Ma már minden új asztali PC-ben és notebookban SSD látja el az elsődleges adattároló szerepét, azonban a klasszikus merevlemezek kora sem áldozott még le; ár/érték, pontosabban forint/GB arányban verhetetlen eszközökről van szó, amelyek éppen ezért a legjobb alternatívát jelentik minden olyan esetben, amikor nagy mennyiségű adatot kell tárolni úgy, hogy emellett az információkhoz való hozzáférés sebessége sem utolsó szempont. A HDD-k ideálisak második adathordozóként vagy külső tárhelyként, illetve természetesen NAS-ban, NVR-ben, DVR-ben is főleg őket használjuk, mintsem a (főleg mostanában) méregdrága SSD-ket.
70 éves a mágneses adattárolás
A merevlemezek idestova bő 40 éve szerves részét képezik az IT-világnak, de maga a technológia, amelyet ezek az eszközök az adattároláshoz használnak, ennél jóval régebbi; az első mozgatható olvasófejet használó HDD, amelyet az IBM készített, 1956-ban jelent meg, és komoly 3,75 MB-os kapacitással rendelkezett. Ha most egy ütött-kopott, esetleg rozsdás, de kézben elférő HDD képe jelent meg lelki szemeid előtt, akkor gyorsan gondold újra a képet: az IBM 305 RAMAC névre keresztelt monstrum egy hatalmas szekrényben fért csak el, 1000 kg-nál is többet nyomott és ötven darab 24 colos (61 cm-es) tányért használt.
Mégis közvetlen elődje volt a mai merevlemezeknek, hiszen a technológia alapjaiban nem változott: a HDD-k mind a mai napig forgó tányérokon, mágneses elven tárolják az információt, amit egy mozgatható író-/olvasófej kezel. Ami viszont nagyon is változott, az a méret és az adattároló kapacitás; a HDD-k ma már kézben is elférnek és több Terabyte adatot képesek őrizni. A kapacitásnövekedés óriási, milliószoros - az út idáig azonban nem volt mindig sima, a mérnökök többször is úgy vélték, hogy elérték a fizikai határokat, de aztán mindig jött egy újabb ötlet, amely lendületet adott a további fejlődésnek.
Egyszerűnek tűnő felépítés
A merevlemezek felépítése relatív egyszerűnek mondható, működési elvük viszont rendkívül bonyolult. Az adattároló tányérok percenként 5400-7200 fordulatot tesznek meg - korábban voltak ennél gyorsabb forgási sebességet alkalmazó meghajtók is, ám ezeket vállalati területre szánták, és mára teljesen eltűntek, helyüket az SSD-k vették át. A HDD-k burkolata acélból vagy alumíniumból készült, és meglehetősen vastag; a masszív készülékházra egyrészt azért van szükség, mert a HDD egyáltalán nem deformálódhat, másrészt pedig azért, mert a megállás nélkül forgó tányérok, valamint a folyamatosan mozgó író-/olvasófejek vibrációt okoznak, amit a lehetőségekhez képest csillapítani szükséges. A "doboz" belsejében csak az adattároló tányérokat és az olvasófejeket találjuk, az elektronika és a csatlakozók kívülre kerülnek - előbbi jellemzően a HDD hasán helyezkedik el, utóbbi pedig az elektronikán található, és az egyik rövidebb oldal felé néz. A belső rész és a külvilág között mindössze egy apró lyuk jelenti a kapcsolatot, amelynek célja a nyomás kiegyenlítése.
Nem túl meglepő módon az elektronika tartalmazza azokat a chipeket, amelyek a vezérlést végzik, illetve amelyek a kommunikációért felelősek - az adattárolás szempontjából ez kevésbé izgalmas, mint az, hogyan zajlik az információk rögzítése. Azt viszont érdemes megemlíteni, hogy a csatlakozók sem változtak túl sokat a történelem során; a párhuzamos interfészt 2001-től fokozatosan a SATA váltotta fel a lakossági termékeknél, a SCSI-t pedig 2004-től a SAS a vállalati termékeknél. Hogy miért csak ez a két váltás történt, azt jól magyarázza, hogy mind a mai napig elsősorban az adatsűrűség és a tányérok forgási sebessége az, amely meghatározza az elérhető legnagyobb adatátviteli sebességet; azaz nem volt szükség arra, hogy a csatlakozók tovább fejlődjenek.
Az igazi varázslat belül történik
Fentebb már említettük, hogy a merevlemezek felépítése viszonylag egyszerű; és tényleg. A borítás alatt típustól függően jellemzően 1-3 adattároló tányért találunk, valamint itt bújik meg az író-/olvasó egység is, amely a karból, a karok végén 2-6 író-/olvasófejből, valamint a kart mozgató aktuátorból áll. (Természetesen készülnek HDD-k több tányérral és olvasófejjel is, de költséghatékonysági szempontok miatt az 1-3 tányér a jellemző.) Ami miatt a HDD-k felépítése és működése lenyűgöző, az az, hogy mind a gyártást mind pedig a működést extrém precizitás jellemzi.
