“ฮาร์ดดิสก์” อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลที่เราทุกคนทราบดีว่า นอกจากมันจะมีส่วนประกอบที่ค่อนข้างเปราะบางแล้ว โครงสร้างที่เป็นระบบกลไกของมันก็ยังเป็นถ่วงสำคัญที่ทำให้ความเร็วในการทำงานของฮาร์ดดิสก์มีอย่างจำกัด แต่กระนั้นฮาร์ดดิสก์ยังเป็นที่ต้องการของผู้ใช้จำนวนมากอยู่ เนื่องจากมันเป็นอุปกรณ์ที่สามารถจัดเก็บข้อมูลได้เป็นจำนวนมาก อีกทั้งยังมีราคาต่อหน่วยความจุข้อมูลที่ค่อนข้างประหยัด ดังนั้นในปัจจุบันี้แม้ว่า SSD จะได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ แต่การใช้งานหลายๆ อย่างก็ยังจำเป็นต้องใช้ฮาร์ดดิสก์อยู่ นอกจากนี้ IDC ยังได้คาดการณ์ว่าในปี 2020 ทั่วโลกจะมีปริมาณข้อมูลอย่างน้อยถึง 70ZB (Zettabyte: เซตตะไบต์) (1ZB = 1,000,000,000,000GB) และเกือบครึ่งนั้นก็เป็นข้อมูลส่วนบุคคลด้วย ดังนั้นจึงค่อนข้างชัดเจนว่า เหตุใดฮาร์ดดิสก์จึงยังคงเป็นอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลที่มีความจำเป็นอยู่
แต่อย่างไรก็ตาม เพื่อให้สามารถรองรับปริมาณข้อมูลที่เพิ่มขึ้นอย่างมหาศาลได้ ฮาร์ดดิสก์ก็จำเป็นต้องได้รับการพัฒนาให้มีความจุสูงขึ้นด้วย แต่ปัญหาก็คือการบันทึกข้อมูลในแนวดิ่งโดยใช้เทคโนโลยี Perpendicular Magnetic Recording ที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน ได้มาถึงขีดจำกัดของตัวเองแล้ว ดังจะเห็นได้ว่าฮาร์ดดิสก์ขนาด 3.5 นิ้วที่ผลิตออกมาโดยใช้เทคโนโลยีนี้จะมีความจุได้มากที่สุดเพียง 6TB หรือในกรณีของฮาร์ดดิสก์ขนาด 2.5 นิ้ว ก็ถูกจำกัดความจุอยู่เพียง 2TB เท่านั้น
ปัจจัยพื้นฐานสำคัญที่ทำให้ฮาร์ดดิสก์มีความจุสูงขึ้นก็คือ ความหนาแน่นของข้อมูลที่แผ่นจานแม่เหล็กแต่ละแผ่นสามารถบันทึกได้ แต่หากยังคงบันทึกข้อมูลด้วยเทคโนโลยี Perpendicular Magnetic Recording อยู่ การเพิ่มความหนาแน่นของข้อมูลบนแผ่นจานแม่เหล็กให้มากขึ้น ก็เป็นสิ่งที่แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย หรือหากต้องการเพิ่มความจุโดยใช้แผ่นจานแม่เหล็กจำนวนมากขึ้น ก็จำเป็นต้องมีเทคโนโลยีใหม่ๆ มาช่วย เนื่องจากฮาร์ดดิสก์มีข้อจำกัดทางด้านกายภาพของเองเช่นกัน
สภาวะ Trilemma และปัญหา Superparamagnetic ของฮาร์ดดิสก์
