熱アシスト磁気記録

熱補助磁気記録( HAMR ) (「ハンマー」と発音) は、書き込み中にディスク材料を一時的に加熱することで、磁気効果の受容性が大幅に高まり、はるかに小さな領域 (およびディスク上のデータ レベルが大幅に向上) への書き込みが可能になり、ハードディスク ドライブなどの磁気デバイスに保存できるデータ量を大幅に増やす磁気ストレージ テクノロジです。

この技術は当初、実現が非常に難しいと考えられており、2013年には実現可能性に疑問が呈されていました。 ^[1]書き込み領域は、回折により通常のレーザー集中加熱が使用できないほど小さい領域で加熱する必要があり、1ナノ秒未満の加熱、書き込み、冷却サイクルが必要です。また、ドライブプラッター、ドライブとヘッドの接触、および影響を受けてはならない隣接する磁気データへの繰り返しスポット加熱の影響も制御する必要があります。これらの課題を解決するには、直接レーザーベースの加熱に代わるナノスケールの 表面プラズモン（表面誘導レーザー）、記録ヘッドや近くのデータとの接触に影響を与えずに急速なスポット加熱に耐える新しいタイプのガラスプラッターと熱制御コーティング、加熱レーザーをドライブヘッドに取り付ける新しい方法、および克服する必要のあるその他の幅広い技術、開発、および制御の問題の開発が必要でした。^{[2] [3]}

HAMRの後継として計画されている加熱ドット磁気記録（HDMR）またはビットパターン記録も開発中ですが、少なくとも2025年までは利用できないと予想されています。^{[4] [5]} HAMRドライブは、既存の従来のハードドライブと同じフォームファクタ（サイズとレイアウト）を持ち、インストールされているコンピュータやその他のデバイスに変更を加える必要がなく、既存のハードドライブと同じように使用できます。^{[6] [7]} 32 TBのHAMRドライブは、2023年に認定のために一部の顧客に出荷されました。^[8]

ハード ドライブの容量をコストにほとんど影響を与えずに増やすための一連のテクノロジが開発されてきました。標準フォーム ファクタ内でストレージ容量を増やすには、より多くのデータをより小さなスペースに保存する必要があります。これを実現する新しいテクノロジには、垂直記録 (PMR)、ヘリウム充填ドライブ、瓦記録 (SMR)などがありますが、これらはすべて、面密度(特定のサイズの磁気プラッタに保存できるデータ量) に関して同様の制限があるようです。HAMR は、磁気メディアでこの制限を打ち破る技術です。

従来の磁気記録と垂直磁気記録の限界は、読み取り、書き込み、安定性という相反する要件（磁気記録の三難として知られる）によるものです。問題は、非常に小さなビット サイズのデータ​​を確実に保存するには、磁気媒体が非常に高い保磁力（磁区を維持し、望ましくない外部磁気の影響に耐える能力）を持つ材料で作られていなければならないことです。^[3] ドライブ ヘッドは、データを書き込むときにこの保磁力を克服する必要があります。^{[3] [2]}しかし、面密度が増加すると、1ビットのデータが占めるサイズが非常に小さくなり、現在の技術で作成できる最も強い磁場は、プラッターの保磁力を克服する（または開発用語で言えば、磁区を反転する）のに十分な強さではありません。これは、必要な磁場をこのような小さな領域内に作成することが現実的ではないためです。^[3] 実際には、このような小さなスケールでは磁気書き込みアクティビティが不可能になるため、機能するディスク ドライブを作成することが非現実的または不可能になるポイントが存在します。^[3]

多くの材料の保磁力は温度に依存します。磁化された物体の温度が一時的にキュリー温度を超えると、冷却されるまで保磁力は大幅に低下します。(これは、針などの磁化された物体を炎で加熱するとわかります。物体が冷却されると、磁化が大幅に低下します。) HAMR は、磁性材料のこの特性を利用しています。ハード ドライブ内の小さなレーザーが、書き込み領域を一時的にスポット加熱し、ディスクの材料が一時的に保磁力を大幅に失う温度に短時間達します。その後すぐに、磁気ヘッドが、通常よりもはるかに小さな領域にデータを書き込みます。材料はすぐに再び冷却して保磁力が回復し、再度書き込まれるまで書き込まれたデータが簡単に変更されるのを防ぎます。一度に加熱されるのはディスクのごく一部だけなので、加熱された部分は急速に冷却され (1 ナノ秒未満^[2] )、比較的少ない電力で済みます。

