ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ УСТРОЙСТВ ХРАНЕНИЯ

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ УСТРОЙСТВ ХРАНЕНИЯ
ИНФОРМАЦИИ НА МАГНИТНЫХ НОСИТЕЛЯХ
А.А.Соколовский 1), А.Ю.Митягин 1), Б.В.Хлопов2), А.С.Кузьминых2)
1
Институт Радиотехники и Электроники РАН, Российская Федерация
103907, Моховая ул., д. 11, корп. 7, lap@promtechn.ru
2
ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И.Берга», Российская Федерация,
105066, Москва, ул. Новая Басманная, 20, 208_otd@mail.ru
ВВЕДЕНИЕ
Рассматриваемые
в
настоящей
работе
вопросы в первую очередь связаны с проблемой
экстреннего и гарантированного уничтожения
информации
на
современных
носителях
используемых в информационных системах. В
настоящее время как в России, так и за рубежом
выпускается большая номенклатура изделий
предназначенных для уничтожения информации с
магнитных носителей, однако их технические
характеристики не могут гарантировать полное
уничтожение информации с жёстких дисков
современных конструкций. И естественно, для
дальнейших разработок аппаратуры уничтожения
информации необходимы знания о перспективы
развития устройств хранения этой информации.
1. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ЗАПИСИ
Применение технологии перпендикулярной
записи на диски лишь на время отодвигает
суперпарамагнитный предел. Рано или поздно
индустрия снова столкнется с этим явлением, и
снова нужно будет искать выход из ситуации,
поэтому инженеры ведущих компаний уже сейчас
занимаются разработками новых технологий.
Кратко расскажем о некоторых из них.
Улучшением технологии перпендикулярной
записи является HAMR (Heat Assisted Magnetic
Recording) – запись с предварительным нагревом
с
помощью
лазера
[1].
Этот
метод
предусматривает
кратковременный
(1
пикосекунда) нагрев участка, на который
производится запись, до 100 градусов Цельсия.
При этом магнитные частицы получают больше
энергии, и головке записи уже не нужно
генерировать поле большой напряженности.
После записи в записываемом слое оказываются
частицы с большей энергетикой, а это означает
повышенную стабильность.
Рис.1. Термоассистируемая магнитная запись
Рис.2. Изменение магнитных свойств при нагреве
Внедрение этой технологии потребует
использования в качестве записывающего слоя
принципиально новых материалов с высоким
уровнем анизотропности. Речь может идти о
таких сплавах, как Fe14Nd2B, CoPt, FePt или даже
1
Co5Sm. Стоят они очень дорого. Кроме того,
специалисты из Seagate всерьез полагают, что в
HAMR винчестерах придется ставить 2
раздельные головки. Наиболее необычным
является считывающий элемент – это оптическая
головка! Точнее, не совсем оптическая, в ней
будет использоваться специальное твердотельное
зеркало (Planar Solid Immersion Mirror).
Рис.4. Поверхность носителя информации. 1 –
область, хранящая бит при стандартном
подходе, 2 – массив, границы которого
совпадают с границами частиц, 3 – одна частица
в идеале может хранить 1 бит
Рис.3. HDD с двумя раздельными головками
HAMR позволит добиться плотности записи
как минимум 1 Тбит/дюйм2. Теоретически же
такой материал как FePt позволяет повысить
плотность в 10 раз! Первые реальные образцы
жестких дисков с HAMR следует ждать к 2010
году.
2. СТРУКТУРИРОВАННЫЕ
МАГНИТНЫЕ СРЕДЫ
Еще одно перспективное направление –
использование материалов, частицы в которых
выстроены в битовый массив (Bit Patterned
Media). Технология структурных носителей
заменяет обычные пластины, которые дают
просто области записи с некоторым количеством
случайно расположенных доменов, пластинами с
нанесённой структурой. Каждый бит будет
храниться на одном магнитно-изолированном
"островке" на поверхности носителя, а не в
массиве из 70-100 доменов. Вполне понятно, что
такой подход позволяет улучшить целостность
хранения данных, позволяя перейти на меньшие
структуры и большую плотность записи.
Рис.5. Слой, полученный с помощью литографии
Такой материал можно либо создать
искусственно с помощью литографии, либо найти
сплав с подходящей самоорганизующейся
структурой. Первый метод вряд ли получит
развитие.
