Công Nghệ Ghi Từ Tính Vuông Góc Được Hỗ Trợ Năng Lượng ePMR Của Western Digital

Khi tiến hành nghiên cứu và phát triển các công nghệ ghi từ tính được hỗ trợ năng lượng (EAMR) khác, các kỹ sư của Western Digital đã phát hiện ra cách tăng đáng kể dung lượng ổ cứng bằng cách sử dụng ePMR hoặc ghi từ tính vuông góc được hỗ trợ năng lượng. Công nghệ này là một câu trả lời đầy hứa hẹn cho thách thức đóng gói nhiều dữ liệu hơn vào đĩa HDD mà không làm giảm hiệu suất hoặc độ tin cậy.

Carl Che, phó chủ tịch cấp cao kiêm giám đốc công nghệ HDD của Western Digital cho biết: “ePMR là bước tiến lớn nhất trong công nghệ ghi trong 15 năm qua, kể từ khi chuyển từ ghi theo chiều dọc sang ghi vuông góc”.

1. ePMR là gì?

Như đã giải thích trong bản tóm tắt công nghệ này, có hai cách để tăng mật độ vùng trên đĩa ổ cứng: thêm nhiều rãnh trên mỗi inch (TPI) hoặc thêm nhiều bit trên mỗi inch (BPI).

ePMR đi theo lộ trình BPI bằng cách cấp một dòng điện vào cực chính của đầu ghi trong suốt quá trình ghi. Dòng điện này cho phép chuyển đổi đầu ghi ổn định hơn và nhanh hơn, do đó giảm hiện tượng giật hình thời gian. BPI cao hơn đạt được khi các bit dữ liệu riêng lẻ có thể được ghi gần nhau hơn, dẫn đến mật độ vùng cao hơn.

Trong Ghi từ vuông góc thông thường (PMR), “dòng điện được truyền qua một cuộn dây, tạo ra từ trường,” Paul Peck, giám đốc cấp cao, bộ phận kỹ thuật R&D, đơn vị kinh doanh HDD tại Western Digital, giải thích. “Trường này từ hóa cấu trúc cực ghi ở cực gần bề mặt phương tiện. Sau đó, từ trường từ cực ghi sẽ căn chỉnh các hạt từ trong phương tiện theo một hướng nhất định, tạo ra bit được lưu trữ.”

Hình ảnh cho thấy cách thức hoạt động của ePMR, hay ghi từ tính vuông góc được hỗ trợ năng lượng.

Peck giải thích: “Bằng cách áp dụng dòng ePMR bổ sung, chúng tôi tăng thêm độ chính xác hơn cho cơ chế ghi. “Khi làm như vậy, chúng tôi có thể ghi các bit gần nhau hơn và do đó ghi được nhiều bit hơn trong mỗi rãnh.”

2. Ý tưởng lớn dẫn đến bằng sáng chế ePMR

Terry Olson, kỹ thuật viên cấp cao của nhóm ghi từ tính tiên tiến — được ghi nhận là người đã phát minh ra công nghệ đột phá — được vinh danh là nhà phát minh chính của một trong nhiều bằng sáng chế ePMR của Western Digital về việc truyền dòng điện qua lớp tạo trường DC. Bằng sáng chế đó nằm trong thư viện hơn 13.700 của Western Digital.

Khi các kỹ sư của Western Digital đang phát triển các phương pháp hỗ trợ năng lượng để tăng mật độ diện tích, ban đầu họ sử dụng dòng điện để lật một thiết bị từ tính trong cấu trúc đầu ghi rất gần bề mặt phương tiện. Mặc dù điều này có hiệu quả nhưng họ nhận thấy rằng hiệu suất vẫn được cải thiện nếu dòng điện bị dẫn sai hướng (sao cho thiết bị từ tính không bị lật) và ngay cả khi không có thiết bị từ tính bổ sung nào cả. Nói cách khác, chỉ riêng dòng điện đã tạo ra sự cải thiện.

Các kỹ sư trong nhóm phát triển đầu phát đã xác nhận cải tiến này thông qua thử nghiệm cẩn thận và bằng cách loại bỏ các giải thích có thể có khác như những thay đổi về khoảng cách đầu phương tiện.

Asif Bashir, một nhà công nghệ thuộc nhóm phát triển đứng đầu, đã thực hiện mô hình vi từ để hiểu rõ hơn về tính chất vật lý đằng sau những quan sát mới. Ông phát hiện ra rằng việc truyền một dòng điện qua cấu trúc đầu ghi rất gần bề mặt vật liệu ghi làm giảm đáng kể hiện tượng giật hình thời gian vốn có của người viết, đây là một hiệu ứng nhiễu trong quá trình viết khiến việc viết hơi không nhất quán.

Olson cho biết: “Chúng tôi nhận ra rằng nếu chúng tôi bơm dòng điện hoạt động qua một thiết bị từ tính trong khe hở, nó phải sử dụng một phần bộ ghi làm ống dẫn dòng điện đó”. “Đó là khoảnh khắc 'aha'. Nếu chỉ cần truyền dòng điện qua bộ ghi và thiết bị từ tính nhỏ đang tạo ra nhiệt, tại sao không thử lấy nó ra và gửi dòng điện qua một bộ phận khác, lớn hơn nhiều của bộ ghi?”