Az adattároló tányérok vázát alkotó, mindössze 1 mm vastag üveg- vagy alumíniumtányérokat a gyártók például olyan pontossággal polírozzák fel, hogy a felületi egyenetlenség mértéke kisebb 30 nm-nél - viszonyításképpen, az emberi hajszál vastagsága kb. 80-100 ezer nm!
Az adattároló tányérok alumíniumból vagy üvegből készülnek, de természetesen az adatokat nem az alumínium vagy üveg tárolja, hanem az ezek felületére vákuum-porlasztásos eljárással felvitt, mindössze néhány mikrométer, illetve néhány nanométer vastagságú rétegekből álló struktúra, amely jellemzően kötőrétegből, mágneses adattároló rétegből, védőrétegből, valamint kenőanyag rétegből áll. Az adattároló réteg jellemzően kobaltötvözet, és az anyagot nem egyenletesen elosztva, hanem koncentrikus elrendezésben viszik fel. Ezek a koncentrikus körök alkotják az adattároló sávokat; szélességük 250 nm körüli. Maguk az adattároló sávok sem folyamatosak, hanem szemcsés felépítésűek. Az adattárolás alapját az adja, hogy minden szemcse saját mágneses mezővel rendelkezik, amelynek iránya beállítható, így képezve 0-kat és 1-eseket.
A mágneses mező irányának beállítása és a beállított irány későbbi kiolvasása az író-/olvasófej feladata. Ahhoz, hogy ezt a feladatát hatékonyan lássa el, az író-/olvasófejnek két fontos kritériumot kell teljesítenie.
Az egyik követelmény az, hogy a sávok között rettentő gyorsan és pontosan kell mozognia. Napjainkban ez másodpercenként akár 100-120 sávváltást is jelenthet - az eszeveszett sebesség mellett vegyük figyelembe azt is, hogy a fej mozgás közben tűpontosan eltalálja a mindössze 250 nm széles sávokat. Vagy ha úgy jobban tetszik, a kb. 5 cm-en belül elhelyezkedő 500 ezer sáv közül mindig rááll a megfelelőre. Az író-/olvasófejjel szemben támasztott másik követelmény az, hogy rettentő közel kell lennie az adattároló tányér felületéhez ahhoz, hogy a biteket reprezentáló mágneses mezők irányát ki tudja olvasni vagy meg tudja változtatni. És amikor azt mondjuk, hogy rettentő közel, akkor azt tényleg úgy is értjük: kb. 3 nm-es távolságról beszélünk, és itt megint visszautalunk arra, hogy az emberi hajszál vastagsága 80-100 ezer nm. Ezt az optimális távolságot alapvetően a tányérok forgása következtében keletkező légnyomás (vagyis "szél"), valamint a karok felfüggesztésének kialakításából adódó erők eredője (egyensúlya) biztosítja, de manapság már egy apró fűtőszál is szerepet kap, amely a hőtágulás révén aktívan is képes szabályozni ezt a távolságot a nanométeres tartományban.
A mérnöki csoda újabb bizonyítékát adja, hogy a 3 nm-es távolságot a merevlemezek úgy tartják, hogy az sokkal nagyobb nem lehet, mert ha a fej túl távolra kerül, akkor sem írni, sem olvasni nem tudja az adatokat. És közben túl közel sem kerülhet, mert ha a fej véletlenül hozzáér a tányérhoz, akkor egyszerűen lekaristolja az adathordozó réteget, és a meghajtó használhatatlanná válik. Mondanunk sem kell, hogy a belső térbe jutó szennyeződés is végzetes lehet; éppen ezért a légnyomás-kiegyenlítő lyukon keresztül bejutó levegő természetesen szűrt.
Konstans határfeszegetés
Fentiekből azt már tudjuk, hogyan tárolják az adatokat a merevlemezek, és azt is, hogyan működik az adatok írása és olvasása. Ha egy kicsit tovább gondolkodunk, akkor pedig teljesen logikusan adódik az is, hogy a HDD-k kapacitása és működési sebessége szimplán az adatsűrűség fokozásával növelhető. A kapacitásnál ez logikus, a sebességet pedig úgy befolyásolja az adatsűrűség, hogy a konstans sebességgel forgó tányérok esetében nagyobb adatsűrűség mellett egységnyi idő alatt nagyobb adatmennyiség "suhan el" az író-/olvasófej alatt.
