een hogere oppervlaktedichtheid is Seagate's superroostermedium dat uit een platinalegering is vervaardigd een belangrijke stap voorwaarts op het gebied van magnetische opslagmedia. Deze baanbrekende technologie bestrijdt het probleem van magnetische instabiliteit op nanoschaal door ervoor te zorgen dat de magnetische polariteit van een bit die gegevens bevat moeilijker kan wisselen. Om een 'hardere' opslaglaag te ontwikkelen met een hogere magnetische coërciviteit dan die van conventionele schijven, hebben de technici van Seagate een superroosterstructuur gemaakt waarin de precieze rangschikking van elk atoom een cruciale rol speelt.
In het Mozaic 3+ Platform, waar gegevens moeten worden opgeslagen in de vorm van magnetische bits die dichter bij elkaar staan dan haalbaar is met conventionele PMR-schijven, moesten de gegevensdragers helemaal opnieuw worden bedacht. De geavanceerde materialen en structuren die in Mozaic 3+ media worden gebruikt, maken het mogelijk om gegevens veel nauwkeuriger te schrijven dan met elke eerdere hardeschijftechnologie. Het medium is niet gewoonweg een passief onderdeel, maar neemt actief deel aan het gegevensopslagproces, en zorgt ervoor dat meer gegevens kunnen worden opgeslagen in dezelfde fysieke ruimte.
De essentie van deze technologie ligt in het gebruik van deeltjes van platina (Pt) en ijzer (Fe), waaruit het opslagmedium van Mozaic 3+ harde schijven van Seagate is vervaardigd. Elk nanodeeltje dat nauwelijks enkele nanometer groot is, fungeert als een afzonderlijke gegevensbit. De hoge magnetische anisotropie van het medium maakt het mogelijk om deze fijne granulariteit te bereiken en tegelijk magnetische fluctuaties tussen de bits te voorkomen. Hierdoor blijft de magnetische richting van het materiaal in de loop van de tijd doorgaans onveranderd, zodat elke bit stabiel blijft en ongewijzigd blijft bij het schrijven van aangrenzende gegevens. Dankzij deze innovatie kunnen gegevens met opmerkelijke precisie op Mozaic 3+ harde schijven worden geschreven, terwijl de integriteit van de aangrenzende gegevens behouden blijft.
De speciale magnetische legeringen van het opslagmedium geven de voorkeur aan een vooraf bepaalde magnetische richting. Die richting is essentieel om de magnetische toestand van afzonderlijke bits te stabiliseren, en zo hun gevoeligheid voor thermische schommelingen te verminderen. De keuze van Seagate voor een chemisch geordende, korrelige legering uit ijzer en platina (FePt) is van cruciaal belang. De hoge magnetische anisotropie zorgt voor de nodige stabiliteit waarmee opgeslagen bits een oppervlaktedichtheid van recordniveau kunnen bereiken.
Voor de Mozaic 3+ technologie is het cruciaal dat in het superroostermedium dat uit een platinalegering is vervaardigd een hoge mate van ordening wordt bereikt. Dit omvat een geavanceerd productieproces waarbij gebruik wordt gemaakt van epitaxiale groei om dunne FePt-films af te zetten op kristallijne onderlagen op een speciaal glassubstraat. Deze onderlagen dienen als een sjabloon en bepalen de richting en ordening van de FePt-korrels tijdens het afzettingsproces. De ontharding bij hoge temperaturen die daarop volgt, bevordert de ordening in de FePt-korrels, wat leidt tot een fasetransformatie die de magnetische eigenschappen van het medium en de uitlijning van de korrels verbetert.
Dit complexe en zorgvuldig aangestuurde proces zorgt ervoor dat het superroostermedium dat uit een platinalegering is vervaardigd een robuust, stabiel platform voor gegevensopslag met hoge dichtheid biedt. Dankzij de precieze rangschikking van atomen in de superroosterstructuur kunnen de media van Seagate een grote bijdrage leveren aan de hogere oppervlaktedichtheid van Mozaic 3+ harde schijven, die een grote stap voorwaarts is in de technologie van gegevensopslag.
