Nieuwe hardeschijftechnologieën uitgediept

37 reacties
Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. LMR
  3. 3. Perpendicular Magnetic Recording
  4. 4. Zoektocht
  5. 5. TuMR
  6. 6. Op naar 37 TB per schijf
  7. 7. Partities
  8. 8. 4k sectoren
  9. 9. EFI BIOS
  10. 10. Conclusie
  11. 11. Reacties

Inleiding

Een klein jaar geleden introduceerden Seagate en Western Digital de eerste harde schijven met een capaciteit van 3 Terabyte. Ongekend veel opslag, maar over een paar jaar is ook een dergelijke opslagcapaciteit normaal geworden. Hoe krijgen de fabrikanten het toch voor elkaar om telkens meer data op hun schijven te plaatsen? Hardware.Info duikt in de techniek.

De werking van een harde schijf berust op magnetisme. Het voordeel daarvan is dat het eenvoudig is om data te lezen en te schrijven en dat, mits er geen ander magnetisch voorwerp in de buurt komt, informatie jaren na gebruik nog altijd intact is. De harde schijf bestaat uit een of meerdere magnetische schijven, platters genaamd, die in feite verdeeld zijn in miljoenen vakjes waar een 0 of 1 kan worden opgeslagen. De vakjes worden gevormd door een rooster van concentrische cirkels, de tracks, en lijnen die van het middelpunt naar de buitenkant van de schijf lopen, zoals de spaken van een wiel, de sectoren. Ieder vakje kan magnetisch beïnvloed worden door een schrijfkop. Dat was al bij de eerste harde schijven uit 1956 het geval en is nu niet anders.

De opslagcapaciteit van een harde schijf vergroten kan op verschillende manieren. Allereerst is het natuurlijk zo dat een platter met een groter oppervlak meer data kan bevatten. Het fysieke formaat van harde schijven is echter al jaren hetzelfde: 3,5 inch voor desktop PC’s en 2,5 of 1,8 inch voor notebooks. Dat betekent dat de bruikbare oppervlakte van de platters ook al jaren hetzelfde is. Op een platter van een 3,5-inch schijf past uiteraard meer data dan die van een 2,5-inch schijf, omdat hij simpelweg een stuk groter is. Daarnaast kan de capaciteit van schijven vergroot worden door meerdere platters en daaraan gekoppeld meerdere lees- en schrijfkoppen te plaatsen, ook al zal dit vanwege de hogere productiekosten resulteren in duurdere schijven. Ook hier zijn er echter fysieke beperkingen: in een 3,5” passen hooguit vijf platters, in 2,5” schijven passen er maximaal drie of vier. Die beperkingen zijn er al sinds jaar en dag. Om de capaciteit van harde schijven de laatste jaren steeds te laten toenemen, bleef er voor fabrikanten maar één ding over: steeds meer data op dezelfde oppervlakte opslaan.

LMR

De techniek om door middel van magnetisme informatie op een platter te plaatsen is de laatste jaren aangepast om meer data kwijt te kunnen. Decennia lang was Longitudinal Magnetic Recording (LMR) de enige techniek die gangbaar was. LMR houdt in dat het magnetische veld van elke binaire bit die geschreven wordt, horizontaal uitgelijnd is ten opzichte van de platter. In afbeelding 1 zie je hoe dat schematisch werkt: door een spanning te zetten op een inductieve spoel wordt er een horizontaal magnetisch veld opgewekt, wat een effect uitoefent op de onderliggende schijf. Door de spanning om te draaien, kan het magnetische veld van richting worden veranderd.

We schreven al dat om de capaciteit van een platter te vergroten, de bits de afgelopen jaren steeds dichter bij elkaar geschreven moesten worden. Dit gaf op den duur ook problemen, want hoe dichter de bits fysiek naast elkaar lagen, des te meer ging het magnetische veld van een bit invloed uitoefenen op dat van naastgelegen bits. Wanneer de oppervlakte die een bit inneemt te klein zou worden, zou het kunnen dat een schrijfactie een naastliggende bit kan verstoren. Dat is natuurlijk absoluut niet de bedoeling: als bezitter van een harde schijf wil je er natuurlijk zeker van zijn dat de data veilig bewaard blijft.