加熱の使用は大きな技術的問題を引き起こした。なぜなら、2013年の時点では、ハードドライブの使用によって課せられる制約内で必要とされる小さな領域に必要な熱を集中させる明確な方法がなかったからである。加熱、書き込み、冷却に必要な時間は約1ナノ秒であり、これはレーザーまたは同様の加熱手段を示唆しているが、一般的なレーザー波長では回折により光の使用が制限される。これは通常、これらの波長ではHAMRが磁気ドメインに必要とする小さな領域のようなものに集中できないためである。^[2]従来のメッキ磁気プラッターも熱伝導特性のために適していないため、新しいドライブ材料を開発する必要がある。^[2] Seagate Technologyと昭和電工は、 HAMRドライブ用のガラスプラッターに鉄とプラチナの合金を使用している。^{[9] [10] [11] [12]}さらに、他のさまざまな技術、開発、および制御の問題を克服する必要がある。^[2] HAMRドライブの開発で著名なシー​​ゲイトは、課題には「半導体ダイオードレーザーをHDD書き込みヘッドに取り付けて調整し、熱を伝えるために近接場光学を実装すること」と、以前の近接場光学の使用よりもはるかに大きな使用規模が含まれるとコメントしました。^[1]業界観測筋のIDCは2013年に「この技術は非常に難しく、商用製品になるかどうかについては懐疑的な見方が多い」と述べ、HAMRが2017年より前に商用化される可能性は低いとの意見が一般的でした。^[1]

Seagate は、直接レーザー加熱の代わりにナノスケール^[3] 表面プラズモンを開発することで加熱の焦点の問題を克服したと述べています。 ^[2]導波管の考え方に基づいて、レーザーはガイド材の表面に沿って「移動」します。ガイド材は、ビームを加熱する領域 (書き込み予定領域) に導くように形作られ、配置されています。回折はこの種の導波管ベースの焦点に悪影響を与えないため、加熱効果を必要な小さな領域に向けることができます。^[2]加熱の問題には、記録ヘッドとプラッターの接触に影響を与えたり、プラッターとその磁気コーティングの信頼性に影響を与えたりすることなく、小さな領域で 400 °C を超える急速なスポット加熱に耐えられるメディアも必要です。^[2]プラッターは、加熱領域に到達した後、プラッター内で熱がどのように移動するかを正確に制御するコーティングが施された特殊な「HAMR ガラス」で作られています。これは、電力の浪費や、近くのデータ領域の望ましくない加熱や消去を防ぐために重要です。^[2]レーザーはわずかな電力しか使用しないため、ランニングコストは非HAMRドライブと大きく変わらないと予想されます。2013年には数十ミリワットと最初に説明され、 ^[1]最近では2017年に「200mW未満」（0.2W ）と説明されました。^[5]これは、一般的な3.5インチハードドライブで使用される7〜12ワットの2.5％未満です。

シーゲイトは、2015年の3日間のイベントで、実際に機能するHAMRプロトタイプの継続的な使用を初めて実演しました。^[4] 2017年12月、シーゲイトは、リリース前のドライブが顧客による試験段階にあり、40,000台以上のHAMRドライブと「数百万」のHAMR読み取り/書き込みヘッドがすでに製造されており、パイロット量と量産ユニットの最初の販売が2018年に主要顧客に出荷される製造能力が整っていることを発表しました。 ^[3]その後、2019年に「20 TB+」HAMRドライブを全面的に市場に投入し、^{[5] [13]} 2023年までに40 TBハードドライブ、2030年頃までに100 TBドライブを発売する予定です。 ^{[3] [2]}同時に、シーゲイトは、HAMRプロトタイプが1平方インチあたり2 TBの面密度を達成したとも述べています（シングルヘッド転送の信頼性は「2PB以上」（12TBドライブの5年間の寿命で「35PB以上」に相当し、一般的な使用を「はるかに超える」とされている）と報告されており、加熱レーザー電力は「200mW以下」（0.2W）で、ハードドライブモーターとそのヘッドアセンブリで通常使用される8ワット以上の2.5％未満です。^{[5]一部のコメンテーターは、HAMRドライブではハードドライブに複数の}アクチュエータ を使用する（速度向上のため）と推測しており、この開発はSeagateの発表でも取り上げられており、同様のタイムスケールで期待されると述べられています。^{[13] [14]}

