Zukunft der Hard Disk

Aus Winfwiki

Wechseln zu: Navigation, Suche
Name des Autors / der Autoren: Thorsten Steen, Timo Cordes
Titel der Arbeit: "Zukunft der Hard Disk"
Hochschule und Studienort: FOM Hamburg


Inhaltsverzeichnis


1 Einführung

Massenspeicher Volatilität Datenbedarf

Die heutige Technik von Festplatten wird durch Magnetismus dominiert.[1][2] Die magnetische Aufzeichnung hat dabei ein lange Geschichte. Schon 1878 hat der Amerikaner Oberlin Smith versucht, auf magnetisierten Drähten elektronische Daten zu speichern. Während er 1888 die Idee der Öffentlichkeit "schenkte", verfolgte der Däne Valdemar Poulsen zeitgleich die Verwirklichung der Idee der Speicherung elektronischer Daten. Um eine Trommel gewickelte Drähte dienten schon 1889 als Anrufbeantworter.[3] Der Vorläufer der heutigen Festplatte wurde 1956 durch IBM mit der Bezeichnung 305 RAMAC vorgestellt und besaß 5MByte Kapazität. Es handelte sich um eine sogenannte Magnetplatte, die es, im Vergleich zu den zu der Zeit dominierenden Magnetbändern, ermöglichte, Daten von einem Massenspeicher direkt anzusprechen ohne vorher eine sequentielle Suche durch den gesamten Datenbestand durchführen zu müssen. Die Flächendichte auf den Festplattenscheiben lag 1957 bei 2000Bit/inch. Die erste Festplatte im modernen Sinn stellte IBM 1973 unter dem Namen "Winchester 3340" vor, welche eine Kapazität von 30 Megabyte besaß.[4] 1982 hat Seagate die ST506-Schnittstelle entwickelt, aus der dann IDE , EIDE, ATA und ATAPI entwickelt wurden. Die 1991 grösste Festplatte hatte eine Kapazität von 145 Megabyte. 1996 präsentierte Seagate mit der Cheetah-Serie erstmals Festplatten mit 10.000 U/min und IBM erreichte eine Datendichte von 1 Gigabyte pro Quadratzoll. 1993 erreichten die Festplatten eine Maximalspeicherkapazität von 50 Gigabyte. 2000 lag die maximale Grösse bereits bei 183 Gigabyte. Die derzeit grösste Festplatte erreicht eine Kapazität von 2 Terabyte. In der Entwicklung der magnetischen Festplatte gilt bis Heute ein ähnliches Gesetz wie das Moor'sche-Gesetz bei der Chip Entwicklung[5], alle 5 Jahre verzehnfacht sich die Kapazität der Festplatten. Allerdings hat sich die Geschwindigkeit mit denen Kapazität und Geschwindigkeit wachsen verlangsamt und es ist abzusehen das langfristig dieses "Gesetz" mit den aktuellen Magnetischen Verfahren nicht gehalten werden kann. Ziel dieser Fallstudie ist es, alternative Speichertechniken zu beleuchten und dahingehend zu untersuchen ob diese mittelfristig die magnetischen Speicherverfahren in der Festplatte ablösen können.

2 Schnittstellen

2.1 Einführung

Die Schnittstellen für Festplatten, werden in dieser Fallstudie betrachtet, da sich die Kapazität und Geschwindigkeit der Festplatten in den letzten Jahren erheblich erhöht hat und und die Schnittstellen einen grossen Einfluss auf die Fähigkeiten einer Festplatte haben. Untersucht werden bereits etablierte Schnittstellen sowie die dortige Entwicklung.

2.2 SATA

Serial ATA wurde im Jahr 2000 von Intel aus dem älteren Parallel ATA-Standard entwickelt. Dabei entschloss sich Intel von einem parallelen Busdesign zu einer bit-seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindung überzugehen, das heißt, die Daten werden seriell übertragen (Bit für Bit) und nicht, wie bei den alten Parallel ATA-Standards, in 16-Bit-Wörtern. Gegenüber seinem Vorgänger besitzt SATA drei Hauptvorteile: höhere Datentransferrate, vereinfachte Kabelführung und die Fähigkeit zum Austausch von Datenträgern im laufenden Betrieb (Hot-Plug). SATA nutzt auf der Link-Layer-Schicht (Kabel) eine Punkt-zu-Punkt Verbindung. Jedes Gerät hat also seinen eigenen Anschluss. Serial ATA ist nicht nur auf Festplatten beschränkt, mittlerweile gibt es zum Beispiel auch SATA-Bandlaufwerke, DVD-Laufwerke und -Brenner, Speicherkartenlesegeräte sowie eine externe Schnittstelle, womit SATA einen konkurrierenden Standard zu USB und Firewire entwickelt hat. Derzeit befinden sich zwei Entwicklungstufen vom SATA Protokoll auf dem Mark. Serial ATA I wurde 2002 von den Firmen APT, Dell, IBM, Intel, Seagate und Maxtor entwickelt. Der Datendurchsatz von SATA I liegt bei 1.5 Gbit/s bzw. 150 MByte/s pro Richtung. Neben der höheren Geschwindigkeit war die Kernforderung das die Verbindung zwischen Laufwerken bzw. austausch von Komponenten erleichtert wird. SATA II wurde Anfang 2005 eingeführt. Firmen wie Western Digital, Samsung und Hitachi sowie Seagate vertreiben SATA II Gbit/s-Festplatten derzeit bis zu einer Größe von 2000 GB. Der Datendurchsatz von SATA II wurde im Vergleich zu SATA I auf 3 Gbit/s bzw. 300 MByte/s verdoppelt. Neu hinzugekommen sind Funktionen wie "Native Command Queuing", das die Verwaltung der Lese und Schreibvorgänge optimiert oder "Hotswap", das den Austasuch von Laufwerken im laufenden Betrieb ermöglicht.


Das vom SATA-IO Gremium entwickelte Protokol SATA 3.0 wurde am 27.05.09 vorgestellt und verdoppelt erneut die maximale Bandbreite auf nun 6.0 Gigabyte/s bzw- 600 Megabyte/s in einer Richtung.[6]. Derzeit sind mehrere Controller angekündigt die das Protokoll unterstützen, allerdings wurde bisher keine Festplatte angekündigt die dies unterstützt. Die Entwicklung vom SATA Standard ist damit noch nicht abgeschlossen. Das Gremium arbeitet bereits an der 4.0 Generation des SATA Standards. Im Vordergrund stehen auch hier die beschleunigung des Protokols...