De plasmonische schrijfunit
Aangezien de media magnetisch 'harder' worden gemaakt om gegevensinstabiliteit te voorkomen, vereist het ontwerp een revolutionaire schrijfunit.
De werking van deze schrijfunit draait in essentie om de mogelijkheid om het superroostermedium dat uit een platinalegering is vervaardigd in minder dan twee nanoseconden nauwkeurig te verhitten tot meer dan 426 °C (800 °F) en ook weer af te koelen. Deze snelle thermische cyclus is van cruciaal belang voor het effectieve registratieproces van Mozaic 3+. Voor deze complexe taak wordt een laser gebruikt die nauwkeurig wordt aangestuurd en door een fotonische trechter naar een quantumantenne wordt geleid. Samen creëren deze onderdelen een plasmonisch veld dat een gericht gebied op de schijf verhit, als voorbereiding op het schrijven van gegevens door de schrijfkop met magnetische kern.
Het ontwerp van de schrijfkop met magnetische kern is aangepast om er de Mozaic 3+ technologie naadloos in te integreren. Elke verfijning, van laserintegratie tot slijtvastheid, is zorgvuldig overwogen om de effectiviteit van Mozaic 3+ te vergroten.
Onderdelen van de plasmonische schrijfunit
De plasmonische schrijfunit is samengesteld uit een traditionele magnetische kern plus drie nieuwe, baanbrekende onderdelen, elk met een specifieke functie om het schrijfproces in het Mozaic 3+ Platform mogelijk te maken: de nanofotonische laser, de fotonische trechter en de quantumantenne.
Laten we elk nieuw onderdeel in detail bekijken:
Nanofotonische laser:
De nanofotonische laser is het resultaat van uitgebreide innovatieve inspanningen door Seagate om het landschap van de technologie voor gegevensopslag te hertekenen.
De laser is de bron van de energie die de magnetische eigenschappen van het superroostermedium dat uit een platinalegering is vervaardigd tijdelijk verandert, om zo het gebied voor te bereiden op het schrijven van gegevens. Door de precisie en kortstondigheid van het energie-effect kan de dichtheid worden verhoogd van de bits die per schijfplaat kunnen worden opgeslagen. Door een geavanceerde aansturing in combinatie met de fotonische trechter en quantumantenne verhit de laser alleen de noodzakelijke nanodeeltjes op het medium, waardoor hun magnetische weerstand wordt verminderd en gegevens kunnen worden geschreven met minder magnetische veldsterkte dan anders nodig zou zijn. Door de zorgvuldige aansturing wordt alleen de bit verhit waarop wordt geschreven. Hierdoor blijft de stabiliteit en integriteit van de aangrenzende gegevens behouden.
Seagate heeft een schaalbaar innovatief proces met geoptimaliseerde kosten bedacht waarin lasers samen met onze geavanceerde schrijfkoptechnologie zijn geïntegreerd. Er is een uitgebreide karakterisering uitgevoerd om ervoor te zorgen dat onze intern vervaardigde lasers hetzelfde consistentie- en kwaliteitsniveau behouden als die van andere toonaangevende fabrikanten, om zo leveringsflexibiliteit op de lange termijn te creëren.
Onze ontwerpoverwegingen voor de nanofotonische laser zijn nauwgezet en gericht op factoren zoals het type en de golflengte van de laser, het uitgangsvermogen, de straalkwaliteit en de modulatieregeling. Elke parameter is nauwkeurig afgesteld om de effectiviteit en precisie van de laser tijdens het schrijfproces te garanderen. De integratie in de schrijfkop vereist een nauwkeurige uitlijning, zodat de laserstraal vanuit de fotonische trechter nauwkeurig op het opnamemedium wordt gericht via de quantumantenne.
Ook thermisch beheer is een cruciaal aspect van het ontwerp van de laser. Seagate heeft efficiënte koelmechanismen ingebouwd om de tijdens het schrijfproces gegenereerde energie af te voeren, waardoor de stabiliteit en betrouwbaarheid behouden blijven. Deze ontwerpoptimaliseringen zijn niet alleen bedoeld om hogere oppervlaktedichtheden te bereiken. Ze zorgen er ook voor dat het Mozaic 3+ Platform de positie van Seagate als toonaangevende fabrikant van duurzame en betrouwbare gegevensopslag met hoge capaciteit bestendigt.