• 1954年、RCAに勤務していたPL社のエンジニアが、熱と磁場を組み合わせてデータを記録する基本原理を説明した特許を申請しました。^[15]その後、テープストレージに焦点を合わせたこの分野で多くの特許が申請されました。
• 1980年代には、磁気光学ドライブと呼ばれる大容量記憶装置が市販されるようになりました。これは、ディスクにデータを書き込むために基本的に同じ技術を使用していました。当時の磁気光学記録が純粋な磁気記憶装置よりも優れている点の1つは、ビットサイズが磁場ではなく焦点を絞ったレーザースポットのサイズによって定義されることです。1988年には、5.25インチの磁気光学ディスクは、 数ギガバイトへのロードマップで650メガバイトのデータを保存できました。1枚の5.25インチ磁気ディスクの容量は約100メガバイトでした。^[16]
• 1992年後半、ソニーはオーディオカセットに代わる音楽録音・再生フォーマットであるミニディスクを発表しました。記録型ミニディスクは熱補助磁気記録を採用していましたが、ディスクはカー効果によって光学的に読み取られました。^[17]
• 「1990年代後半」 - Seagateは最新のHAMRドライブに関する研究開発を開始しました。^[3]
• 2006 –富士通がHAMR を実証。^[18]
• 2007年時点で、シーゲイトはHAMR技術を使用して300テラビット（37.5テラバイト（TB））のハードディスクドライブを製造できると考えていました。^[19]一部のニュースサイトは、シーゲイトが2010年までに300TBのHDDを発売すると誤って報じました。シーゲイトはこのニュースに対して、平方インチあたり50テラビットの密度は2010年のタイムフレームをはるかに超えており、これにはビットパターンメディアの組み合わせも含まれる可能性があると述べました。^[20]
• 2009年初頭、シーゲイトはHAMRを使用して平方インチあたり250Gbを達成しました。これは当時垂直磁気記録（PMR）で達成された密度の半分でした。 ^[21]
• ハードディスク技術は急速に進歩し、2012年1月現在、デスクトップハードディスクドライブの容量は一般的に500～2000ギガバイトで、最大容量のドライブは4テラバイトでした。^[22] 2000年には早くも^[23]、当時のハードディスクドライブの技術には限界があり、熱アシスト記録がストレージ容量を拡張する1つの選択肢であることが認識されていました。
• 2012年3月、シーゲイトはHAMR技術を使用して1平方インチあたり1テラビットという画期的なストレージ密度を達成した最初のハードドライブメーカーとなった。^[24]
• 2012年10月、TDKはHAMRを使用して1平方インチあたり1.5テラビットのストレージ密度を達成したと発表しました。^[25]これは、3.5インチドライブのプラッターあたり2TBに相当します。
• 2013年11月 - Western DigitalがHAMRドライブの実演を行いましたが^[26]、まだ商用販売の準備はできていません。SeagateはHAMRベースのドライブの販売を2016年頃に開始する予定であると述べました。^[27]
• 2014年5月、シーゲイトは「近い将来」に6～10TBの容量のハードディスクを少量生産する予定だが、これには「ご存知のとおり多大な技術投資が必要で、テストにも多大な投資が必要になる」と述べた。シーゲイトは新しいハードディスクがHAMRを採用しているとは明言しなかったが、bit-tech.netはそうだろうという推測を示した。^[28]シーゲイトは2014年7月頃から8TBのドライブの出荷を開始したが、その容量がどのようにして達成されたかについては言及しなかった。extremetech.comはHAMRではなく、シングル磁気記録が使用されたのではないかと推測した。^[29]
• 2014年10月、TDKはHAMRハードディスクが2015年に市販される可能性があると予測したが^[30] 、実現しなかった。
• シーゲイトは、5月11日から15日まで中国北京で開催されたIntermag 2015カンファレンスで、プラズモニック近接場トランスデューサーと高異方性粒状FePt媒体を使用した、面密度1.402 Tb/in ²のHAMR記録を報告した。^[31]
• 2014年10月、大手ハードドライブメーカーにハードドライブ部品を供給しているTDKは、最大15TB程度のHAMRドライブが2016年までに利用可能になる可能性が高いと発表しました^{[32]。また、TDK HAMRヘッドを搭載したプロトタイプの}10,000rpmのSeagateハードドライブの結果から、エンタープライズ顧客が要求する標準的な5年間の耐久性も達成可能であることが示唆されました。
• 2017年5月、シーゲイトはHAMRドライブを「2018年後半」に商業的に発売する予定であることを確認し、この発表はシーゲイトがHAMRドライブの発売にこれほど具体的な時期を約束した初めての発表であると評論家らは指摘した。当時の評論家らは、発売時の容量は16TB程度になる可能性があると示唆したが、具体的な容量とモデルはそれまでは不明であった。^[33]