Door de jaren heen is de LMR-technologie flink verbeterd en uiteindelijk kon met deze technologie tot zo’n 250 Gigabit per vierkante inch op een platter worden opgeslagen, maar dat bleek echt de grens. De oplossing werd gevonden in een andere technologie: PMR ofwel perpendicular magnetic recording.


Bits werden jarenlang in de lengterichting weggeschreven.

Perpendicular Magnetic Recording

De eerste sporen van de nieuwe manier van opslaan zijn te vinden in 1976, maar het duurde nog tot 2005 eer de eerste daadwerkelijk commercieel verkrijgbare schijf gebaseerd op Perpendicular Magnetic Recording (PMR) op de markt kwam. Het belangrijkste verschil is dat het magnetische veld dat de bits representeert bij PMR verticaal is uitgelijnd. Dit verschil is ook te zien in de naamgeving. Perpendicular is Engels voor loodrecht, de bits worden dan ook loodrecht ten opzichte van de platter weggeschreven. Een ander verschil met LMR is dat de platters onder meer voorzien zijn van een tweede, minder magnetische laag onder de laag waar daadwerkelijk de data wordt opgeslagen. Deze tweede laag doet dienst als geleider voor het magnetische veld dat door de schrijfkop wordt opgewekt. Waar harde schijven gebaseerd op LMR techniek een maximum van rond de 250 Gigabit per vierkante inch hadden, ligt de capaciteit van platters dankzij PMR inmiddels een stuk hoger.

Experts schatten dat de maximale hoeveelheid data voor PMR-schijven tot 1000 Gigabit per vierkante inch of misschien zelfs meer kan oplopen. De state-of-the-art Western Digital Caviar 3TB schijf werkt met vier platters van 750 gigabyte, waarbij men omgerekend al een datadichtheid van meer dan 800 gigabit per vierkante inch haalt. Daarbij neem iedere bit zo’n 7 nanometer is beslag. Dat zit al vlakbij de verwachte grenzen van wat men oorspronkelijk mogelijk achtte met perpendicular recording, maar de verschillende hardeschijffabrikanten geven aan dat er nog wel een jaar of drie verder ontwikkeld kan worden met de PMR-techniek.

Hoewel het nog onduidelijk is waar de grens voor PMR daadwerkelijk gaat liggen, zal er ook bij PMR vroeg of laat tegen het probleem worden aangelopen dat het schrijven van een bit effect gaat hebben op de naastgelegen bits. Er wordt dus al weer driftig gewerkt aan nieuwe technologieën.


Door de bits loodrecht weg te schrijven is een hogere datadichtheid mogelijk

Zoektocht

Fabrikanten van harde schijven zijn al een jaar of tien bezig met onderzoek naar en ontwikkeling van een nieuwe techniek om de opslagcapaciteit verder uit te breiden. Zo is bijvoorbeeld Seagate met Heat Assisted Mechanical Recording (HAMR) technologie onderweg en Western Digital met de Tunneling Magneto Resistive (TuMR) technologie. Patterned Media is ook een veelbelovende techniek.

Seagate geeft hoog op over haar nieuwe techniek. Zo claimt het bedrijf dat er gemakkelijk meerdere Terabits op een vierkante inch geplaatst kunnen worden. Dit is mogelijk door de toepassing van een laser in de schrijfkop van een harde schijf. De basis van HAMR is dat een oppervlak eerst zeer lokaal verhit wordt, vervolgens kan er gemakkelijker een bit geschreven worden, ook al bevindt deze zich zeer dicht bij een andere schrijfpositie. Dit heeft alles te maken met hoe de magnetische onderlaag reageert op een lokale verhitting. Het snel afkoelen van de beschreven plek na een schrijfactie is essentieel in het stabiel maken van de geschreven bit. Immers, als het oppervlak van een zojuist geschreven bit nog relatief heet is en een daarnaast liggende bit juist geschreven wordt, dan kan het alsnog gebeuren dat de schrijfactie een andere bit beïnvloedt. Dat de huidige techniek significant anders werkt dan HAMR hoeft volgens Seagate geen probleem te zijn: gebruikmaken van HAMR schijnt al mogelijk te zijn met een relatief licht aangepaste schrijfkop. Het zal nog wel een aantal jaar duren voordat deze techniek commercieel bruikbaar is.