ผู้ผลิตเชื่อว่าเทคโนโลยีการบันทึกข้อมูลในแนวดิ่งหรือ Perpendicular Magnetic Recording ที่ใช้กับฮาร์ดดิสก์มาตั้งแต่ปี 2005 สามารถบันทึกข้อมูลบนแผ่นจานแม่เหล็กได้หนาแน่นที่สุดเพียง 1.1Tb ต่อตารางนิ้วเท่านั้น (1.5TB/Platter) และเหตุผลสำคัญที่ทำให้ไม่สามารถเพิ่มความหนาแน่นของข้อมูลที่บันทึกอยู่บนแผ่นจานแม่เหล็กได้กว่านี้ก็คือ เมื่อข้อมูลมีความหนาแน่นมากขึ้นอีก มันจะทำให้อนุภาคของวัสดุที่เป็นแม่เหล็กซึ่งเป็นตัวแทนของข้อมูล 0 หรือ 1 มีขนาดเล็กลงจนไม่สามารถรักษาสภาพความเป็นแม่เหล็กของตัวเองไว้ได้และสามารถเปลี่ยนแปลงสภาพได้ทุกเมื่อจากสภาพแวดล้อม หรือเป็นปัญหาทางเทคนิคที่เรียกกันว่า Superparamagnetic ดังที่ได้กล่าวไป
ปัจจุบันนี้ฮาร์ดดิสก์แผ่นจานแม่เหล็กที่บันทึกข้อมูลในแนวดิ่งจะใช้อนุภาคของโลหะผสมระหว่างโคบอล โครเมียมและแพลทินัม (CoCrPt) เป็นบิตข้อมูล โดยการบันทึกข้อมูลแต่ละบิต หัวเขียนจะทำให้อนุภาคของโลหะผสมชนิดนี้ ซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาด 8 นาโนเมตรและมีความยาว 16 นาโนเมตรมีสภาพเป็นแม่เหล็กขึ้นมาจำนวน 20 ตัว แต่เมื่ออนุภาคเหล่านี้มีขนาดเล็กตั้งแต่ 6 นาโนเมตรลงไป มันจะไม่สามารถรักษาสภาพความเป็นแม่เหล็กของตัวเองไว้ได้อีก ซึ่งแม้ว่าผู้ผลิตฮาร์ดดิกส์จะมีตัวเลือกสำหรับการปรับแต่งเพื่อทำให้แผ่นจานแม่เหล็กมีความหนาแน่นของข้อมูลมากขึ้น แต่ก็ต้องรับมือกับสภาวะที่เรียกว่า Trilemma กล่าวคือ เมื่ออนุภาคของ CoCrPt มีขนาดล็กลงเป็น 6 นาโนเมตรจะไม่สามารถลดจำนวนอนุภาคต่อบิตข้อมูลให้น้อยลงได้ เนื่องจากมันจะทำให้สัญญาณถูกกลืนหายไปกับสัญญาณรบกวนจากบิตข้อมูลที่อยู่รอบๆ จนหัวอ่านไม่สามารถแยกได้ว่าข้อมูลนั้นเป็น 0 หรือ 1 หรือถ้าเปลี่ยนไปใช้โลหะผสมชนิดอื่นที่มีความเป็นแม่เหล็กสูงขึ้น แม้ว่าจะทำให้ลดขนาดและจำนวนอนุภาคต่อบิตลงได้ แต่หัวเขียนก็จะไม่สามารถเปลี่ยนสถานะความเป็นแม่เหล็กของมันได้ ดังนั้นการเพิ่มความหนาแน่นของข้อมูลบนแผ่นจานแม่เหล็กให้มากขึ้น จึงต้องเปลี่ยนไปใช้เทคโนโลยีการบันทึกข้อมูลแบบอื่นเท่านั้น
Helium-Filled - ใช้ฮีเลียมแทนอากาศที่อยู่ภายในฮาร์ดดิสก์