• 2017年12月、シーゲイトは、HAMRドライブが2017年に顧客でパイロット前の試験段階に入っており、4万台以上のHAMRドライブと「数百万」のHAMR読み取り/書き込みヘッドがすでに製造されており、2018年にはパイロット量の製造能力が確保され、2019年には「20TB以上」のHAMRドライブが本格的に市場に投入されると発表した。^{[5] [13]また、HAMR開発では、平方インチあたり2Tbの}面密度（9年間で年間30％の成長率で、「近い将来」の目標は10Tbpsi）を達成し、ヘッド信頼性は「2PB（ペタバイト）」以上（「12TBドライブの5年間の寿命で35PB以上」に相当し、通常の使用を「はるかに超える」とされている）、加熱レーザー電力は「200mW以下」（0.2ワット）で、ハードドライブのモーターとそのヘッドアセンブリで通常使用される8ワット以上の電力の2.5％です。^[5]
  一部のコメンテーターは、この発表について、HAMRドライブではハードドライブに複数のアクチュエータが導入される可能性があると推測しました（速度向上のため）。この開発も同様の時期に取り上げられ、同様のタイムスケールで予想されると述べられていたためです。^{[13] [14]}
• 2018年11月6日、シーゲイトから更新されたロードマップが報告され、2018年の16TBドライブはパートナー限定で、2020年の20TBドライブの量産が予定されていると示唆された。^[34]しかし、11月27日、シーゲイトは、量産ドライブはすでに出荷されており、「主要顧客」テストに合格しており、サプライチェーンは量産用であり、2019年には20TBドライブが開発中であり、2023年には40TBドライブが予定されていると述べた。 上記の発表の直後、2018年12月4日、シーゲイトは、商用リリースを目的とした16TB HAMRドライブの最終テストとベンチマークを実施していることも発表しました。その後、一般リリースの前に顧客に認定（パフォーマンスが満足のいくものであることを検証し、パフォーマンスデータを確認する）を求め、2020年に20TBドライブを計画しています。 シーゲイトは、「これらは、顧客がすべての新しいドライブを認定するために使用するのと同じテストです」とコメントし、電力使用量、読み取りおよび書き込みパフォーマンス、 SCSIおよびSATAコマンドへの正しい応答、およびその他のテストを実施しました。 ^[35] 2018年12月初旬の時点で、ドライブは期待どおりでした。^[36]
• 2019 年 1 月のConsumer Electronics Show (CES) で、Seagate は HAMR テクノロジーを展示し、透明な窓でドライブ ヘッドの動作を確認できる「Exos」ドライブを使用して読み取り/書き込みタスクを成功させるデモを行いました。
• 2019年2月、AnandTechはHAMRに関する最新情報を公開し、詳細な製品リリース計画を述べた。^[37] Seagateによると、16TBのシングルアクチュエータHAMRドライブは2019年上半期に商業的に発売される予定である。仕様では「250MB/秒以上、1秒あたり約80回の入出力操作（IOPS）、TBあたり5IOPS」 （IOPS/TBはニアラインデータストアの重要な指標）で、ヘッド寿命は4PB  、使用電力は12W未満で、既存の高性能エンタープライズハードドライブに匹敵するとされている。^[37]さらに、20TBのシングルアクチュエータHAMRドライブと、同社初のデュアルアクチュエータHAMRドライブの両方が2020年に発売される予定でした。(デュアルアクチュエータドライブは2019年下半期に発売される予定でしたが、当初はHAMRではなく既存の垂直磁気記録(PMR)を使用する可能性が高いとされていました。2019年のデュアルアクチュエータPMRドライブは、シングルアクチュエータの約2倍のデータレートとIOPSに達すると発表されました。14TB PMRドライブの場合、480MB/秒、169IOPS、11IOPS/TBです。) ^[37]
  シーゲイトは発売後にHAMRのロードマップの詳細も発表した。最大24TBのHAMRドライブを可能にする次世代技術が社内でテストされており、実用プラッターでは2.381Tb/in ²（プラッターあたり3TB）を達成し、実験室では10Tb/in ^{2を達成している。 [ 37] 第3世代の生産デバイスでは、2023年までに5Tb/in 2}（40TBドライブ）を目指している。^[38]
• 2019年10月、アナリストはHAMRの商用化が2022年まで遅れ、暫定的な解決策として垂直記録方式の10プラッターハードドライブ（その後SMR（ Shingled Magnetic Recording ）が使用されると予想）が使用されるのではないかと疑っていました。 ^[39]
• 2020年4月の投資家向け収益報告会で、シーゲイトのCEOであるデビッド・モズレー氏は、 2020年のコロナウイルスのパンデミックによって需要が高まっており、2020年末までに20TBのHAMRドライブが出荷されると予想していると述べた。^[40]
• 2020年10月、シーゲイトは2020年12月に20TBのHAMRドライブの出荷を開始し、2026年までに50TBを目標とする意向を確認した。^[41]
• 2023年6月、シーゲイトは2023年第3四半期に32TBのHAMRドライブを製造し、40TBのドライブを近々製造し、50TBのドライブを研究室で開発中であると発表しました。また、24TBのPMRドライブと28TBのSMRドライブが同種のドライブとしては最後のものになると主張しました。^[42]
• 2024年1月、シーゲイトはHAMRドライブの大量生産が「間もなく」始まると示唆した。^[43]