Fotonische trechter:
De fotonische trechter is een golfgeleider die het laserlicht uiterst nauwkeurig rechtstreeks naar de quantumantenne kanaliseert. De structuur ervan is het resultaat van geavanceerde materiaalwetenschap en nanofabricagetechnieken, en begrenst het pad van de laser om de integriteit en kracht van de straal te behouden op weg naar zijn doel. De materiaalkeuze is bewust: de hoge brekingsindex is van cruciaal belang om het licht efficiënt te geleiden, met minimale spreiding of minimaal verlies.
De doorbraak van Seagate op het gebied van golfgeleidertechnologie kwam er niet alleen door de materiaalkeuze, maar ook vanwege het structurele ontwerp. De geometrie en afmetingen van de fotonische trechter zijn nauwkeurig berekend. Dit zorgt voor synergie tussen het licht en de quantumantenne die de energieoverdracht maximaliseert. Die precisie gaat niet alleen over het beheersen van het licht, maar ook over het vergroten van de mogelijkheden voor gegevensopslag. Door gebruik te maken van een gerichte straal die de gegevensdrager op precieze punten verhit, speelt de trechter voor Seagate een essentiële rol in het verhogen van de oppervlaktedichtheid, om zo meer gegevens op te slaan in dezelfde fysieke ruimte van een harde schijf.
Voor de grootschalige productie van dit onderdeel moest Seagate ook de traditionele methoden innoveren. Thermische beheerstrategieën zijn een integraal onderdeel van het ontwerp van de trechter. Seagate's koelmechanismen zorgen ervoor dat de trechter binnen het optimale temperatuurbereik werkt, waardoor de stabiliteit behouden blijft en de levensduur van de schrijfkop wordt verlengd.
Quantumantenne:
De quantumantenne, een geesteskind van de technici van Seagate, is het onderdeel waarin de complexe materie van quantumfysica en materiaalwetenschappen wordt gebundeld om de opslagmogelijkheden van Mozaic 3+ te verbeteren.
De belangrijkste functie van dit onderdeel is het omzetten van de laserenergie in hitte op een ongelooflijk nauwkeurige schaal, waardoor het schrijven van gegevens met hoge dichtheid mogelijk wordt. Dit gebeurt door het genereren van oppervlakteplasmonen: oscillaties op het quantumniveau van elektronen die worden geïnduceerd door licht aan het oppervlak van het metaal. Deze omzetting wordt uiterst lokaal uitgevoerd en beïnvloedt alleen het gebied waar gegevens worden geschreven.
De ontwikkeling van de quantumantenne door Seagate vereiste innovaties op verschillende belangrijke gebieden. De antenne zelf is het resultaat van een nauwgezette fabricage met behulp van materialen die zijn geselecteerd vanwege hun optische absorptie-eigenschappen en hun resistentie tegen de thermische beproeving van het schrijfproces. Door rekening te houden met de plasmonische eigenschappen kan de quantumantenne de energie van de laser effectief begrenzen, zodat de verhitting gericht en nauwkeurig verloopt.
De integratie van de quantumantenne in de schrijfkopmodule is een cruciaal aspect van het ontwerp ervan. Dit vereist een nauwkeurige uitlijning, om ervoor te zorgen dat de energie van de laser nauwkeurig op het opslagmedium wordt gericht, om zo met uiterst precieze verhitting gegevens bit voor bit te kunnen schrijven.
De quantumantenne fungeert als een omvormer en zet het invallende laserlicht om in een near-field elektromagnetisch veld met hoge intensiteit. Dit veld wordt vervolgens gebruikt om het opslagmedium lokaal te verhitten tot boven de Curietemperatuur, waardoor de coërciviteit van de magnetische bits wordt verminderd en ze opnieuw kunnen worden uitgelijnd, om er gegevens op te kunnen schrijven. Het ontwerp van de quantumantenne verbetert de coördinatie tussen de near-field energie van de laser en het magnetische veld van de schrijfkop om precisie te garanderen.