2.3 SAS

Seit Herbst 2004 ist ein neuer Schnittstellen-Standard für High-End-Speichersysteme auf dem Weg in den Markt. Serial-Attached-SCSI löst in den kommenden Jahren den bisher parallelen SCSI-Bus ab. Mit der Abkürzung »SAS« (Serial Attached SCSI) ist die serielle Variante der etablierten SCSI-Technik gemeint. Als Protokoll wird die aktuelle Grundversion des SCSI-Protokolls genutzt. Unterschiedlich ist aber die physikalische und elektrische Verbindungstechnik (bisher parallel, jetzt neu seriell). Als Folge davon ergeben sich neue Funktionen und Einsatzmöglichkeiten. Serial-Attached-SCSI (SAS) ist die dem ursprünglichen parallelen SCSI nächstliegende serielle Variante. Das verwendete physikalische Medium ist fast identisch mit dem SATA-Medium. So können SATA-Laufwerke an SAS-Schnittstellen angeschlossen werden, aber nicht umgekehrt. SATA ist ein einfacheres Protokoll für Anwendungen, bei denen ein niedriger Preis das wichtigste Kriterium ist. Daher wäre es zu teuer im SATA-Protokoll die SAS-Tunnelung und die Unterscheidungsverfahren einzubauen. SATA konnte also in kürzerer Zeit entwickelt werden. So ist es verständlich, dass das gemeinsame physikalische Übertragungsmedium schon mit SATA zusammen entwickelt wurde. Wichtige Erweiterung von SAS gegenüber Parallel-SCSI ist die deutlich höhere Zahl (bis zu 16.000) von Laufwerken je System mit Expander. Die technisch weniger aufwändige Übertragungstechnik soll in Zukunft für sehr viel höhere Geschwindigkeiten geeignet sein. Auf der Bitübertragungsschicht arbeitet SAS seriell mit einer Übertragungsrate von 3 Gbit/s (erste Ausbaustufe, 2004), 6 Gbit/s (zweite Ausbaustufe, 2009) oder 12 Gbit/s (dritte Ausbaustufe, voraussichtlich 2013). Im Vergleich zu S-ATA wird auf den Kabeln ein größerer Spannungsbereich verwendet. Auf der Sicherungsschicht wird als Modulation wie bei S-ATA ein 8B10B-Code verwendet, d. h. zehn übertragene Bit enthalten acht Bit Nutzdaten. Dadurch entsprechen die genannten Übertragungsraten jeweils 300, 600 oder 1200 MB/s Nettodatendurchsatz. SAS-Laufwerke besitzen jeweils zwei Ports. So können redundante Verbindungen für hochverfügbare Anwendungen genutzt werden.

2.4 USB

Der Universal Serial Bus (USB) wurde von Intel entwickelt und 1996 im Markt eingeführt. USB sollte die Nachfolge einer ganzen Reihe damals verwendeter PC-Schnittstellen antreten und diese vereinheitlichen. Deshalb war die USB-Spezifikation nicht auf zum Beispiel Tastatur und Maus begrenzt, sondern schloss auch andere Peripheriegeräte wie Drucker und Scanner mit ein. Massenspeicher, allen voran die Festplatte wurden zwar von USB 1.0 unterstützt, wegen der damals maximalen Datenrate von 12 Mbit/s eher uninteressant. 1998 wurde die Schnittstelle in der Revision USB 1.1 mit der Entwicklung des iMac bei Apple eingeführt. Bei diesem Computer ersetzte Apple den hauseigenen ADB.

Ende 1998 folgte die überarbeitete Spezifikation USB 1.1, die in erster Linie Fehler und Unklarheiten in der 1.0-Spezifikation behob und den Interrupt Out Transfer hinzufügte. Die Geschwindigkeit erhöhte sich nicht.

Im Jahr 2000 wurde USB 2.0 spezifiziert, was vor allem eine weitere Datenrate von 480 Mbit/s hinzufügte und so den Anschluss von Festplatten ermöglichte. Produkte dafür erschienen jedoch erst ab 2002 am Markt. Zu beachten ist, dass pro Anschluss nur max. 500 mA (High Power) oder 100 mA (Low Power) als Stromversorgung zugesichert werden müssen. Das reicht für externe Festplatten meist nicht aus, weswegen oft ein externes Netzteil benötigt wird. Aktuelle 2,5″-Festplatten benötigen zum Beispiel einen Startstrom von über einem Ampere, der auch bei Anschluss der Festplatte über zwei USB-Ports außerhalb der Spezifikation liegt – wobei bereits die Zwei-Stecker-Lösung an sich gegen den Standard verstößt, da sich auf dem zweiten Stecker kein Gerät anmeldet und damit nicht sichergestellt ist, ob und wie viel Strom auf diesem Port entnommen werden kann.

Im Jahr 2008 wurden die neuen Spezifikationen für USB 3.0 SuperSpeed vorgestellt, die Datentransferraten von mindestens 4,8 Gbit/s erreichen. Mit dieser Spezifikation werden auch neue Stecker, Kabel und Buchsen eingeführt, die größtenteils mit den alten kompatibel sein sollen.[7]


3 Zukünftige Technologien

3.1 Einführung

Kriterien für die Auswahl und Betrachtung der alternativen Technologien im vergleich zu den magnetischen Verfahren, war der Forschungsstand, die Verfügbarkeit der Technologie in den nächsten Jahren, sowie Kapazität, Geschwindigkeit und Lebenszyklus der Technologie. Der Mix aus diesen Eigenschaften ist notwendig um die magnetische Festplatte in ihrer bisherigen Rolle abzulösen. Wir entschieden uns daher für die Untersuchung folgende Technologien zu betrachten: Holographische Speichertechniken, Nichtflüchtige Speichertechniken (Chip-basiert) sowie die klassischen Magnetischen Speicherverfahren.

3.2 Holographische Verfahren

Seit etwa 40 Jahren wird an holographischen Techniken geforscht, insbesondere bei IBM[8] im Almaden-Forschungszentrum. In den neunziger Jahren förderte die amerikanische Regierung über die DARPA[9] (Defense Advanced Research Projects Agency) die Forschung mit Millionen. Vor drei Jahren prophezeite die Zeitschrift "Scientific American"[10] den holographischen Speichersystemen eine große Zukunft. Es gibt bereits seit Jahren immer wieder Ankündigungen für Holographische Produkte. Besonders aktiv sind hier die amerikanischen Firmen Aprilis[11], InPhase[12] und relativ neu, General Electric[13]. Die Speichermedien dieser Hersteller wurden immer wieder von allen großen Speicherfirmen weltweit getestet. Ein Massenmarkt ist aber vorerst nicht in Sicht. Die Holographische Speichermedien gelten bereits länger als Hoffnungsträger für die künftige Kapazitätsanforderungen. Das Prinzip der Holographie ist seit Jahrzehnten bekannt, und seit langer Zeit schon wird im Bereich der holographischen Speicher geforscht. Inzwischen gibt es sogar vereinzelte Anwendungen für Speicherzwecke, etwa analoge Hologramme, die als Identifikationsmerkmale auf Geldscheinen, Kreditkarten oder Produktverpackungen dienen. Die Umsetzung in Produkte für den Speicher-Massenmarkt ist allerdings bislang nicht gelungen. Nachdem sich der Entwicklungsfortschritt bei Festplatten in jüngster Zeit etwas verlangsamt hat, wird nun wieder intensiver nach Alternativen für die Zukunft gesucht. Holographische Speicher sind prinzipiell in der Lage, das ganze Volumen des Speicherkörpers dreidimensional zu nutzen. Die so zu erzielenden hohen Speicherdichten werden spätestens seit der Einführung von HDTV (High-Definition TV) gebraucht. HDTV-Bilder oder -Filme benötigen etwa die zehnfache Speichergröße im Vergleich zu herkömmlichen Speichermedien.