เพื่อให้สามารถเพิ่มความจุได้ โดยที่ฮาร์ดดิสก์ยังคงใช้เทคโนโลยีการบันทึกข้อมูลในแนวดิ่งอยู่ ผู้ผลิตฮาร์ดดิก์จึงได้มีการนำเทคโนโลยี Helium-Filled มาใช้ นั่นคือการแทนที่อากาศที่อยู่ภายในฮาร์ดดิสก์ด้วยการบรรจุฮีเลียม (Helium) ซึ่งเป็นก๊าซเฉื่อยเข้าไปแทน โดยก๊าซฮีเลียมนี้จะช่วยทำให้การหมุนของแผ่นจานแม่เหล็กมีการแกว่งตัวน้อยลง จนทำให้สามารถติดตั้งแผ่นจานแม่เหล็กแต่ละแผ่นให้อยู่ใกล้กันได้มากขึ้นด้วย นอกจากนั้นยังสามารถใช้แผ่นจานแม่เหล็กให้มีความบางกว่าปกติได้อย่างไม่มีปัญหา ด้วยเหตุนี้ฮาร์ดดิสก์ขนาด 3.5 นิ้วที่ผลิตออกมาในเวลานี้จึงสามารถใช้แผ่นจานได้มากถึง 8 แผ่นหรือมากกว่านั้น จากเดิมซึ่งบรรจุได้เพียง 5 แผ่นเท่านั้น
นอกจากจะทำให้เพิ่มความจุ โดยใช้แผ่นจานแม่เหล็กได้มากขึ้นแล้ว การบรรจุก๊าซฮีเลียมเข้าไปแทนที่อากาศซึ่งมีก๊าซไนโตรเจนและอ๊อกซิเจนเป็นส่วนใหญ่ ยังช่วยทำให้สปินเดิลมอเตอร์ที่ใช้หมุนแผ่นจานแม่เหล็กใช้พลังงานลดลง และมีความร้อนเกิดขึ้นน้อยลงด้วย ซึ่งข้อมูลจากผู้ผลิตระบุว่าการใช้เทคโนโลยีนี้จะทำให้ฮาร์ดดิสก์มีความร้อนต่ำกว่าเดิมถึง 4 องศาเซลเซียส และลดการใช้พลังงานลงได้ถึง 49 เปอร์เซ็นต์
SMR – บันทึกข้อมูลด้วยโครงสร้าง Track แบบใหม่
เพื่อให้แผ่นจานแม่เหล็กแต่ละแผ่นสามารถบันทึกข้อมูลได้มากขึ้น การบันทึกข้อมูลด้วยเทคโนโลยี Shingled Magnetic Recording หรือ SMR จึงได้ถูกนำมาใช้ โดยหลักการพื้นฐานของการบันทึกข้อมูลด้วยวิธีนี้ก็คือ การเปลี่ยนมาใช้ Track ข้อมูลที่วางเหลื่อมซ้อนกันคล้ายกระเบื้องมุงหลังคา ซึ่งการเรียงตัวลักษณะนี้จะทำให้พื้นที่ 1 ตารางนิ้วสามารถบันทึกข้อมูลได้มากขึ้นเป็น 1.4Tb เพราะถึงแม้ว่าความกว้างของแต่ละ Track จะถูกขยายให้กว้างขึ้นเป็น 70 นาโนเมตร แต่ก็จะใช้พื้นที่สำหรับอ่านข้อมูลของแต่ละ Track ได้แคบที่สุดได้ถึง 10 นาโนเมตร
ลักษณะ Track ข้อมูลของฮาร์ดดิสก์ที่ใช้เทคโนโลยี Shingled Magnetic Recording เปรียบเทียบกับ Track ข้อมูลของฮาร์ดดิสก์ส่วนใหญ่ที่ใช้เทคโนโลยี Perpendicular Magnetic Recording
อย่างไรก็ตาม การบันทึกข้อมูลด้วยวิธีการนี้ในช่วงแรกก็มีอุปสรรคเช่นกัน เพราะปกตินั้น บิตข้อมูลบนแผ่นจานแม่เหล็กของฮาร์ดดิสก์ในปัจจุบันนี้จะบันทึกได้ทีละตำแหน่งและทำได้โดยตรง แต่การบันทึกข้อมูลด้วยเทคโนโลยี SMR จะทำได้เฉพาะ Track ที่อยู่ด้านบนสุดเท่านั้น ดังนั้นในกรณีที่ต้องการแก้ไขข้อมูลใน Track ที่อยู่ด้านล่างก็จำเป็นต้องบันทึกข้อมูลใน Track นั้นใหม่ทั้งหมด ซึ่งนั่นทำให้ประสิทธิภาพของฮาร์ดดิสก์ลดลง แต่ในที่สุดปัญหานี้ก็ได้ถูกแก้ไข ด้วยการแบ่ง Track ออกเป็นส่วนย่อยๆ ซึ่งฮาร์ดดิสก์สามารถบันทึกทับหรือลบทั้งส่วนได้