Door het schrijfoppervlak eerst te verhitten is er een hogere datadichtheid mogelijk.

TuMR

Een tweede kanshebber is TuMR. Hierbij wordt er een isolerend laagje tussen twee hoog magnetische lagen geplaatst. Op het moment dat er een magnetisch veld opgewekt wordt, ontstaat er een zogeheten tunneleffect waardoor er een elektrisch signaal door de isolerende laag kan lopen. Dit klinkt niet direct bijzonder geavanceerd, maar het isolerende laagje is slechts enkele nanometers dik. Zodoende is het een laagje dat nauwelijks weerstand opwerkt, een van de eigenschappen die van groot belang is voor de praktische toepasbaarheid van TuMR. Dit tunneleffect en het feit dat de bits verticaal opgeslagen worden maakt het mogelijk om een zeer hoge datadichtheid te realiseren. Recente cijfers zijn helaas niet beschikbaar, dus we zullen het vooralsnog zonder data moeten doen.

Door nieuwe technieken te gebruiken zal de standaard lees- en schrijfkop verdwijnen.

Op naar 37 TB per schijf

Een andere toekomstige technologie die met name door Hitachi gestimuleerd wordt is die van Patterned Media, ofwel media die in patronen opgeslagen is. Nu gebeurt iets dergelijks al in de huidige harde schijven; bits worden immers niet zomaar lukraak weggeschreven. Toch is er door ingenieus gebruik van patronen een hogere datadichtheid mogelijk. Hierbij is er voor elke bit een stukje oppervlak beschikbaar dat afgescheiden is van de andere schrijfposities door een isolerend laagje. Hierdoor is het wederom mogelijk een significant hogere datadichtheid te realiseren, zonder dat het superparamagnetisch effect op gaat treden. Dat deze techniek nog niet gebruikt wordt in praktijk heeft alles te maken met de technische uitdagingen die deze met zich meebrengt.

Nu nog zijn de platters van harde schijven in feite één gelijk oppervlak. Bij patterned media moeten de vakjes daadwerkelijk op de platters gemaakt worden, wat een fotolithografisch productieproces vraagt dat lijkt op hoe processors worden gemaakt. Onderzoek naar hoe dit op een goedkope manier gedaan kan worden is nog in volle gang. De productiekosten van een enkele patterned media harde schijf zijn op dit moment nog te hoog om commercieel interessant te zijn. Seagate geeft aan dat het op den duur verwacht een harde schijf uit te brengen die een combinatie gebruikt van HAMR en patterned media technologie. Indien dit lukt wordt verwacht dat er zelfs schijven met een opslagcapaciteit van 37,5 TB te realiseren zijn. Dat is dus ongeveer 12 keer zoveel als er met behulp van de huidge PMR-technologie maximaal mogelijk is.


Hier is duidelijk te zien dat bits bij patterned media afzonderlijk van elkaar opgeslagen worden.

Partities

Schijven van 3 TB zijn er al en zoals je hiervoor hebt kunnen lezen is het eind nog lang niet in zicht. Het plaatsen van schijven met een dergelijke hoge capaciteit in je bestaande PC is echter geen een kwestie van aansluiten en het opslaan kan beginnen. Bij disks groter dan 2 terabyte – of groter dan 2,199 TB om heel exact te zijn – moet je rekening houden met een aantal potentiële struikelblokken.

Wat is er aan de hand? Harde schijven worden binnen de PC aangestuurd volgens de zogenaamde Logical Block Addressing (LBA) methode. Deze standaard deelt de totale capaciteit van de harde schijf op in blokken van 512 bytes, die elk afzonderlijk geadresseerd kunnen worden. Hoewel er bij moderne harde schijven hardwarematig al is overgestapt van sectoren van 512 bytes naar sectoren van 4 kilobytes, blijven deze om compatibiliteitsredenen softwarematig aangestuurd worden middels blokken van 512 bytes.