3.2.1 Technik

Das Grundprinzip der Holographie ist es, das von einem Objekt ausgehende Lichtwellenfeld - also die Amplitude und die Phase - zu speichern.

Schreiben von Daten in ein Hologramm
Abb. 1 Schreiben eines Holograms

Dazu werden zwei kohärente Lichtwellen, die durch Aufteilung eines Laserstrahls erzeugt werden, die Objektwelle und die Referenzwelle, in einem Speichermaterial überlagert. In der Hologrammebene entsteht ein Interferenzmuster, das ähnlich wie bei einer fotografischen Schwarzweißaufnahme aus hellen und dunklen Bereichen besteht. Allerdings besitzt das Muster üblicherweise keine Ähnlichkeit mit dem Objekt.Dieses Helligkeitsmuster wird im Speichermaterial aufgezeichnet, wodurch das Hologramm entsteht.

Auslesen eines Holograms
Abb. 2 Lesen eines Holograms

Zum lesen des Hologramms wird nur die Referenzwelle des Hologramms beleuchtet, so entsteht durch Beugung die originale, ursprüngliche Objektwelle. Durch die Aufzeichnung der gesamten Information einer Lichtwelle ermöglicht die Holographie eine räumliche Abbildung eines Objektes.



Schreiben
Abb. 3 Lesen eines Holograms

3.2.2 Stand Heute

Die heutigen holographische Speicherscheiben bieten eine Transferrate von 20 bis 30 MByte/s bei einer Kapazität von 300 - 400 GByte. GE hat im April diesen Jahres ein Protoyp vorgestellt bei dem 500 GB gespeichert werden.[14] Im Gegensatz zu Band und Platte wird nicht ein serieller Bitstrom, sondern ein ganzer Datensatz (Seite) gleichzeitig geschrieben oder gelesen. Die Seitengröße beträgt derzeit bei quadratisch flächiger Anordnung etwa 1 MBit. Auf diese Weise wird jeweils 1 MBit in einem Schritt geschrieben oder gelesen. Damit werden die für die großen Speichermengen benötigten hohen Datentransferraten erreicht. Das wesentliche Hindernis für die Einführung holographischer Speicher ist die Bereitstellung eines passenden Speichermediums. Viel versprechend ist ein Medium aus Glas mit winzigen Löchern, die mit Acryl gefüllt sind. Glas ist sehr volumenstabil. Die meistens verwendeten Polymermaterialien schrumpfen dagegen bei der Bearbeitung und verfälschen das Hologramm. Das acrylgefüllte Glas schrumpft weniger als ein Prozent und ist damit deutlich stabiler als Polymer. Zudem erlaubt Glas eine dickere Speicherschicht als Polymer, wodurch automatisch ein größeres Speichervolumen zur Verfügung steht. Das am häufigsten genutzte photorefraktive Material war bisher mit Eisen dotiertes Lithium-Niobat (LiNb03). Dieses Material ist jedoch teuer und empfindlich, die Daten werden beim mehrfachen Lesen zerstört, und es besitzt nur einen kleinen Dynamik-Bereich. Mit zweifarbigem Laserlicht und stöchiometrischem sowie verschieden dotiertem Lithium-Niobat (SLN) versucht man zu erreichen, dass die Daten beim Auslesen nicht gelöscht werden. Mit der einen Lichtfarbe wird das Material aktiviert und mit der anderen Farbe wird geschrieben sowie später gelesen. Einmal beschreibbare Photopolymere verändern den Brechungsindex durch eine nicht umkehrbare Polymersation. Dabei werden die Zusammensetzung und die optischen Eigenschaften des Materials dauerhaft verändert. Diese holographischen Medien sollten die Daten für etwa 50 Jahre halten.

3.2.3 Potential

Holographische Speicherung ist rein theoretisch eine einfache Technik, die seit vielen Jahren bekannt ist. Ihre Umsetzung in praxistaugliche, preiswerte Produkte ist aber extrem schwierig. Besonders das Speichermedium erweist sich als Herausforderung an die Entwickler und Produzenten von holographischen Systemen. Es muss vor dem Schreiben (Belichten) wie ein fotografischer Film lichtdicht verpackt bleiben. Bei den benötigten wiederbeschreibbaren Medium ist vor dem erneuten Beschreiben diese Lichtempfindlichkeit nicht nur wieder herzustellen, sondern muss sich dies nahezu beliebig wiederholen lassen. Bei Prototypen sind derzeit 10.000 Löschzyklen das Limit. Dies ist für einen Einsatz als Festplatte natürlich zu wenig. Dort muss noch erheblich an den Substraten geforscht werden um Materialien zu entwickeln die dies erheblich häufiger zulassen. Die Notwendigkeit in einem Laufwerk mehr als eine Scheibe unterzubringen um die Kapazität des Laufwerkes zu erhöhen, ist derzeit auch noch ein Problem. Die Lese/Schreibköpfe der Holographischen Laufwerke sind dafür noch zu gross. Die derzeitige Kapazität und Geschwindigkeit der Prototypen liegen auf vergleichbaren Niveau der magnetischen Technik. Inphase plant mit der Entwicklung eines Holographischen Mediums im Jahr 2010 bei einer Kapazität von 1,6 Terabyte angekommen zu sein.[15] Schon seit einigen Jahren sprechen die Entwickler immer wieder von einer Marktreife, realistisch kann allerdings mit kommerziellen Produkten erst in drei bis fünf Jahren gerechnet werden. Gerade im WORM (write once read multiple) Bereich sein könnten Holographische Medien, als Nachfolger der Blueray Disk zum Beispiel, eingesetzt werden. Derzeit bietet Blueray eine Kapazität von 50 GB pro Disk. Serienreife Holographische Medien erreichen bereits 400-500 GB pro Disk.