Thay vì sử dụng thiết bị từ tính để giúp lật các bit (thay đổi hướng của số 0 và 1 được lưu trong mỗi bit), việc gửi dòng điện qua một phần khác của bộ ghi sẽ hỗ trợ bộ ghi trong quá trình chuyển đổi của nó, điều này tạo ra một đường dẫn nhất quán hơn cho việc lật từ hóa của các bit phương tiện. Bằng cách áp dụng đường dẫn từ tính nhất quán hơn, mỗi lần ghi nhiều dữ liệu đều có dạng sóng nhất quán hơn. Ngược lại, điều này tạo ra tín hiệu ghi ổn định hơn, giảm đáng kể độ giật. Khi giảm jitter, có thể giảm thiểu khoảng cách vật lý giữa các bit được ghi, do đó làm tăng BPI và mật độ diện tích.

3. Một hành động cân bằng

Một yếu tố quan trọng cần cân nhắc trong quá trình phát triển ePMR là nhiệt độ vì dòng điện tạo ra nhiệt. Quá nhiều dòng điện có thể làm hệ thống quá nóng, nhưng quá ít sẽ không phát huy hết tiềm năng của công nghệ. Điều quan trọng là tìm ra dòng điện tối ưu mà không ảnh hưởng đến độ tin cậy và hiệu suất của thiết bị. “Một lý do khiến chúng ta tạo ra nhiệt là chúng ta đang bơm dòng điện qua một khu vực có kích thước chỉ hàng chục nanomet – đó là quy mô của việc lấy một sợi tóc và chia nó thành một nghìn sợi tóc nhỏ. [Đó là] các kích thước,” Olson nói.

Ngoài nhiệt sinh ra trong ổ ghi, bản thân nhiệt độ của đĩa cũng có thể trở thành vấn đề. Olson cho biết: “Khi các bit ngày càng nhỏ hơn, sẽ có sự đánh đổi giữa độ ổn định nhiệt và khả năng ghi. “Đó là một bộ ba bất khả thi về việc cân bằng giữa tín hiệu trên nhiễu, khả năng ghi và độ ổn định nhiệt. Nếu chúng ta muốn tăng mật độ vùng, chúng ta phải duy trì trường ghi nhưng giảm độ rộng chúng ta ghi để có thể tạo các rãnh hẹp hơn và chứa nhiều dữ liệu hơn trên đĩa. Nhưng chúng ta cũng phải cải thiện gradient của trường ghi –thay đổi về mặt không gian nhanh như thế nào – và nếu chúng ta có thể làm cho trường thay đổi về mặt không gian từ up bit tới down bit, thì quá trình chuyển đổi đó sẽ rất suôn sẻ.”

4. Vật lý và kích thước

Nhóm của Eric Roddick, trong đó Olson là thành viên, gồm có các nhà vật lý, hầu hết trong số họ sử dụng mô phỏng để thực hiện công việc của mình, vì những phần họ đang mô phỏng quá nhỏ để mắt người có thể nhìn thấy.

“Phần đầu của ổ đĩa cứng đang bay ở độ cao khoảng 10 nanomet. Chiều rộng khoảng 50 nanomet, rộng hơn khoảng năm lần so với khoảng cách nó bay trên đĩa,” Olson nói. “Ngay cả kính hiển vi cũng không thể nhìn thấy người viết thực sự vì nó sử dụng ánh sáng khả kiến. Chúng tôi sử dụng kính hiển vi điện tử để phân tán các hạt nhỏ (electron) ra khỏi vật này để xem nó trông như thế nào. Chiều cao bay 10 nanomet tương tự như việc bay một chiếc 747 cách mặt đất chưa đầy một inch mà không chạm vào [bề mặt].”

Thay vì chạm vào vật lý hoặc đo các thành phần trong ổ cứng, nhóm ghi từ tính tiên tiến đang mô phỏng và phân tích dữ liệu từ các phép đo. Họ đang ở tuyến đầu đánh giá giá trị của một công nghệ mới và sử dụng các mô hình để phân tích thành công/thất bại.

5. Việc triển khai ePMR đầu tiên

PMR được hỗ trợ năng lượng (ePMR) là triển khai EAMR đầu tiên có quy mô vượt ra ngoài tính năng Ghi từ vuông góc (PMR) truyền thống. Các ổ đĩa cứng đầu tiên trong ngành sử dụng công nghệ EAMR là Ultrastar DC HC550 18TB CMR HDD dành cho doanh nghiệp dung lượng của Western Digital và Ultrastar DC HC650 20TB SMR HDD.

Trong hơn 40 năm, Western Digital đã mở rộng dung lượng ổ cứng để đáp ứng nhu cầu lưu trữ đám mây và siêu quy mô, các trung tâm dữ liệu mật độ cao khổng lồ, mạng phân phối nội dung và thương mại. Công ty tiếp tục đổi mới để giúp các tổ chức bắt kịp với khối lượng dữ liệu ngày càng mở rộng nhanh chóng. ePMR là một trong những công nghệ tạo nên sự kỳ diệu của ổ cứng.

---