Для
получения
материала,
допускающего плотность записи 1 Тбит/дюйм2,
размер одной частицы должен составить
максимум 12,5 нм. Ни существующая, ни
планируемая в ближайшие 10 лет технология
литографии этого не обеспечивает. Хотя есть
довольно хитроумные решения, позволяющие не
сбрасывать со счетов данный подход. Добавим,
что материал носителя — не единственная
проблема
структурированной
технологии,
инженерам
также
придется
разработать
механизмы синхронизации магнитных импульсов
головки и «островов», а также создать
специальные навигационные метки для головки.
2
В настоящее время разработки, связанные со
структурированными носителями, ведут как
минимум
две
лидирующие
компаниипроизводителя — Hitachi Global Storage
Technologies (HGST) и Seagate. Причем первая из
них возлагает на данный метод большие надежды.
Согласно
информации
HGST,
появление
коммерческих структурированных носителей
должно произойти в 2010 году, а предел их
теоретической плотности может достигнуть
отметки несколько терабит на квадратный дюйм.
Если же разработчикам удастся придумать
материалы с однозернистыми «островами», то
возможны и вовсе фантастические результаты —
с плотностью до нескольких десятков и даже
сотен терабит.
Поиск
самоорганизующихся
магнитных
материалов (SOMA, Self-Ordered Magnetic Array)
– весьма перспективное направление[2]. Уже
несколько лет специалисты Seagate указывают на
особенности сплава FePt, выпариваемого в
гексановом растворителе. Полученный материал
имеет идеально ровную ячеистую структуру.
Размер одной ячейки – 2,4 нм. Если учесть, что
каждый домен обладает высокой стабильностью,
можно говорить о допустимой плотности записи
на уровне 40-50 Тбит/дюйм2! Похоже, это и есть
окончательный предел записи на магнитные
носители.
Структурированные
носители
должны
появиться на рынке где-то в 2010 году, но
термомагнитная запись, по информации Hitachi,
будет использоваться не ранее 2013 года.
Сочетание двух технологий позволит достичь
ёмкости до 50 Тбайт в 3,5" винчестерах или 12
Тбайт в 2,5" накопителях для ноутбуков.
3. НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДОСТУПА К
ДАННЫМ
Еще одно оригинальное направление связано
с отказом от стандартной технологии доступа к
данным. Значительно повысить скорость доступа
и надежность накопителя сможет диск (или
квадрат?!), построенный на технологии PST
(Probe Storage Technology) [3]. Представьте, что у
вас
есть
целый
массив
сканирующих
микроскопов, которые способны считывать или
записывать данные. Каждый микроскоп имеет
доступ к собственному хранилищу данных, так
что возможна параллельная работа всех сканеров.
Подробности этой технологии не разглашаются,
но разработчики обещают, что в сантиметровую
«марку» вместится около 10 Гбайт информации!
Рис.6. Probe Storage Technology – никакого вращения
4. КОНКУРИРУЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ
Потенциально существуют три основных
конкурента накопителям на основе магнитных
материалов.
Голографические
и
оптические
3D
технологии сталкиваются с проблемами в поисках
подходящего
материала,
обеспечения
возможности перезаписи и просто запредельной
итоговой цены решения. Компания Sony добилась
значительных
успехов
в
разработке
3
голографических дисков [4]. Новый метод записи
и чтения позволяет хранить до 500 Гбайт данных
на одном 20-слойном оптическом диске
диаметром 12 см. Специалисты Sony сумели
осуществить запись и чтение данных с 7-слойного
голографического диска со скоростью 3 Мбит/с.
При этом, скорость вращения диска составила
1050 об/мин. В ближайшее время Sony обещает
приложить все усилия, чтобы добиться больших
скоростей записи и чтения, а также увеличения
плотности записи и количества слоёв. По словам
представителей Sony, первый голографический
диск появится к 2010 году.
Рис.7. Схема голографической системы хранения данных
5. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ДИСКИ
Flash-технологии показывают огромный рост
в последние годы, но до сих пор не могли
конкурировать с жесткими дисками по стоимости
в пересчете на гигабайт. Емкость таких
накопителей пока довольно небольшая, а скорость
записи довольно низкая. В то же время
твердотельные
диски
(SSD-накопитель)
развиваются достаточно интенсивно, о чем
говорят последние разработки в этой области.
Анонсирован SSD-накопитель емкостью 416ГБ.
Компания BiTMICRO Networks со штабквартирой в Калифорнии анонсировала 2,5дюймовый SSD-накопитель E-Disk Altima
E2A133BL
ATA-133
емкостью
416
ГБ,
предназначенного
для
использования
в
коммерческих продуктах, промышленности и
военном
оборудовании.