熱アシスト磁気記録と類似の技術で、磁気記録以外で主流となっているのが熱磁気パターニングである。磁気保磁力は温度に大きく依存しており、この点を研究し、永久磁石膜にレーザー光を照射して保磁力を下げ、永久磁石膜と磁化方向が反対の強い外部磁場を印加して磁化を反転させる。こうして、さまざまな用途に使用できる逆磁化の磁気パターンを生成する。^[44]

セットアップにはさまざまな方法がありますが、基本的な原理は同じです。シリコンまたはガラスの基板上に永久磁性ストリップを堆積し、事前に設計されたマスクを介してレーザービームで照射します。マスクは、レーザービームが磁性フィルムの一部に照射されるのを防ぐために特別に設計されています。これは、ハルバッハ配列によって生成できる非常に強い磁場の存在下で行われます。^[45]レーザービームによって露出/照射された領域は、レーザービームによる加熱により保磁力が低下し、これらの部分の磁化は、印加された外部磁場によって簡単に反転され、目的のパターンを作成できます。

• さまざまなパターンの作成に使用できます
• 磁気記録に便利、マイクロおよびナノスケールの浮上目的のチェック模様
• 使用されるレーザーは通常低消費電力なので安価である^[46]
• 簡単に実装できる
• レーザーの精度に応じて非常に細かい部分にも使用できます

• 磁化の潜在的損失（温度がキュリー温度を超えた場合）
• 非常に小さなサイズの強磁性体の超常磁性により、どれだけ小さくできるかが制限される。
• 反転接合部における未確定の可能性による境界問題
• 反転の深さは現時点では限られている^[47]
• シリコンはヒートシンクのような働きをするため、シリコン基板上ではあまり効率的ではない（ガラス基板上ではより効率的）^[46]
• 残留磁化は、レーザービームの浸透深さによって制限される反転の深さのために問題となる。

• 春のメディア交換
• マイクロ波支援磁気記録(MAMR) - 2 次元磁気記録 (TDMR)、ビットパターン記録 (BPR)、および「平面に垂直な電流」巨大磁気抵抗 (CPP/GMR) ヘッド。
• パターンメディア
• 垂直記録
• 磁気記録方式

• 2002 Seagate による HAMR に関する情報
• 2017年時点でHAMRを開発するために何が必要だったかを説明したSeagate HAMRの技術概要