Binnen de meeste besturingssystemen worden harde schijven geformatteerd en gepartitioneerd volgens de Master Boot Record methode. Binnen de MBR systematiek zijn er 32-bits beschikbaar om data op de harde schijf te adresseren. Een 32-bit adressering betekent dus dat je maximaal 232 = 4.294.967.296 blokken van 512 bytes kunt aansturen. De maximaal te adresseren capaciteit voor een partitie is dus 4.294.967.296 x 512 = 2.199.023.255.552 bytes: ofwel 2 TB als je volgens de normale regels rekent (1 kB = 1024 bytes), ofwel 2,199 TB in de rekenwijze van hardeschijffabrikanten (1 kB = 1000 bytes).

Dat zou dus in de normale situatie betekenen dat je een 3 TB harde schijf in minstens twee partities zou moeten opdelen om überhaupt de gehele capaciteit te kunnen gebruiken. Gelukkig is er een tweede oplossing. In plaats van gebruik te maken van de oude MBR methode, kun je een harde schijf ook partitioneren middels de GPT (GUID Partition Table) technologie. Een belangrijk voordeel van GPT is 64-bit adressering. Dat betekent dat je in theorie schijven van 8 zettabyte kunt aansturen. Een zettabyte is 1024 exabyte, een exabyte is 1024 petabyte en een petabyte is 1024 terabyte... heel veel dus. 3 TB, maar ook de door Seagate beloofde 37 TB is derhalve geen enkel probleem.


Schijven groter dan 2 TB kun je dankzij GPT in 64-bit versies van Windows voorzien van één partitie.

4k sectoren

Aan het begin van dit artikel schreven we al dat harde schijven zijn opgedeeld in "sectoren", kleine blokjes data die afzonderlijk geadresseerd kunnen worden. Die sectoren zijn al sinds jaar en dag 512 bytes groot, maar sinds enige tijd maken de nieuwste harde schijven gebruik van sectoren van 4 kilobyte. Sterker nog, de verschillende fabrikanten van harde schijven hebben met elkaar afgesproken dat 4k sectoren vanaf 2011 "standaard" zijn.

Het voordeel van de nieuwe methode is dat er minder overhead is en dus dat er simpelweg meer data op een schijf past. Iedere sector begint immers met een aantal bytes met informatie over de adressering en iedere sector eindigt met een groot blok ECC-informatie, benodigd voor foutcorrectie. Voor 4 kilobyte data is bij de nieuwe schijven slechts één “startblok” en één ECC-blok vereist. Bij schijven met sectoren van 512 bytes zijn die blokken er acht keer zo veel. Het opslaan van 4 kilobyte aan data neemt op een schijf met 4k sectoren dus simpelweg fysiek minder ruimte in beslag. Anders gezegd: op dezelfde ruimte kun je met 4k blokken meer data plaatsen.

De meeste software gaat echter nog uit van sectoren van 512 bytes, waardoor 4k schijven intern een emulatieslag maken. Ze worden aangestuurd alsof ze sectoren van 512 bytes hebben en de schijf rekent alle adressering vanzelf om. Dat zorgt potentieel voor één probleem. Om op volle snelheid te werken zouden netjes de eerste acht softwarematige 512 byte sectoren (sector 0 t/m 7) moeten samenvallen met de eerste hardwarematige 4k-sector, en zo verder. Als dat het geval is, dan is de partitie "aligned" in jargon. Begint de eerste softwarematige 512 byte sector ergens halverwege een hardwarematige 4k-sector, "misaligned" dus, dan kan dat desastreuse gevolgen hebben voor de prestaties van een harde schijf.

Gelukkig houden Windows Vista en Windows 7 hier rekening mee bij het aanmaken van partities. Wanneer je een schijf initialiseert in deze besturingssystemen, loop je geen risico op de vertraging. Voor Windows XP en Windows Home Server (gebaseerd op Windows Server 2003) geldt dat uitdrukkelijk niet en worden partities standaard misaligned aangemaakt. Dat komt omdat deze versies van Windows de primaire partitie standaard laten beginnen op LBA nummer 63 en dat getal is uiteraard niet deelbaar door 8, althans niet zo dat er een heel getal uitkomt. Harde schijven met interne 4k-sectoren kun je zodoende voor de zekerheid ook beter niet gebruiken in deze Windows-versies, al zijn er oplossingen. Sommige 4k-schijven hebben een speciale jumper die een extra emulatietruc inschakelt om XP-compatibiliteit goed te krijgen. Daarnaast heeft Western Digital een utility (WDAlign), die je kunt gebruiken om in Windows XP en Windows Home Server de alignment bij een bestaande partitie goed te krijgen.