3.3 Nicht flüchtige Verfahren

Nicht Flüchtiger Speicher, hat in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gefangen. Ein grosser Anteil an diesem Aufstieg hat der Flashspeicher, der Heutzutage in vielen Bereichen eingesetzt wird, wie zum beispiel bei der Solid State Disk. Diese Produkte befinden sich derzeit im Markteintritt, und die Preise fallen bereits. Allerdings leiden die Flashspeicher unter einigen Nachteilen. Die nur wenigen 100.000 Zugriffe, bevor Speicherzellen ausfallen, sind ein grosses Problem. Derzeit wird dieses Problem durch die Controller abgeschwächt, da diese durch intelligente Algorythmen die Schreib/Lese Zugriffe über den gesamten Speicherbereich verteilen. Auch bricht die Geschwindigkeit der Flashspeicher beim Schreiben grosser Serieller Datenblöcke massiv ein. Die Probleme wurde auch durch die Industrie erkannt und entsprechende Forschungen am Flashspeicher und an alternativen Techniken laufen bereits seit einigen Jahren. Hierbei sind zwei Technologien bereits in einem fortgeschrittenen Entwicklungsphase: FeRam und MRam.


FeRAM steht für "Ferroelectric Random Access Memory" und soll die Geschwindigkeit von DRAM und SRAM mit den nicht flüchtigen Eigenschaften von Flash-Speicher kombinieren. Auch FRAMs werden nach einer gewissen Zeit der Benutzung unbrauchbar. Hohe Temperaturen beschleunigen dabei den Verfall. Es gibt zwei mögliche Ursachen für Fehler: Depolarisierung und Imprint. Bei der Depolarisierung senkt sich mit der Zeit das Polarisierungslevel der Zelle. Dadurch wird nach einer gewissen Zeit der aktuelle Zustand nicht mehr korrekt erkannt. Dieser Effekt verstärkt sich bei hohen Temperaturen. Imprint bedeutet, dass die Zelle in einem Polarisierungszustand gefangen bleibt, der Schreibimpuls genügt nicht mehr, um eine Polarisationsumkehr zu bewirken. Zum Einsatz kommen soll FeRAM in mobilen Endgeräten und digitaler Unterhaltungstechnik sowie im Computerbereich. In eine ähnliche Richtung in Bezug auf Anwendungen geht auch der von Toshiba zusammen mit NEC entwickelte neue MRAM-Chip. MRAM steht hier für "Magnetoresistive Random Access Memory". Der jetzt von den beiden Unternehmen vorgestellte MRAM-Chip soll die bislang höchste Datendichte mit den schnellsten Schreib- und Lese-Geschwindigkeiten vereinen. Er erreicht eine Kapazität von 16 MBit und kann Daten ebenfalls mit bis zu 200 MByte pro Sekunde lesen und schreiben. Zudem soll der Chip mit einer Spannung von 1,8 Volt arbeiten können und somit besonders für mobile Endgeräte geeignet sein.

MRAM steht für Magnetoresistive Random Access Memory und nutzt magnetische statt elektronische Ladungselemente für die Speicherung der Datenbits. MRAM wird entwickelt um die häufig verwendeten Dram Chips abzulösen, da diese den großen Nachteil haben, das Sie ständig durch Strom aufgefrischt werden müssen. Millionen von Kondensatoren brauchen ca. alle 60 Millisekunden einen Energie Impuls. Der Refresh-Vorgang kostet Zeit und birgt das Risiko bei einem Stromverlust die Daten zu verliegen. Flash Speicher speichert den Inhalt zwar ebenfalls stromlos allerdings ist Flash Speicher sehr langsam im Zugriff und benötigen mehr Platz als MRAMs und können nur bis zu einer Million Mal beschrieben werden. MRam istpreisgünstig und leistungsarm wie DRAM, schnell wie SRAM und besitzt eine annähernd gleich niedrige Packungsdichte wie DRAM.


3.3.1 Technik

Der prinzipielle Aufbau einer FRAM-Speicherzelle entspricht einem Transistor (FET) und einem Kondensator, wie man es von der DRAM-Speicherzelle kennt. Der Gate-Isolator des FETs wird durch eine dünne ferroelektrische Schicht ersetzt. Es gibt verschiedene ferroelektrische Materialien.Zum Beispiel Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) oder Bariumtitanat (BaTiO3). Ein anderes Material ist Strontium-Wismut-Tantalat (SBT).



Beispiel einer MRam Zelle
Abb. 4 Speicherung bei FERam

Ferroelektrische Materialien sind durch ein elektrisches Feld polarisierbar. Ein von außen angelegtes elektrisches Feld beeinflusst die Ausrichtung der molekularen elektrischen Dipole einer FRAM-Speicherzelle. Beim Beschreiben einer Zelle werden die Atome durch das Anlegen des elektrischen Feldes in einen veränderbaren elektrischen Polarisationszustand gebracht. Nach dem Abschalten des elektrischen Feldes bleibt der eingestellte Zustand erhalten. Auch das Auslesen des Zellenzustands erfolgt durch das Anlegen eines elektrischen Feldes. Wenn ein Polarisationswechsel hervorgerufen wurde, ändert sich die Stärke des Stroms, der durch die Zelle fließt. Da das Leseverfahren wie bei DRAM zerstörend wirkt, also der Zellinhalt gelöscht wird, folgt nach jedem Lesevorgang ein Schreibvorgang.


Bei MRAM Speichern werden die Information "0" und "1" im Gegensatz zum DRAM, durch die Ausrichtung von Magnetpaaren dargestellt. Einer der Magneten ist entweder in die gleiche oder in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet.


Beispiel einer MRam Zelle
Abb. 5 Speicherung bei MRam


Es wird nur Strom benötigt bei Änderungen, nicht aber um die Informationen zu halten. Diese Nichtvolatilität ließe sich beispielsweise gut als RAM-Ersatz nutzen, wie man ihn heute in Computern und anderen Geräten findet. Eine MRAM Speicherzelle behaltet ihren Bitzustand nach dem Lesen. Diese ist schneller als herkömmliche DRAMs und benötigen viel weniger Platz. Ein MRAM-Chip besteht aus Hunderttausenden einzelner Speicherzellen, die jeweils zwei magnetische Elektroden enthalten: Eine davon besitzt ein unveränderliches Magnetfeld, die andere kann ihre magnetische Polarisation verändern. Zwischen den gekreuzten Elektroden befindet sich eine sehr dünne magnetische Schicht. In dieser dünnen Schicht hat die Magnetisierungsrichtung der oberen und unteren Elektrode einen messbaren Einfluss auf den elektrischen Widerstand. Letzterer repräsentiert die binäre Zahl, die die Zelle speichert - also entweder 1 oder 0.