HAMR - ใช้ความร้อนและวัสดุแบบใหม่
แม้ว่าการบันทึกข้อมูลด้วยเทคโนโลยี SMR จะทำให้ฮาร์ดดิสก์มีความจุสูงขึ้น โดยเฉพาะเมื่อผลิตออกมาโดยใช้เทคโนโลยี Helium-Filled แต่เพื่อรองรับการใช้งานในอนาคต IDEMA (International Disk Drive Equipment and Materials Association) จึงได้คิดค้นและพัฒนาเทคโนโลยี Heat-Assisted Magnetic Recording หรือ HAMR ขึ้นมา และในปัจจุบันนี้ Seagate ก็มีแผนที่จะผลิตฮาร์ดดิสก์ที่ใช้เทคโนโลยีนี้และนำออกสู่ตลาดแล้วด้วย
การบันทึกข้อมูลด้วยเทคโนโลยี Heat-Assisted Magnetic Recording - หัวอ่าน/เขียนของฮาร์ดดิสก์จะมีชุดยิงแสงเลเซอร์ทำหน้าที่ให้ความร้อน โดยความร้อนจะทำให้หัวอ่าน/เขียนเปลี่ยนสถานะของอนุภาคแม่เหล็กบนแผ่นจานแม่เหล็กได้ง่ายขึ้น
การบันทึกข้อมูลด้วยเทคโนโลยีนี้จะทำให้แผ่นจานแม่เหล็กสามารถบันทึกข้อมูลได้มากถึง 5Tb ต่อตารางนิ้ว โดยไม่มีผลกระทบจากสภาวะ Trilemma เหมือนกับเทคโนโลยี PMR นั่นคือ การลดขนาดของอนุภาคลง โดยเปลี่ยนไปใช้โลหะผสมเหล็กแพลตินัม (FePt) ซึ่งมีค่าพลังงาน Isotropic สูงกว่าเดิมมาก (ดังตารางด้านขวา) จนทำให้อนุภาคของมันมีปัญหา Superparamagnetic ก็ต่อเมื่อมีขนาดเล็กกว่า 2.5 นาโนเมตรเท่านั้น นอกจากนั้นการลดจำนวนอนุภาคต่อบิตข้อมูลก็ไม่ทำให้เกิดปัญหากับหัวอ่านด้วย แม้ว่าจะใช้จำนวนเพียงครึ่งเดียวจากที่ใช้อยู่ในปัจจุบันนี้ก็ตาม อย่างไรก็ดีการบันทึกข้อมูลด้วยวิธีการนี้ก็จำเป็นต้องมีเทคนิคพิเศษมาช่วย เพื่อให้หัวเขียนสามารถเปลี่ยนสภาพและการเรียงตัวของอนุภาค FePt ได้ ดังนั้นภายในฮาร์ดดิสก์ที่ใช้เทคโนโลยีนี้จึงได้มีการติดตั้งเลเซอร์เพิ่มลงไป โดยเลเซอร์ดังกล่าวนี้จะทำหน้าที่ให้ความร้อนประมาณ 400 องศาเซลเซียสกับอนุภาคในช่วงเวลาสั้นๆ เพื่อสลายพันธะแม่เหล็กจนทำให้หัวเขียนสามารถเปลี่ยนสภาพแม่เหล็กของอนุภาค FePt ได้นั่นเอง
MAMR – ใช้คลื่นไมโครเวฟเป็นตัวช่วย