Bij schijven met 4k sectoren is er minder overhead. Er past dus meer data op dezelfde fysieke ruimte.

EFI BIOS

Bij moderne Intel-gebaseerde Apple-computers is GPT inmiddels standaard, maar het wordt ook ondersteund door de 64-bit versies van Windows. Wanneer je de nieuwe schijf gaat initialiseren in de disk manager van Windows, kun je bij de 64-bit versies naast MBR kiezen voor GPT. Maak je die keuze, dan kun je de 3 TB schijf gebruiken als één grote partitie. Heb je een 32-bit Windows versie, dan is het simpelweg niet mogelijk. Eén ding moet je even niet vergeten: de eerste versie van Windows Home Server, typisch een besturingssysteem waar mensen graag grote schrijven bij gebruiken, is een 32-bits besturingssysteem.

Hiermee is de kous echter nog niet af. Het aanmaken van een GPT-partitietabel mag dan in Windows x64 niet zo ingewikkeld zijn, het gebruiken van zo'n disk als opstartschijf geeft ook problemen. Normale BIOS-systemen op moederborden ondersteunen alleen harde schijven met een MBR-partitie om van op te starten. Om te booten vanaf een GPT-schijf is een EFI (Extensible Firmware Interface) 'BIOS' vereist: standaard op Apple-computers en Intels eigen merk moederborden, maar de andere fabrikanten bieden pas EFI sinds hun nieuwste generatie moederborden. Iets om op te letten!

Tenslotte moet je SATA-controller ook geschikt zijn voor 64-bit LBA adressering. Alle Intel SATA-controllers van de afgelopen jaren zijn dat, maar alleen in Native IDE modus. In de iets snellere AHCI-modus kun je de 3 TB schijven met de huidige Intel-controllers niet volledig gebruiken en zodoende dus ook niet in de RAID-modus van de chipset. AMD's SATA-controller uit de SB850 south bridge is weliswaar helemaal geschikt, maar het aantal AMD-moederborden met EFI-BIOS is op dit moment nog extreem beperkt. Ten slotte is de Marvell 88SE9025 SATA600-controller die we tegenwoordig op steeds meer moederborden tegenkomen volledig geschikt.

Samenvattend: om de schijf als één 3 TB partitie überhaupt te kunnen gebruiken heb je én een 64-bit versie van Windows nodig (of een andere geschikt besturingssysteem) én een geschikte SATA-controller. Om op te kunnen starten van zo'n 3 TB partitie heb je EFI in plaats van een traditionele BIOS nodig. Die combinatie is nu nog vrij zeldzaam, maar over een jaar wellicht de normaalste zaak van de wereld.

Conclusie

De laatste vijf tot zes jaar is de datadichtheid van harde schijven gigantisch toegenomen, terwijl tegelijkertijd de prijs per gigabyte hard gedaald is. Het is een steeds grotere uitdaging om door middel van bestaande technieken de datadichtheid te blijven vergroten. Meerdere technologieën zijn in de race om de standaard te worden in hardeschijfproductie en allemaal zien ze er veelbelovend uit. De fabrikanten Western Digital, Seagate en Hitachi werken vrij intensief samen om tot een nieuwe standaard te komen, om elkaar vervolgens te beconcurreren met producten die op dezelfde technologie gebaseerd zijn.

Op dit moment lijkt Seagate met haar HAMR techniek koploper te worden, al duurt het nog wel een paar jaar eer dit gereed is voor massaproductie. Het blijft afwachten wat de toekomst gaat brengen. Eén ding is zeker, over een paar jaar is een 1TB schijf wat de 250GB schijf nu is: gerommel in de marge.

Western Digital Caviar Green 1TB (SATA2, 32MB)

Nu een populaire opslagschijf, maar voor hoe lang?

0
*