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Les disques durs (HDD) demeurent indispensables pour le stockage économique de grands volumes de données. Toutefois, la méthode d’enregistrement magnétique perpendiculaire (PMR), utilisée depuis vingt ans, a atteint ses limites physiques. Les technologies d’enregistrement magnétique assisté par micro-ondes (MAMR) et par la chaleur (HAMR) permettent de surmonter ces obstacles et de préparer les disques durs à l’avenir. Des capacités de 50 To, voire davantage, sont attendues dans les années à venir ; mais comment fonctionnent ces nouvelles technologies et laquelle offre le plus grand potentiel à long terme ?

Ces derniers temps, la capacité de stockage des disques durs (HDD) a généralement augmenté d’environ 2 To par an. Pour que cette tendance se poursuive, de nouvelles technologies telles que l’enregistrement magnétique assisté par micro-ondes (MAMR) et l’enregistrement magnétique assisté par la chaleur (HAMR) sont nécessaires, car l’enregistrement magnétique perpendiculaire (PMR) conventionnel a désormais atteint ses limites. Mais en quoi les technologies MAMR et HAMR diffèrent-elles, et quelles capacités seront possibles dans les années à venir ?

Les disques durs restent essentiels au sein des grandes infrastructures de stockage, car ils constituent, et de loin, le support de stockage le plus économique permettant un accès direct aux données. L’évolution constante de la technologie des disques durs a permis d’augmenter régulièrement leur capacité.

Pour atteindre des capacités supérieures, les fabricants de disques durs disposent essentiellement de deux options : intégrer davantage de plateaux dans le format 3,5 pouces ou augmenter la densité de données sur les plateaux magnétiques. Il y a une dizaine d’années, l’utilisation de disques remplis d’hélium et de plateaux plus fins a permis d’en installer neuf au lieu de huit. Plus tard, la réduction de la taille de la carte électronique située sous le boîtier du disque — ne s’étendant plus sous l’empilement des plateaux — a rendu possible l’ajout d’un plateau supplémentaire.

Depuis, les plateaux sont devenus encore plus fins, mesurant seulement 0,55 mm au lieu des 0,635 mm précédents, ce qui permet d’en loger onze dans un seul disque. Toshiba a même réussi à démontrer la viabilité d’une conception intégrant douze plateaux. L’innovation clé réside ici dans le passage de substrats en aluminium au verre comme matériau de base pour les plateaux, car le verre se déforme moins lors du revêtement et de la rotation. Cela permet aux plateaux plus fins de conserver leur stabilité mécanique et de tourner avec une variation minimale de leur plan de rotation.

 De nouveaux revêtements offrent une meilleure stabilité des bits

Lorsqu’on augmente la densité de données sur les disques, la méthode d’enregistrement joue un rôle déterminant. Ces vingt dernières années, l’enregistrement magnétique perpendiculaire (PMR) a prévalu. Contrairement à l’enregistrement magnétique longitudinal (LMR) utilisé précédemment, les bits y sont alignés verticalement et non horizontalement. La finesse croissante du grain du revêtement magnétique a permis de rapprocher toujours plus les bits et les pistes de données, augmentant ainsi la capacité de stockage. Cependant, les lois de la physique imposent des limites désormais atteintes : une structure granulaire encore plus fine compromettrait la stabilité des bits, qui pourraient facilement se retourner sous l’effet de la chaleur.

Ce problème est résolu grâce à de nouveaux matériaux de revêtement à coercivité supérieure à celle des alliages fer-cobalt utilisés jusqu’à présent. Plus la coercivité est élevée, meilleure est la conservation de l’aimantation du revêtement et plus les bits sont stables.

L’alignement des bits lors des opérations d’écriture sur ces nouvelles surfaces requiert une énergie magnétique plus importante qu’auparavant, supérieure à ce que les têtes d’écriture des disques durs peuvent fournir sans augmentation de leur taille. L’utilisation de têtes d’écriture plus grandes est toutefois indésirable, car elle augmenterait à nouveau l’espacement entre les disques. Les fabricants de disques durs ont donc développé de nouvelles technologies telles que MAMR et HAMR, qui utilisent toutes deux des revêtements fer-platine à coercivité plus élevée et modifient temporairement leurs propriétés magnétiques afin de permettre l’écriture avec une énergie magnétique moindre.

 Il existe plusieurs types de MAMR

À proprement parler, la technologie MAMR se décline en deux variantes : le MAMR à flux contrôlé (FC-MAMR) et le MAMR à commutation assistée par micro-ondes (MAS-MAMR). Le FC-MAMR est déjà utilisé dans les disques durs depuis un certain temps ; il consiste simplement à concentrer le flux magnétique au moyen d’un champ de micro-ondes généré par un oscillateur à couple de spin. Cela permet une écriture des bits à plus forte densité, bien que la tête de lecture/écriture nécessite deux éléments de lecture pour améliorer le rapport signal/bruit (SNR) et garantir une lecture fiable des bits.