Отметим,
что
максимальная емкость современных SSDнакопителей
для
потребительского
рынка
составляет 64 ГБ, а емкость некоторых
промышленных носителей достигает 256 ГБ.
В твердотельном диске от BiTMICRO
применяется одноуровневая NAND-память (SLC
NAND) и фирменный контроллер памяти под
названием EDSA (Enhanced Datamover and Storage
Accelerator).
По
данным
производителя,
устройство обладает максимальной пропускной
способностью 133 МБ/с, способно работать со
скоростью 100 МБ/c в течение длительного
времени и выполнять до 20 тыс. операций вводавывода в секунду. Рабочая температура
накопителя составляет от -40 до +85 градусов по
Цельсию. Помимо накопителя емкостью 416 ГБ, в
линейку E-Disk Altima войдут модели емкостью
от 4 ГБ. Первые образцы дисков появятся в I
квартале 2008 года, в то время как продажи
начнутся в марте 2008 года.
Компания Ridata представила новый 2.5дюймовый твердотельный накопитель (SSD)
емкостью 32 Гбайт и интерфейсом SATA. Как
утверждают представители компании новый
накопитель ориентирован в мобильный сегмент
рынка, его среднее время наработки на отказ
составляет около 4 миллионов часов, а скорость
передачи данных - 60/48 Мбайт/с (чтение/запись)
что
соизмеримо
с
соответствующими
характеристиками современных винчестеров. В
широкой продаже новинка появилась в конце
октября по рекомендованной розничной цене
1000 долларов США, а в ноябре Ridata планирует
выпустить модификацию емкостью 64 Гбайт,
стоимость которой пока не называется.
Таким образом в ближайшие 5-10 лет
появятся новые типы жестких дисков, начнется
гонка объемов, в продажу поступят HDD
емкостью 5, а может и 50 Терабайт.
4
6. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ
ВИНЧЕСТЕРЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ
КОНФИДЕНЦИАЛЬНОЙ
ИНФОРМАЦИИ
Seagate начал выпуск винчестера объемом 1
Тб, шифрующий данные. Спрос на средства
защиты данных, находящихся в памяти
винчестеров, от несанкционированного доступа
очень вырос в последние годы одновременно с
распространением мобильных компьютеров и
накопителей. Не случайно, все большее
количество портативных накопителей, ноутбуков
и
настольных
систем
обзаводится
дактилоскопическими
датчиками
для
биометрической идентификации и встроенными
средствами
шифрования.
Укрепляя
эту
тенденцию,
компания
Seagate
Technology
анонсировала выпуск винчестера объемом 1 Тб
для настольных ПК, в котором применено
шифрование,
препятствующее
утечке
информации в ситуациях, когда компьютер
попадает в руки злоумышленников. По словам
производителя, накопитель Barracuda FDE (full
disc encryption, полное шифрование диска) стал
первым в мире 3,5-дюймовым винчестером для
настольных
ПК,
в
котором
реализован
встроенный механизм шифрования информации.
Для шифрования используется алгоритм AES.
Можно комбинировать механизм шифрования с
другими средствами ограничения доступа,
например, оснастив ПК дактилоскопическим
датчиком. Технология шифрования получила
название DriveTrust и уже используется в
винчестерах Seagate для ноутбуков Momentus
5400 FDE.2. Ее особенностью является полная
прозрачность для операционной системы и
пользователя – установка и эксплуатация
«зашифрованного»
винчестера
мало,
чем
отличается от установки и эксплуатации обычных
накопителей на жестких магнитных дисках. По
сути дела, единственный дополнительный шаг
начальной установки – создание пароля для
идентификации пользователя. Одним из важных
преимуществ шифрования на уровне накопителя
является отсутствие необходимости установки и
обновления
дополнительного
программного
обеспечения.. Интересным побочным эффектом
применения шифрования является возможность
практически моментального уничтожения всей
информации – достаточно удалить ключ,
используемый
для
шифрования.
Такая
потребность, по мнению производителя, может
возникнуть, например, при передаче ПК от одного
сотрудника другому, при продаже или утилизации
оборудования. Скорость вращения шпинделя
нового накопителя равна 7200 об/мин.