3.3.2 Stand Heute

Toshiba arbeitet schon seit Jahren an FeRAM, einem nichtflüchtigen und gleichzeitig schnellen Speicherchip-Typ auf der Basis von ferroelektrischen Materialien. Toshiba hat auch die FRAM-Technik der US-Entwicklerfirma Ramtron in Lizenz genommen und bereits vor drei Jahren ein 32-MBit-FeRAM vorgestellt. Nun ist die Firma bei 64 MBit angelangt und produziert den Chip in einem 130-Nanometer-CMOS-Prozess. Die Größe einer FeRAM-Zelle soll bei 0,72 Quadratmikrometern liegen. Zum Vergleich: kommende DDR2-SDRAM-Zellen in 70-nm-Fertigung sollen 0,025 Quadratmikrometer Silizium belegen, MRAM-Zellen 1,42 Quadratmikrometer. Vor zwei Jahren hatte Toshiba noch eine FeRAM-Zelle mit 0,6 Quadratmikrometer Fläche für 64-MBit-Chips erwähnt.

Im Sommer 2003 wurde ein 128-kb-MRAM-Chip vorgestellt, der mit der 0,18-Mikrometer-Technik gefertigt wurde. Im Juni 2004 hat die Firma Infineon den ersten 16-Mb-MRAM-Baustein, ebenfalls in 0,18-µ-Technik, vorgestellt. Ende 2004 hat Freescale Semiconductor (ehemals Motorola Semiconductor) mit der Auslieferung von 4-Mb-Prototypen (0,18µ) begonnen. Unternehmen wie Infineon, Philips, Motorola oder NEC wetteifern derzeit um eine mögliche Vormachtstellung im MRAM-Markt. Chip- Hersteller Infineon stellte kürzlich in Kooperation mit IBM den nach eigenen Angaben bisher kleinsten MRAM-Chip vor. Da die Chips besonders stromsparend sind, könnten vor allem mobile Geräte von der neuen Technologie profitieren: Laptops, Handys usw. Viele Rechner in Büros werden über Nacht nicht abgeschaltet und verbrauchten immense Mengen an Strom. Wenn die Rechner mit MRAM statt mit DRAM ausgerüstet wären, könnte 10 % der Energie eingespart werden.

3.3.3 Potential

Flashspeicher in SSD (Solid State Disk) entwickelte sich in den letzten 1,5 Jahren zu dem grössten Hoffnungsträger. Flashspeicher ist schneller als eine Festplatte und bietet Zugriffszeiten die in Nanosekundenbereich liegen. Problematisch sind die Kapazität und die geringe Lebensdauer der Flashzellen. MRam und FeRam sind erheblich schneller als Flashspeicher, bieten bessere Reaktiosnzeiten und höhere Lebensdauer als Flashspeicher. Grösstes Problem ist bei beiden die zu geringe Kapazität. Die Verkleinerung der Strukturen, die notwendig ist um die Kapazität zu erhöhen, ist bei beiden sehr komplex. Realistisch ist in den nächsten Jahren das MRam DRAM als Speicher in den meisten System ablösen könnte. Das Potential von FeRam ist derzeit schwer abzuschätzen da die Reduzierung der Strukturen die Hersteller vor erheblichen Probleme stellt.

3.4 Magnetische Verfahren

3.4.1 Technik von Festplatten
3.4.1.1 Physischer Aufbau einer Festplatte

Beispielhafte Abbildung des Aufbaus einer Festplatte
Abb. 6 Beispielhafte Abbildung eines Querschnitts einer Festplatte

Eine Festplatte besteht aus mehreren übereinander auf einer Achse montierten Magnetplatten, den sogenannten Plattern. Diese Plattern bestehen aus einem Trägermaterial das beidseitig mit magnetisierbaren Materiali beschichtet ist. Die Achse rotiert motorgetrieben und erzeugt einen Luftstrom. Dieser Luftstrom wird für die Schreibleseköpfe genutzt, die auf diesem Luftstrom zwischen den Platten schweben und Daten durch Nutzung von magnetischen Verfahren auf die Plattern schreiben bzw. von diesen lesen. Im Ruhezustand werden die Köpfe, die auf Auslegern an einer Achse montiert sind, durch Drehung der Achse zwischen den Pattern herausgefahren und in eine Parkposition gedreht.[16][17] Die Festplatte stellt einen externen Speicher dar,der über einen Bus mit der Zentraleinheit verbunden wird. Lt. der Von-Neumann-Architektur sind Speicher und Zentraleinheit zu trennen.[18] Somit benötigt diese Einheit Interface zur zentralen Einheit sowie einen Controller, der die Verwaltung des Speicherplatzes innerhalb der Festplatte übernimmt.[19]

3.4.1.2 Logischer Aufbau einer Festplatte

Jede Seite eines Plattern wird in konzentrischen Kreisen mit der Achse als Mittelpunkt mit Spuren belegt. Zusätzlich werden die Spuren in gleichgroße Sektoren fragmentiert. Sektoren bilden die kleinste zu adressierende Einheit auf einer Festplatte. Es handelt sich um einen Speicherblock, in dem ein Teil einer Dateiabgelegt wird. Üblicherweise nimmt ein Sektor 512 bzw. 1024 Bytes auf. Man nennt diese Art der Einteilung auch Low-Level-Formatierung, welche schon vom Hersteller vorgenommen wird.[20] Da die Spuren auf allen Plattern exakt übereinander liegen, hat sich hierfür der Begriff Zylinder etabliert. Gleichzeitig läßt sich hierdurch eine höhere Schreib- und Lesegeschwindigkeit realisieren, da die Daten verteilt geschrieben werden können.[21] Die kleinste zu magnetiesierende Einheit stellt die Bitzelle dar[22] Diese ist ist in ihrer Größe je Sektor konstant. Die Sektorenzahl der Spuren steigert sich von innen nach aussen, da mit steigendem Umfang der Radius zunimmt und somit mehr Sektoren auf einer Spur Platz finden. Dies wird bewusst konstruiert, um die technologisch optimale Speicherkapazität bei konstanter Bitzellengröße zu realisieren. Ausgehend vom gemeinsamen Mittelpunkt wird jede Platte zusätzlich in Zonen eingeteilt, welches in der Draufsicht an Tortenstücke erinnert. Jede Zone umfasst einen Teil aller Spuren und umfasst gleichviele Sektoren. Man nennt dies auch Zone-Bit-Recording. Somit umgeht man herstellerabhängige Geometrie- und Bauunterschiede(z.B. unterschiedliche Anzahl an Plattern), die eine Adressierung von Zylinder-Nr. (Spurnr.) Plattern-Nr. und Sektor-Nr. über BIOS oder Betriebssystem nur über komplizierte Herstellerspezifische Geometriedaten ermöglichen würden. Über Linear Block Adressing(LDA), welches durch den Festplattencontroller realisiert wird, erscheint die Festplatte von Aussen gegenüber dem Betriebssystem als eine von 0 beginnend nummerierte Sektorensammlung. Der Laufwerkscontroller übernimmt die interne Adressierung.[23]

[24][25]