อย่างไรก็ดีการเพิ่มความจุข้อมูลของฮาร์ดดิสก์ด้วยเทคโนโลยี HAMR ก็ถูกมองว่ามีข้อเสียมากมาย ทั้งในเรื่องของต้นทุนที่เป็นผลมาจากการใช้วัสดุชนิดใหม่และการผลิตที่ความซับซ้อนมากขึ้น รวมทั้งการใช้ความร้อนก็ยังอาจจะส่งผลต่อความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานในระยะยาว ดังนั้นการพัฒนาฮาร์ดดิสก์ที่มีความจุสูงของ WD จึงเปลี่ยนมาใช้เทคโนโลยี Microwave-Assisted Magnetic Recording ซึ่งในการบันทึกข้อมูลจะมีส่วนประกอบที่เรียกว่า Spin-Torque Oscillator หรือ STO ทำหน้าที่สร้างคลื่นไมโครเวฟแล้วฉายลงบนแผ่นจานแม่เหล็ก เพื่อให้หัวเขียนเปลี่ยนสภาพแม่เหล็กของอนุภาคได้ง่ายขึ้น และบนพื้นที่ 1 ตารางนิ้วก็บันทึกข้อมูลได้อย่างหนาแน่นถึง 4Tb
การบันทึกข้อมูลด้วยเทคโนโลยี Microwave-Assisted Magnetic Recording หัวอ่าน/เขียนของฮาร์ดดิสก์จะมีลักษณะเหมือนกับฮาร์ดดิสก์ที่ใช้เทคโนโลยี Heat-Assisted Magnetic Recording เกือบทุกอย่าง ยกเว้นการใช้ Spin-Torque Oscillator สร้างคลื่นไมโครเวฟแทนการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์เท่านั้น และผลจากคลื่นไมโครเวฟ – เมื่อ Spin-Torque Oscillator สร้างคลื่นไมโครเวฟขึ้นมา จะทำให้การเรียงตัวในรูปแบบแม่เหล็กของอนุภาคบิตข้อมูลคลายตัว [1] จากนั้นหัวเขียนก็จะเปลี่ยนแปลงสภาพแม่เหล็กของอนุภาคบิตข้อมูลนั้น [2]
WD ได้ให้ข้อมูลว่า การเพิ่มความจุข้อมูลด้วยการใช้เทคโนโลยีนี้จะทำให้ต้นทุนการผลิตฮาร์ดดิสก์ไม่สูงไปกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบันนี้ และไม่มีความซับซ้อนเหมือนกับการใช้เทคโนโลยี HAMR แต่ก็ไม่ได้ระบุว่าวัสดุที่ใช้ในการผลิตแผ่นจานแม่เหล็กนั้นยังคงเป็นแบบเดียวกับที่ใช้ในปัจจุบันหรือมีคุณสมบัติที่ต่างไปจาก FePt ที่ใช้กับเทคโนโลยี HAMR อย่างไร
การบันทึกข้อมูลของฮาร์ดดิสก์นั้น แม้ว่าในปัจจุบันนี้ผู้ผลิตยังคงใช้เทคโนโลยี PMR อยู่ แต่ในกลุ่มฮาร์ดดิสก์ที่มีความจุตั้งแต่ 8TB ขึ้นไป รวมทั้งฮาร์ดดิสก์ขนาด 2.5 ที่มีความจุตั้งแต่ 3TB ขึ้นไป ก็ได้มีการนำเทคโนโลยี SMR มาใช้แล้ว ส่วนฮาร์ดดิสก์ที่ใช้เทคโนโลยี HAMR และ MAMR นั้นคาดว่าจะมีการผลิตออกสู่ตลาดผู้ใช้ทั่วไปได้ตั้งแต่ปี 2020 นี้ แต่จะมีความจุเท่าใดนั้นยังไม่เป็นที่แน่ชัด รวมทั้งราคาและประสิทธิภาพในการทำงานของฮาร์ดดิสก์เทคโนโลยีใหม่นี้ด้วย...