Рис.8. Радикальные технологические изменения
ближайших 10 лет
Перспективы развития новых методов записи
и предполагаемые физические ограничения
отражены на рисунке. Видно, что физические
ограничения
перпендикулярной
записи
ожидаются уже через два-три года и на смену
этому
типу
записи
должны
прийти
структурированные
носители
и
термоассистируемая магнитная память. Следует
отметить, что на приведенном рисунке не
отражены перспективы развития альтернативных
методов
хранения
данных
(флэш,
голографическая), которые в обозримое время (510 лет) могут составить серьезную конкуренцию
магнитным носителям для огромного круга
устройств вычислительной техники. Анализируя
текущее состояние технологий перпендикулярной
записи на магнитные диски, некоторые
производители приходят к выводу, что срок
развития отрасли в этом направлении может быть
увеличен на пять лет по сравнению с
приведенными выше оценками. Пересмотр
прогнозов, в первую очередь, связывается с
совершенствованием характеристик магнитных
поверхностей. Таким образом, как предполагается
теперь, производители жестких дисков получат
возможность
отсрочить
сложный
и
дорогостоящий переход к альтернативным
технологиям записи до 2015 года. Если год-два
назад предполагалось, что пределом для
технологии перпендикулярной записи станет
плотность около 500 Гбит на квадратный дюйм,
то сейчас ведущие производители, включая
Seagate, Western Digital и Hitachi, высказываются
за то, что, вероятно, по мере совершенствования
магнитных поверхностей получится довести
плотность записи до 1 Тбит на квадратный дюйм.
Кроме отсрочки перехода на альтернативные
технологии записи, прогресс в этом направлении
может способствовать дальнейшему вытеснению
форм-фактора 3,5" в пользу 2,5" устройств. Даже
при плотности записи 500 Гбит на квадратный
дюйм уже появляется возможность создания 2,5"
жестких дисков с тремя пластинами общей
емкостью1Тб.
5
Между тем, наиболее прогрессивные из
присутствующих на рынке жестких дисков с
использованием технологии перпендикулярной
записи имеют плотность записи около 200 Гбит
на квадратный дюйм, а в лабораторных условиях
уже были продемонстрированы экземпляры, в
которых этот показатель составляет 300 Гбит на
квадратный дюйм. Дальнейшее улучшение
характеристик поверхности, в первую очередь,
связывается с увеличением количества магнитных
слоев – от сегодняшних двух до четырех-шести в
течение ближайших трех лет. Во-вторых,
планируется начать использование двухслойных
композитных
материалов
(exchange-coupled
composite, ECC), в которых один слой, легко
намагничиваемый,
должен
обеспечивать
возможность быстрой перезаписи информации, а
благодаря второму, тяжело поддающемуся
перемагничиванию, предполагается сохранять
записанную информацию в течение длительного
времени.
Мнения специалистов относительно того,
какая из технологий в свое время придет на смену
перпендикулярной магнитной записи, пока еще в
значительной
степени
расходятся.
На
сегодняшний день ведется много разработок в
этом направлении, среди которых можно
отметить технологию записи с помощью
вспомогательного нагрева лазером, формирование
магнитных дорожек с помощью нанолитографии,
а также другие исследования, предполагающие
использование тех или иных нанотехнологий для
дальнейшего увеличения плотности записи.
В то же время начинают обсуждаться
философские вопросы о необходимых, в
принципе, объемах винчестеров и глобальных
методах хранения данных. Предполагается, что
развитие Интернет технологий позволит хранить
программы и общеиспользуемые данные в
специализированных центрах и загружать их в
компьютер непосредственно из Интернета, минуя
устройства хранения данных самого компьютера.
В этом случае необходимость для персональных
компьютеров в устройствах хранения данных с
большими объемами может быть вообще
проблематичной.
информации и невозможности её восстановления
современными технологическими приёмами.
ЛИТЕРАТУРА
1. http://www.hitachigst.com/hdd/research/
2. Александр Радаев, Евгений Пугач, HDD
будущего, http://www.ferra.ru/online/storage
3. Eric Ruetsche, Competitive aspects of a probe
storage technology, Europhysics News (2004) Vol.
35 No. 6
4. Новиков М.Г., Голографические диски HVD
http://novikovmaxim.narod.ru/statyi/comptech/gol
ograph/hvd.htm
Fe14Nd2B, Железо неодим бор
CoPt, кобальт платина
FePt Железо платина
Co5Sm кобальт самарий
7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Кратко
представленные
перспективные
направления развития устройств хранения
информации
обуславливают
необходимость
проведения широкого комплекса исследований.
Целью этих исследований является разработка
теоретических и технологических принципов и
методов создания нового поколения устройств
гарантированного уничтожения информации с
носителей различного типа и создание методик,
подтверждающих
полноту
уничтожения
6