Schematische Darstellung der Aufteilung der Daten auf einer Magnetscheibe einer Festplatte
Abb. 7 Geometrische_Aufteilung_der_Magnetscheibe_in_Sektoren_und_Spuren

3.4.1.3 Physikalische Einflussgrößen

Für die Funktionsweise der Festplatte, spielen Größen wie Durchmesser, Temperatur und Umdrehungsgeschwindigkeit eine gewichtige Rolle. Das Trägermaterial ist Aluminium. Die Wahl des Materials ist wichtig. Die Achse rotiert motorgetrieben. Durch die Rotation entstehen Fliehkräfte, die bei zu hohen Umdrehungen in Verbindung mit einem zu großen Durchmesser zu Verformungen führen. Je größer der Durchmesser desto höhere Fliehkräfte entstehen an den äußeren Bereichen. Da Festplatten mit Strom betrieben werden und auch der Lese-Schreibvorgang unter Zuhilfenahme von Strom realisiert wird, entwickelt sich eine gewisse Temperatur, die ihrerseits Einfluss auf die Materialeigenschaften von Träger- und magnetisierbarer Schicht hat. Hierbei müssen Lösungen gefunden werden, die die Ausrichtung des Schreib-Lesekopfes auf die jeweilige Spur sicherstellen.[26]

3.4.2 Stand Heute

Wie schon erwähnt, arbeiten Festplatten mit einer magnetisierbaren Schicht auf einem Trägermateral. Das Material besteht aus vielen kleinen Körnchen. Bei dem Material handelt es sich um Ferromagnetisches Material, d.h. es ist permanent magnetisierbar. Die Magnetisierung erfolgt durch ein äußeres Magnetfeld.[27] Dies ist wichtig, damit die Daten nach abschalten der Stromversorgung erhalten bleiben.

Die Informationen werden Bitweise gespeichert. Hierzu werden eine Anzahl Magnetkörnchen magnetisiert oder nicht. Dies entspricht dem binären Prinzip von 0 und 1. Die Menge an Körnchen, die magnetisiert werden, nennt man Bitcell. Dies ist die kleinste zu magnetisierende Einheit an Magnetpartikeln. Mehrere Bitzellenwerden zu einem Sektor zusammengefasst, der einen Teil einer Datei aufnimmt.

3.4.2.1 Lese- und Schreibvorgang

Die Vorgänge beruhen auf elektromagnetischer Induktion[28] und somit auf Änderungen im Magnetfeld durch Bewegung eines Leiters durch ein Magnetfeld. Der Schreib-Lesekopf (SLK)berührt dabei das Material nicht, sondern schwebt zwischen den Plattern. Der SLK besteht aus einem Weicheisenkern der in einer Spule steckt.[29] Die Bewegung findet durch die Umdrehung der Festplatte statt.

Der Schreibvorgang wird durch erzeugen einer Spannung im Schreibkopf realisiert. Die Bitzelle wird durch das äußere Magnetfeld des Schreibkopfes bis zur Sättigung magnetisiert, d.h. in eine Magnetisierungsrichtung ausgerichtet. Der Datenstrom muss also in ein Magnetisierungsmuster der Bitzellen codiert werden. Der Lesevorgang misst den sogenannten magnetischen Flußwechsel. Die Magnetisierung eines Materials wird auch Magnetfluß genannt. Der Datenstrom bzw. die Daten binär in Bytes ausgedrückt, müssen aus dem codierten Flusswechsel übersetzt werden. Für Magnetisierungsmuster gibt es verschiedene Verfahren. Ordnet man der 1 einem Flusswechsel zu, so wäre die 0 dann, wenn kein Flusswechsel stattfinden würde, wenn ein Flusswechsel möglich wäre. Ein Flusswechsel wird durch die Magnetisierungsrichtung einer Bitzelle im Vergleich zur Magnetisierungsrichtung der vorherigen Bitzelle verursacht.Dies setzt einen Takt voraus, der mit der Umdrehungsgeschwindigkeit der Platten und der Bitzellenbreite synchronisiert werden muss.[30]

3.4.2.2 Superparagmetische Grenze

Magnetische Speicherung wird limitiert durch die Eigenschaften des ferroelektrischen Materials. Die magnetischen Eigenschaften eines Materials hängen von den Elementarmagneten ab. Die Elementarmagneten sind die Elektronen auf der Atomhülle des ferroelektronischen Materials. Diese bewegen sich um den Atomkern sowie um sich selbst. Die Eigendrehung wird als Spin bezeichnet.Die Bewegung dieser Elementarteilchen erzeugen ein Magnetfeld, wie bei einem stromdurchflossener Leiter. Wenn die Anzahl der gleichausgerichteten Elemente in einer Struktur überwiegt, spricht man von Weiß´schen Bezirken. Man nennt diese Bereiche auch Domänen. Diese Domänen haben eine parallele Ausdehnung, also die Ausrichtung in eine Richtung, in der Größenordnung von 10 - 1.000 Nanometern (nm). Das Material wird selber magnetisch. Es gibt materialabhängig einen Zusammenhang zwischen Partikelgröße und Ausbildung von nur einem Weiß´schem Bezirk. Dies geschieht, wenn es energietechnisch günstiger ist, eine Domäne auszubilden als eine Wand zwischen den Domänen zur Trennung der Magnetisierung zu erzeugen. Die durchschnittliche Partikelgröße liegt hierbei unter 100 nm, bei Magnetit (Fe3O4) unter 128 nm.[31] Die Wand zwischen den Domänen wird Bloch´sche Wand genannt. Es handelt sich hierbei um die Grenze zwischen zwei Domänen, deren magnetische Ausrichtung parallel angeordnet ist.[32]

Ein Kriterium für die Stabilität des Materials und die Datensicherheit ist die Curie Temperatur. Diese Temperatur ist der Grad, ab dem ein ferromagnetisches Material seine Eigenschaften verliert und paramgnetische Eigenschaften ausbildet. Das bedeutet, dass das Material nicht mehr unabhängig von einem äußeren Magnetfeld nach aussen magnetisch wirkt. Die Temperatur hängt von der Wechselwirkung der Dipole[33] ab.[34]

3.4.2.3 Aufzeichnungsarten

Um höhere Speicherdichten zu realiseren wurde zunächst die Aufzeichnungsrichtung angepasst. Die einzelnen Partikelder der zu magnetiserenden Schicht werden mit ihrer Nord-Südpol-Richtung nicht mehr parallel zur Platternoberfläche ausgerichtet, sondern senkrecht. Die waagerechte Ausrichtung nennt man Longitudinal-Recording, während die senkrechte Ausrichtung Perpendicular-Recording genannt wird. Somit können höhere Speicherdichten erreicht werden, da mehr Elemente in Drehrichtung der Plattern aufgebracht werden können. Damit wird es auch schwieriger, die Magnetisierung der Magnetpartikel zu ändern, da das Magnetische Feld tiefer in die Schicht eindringen muss. Dies wird mit dem GMR-Effekt[35] und entsprechenden GMR-Sensoren erreicht. Zusätzlich müssen die Partikel kleiner werden, was zu superparamagnetischen Effekten führen kann. Die kleineren Partikel müssen bei Raumtemperatur ihre Ladung behalten.[36]