In het ontwerp zijn ook geavanceerde strategieën voor thermisch beheer verwerkt. Die zijn essentieel om met de vereiste precisie te kunnen verhitten en weer af te koelen, met behoud van de integriteit van de aangrenzende gegevens en de algehele stabiliteit van het opslagproces.
De quantumantenne is een belangrijk onderdeel dat bijdraagt tot het bereiken van een grotere oppervlaktedichtheid in harde schijven. Doordat gegevens op nanoschaal kunnen worden gemanipuleerd, is dit een grote stap voorwaarts ten opzichte van traditionele opslagtechnologieën.
Verbeteringen aan de oppervlaktedichtheid
Deze onderdelen van de plasmonische schrijfunit zorgen samen voor een sterke verhoging van de oppervlaktedichtheid. Seagate is erin geslaagd de problemen op te lossen die gepaard gaan met het integreren van een laserdiode, het nauwkeurig aansturen van de trechter en het optimaliseren van de quantumantenne. Hierdoor kunnen nu met de Mozaic 3+ technologie gegevens met hogere dichtheid worden opgeslagen dan op elke andere harde schijf tot op heden. Die krachttoer is mogelijk gemaakt dankzij innovaties op het gebied van thermisch beheer, materiaalengineering en de miniaturisering van componenten, waarbij een balans is gevonden tussen innovatie en praktische implementatie.
Geïntegreerde controller van 12 nm
De geïntegreerde controller van 12 nm speelt een veelzijdige rol. Om deze oppervlaktedichtheid op grote schaal te realiseren tegen een aantrekkelijke TCO is een unieke benadering vereist van de elektronica die alles op de harde schijf aanstuurt, van actueren tot schrijven en beveiligen. Dit vereiste een geïntegreerde controller, een system-on-a-chip (SoC), volledig intern ontwikkeld door de Seagate-experts op het gebied van siliciumontwerp.
De controller consolideert leeskanalen, het schijfbeheer en gegevensuitwisselingsprotocollen en wordt zo het operationele hart van de harde schijf. Hij regelt de spindlesnelheden, beheert kopbewegingen en voert de lees-, schrijf- en bewegingsbesturing uit met ongeziene precisie. De integratie van meerdere functies op één enkele siliciumchip toont aan hoe geavanceerd dit onderdeel is. Deze op maat gemaakte SoC heeft de ideale afmetingen voor de toepassing ervan en is geoptimaliseerd voor specifieke berekeningen, snelheid, geheugen en energie-efficiëntie, om verspilling te verminderen.
De controller bevat innovaties zoals Seagate's eigen krachtige RISC-V CPU, de eerste RISC-V-processor die ooit is gebruikt om hardeschijffuncties aan te sturen, en levert tot drie keer betere prestaties dan eerdere oplossingen. Deze prestatiesprong maakt de geavanceerde algoritmen mogelijk die een grotere oppervlaktedichtheid helpen realiseren.
De schrijfprestaties zijn verbeterd door het gebruik van onder meer Automated Multi-Rev Recovery (AMRR), dat bewerkingen voor gegevensherstel met grote impact automatiseert, automatische Adjacent Track Interference Cancellation (ATIC) en verbeterde Iterative Outer Code (IOC), waarbij de correctiekracht van LDPC-decodering wordt gecombineerd met trackgebaseerde ECC.
Een cruciaal kenmerk van de geïntegreerde controller van 12 nm is de servo-core, ontworpen om gegevenstracks met grotere precisie te lokaliseren. De verfijnde microarchitectuur van de processor, in combinatie met gerichte instructiespecifieke latentiereductie, maakt verbeterde prestaties in essentiële servo-werkbelastingen mogelijk. Dit omvat realtimeafhandeling van verstoringsdetectie, adaptieve besturingsfuncties, feed-forwardcompensatie en berekeningen van hoge sample rates. De processor kan in minder dan de helft van de tijd dezelfde hoeveelheid werk uitvoeren als eerdere processors - en dat is belangrijk vanwege de noodzaak om snel in real time aanpassingen aan de servo te maken om de actuator op de ongelooflijk smalle gegevenstrack te houden.