A HDD-k fejlesztése éppen ezért a fizikai határok folyamatos feszegetését jelenti. A gyártók a 2000-es évek elejére eljutottak oda, hogy az egy bitet reprezentáló terület méretét az akkori keretek között nem tudták tovább csökkenteni a szuper-paramágnesesség miatt; ebben az esetben a mágneses domainek mérete olyan apró, hogy már szobahőmérsékleten sem képesek stabilan megtartani állapotukat, és a mágneses mező iránya véletlenszerűen átbillenhet. Az első fontos lépcső az AFC (Antiferromagnetic Couling) alkalmazása volt, amelynek lényege az, hogy két adattároló réteg kerül egymásra úgy, hogy közöttük egy mindössze három atom vastagságú ruténium réteget helyeznek el. A felső réteg írásakor az alsó réteg automatikusan vele ellentétes irányú mágneses irányt vesz fel, ez pedig lehetővé tette a domainek méretének további csökkentését - praktikusan pedig az adattároló kapacitás jelentős, kb. 50%-os növelését.
A következő lépcsőfok a PMR technológia bevezetése volt, amely zseniális ötletet használ ki: a mágneses mező irányát változtatja meg úgy, hogy az ne a tányér felületével párhuzamos, hanem arra merőleges legyen - drasztikusan csökkentve a mágneses domainek helyigényét. Hogy világosan lássunk: a merevlemezek maximális mérete a PMR előtt néhány száz Gigabyte volt, míg a PMR-technológia tette lehetővé azt, hogy akár 18 TB-os HDD-k is készülhessenek.
Az SMR technológia nem a mágneses domainek irányával játszik, hanem az adattároló sávok elhelyezkedésével, mégpedig úgy, hogy a sávokat közelebb helyezi egymáshoz egészen addig, ameddig némi átfedés ki nem alakul. Nagyobb méretű írófej és kisebb méretű, precízebb olvasófej, valamint intelligens vezérlés segítségével több sáv fér el ugyanakkora területen, ami 20-25 százalékkal nagyobb adatsűrűséget eredményez. Viszont van egy nagy kompromisszum is; mivel írásnál a szomszédos sávokat is újra kell írni az átfedés miatt, időszakosan drasztikusan is csökkenhet a teljesítmény. Emiatt a HAMR meghajtók NAS-ba például nem ajánlottak.
Ezzel együtt is, idővel eljutottunk a PMR-technológia határához. Amit persze megint sikerült áttörni, mégpedig úgy, hogy valamilyen energia (HAMR esetén lézer, MAMR esetén mikrohullám) segítségével az írófej írás előtt felhevíti a tányéron az írásra kijelölt, nanométernyi területet, csökkentve ezzel a mágnesességgel szembeni ellenálló képességet; az eredmény pedig ismételten az, hogy egyetlen bitet kisebb helyen lehet rögzíteni. Ma a legnagyobb kapacitású, kereskedelmi forgalomban kapható HDD 36 TB adatot képes tárolni, de becslések szerint 2030-ra a HAMR/MAMR eljárás révén akár a 100 TB-os korlát áttörése is sikerülhet.
Egy másik okos trükk a HDD belső kamrájának feltöltése héliummal, majd ezt követően hermetikus lezárása. Mivel a hélium ritkább a levegőnél, működés közben alacsonyabb belső légnyomás alakul ki, és kisebb a hőtermelés is; ez pedig azt eredményezi, hogy több, akár kétszer annyi adattároló tányért lehet elhelyezni egy készülékházban. A héliumos meghajtók gyártása viszont ebből adódóan drágább, és használatuk nagyobb odafigyelést igényel, így ezek a meghajtók főleg vállalati felhasználásra, illetve hálózati adattárolókba (NAS-okba) készülnek.
Messze még a záróra
A merevlemezek kora az SSD-k mellett sem áldozott le, hiszen a NAS-ok és óriási adattárak gerincét ma is a HDD-k adják. A 70 éves, forgó mágneslemezes technológia a nanométeres precizitású fejeknek, az aerodinamikai és fűtőszálas szabályozásnak, valamint a héliumos belsőnek köszönhetően maradt életben. A fizikai határokat az AFC, a PMR, az SMR, és a ma használt lézeres HAMR/MAMR eljárások tolták ki, amelyekkel a HDD-k kapacitása már a 36 TB-ot is elérte, fenntartva a verhetetlen ár/érték arányt. Az AI korában pedig még nagyobb lett a kereslet a nagy kapacitású HDD-k iránt. A nyelvi modellek és felhőalapú szolgáltatások órási mennyiségű adattal dolgoznak, így a szerverek világában ügyesen kell egyensúlyozni az SSD-k és HDD-k arányát illetően.