Dies hat natürlich aus Auswirkungen auf das Head-Disk-Interface / die Head-to-Disk-Interaction, welches als das Zusammenspiel von Schreibkopfform und Flughöhe in Verbindung mit der zu erzeugenden Magnetfeldstärke beim Schreiben von senkrecht ausgerichteten Magnetpartikeln mittels GMR-Sensoren (siehe oben) bezeichnet werden kann.[37]

Darstellung des Longitudinal-Recording und Perpendicular-Recording
Abb.8 Darstellung des Longitudinal-Recording und Perpendicular-Recording

3.4.3 Potential

Das Potential der Magnetplattenaufzeichnung ist durch das Zusammenspiel von Trägermaterialen, Körnchengröße der Magnetpartikel, die Aufzeichnungsdichte, superparamagnetischen Effekten, neuen Verfahren und Materialeigenschaften anhand spezifischer Größen gekennzeichnet. Das Potential läßt sich am Besten durch die erreichte/erreichbare Aufzeichnungsdichte[38] beschreiben.

Das größte Potential der Speicherdichte liegt in der Verkleinerung der magnetischen Speicherbits. Wie oben beschrieben ist die magnetische Speicherung von den magnetisierbaren Partikeln abhängig. Hierbei war ein großes Problem, die Remanenz der in den Bitzellen aufrecht zu erhalten, da die stabiliesierende Austauschwirkung mit benachbarten Atomen geringer wird. Damit sinkt auch die Temperatur, bei der das Bit "umkippt" und die Information verloren geht, da die Elektronen mit weniger Aufwand in Bewegung gesetzt werden können und somit das ferromagnetische Material seine magnetische Aussenwirkung einbüßt und sich paramagnetisch verhält.

Massenspeicher werden auch in Zukunft eine gewichtige Rolle in unserer Informationsgesellschaft spielen. Dies impliziert ein großes Marktpotenzial. Somit werden die Hersteller auch entsprechend zurückhaltend mit der Preisgabe ihrer Entwicklungsstände umgehen. Somit kann an diesem Punkt keine abschließende Wiedergabe und Bezifferung des Potentials von magnetischen Techniken gegeben werden.

3.4.3.1 Materialeigenschaften

Um die Herausforderungen bei der Erhöhung des Potentials von magnetischen Aufzeichnungsverfahren darzulegen, erfolgt an dieser Stelle eine Darstellung der wichtigen Kenngrößen für magnetische Aufzeichnungsverfahren und deren Materialien..

Die Suszeptibilität beschreibt das Verhalten von Materialien, wenn von aussen ein Feld auf das Material einwirkt. Bei magnetischer Suszeptibilität ist es das Verhältnis der Stärke der Magnetisierung im Material bzw. die schon vorhandene Magnetisierung zum äußeren einwirkendem Feld.[39]

Die Elektronen auf der Aussenhülle sind durch deren Spin wie kleine Magnete, die durch das äußere Magnetfeld in eine Richtung ausgerichtet werden.[40] Remanenz ist die verbleibende Magnetisierung eines Materials, welches einem äußeren Feld ausgesetzt war, nachdem das äußere Feld nicht mehr einwirkt. Diese hängt eng mit dem superparamagnetischen Effekt zusammen. Zwischen den Spins erfolgt eine Austauschwirkung , die die Struktur des Magnetisierung stabil halten. Elektronen bewegen sich bei Wärme mehr. Somit hängt die Remanenz von der Höhe der Temperatur ab, bis zur materialspezifischen Curie Temperatur (siehe superparamagnetische Grenze).[41]

Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Koerzitivfeldstärke. Diese Größe beschreibt den Grad der Schwieriggkeit/des Aufwandes der nötig ist, um ein Material umzumagnetisieren. Man unterscheidet hier zwischen hart- und weichmagnetisch. Diese Einteilung geht auf die mechanische Härte des Materials zurück. Man spricht hierbei auch von Koerzitivklassen. Magnetisch weiche Materialien werden bei Magnetköpfen und Spulen eingesetzt, während magnetisch harte Materialien bei Dauermagneten und Speichermaterialien eingesetzt werden.[42]

Die Anisotropie beschreibt die Ungerichtetheit von Partikeln.[43] Die Anisitropieenergie ist die Energie die zur Drehung der Spins der Elektronen im Kristall benötigt wird um eine Magnetisierung des Materials zu erreichen und Blochwände zu bilden.[44]

Permeabilität beschreibt die Durchlässigkeit des Materials für den magnetischen Fluss, welcher auch die Gesamtheit aller Feldlinien, die den Verlauf des Magnetfeldes darstellen, beschreibt. Die Flussdichte ist die Dichte der Feldlinien. Durch die Permeabilität wird der Zusammenhang zwischen Magnetfeld und magnetischer Flussdichte hergestellt. Ferromagnetische Materialen haben eine hohe Permeabilität und werden selbst magnetisiert, d.h. die Spins ihrer Elektronen werden gleichausgerichtet. Besonders interessant hierbei ist, dass das sich ausbildende Magnetfeld durch die Steigerung der Flussdichte des Materials mit einer hohen Permeabilität stärker sein kann, als das von aussen einwirkende Magnetfeld.[45]

3.4.3.2 AFC

Eine Technik die Verkleinerung der Bittzellen zu ermöglichen ist AFC. 2 Magnetschichten werden durch eine Schicht von 3 Atomlagen unmagnetischem Ruthenium getrennt. Zwischen den Schichten entsteht eine antiferromagnetische Austuaschkopplung, bei der sich die Schichten entgegengesetzt zueinander ausrichten.[46][47]

Darstellung der antiferromagnetischen Austuaschkopplung

Durch diesen Effekt werden die Mgnetpartikel unempfindlicher gegenüber der Temperatur.

3.4.3.3 Defekt-Magnetismus mit Zinkoxid

Die eigentliche Kernidee ist, eine Legierung zu finden, die weniger temperaturempfindlich ist. Dazu werden gezielt die kristallinen Strukturen der Legierungen mit Ionen, also durch Elektronenüberschuss oder -Mangel in der Hülle im Verhältnis zu den Kernbestandteilen positiv bzw. negativ elektrisch aufgeladene Atome, beschossen und durch die auftretenden Defekte der Legierungen führen zur Magnetisierung. Dieser Effekt wird seit 15 Jahren erforscht und die aktuellen Versuche mit Zinkoxid stehen erst am Anfang. Die Magnetisierung hält derzeit nur kurzzeitig an, zeigt sich jedoch in dieser Zeit temperaturunempfindlich.[48] Eine temperaturunabhängigkeit würde somit die Reduzierung der Magnetpartikel begünstigen.

