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Mehr Speicher-Kapazität mit Ultraschall

10.06.2014 | 13:34 Uhr |

Magnetische Datenträger geraten bei der Speicherdichte inzwischen an physikalische Grenzen - zumindest mit der alten Technik. Dank Ultraschall wird dieses Limit erhöht.

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 fünf MB Speicher. Selbst bei weiter fallenden Preisen für SSDs sorgen die aktuellen Entwicklungen in der Festplattentechnologie 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 eine höhere Speicherdichte des Datenträgermaterials. Da sich die Strukturen bei magnetischen Speichern nicht einfach beliebig klein machen lassen, ist der Schlüssel dazu eine veränderte Aufzeichnungstechnik.

Den letzten großen Sprung machten Festplatten bei ihrer Speicherdichte vor rund fünf Jahren, als die magnetischen Oberflächen erstmals auf über 30 Gigabit pro Quadratzentimeter kamen. Möglich machte dies die senkrechte Anordnung der magnetischen Speichereinheiten auf der Oberfläche, bekannt als „Perpendicular Recording“. Zwei benachbarte, unterschiedlich magnetisierte Bereiche stören sich bei dieser Aufzeichnungstechnik weniger stark als die bisher horizontal ausgerichteten Einheiten. Dies erlaubt ein dichteres Packen der Bits: Festplatten knackten damit erstmals die Grenze von einem TB – eine Verdoppelung der zuvor verbreiteten Speicherdichte.

Preisentwicklung von festplatten. Überschwemmungen von fertigungsanlagen in thailand im Jahr 2011 sorgten für einen steilen Preisanstieg, der sich erst jetzt wieder normalisiert.
Vergrößern Preisentwicklung von festplatten. Überschwemmungen von fertigungsanlagen in thailand im Jahr 2011 sorgten für einen steilen Preisanstieg, der sich erst jetzt wieder normalisiert.

Das Dilemma magnetischer Aufzeichnung

Dichtere Strukturen mit kleiner werdenden magnetischen Einheiten (Domänen) führen dort, wo Leistung umgesetzt wird, zu einem altbekannten Dilemma – 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 theoretisch 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.

Magnetisierbare Oberflächen, die nur für einen kurzen Zeitraum bei Bedarf beschreibbar gemacht werden, versprechen eine Lösung des Dilemmas. Der Ansatz ist nicht neu, beispielsweise arbeitete schon die magnetooptische 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 Eisenlegierungen mit Platin, Cobalt, Terbium und anderen Metallen der seltenen Erden zunutze, 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. Ein Prototyp im Labor soll laut Seagate bereits ein Terabit pro Quadratinch (6,45 Quadratzentimeter) erreicht haben. Die Speicherdichte aktueller Festplatten liegt bei rund 0,67 Terabit pro Quadratinch.

SSD im Vergleich mit klassischen Festplatten

Grenzen hitzeempfindlicher Medien

HAMR bringt aber 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 so kommt es zwangsläufig zu Streueffekten, die benachbarten Bits gefährlich werden. Zudem verdampft bei Festplatten dabei auf Dauer die schmierende Schutzschicht zwischen Datenträgeroberfläche und den Schreib-Lese-Köpfen. 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.

Höhere Datendichte durch Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR): Ein thermischer Laser macht die Festplattenoberfläche an der gewünschten Position beschreibbar.
Vergrößern Höhere Datendichte durch Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR): Ein thermischer Laser macht die Festplattenoberfläche an der gewünschten Position beschreibbar.

Ultraschall statt 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 zunutze, 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 funktionieren, wenn die Bits sehr dicht gepackt sind. Ultraschall wirkt sich im Gegensatz zu einem thermischen Laser auf einen deutlich begrenzten Bereich des Trägermaterials aus und erlaubt damit eine präzisere Steuerung. Das Material erwärmt sich nicht und geht sofort wieder in einen stabilen Zustand zurück.

Das Forscherteam muss nun noch Studien vorlegen, zu welchen Kosten die bereits zum Patent angemeldete Ultraschalltechnik in handelsüblichen Festplatten zum Einsatz kommen könnte. Konkrete Angaben über die erzielbare Speicherdichte gibt es aktuell noch nicht.

Bit Patterned Media

Nicht nur die Chipfertigung arbeitet mit UV-Licht und nasschemischen Säurebädern, um Halbleiter aus Siliziumkristallen zu ätzen.

Auch bei Festplatten muss die Oberfläche des Datenträgers über ein ähnliches Verfahren vorbereitet werden. Bei Strukturbreiten von 20 Nanometern auf der magnetisierbaren Oberfläche haben Festplatten heute physikalische Grenzen. Kleiner geht es zumindest mit der fotolithografischen Fertigungstechnik nicht mehr, bei welcher ein magnetisierbarer Film mit Hilfe von UV-Licht und Ätzverfahren in einzelne Bereiche für die Aufzeichnung von Bits eingeteilt wird. Denn die Wellenlänge des UV-Spektrums gibt hier das untere Limit für die Strukturgrößen vor.

Dass es trotzdem noch kleiner geht, zeigt das neue Verfahren der Nanolithografie, das ohne UV-Licht auskommt: Auf einer magnetisierbaren Schicht werden dabei Inseln von lediglich zehn Nanometern Größe gebildet. Dabei setzt man Polymer-Kunststoffe ein, die sich selbst zu Molekülen anordnen. Auf einen Quadratzentimeter passen etwa 7,7 Billionen dieser Inseln, die jeweils ein Bit speichern können und in perfekt konzentrischen Kreisen auf einer Platte angeordnet sind. Es entstehen gemusterte Scheiben, im Fachjargon „Bit Patterned Media“ genannt. Im Vergleich zu heute erhältlichen Festplatten führt diese Technologie zu einer Verdoppelung der Speicherdichte, in künftigen Entwicklungsschritten auch noch zu weiterer Vervielfachung. Entwickelt wurde das Verfahren von Hitachi Global Storage Technologies (HGST). Diese gehören zur Firmengruppe von Western Digital, die neue Festplattenmodelle mit nanolithografisch gefertigten Oberflächen 2014 zur Marktreife bringen will.

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