Comme le FC-MAMR n’agit pas directement sur le matériau de revêtement lui-même, cette technologie est compatible avec les revêtements existants, mais n’offre qu’une augmentation relativement modeste de la capacité. Des gains plus importants sont attendus à moyen terme grâce au MAS-MAMR, qui interagit activement avec le revêtement.

Dans le cas du MAS-MAMR, un double oscillateur à couple de spin, situé dans l’entrefer d’écriture de la tête de lecture/écriture, génère un champ de micro-ondes plus puissant qui excite spécifiquement la zone cible du revêtement en alliage fer-platine. Lorsque l’oscillation s’effectue à la fréquence adéquate, une faible quantité d’énergie magnétique suffit pour aligner la structure granulaire et écrire un bit. Une fois l’oscillateur désactivé, le matériau cesse d’osciller et le bit demeure stable.

Hormis la complexité du circuit de l’oscillateur, la technologie elle-même est relativement simple et n’impose que peu de contraintes au matériau. Elle peut également être combinée à l’enregistrement magnétique en bardeaux (SMR), une association qui devrait permettre d’atteindre des capacités de 32 à 33 To par disque dur pour la prochaine génération de disques (utilisant onze plateaux). La génération suivante, dotée de douze plateaux et d’améliorations supplémentaires de la technologie MAMR, devrait atteindre une capacité d’environ 40 To.

Bien que la technologie SMR ait par le passé été critiquée pour l’instabilité de ses performances d’écriture, l’utilisation de caches plus volumineux et d’algorithmes de mise en cache optimisés l’a rendue nettement plus fiable. Toutefois, pour les environnements soumis à des charges d’écriture intensives ou exigeant des performances constantes et prévisibles, des modèles sans SMR resteront disponibles, bien qu’ils offrent des capacités légèrement inférieures.

 La chaleur impose des exigences accrues en matière de matériaux pour la technologie HAMR

L’oscillateur à couple de spin devant s’insérer dans l’entrefer d’écriture, il doit être extrêmement compact. Cette contrainte limite ses performances, rendant peu probable une augmentation de la capacité bien au-delà de 40 To avec la technologie MAMR. À long terme, la technologie HAMR offre un potentiel supérieur. Dans le cas du HAMR, une diode laser est placée au-dessus de la tête de lecture/écriture. Son faisceau est guidé par un guide d’ondes optique vers un transducteur de champ proche (NFT), qui concentre l’énergie avec précision sur la zone à écrire. Cette zone est brièvement chauffée jusqu’à la température de Curie du matériau — bien au-delà de 400 °C — ce qui lui fait perdre en grande partie ses propriétés magnétiques et permet d’aligner la structure granulaire à l’aide d’un champ magnétique de faible intensité. Le matériau refroidit ensuite rapidement, stabilisant ainsi l’aimantation.

Sur le plan technique, le HAMR présente plus de défis que le MAMR, car les performances de la diode laser se dégradent avec le temps et les matériaux doivent supporter des contraintes thermiques nettement plus élevées. Toutefois, grâce à des méthodes de conception et d’analyse avancées, les fabricants ont réussi à mettre au point des disques durs HAMR aussi fiables et durables que les générations précédentes. Pour les disques destinés aux entreprises, cela se traduit par un temps moyen avant défaillance (MTTF) de 2,5 millions d’heures et la prise en charge de charges de travail allant jusqu’à 550 To par an. La consommation électrique n’augmente que très légèrement du fait de la diode laser, une hausse largement compensée par les capacités de stockage accrues. En conséquence, le rapport watts/téraoctet est nettement inférieur à celui des anciens modèles.

Les prochaines générations de disques durs basées sur le HAMR devraient offrir, dans un premier temps, des capacités d’environ 45 To, puis de 55 To par disque. Pour les modèles à douze plateaux, un défi se pose : la diode laser montée au-dessus de la tête de lecture/écriture augmente légèrement la hauteur de l’ensemble, empêchant son insertion entre les plateaux magnétiques avec la conception actuelle. Ce problème devrait toutefois être résolu grâce à une petite ouverture ménagée dans le système de suspension de la tête.

Les capacités ultimes atteignables avec le HAMR ne sont pas encore clairement définies ; certains experts prévoient 100 To ou plus par disque. Même si le HAMR n’atteignait pas de tels niveaux, les fabricants de disques durs étudient déjà des technologies de nouvelle génération permettant une utilisation plus efficace de la surface des plateaux, par exemple grâce à des structures granulaires uniformément alignées ou à des « points » magnétiques isolés.

Conclusion

Grâce à l’utilisation de jusqu’à douze disques et de technologies d’enregistrement avancées telles que le MAMR et le HAMR, les disques durs devraient continuer à offrir des capacités en constante augmentation pendant de nombreuses années, tout en demeurant la solution de stockage la plus économique du marché. Bien que les technologies MAMR et HAMR s’appuient toutes deux sur de nouveaux matériaux de revêtement pour atteindre des densités de bits et de pistes plus élevées, elles modifient également, de manière temporaire, les propriétés magnétiques de ces revêtements lors des opérations d’écriture afin de réduire l’énergie magnétique nécessaire. Dean Edwards est General Manager Engineering & Technical Support at Toshiba Electronics Europe