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Festplatten: Mehr Kapazität durch Ultraschall

26.06.2013 | 11:06 Uhr |

Damit sich die Festplatte gegen die wachsende Konkurrenz durch SSDs behaupten kann, setzen Hersteller auf höhere Speicherdichten. Magnetische Datenträger geraten dabei aber an ihre Grenzen. Ultraschall soll die Aufzeichnung in noch dichteren magnetischen Strukturen auf der Festplatten-Oberfläche erlauben.

Die Festplatte ist der Methusalem der IT: Vor 66 Jahren boten die ersten rotierenden Magnetplatten der IBM 350 mit dem Durchmesser eines Autoreifens für damalige Verhältnisse kolossale 5 MB Speicher. Selbst bei weiter fallenden Preisen für SSDs sorgen die aktuellen Entwicklungen in der Festplatten-Technologie dafür, dass es einen Nachruf auf diesen bewährten und kostengünstigen Datenspeicher wohl so bald nicht zu lesen gibt. Denn die herkömmlichen Magnetspeicher werden weiterhin dort gefragt bleiben, wo es um große Speichermengen für kleines Geld geht. Um sich gegen die bald drückende Konkurrenz durch SSDs behaupten zu können, setzen Festplattenhersteller auf magnetische Aufzeichnungstechniken, die eine enorm hohen Datendichte erlauben.

IBM 305 RAMAC: 1956 liefert IBM die erste Festplatte mit 5 MB Speicherplatz auf 50 Scheiben mit 24-Inch (60 cm) Durchmesser aus.
Vergrößern IBM 305 RAMAC: 1956 liefert IBM die erste Festplatte mit 5 MB Speicherplatz auf 50 Scheiben mit 24-Inch (60 cm) Durchmesser aus.
© IBM

Dilemma magnetischer Aufzeichnung

Dichtere Strukturen führen dort, wo Leistung umgesetzt wird, zu einem altbekannten Dilemma, nämlich zu thermischer Instabilität. Denn unterhalb einer bestimmten Größe sind magnetische Aufzeichnungen so empfindlich, dass ihnen bereits die normale Wärmeentwicklung des Datenträgers im Betrieb gefährlich wird. Strukturen auf Magnetspeichern lassen sich also nicht beliebig verkleinern, auch wenn sie dank Nanolithografie sogar weit unter die heute gebräuchlichen Dimensionen schrumpfen könnten. Die naheliegende Lösung, eine Oberfläche schwieriger magnetisierbar zu machen, setzt wiederum größere Schreibköpfe mit stärkerem Magnetfeld voraus, was in der Folge eine geringere Dichte des Datenträgers zur Folge hätte.

Preisentwicklung von Festplatten. Die Überschwemmungen von Fertigungsanlagen im Jahr in Thailand sorgte für einen Preisanstieg, der sich erst jetzt wieder legt.
Vergrößern Preisentwicklung von Festplatten. Die Überschwemmungen von Fertigungsanlagen im Jahr in Thailand sorgte für einen Preisanstieg, der sich erst jetzt wieder legt.

Nur kurzzeitig magnetisierbar

Magnetisierbare Oberflächen, die nur für einen kurzen Zeitraum und bei Bedarf beschreibbar gemacht werden, versprechen eine Lösung des Dilemmas. Der Ansatz ist nicht neu, beispielsweise arbeitete schon die magneto-optische Minidisc mit einem Laser, der das Material kurz erhitzt bevor der Schreibkopf diese Stelle auf dem Medium erneut magnetisiert. Dieses Aufzeichnungsverfahren, genannt HAMR für „Heat-assisted magnetic recording“ macht sich die Materialeigenschaften von Eisen-Legierungen mit Platin, Cobalt, Terbium und anderen Metallen der seltenen Erden zu nutze, die eine hohe magnetische Stabilität aufweisen und sich nur unter Hitzeeinfluss neu magnetisieren lassen. Von Seagate gibt es seit einem halben Jahrzehnt Ankündigungen, HAMR in Zukunft auch bei Festplatten einzusetzen zu wollen und ein Prototyp im Labor soll laut Seagate bereits 1 Terabit pro Quadratinch (6,45 Quadratzentimeter) erreicht haben. Die Speicherdichte von Festplatten liegt heute bei rund 0,67 Terabit pro Quadratinch (Stand 2013).

Grenzen

Heat-assisted magnetic recording: Ein thermischer Laser macht die Festplattenoberfläche beschreibbar.
Vergrößern Heat-assisted magnetic recording: Ein thermischer Laser macht die Festplattenoberfläche beschreibbar.
© Seagate

HAMR bringt für Festplatten mit enorm hoher Speicherdichte einige ungünstige Nebeneffekte, die einem Einsatz unter realen Bedingungen im Weg stehen. Während der Laser zur Erhitzung der Oberfläche zwar sehr präzise ist, lässt sich die Ausbreitung der Wärme im Material nicht exakt steuern und es kommt zwangsläufig zu Streueffekten, die benachbarten Bits gefährlich werden. Zudem verdampft bei Festplatten dabei auf Dauer die schmierende Schutzschicht zwischen Datenträgeroberfläche und den Schreib-Leseköpfen. Ein vorzeitiges Ableben der Festplatte wird damit wahrscheinlicher. Seagate verfolgt den ehrgeizigen Plan, einen Vorrat an Schmierstoffen in Nanoröhren eingekapselt im Festplattengehäuse unterzubringen, um die Lebenserwartung von HAMR-Medien zu verlängern.

Ultraschall statt thermischer Laser

Eine neue Methode, die Oberfläche von Festplatten punktuell magnetisierbar zu machen, hat ein Forscherteam an der Oregon State University entwickelt und Anfang des Jahres unter dem Namen „Acoustic Assisted Magnetic Recording“ vorgestellt. Diese Alternative zu HAMR macht sich nicht Hitzeeinfluss, sondern Ultraschall zu nutze, um eine Trägerschicht kurzzeitig magnetisch beschreibbar zu machen. Das Material wird dabei per Ultraschalleinwirkung an einer Stelle ohne Streuung magnetisierbar gemacht und der Schreibkopf kann dort einzelne Bits gezielt aufzeichnen. Ohne Ultraschall sind die gespeicherten Bits wieder stabil und weder Betriebstemperaturen noch störende Einflüsse durch supramagnetische Effekte werden den Daten gefährlich. Das Verfahren soll selbst dann funktioniert, wenn die Bits sehr dicht gepackt sind. Ultraschall wirkt sich im Gegensatz zu einem thermischem Laser auf einen deutlich begrenzten Bereich des Trägermaterials aus und erlaubt damit eine präzisere Steuerung. Das Material erwärmt sich dadurch nicht und geht anschließend sofort wieder in einen stabilen Zustand zurück. Das Forscherteam muss nun noch Studien vorlegen, zu welchen Kosten die bereits zum Patent angemeldete Ultraschall-Technik in handelsüblichen Festplatten zum Einsatz kommen könnte.

 

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