Omdat harde schijven nu meer dan een miljoen tracks per inch bevatten, kunnen zelfs omgevingsgeluiden de nauwkeurigheid van de actuator in gevaar brengen. De servoprocessor van Seagate, die met intervallen van een picoseconde werkt, verwerkt tot 4 miljard bits per seconde en voert complexe algoritmen uit om potentiële verstoringen tegen te gaan en de trackingnauwkeurigheid van de schijf te behouden, door de exacte bewegingen uit te voeren die vereist zijn voor de Triple-Stage Actuators van de schijfkoppen.
De controller van Seagate bevat een volledig aangepaste analoge front-end van het leeskanaal, die samplet met snelheden van meer dan 4 GHz, en behaalt zo elke kwart nanoseconde nieuwe sample rates. Deze verwerkingsverbeteringen brengen de energie-efficiëntie niet in gevaar.
Ook de overstap van een chip van 28 nm naar een chip van 12 nm is een sprong voorwaarts, die lagere chipkosten en lager energieverbruik mogelijk maken. Deze omslag in procestechnologie is cruciaal om binnen hetzelfde chipgebied meer transistors te kunnen onderbrengen, de spanningsvereisten te verlagen en een verbeterd energieprofiel te bieden.
De RISC-V-architectuur speelt een cruciale rol en biedt maatwerk dat toepassingsspecifieke rekentaken mogelijk maakt, waaronder simulaties en machine learning-modeltraining. Bovendien maakt het gebruik van open beveiligingsarchitecturen de weg vrij voor veilig gegevensverkeer, een belangrijke overweging in het huidige gegevensgerichte landschap.
Aanpassingen die specifiek zijn voor Mozaic 3+, zoals de beperking van 'mode-hopping', verhogen bovendien de betrouwbaarheid en prestaties van de schijf verder. Hierdoor behouden de beste harde schijven voor zakelijk gebruik van Seagate hun voorsprong in de wereld van opslagoplossingen met hoge dichtheid.
Door de hele stack te centraliseren, van ontwerp tot fabricage, zorgt Seagate voor directe controle over de integratie en prestaties van zijn silicium, waardoor het zich onderscheidt als de enige fabrikant van harde schijven met dergelijke mogelijkheden.
Gen 7 spintronische leesunit
Kleinere korrels van geschreven gegevens zijn alleen nuttig als ze ook kunnen worden gelezen. Daarom was ook de leesunit, die samen met de subcomponenten van de plasmonische schrijfunit is geïntegreerd, aan een upgrade toe. Mozaic 3+ is uitgerust met quantumtechnologie en bevat een van de kleinste en meest gevoelige sensoren voor het lezen van magnetische velden: de Gen 7 spintronische leesunit.
Een belangrijk kenmerk van de Gen 7 spintronische leesunit is de zeer smalle trackbreedte, die ervoor zorgt dat de beoogde track nauwkeurig wordt gelezen, en tegelijk overspraak van aangrenzende tracks tot een minimum beperkt.
In essentie steunt de werking van de leesunit op het tunnelen van magnetische weerstand. Dit fenomeen uit de quantummechanica vindt plaats wanneer de elektrische weerstand van een magnetische tunneljunctie (MTJ) verandert afhankelijk van de relatieve richting van magnetische lagen die door een isolerende barrière worden gescheiden. De leesunit is ontworpen om magnetisch teruglezen met hoge resolutie mogelijk te maken, en interferentie tussen tracks tot een minimum te beperken. Dit is essentieel om de opgeslagen bits op Mozaic 3+ schijven nauwkeurig te kunnen lezen, omdat die bits kleiner en dichter opeengepakt zijn dan op traditionele harde schijven.
De leesunit bevat een complexe stapel lagen die in de leeskopmodule zijn geïntegreerd. Deze stapel bestaat uit verschillende magnetische en niet-magnetische lagen, die elk een specifieke rol spelen in het terugleesproces. De lagen werken samen om de magnetische signalen van opgeslagen bits om te zetten in elektrische signalen, die vervolgens worden verwerkt en gedecodeerd om opgeslagen gegevens op te halen.
De samenstelling en eigenschappen van de magnetische stapel zijn zorgvuldig geselecteerd om optimale prestaties te leveren. De magnetische lagen omvatten een vrije laag (VL) die gevoelig is voor externe magnetische velden van opgeslagen gegevens; een referentielaag (RL) met stabiele magnetische richting en een synthetische antiferromagneet (SAF) om te voorkomen dat de magnetische richting van de RL de VL beïnvloedt.
Om de stapel van de leesunit voor te bereiden op de Mozaic 3+ technologie, zijn de materialen en laagdiktes geselecteerd op basis van hun thermische stabiliteit om de temperatuurschommelingen tijdens het schrijfproces te kunnen weerstaan. De barrièrelaag van magnesiumoxide (MgO) in de tunneljunctie wordt gecontroleerd geoxideerd om de gevoeligheid en effectiviteit van de leesunit aan te passen.
De stapel van de leesunit wordt opgebouwd door middel van afzetting in meerdere kamers. Dit proces blijft onder voortdurend vacuüm staan om contaminatie te voorkomen. De precisie die vereist is tijdens het laagopbouwproces vereist exacte controle over de dikte van elke laag, wat cruciaal is voor de prestaties van de leesunit.
Het innovatieve stapelontwerp van Seagate optimaliseert de gevoeligheid en signaal-ruisverhouding, waardoor nauwkeurig kan worden teruggelezen vanaf het superroostermedium dat uit een platinalegering is vervaardigd, en maakt een hogere gegevensdichtheid mogelijk op Mozaic 3+ harde schijven.
Voorbij de cloud: de toekomst voor alle gegevensintensieve toepassingen
De Mozaic 3+ technologie van Seagate zal cruciaal zijn om te voldoen aan de steeds hogere vereisten van gegevensintensieve toepassingen. De steeds luidere roep naar hogere oppervlaktedichtheid wordt aangewakkerd door de explosieve toename van gegevens in meerdere sectoren, van bedrijven tot clouddatacenters, die efficiëntere en voordeligere oplossingen voor gegevensopslag vereist.
Gegevensintensieve toepassingen die zullen profiteren van de vooruitgang in oppervlaktedichtheid zijn onder meer machine learning-modellen die voor trainingen enorme gegevenssets nodig hebben, videostreamingservices die 4K- en 8K-content moeten opslaan en leveren, en medische onderzoeksdatabases die op grote schaal genoomsequenties bepalen.
Het Mozaic 3+ Platform van Seagate staat klaar om deze verbeteringen niet alleen aan te reiken aan hyperscale- en clouddatacenters, maar ook in tal van opslagproducten.
Naarmate de technologie op termijn wordt geïntegreerd in de verschillende hardeschijfreeksen van Seagate, zoals IronWolf Pro, SkyHawk en Exos, zullen de voordelen doordringen in verschillende toepassingen, van multicloudomgevingen en hybride cloudomgevingen tot plaatsen waar behoefte is aan opslag met hoge capaciteit en de middenklasse. Allerlei gegevensintensieve toepassingen zullen steeds meer afhankelijk zijn van de efficiënte oplossingen met hoge capaciteit die alleen Mozaic 3+ mogelijk maakt.
Mozaic 3+ van Seagate is echter meer dan een technologische vooruitgang. Het is een belofte om de onstuitbare groei van het digitale universum te ondersteunen. De technologieën achter de oppervlaktedichtheid van het platform zullen van fundamenteel belang zijn in het ondersteunen van de gestage groei van gegevensintensieve toepassingen, en zullen ten grondslag liggen aan de ontwikkeling van nieuwe services en de uitbreiding van bestaande services.
Als we naar de toekomst kijken, zal het vermogen om grote hoeveelheden gegevens op te slaan, te bereiken en aan te wenden essentieel zijn om innovatie te bevorderen en de mogelijkheden van het digitale tijdperk volledig te benutten. Met de introductie van Mozaic 3+ houdt Seagate niet alleen gelijke tred met de explosieve toename van gegevens. Het bepaalt ook het tempo en stuwt de ontwikkeling van opslagoplossingen naar een horizon waar de mogelijkheden van gegevens onbegrensd zijn.