3.4.3.4 Magneto-optische Speicher

Diese Technik ist ein weiterer Ansatz, um dem superparamagnetischen Effektvon kleiner werdenden Bitzellen zu begegnen. Die Legierung auf den Plattern weist eine hohe Koerzitivfeldstärke auf. Das Material wird mit einem Laser erhitzt und mit einem Schreibkopf magnetisiert. Beim Abkühlen bleibt der eingespeicherte Zustand erhalten. Die Speicherung erfolgt bitselektiv und kann beliebig oft wiederholt werden, solange die Struktur des Materials nicht zerstört wird.[49]

Die Magnetisierung muss senkrecht erfolgen, damit eine hohe Speicherdichte erzeugt werden kann. Ist durch den Laser die Koerzitivfeldstärke abgesunken, kann mit einem entsprechend ausgerichtetem Magnetkopf, die Bitzelle magnetisiert werden. Durch die Senkrechtspeicherung ergeben sich längliche Säulen mit einer kleinen Oberfläche und einem geringen Volumen. Da die Superparamagnetische Grenze von der magnetischen Energie der Bitzelle abhängt, wird durch die höhere Koerzitivfeldstärke eine Verstärkung dieser Energie der Bitzelle erzielt. Somit lassen sich höhere Speicherdichten erzielen.[50]

Im März 2009 vermeldet Seagate, dass die Fläche, die der Laser erhitzt, auf ein Zehntel des schmalsten konventionellen Lasers reduziert haben.[51] Dies zeigt, das die magnetische Aufzeichnung auf Massenspeicherung im Fokus der kommerzieller Interessen liegt und ein Ende der magnetischen Massenspeicher derzeit nicht absehbar ist.


Beispielhafte Darstellungder Magneto-optischen Speicherung
Abb. 10 Beispielhafte Darstellungder Magneto-optischen Speicherung

3.4.3.5 Magnetische Inseln

Ein vielversprechender Ansatz ist die Idee der magnetischen Inseln. Jede Insel nimmt dabei ein Datenbit auf. Bisher war das grundlegende Problem die superparamagnetische Grenze, die zu einer thermischen Instabilität geführt hat. Die notwendige Speicherdichte kann jedoch nur über die Größenreduzierung der Speichereinheiten funktionieren, da im allgemeinen die Speichereinheiten mobil und immer kleiner werden.

Die Idee ist im Prinzip recht einfach. Ähnlich dem Prinzip der Low-Level-Formatierung, bei der der Hersteller der Festplatte Spuren und Sektoren vorformatiert und so eine Struktur in die Oberfläche der Plattern hineinbringt, geht es bei den magnetischen Inseln ebenfalls um Strukturen. Die Struktur ist jedoch von einer gewissen "Härte," da die einzelnen Bitzellen, also die kleinste zu magnetisierende Einheit, physisch separiert sind. Es wird hierzu ein Muster auf die Seiten der Plattern aufgebracht. Die zu magnetisierenden Inseln sind dabei durch ein Polymer voneinander getrennt, welches die Abschirmung der Dateninseln voneinander übernimmt und somit die thermische Instabilität erheblich reduziert. Auf diese Weise werden Speicherdichten von 1Tbit/in^2 und mehr erreichbar.

Grafische Gegenüberstellung von konventioneller partikellastiger- und pattern media Speichertechnik
Abb. 11 Grafische Gegenüberstellung von konventioneller partikellastiger- und pattern media Speichertechnik

Der Vorteil dieser Technik liegt in der genauen Ausrichtung der Spuren und Datenbits. Auch die Ansteuerung und Codierung der Daten in die magnetische Ablage ist einfacher und genauer. Durch die definierten Abstände kann der Laufwerkscontroller die genauen Takte in Abhängigkeit zur Umdrehungsgeschwindigkeit ermitteln. Die Abbildung zeigt auch sehr deutlich die Probleme der aktuellen Bitzellendefinierung. Die Domänen sind unregelmäßig und hängen von der Verteilung der Magnetpartikel, die auch keine exakte Größe haben, ab. Das Auslesen und Schreiben der Daten bedarf eines Ausgleichs der Toleranz in der Spuranordnung.

Die Umsetzung dieser Technik liegt jedoch noch ein Stück in der Zukunft, da diese Struktur in einer neuartigen Technik auf die Plattern aufgebracht werden muss. Eine besondere Herausforderung liegt noch in der Realisierung der Abstände dieser Inseln, die in einem Abstand (Inselmittelpunkt zu Inselmittelpunkt) von 20 bis 50 Nanometern, je nach Art des Polymers, aufgebracht werden sollen. Hitachi entwickelt diese Technik und stellt die Technik in einem white paer auf seiner Homepage näher vor.[52]

4 Fazit

Ziel dieser Fallstudie war es ein Einblick zu gewinnen, wo die Festplattentechnologien in 5 Jahren stehen könnte. Viele Technologien, wie Flash oder Holographische Speichertechnologien sind im Ansatz interessant und haben das Potential die magnetische Festplatte zu verdrängen. Nicht flüchtige Speicher, wie Flash, MRam oder FeRam, besitzen die Geschwindigkeit und Zugriffsgeschwindigkeiten die moderne Systeme benötigen. Flash Speicher hat derzeit noch massive Probleme bei seriellen Schreibvorgängen und bei der Langlebigkeit der Speicherzellen. Modernste Flash Speicherzellen haben eine Lebenszeit von weniger als 1 Millionen Schreibzyklen. FeRam und MRam sind beides Technologien die die Geschwindigkeit von DRAM mit der Lebensdauer eine Festplatte verknüpfen und haben daher das Potential die magnetische Festplatte abzulösen. Beide Speichertypen mangelt es derzeit noch an Speicherkapazität. Hier ist bereits bei 64 Megabit pro Speichermodul das Limit erreicht, während Flashspeicher Module mit derzeit 32 Gigabit verfügbar sind. Auch besitzen beide Speicher eine Halbwertzeit die noch unter der einer Festplatte liegen. Hier bedarf es noch erhebliche Grundlagenforschung und Entwicklungsarbeit bis diese Technologien Massenmarkt tauglich wären.

Holographische Speichertechnologie befinden sich schon bereits seit 40 Jahren in Entwicklung. Dort wurden in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Die Holographischen Speicher bieten durch die 3D Speicherung eine sehr hohe Speicherdichte, die bereits in diesem frühen Stadium der Entwicklung mit den Speicherdichten der heutigen modernen magnetischen Festplatten mithalten können. In einigen Jahren wird die Speicherdichte, der Speicherdichte bei magnetischen Festplatten erheblich übersteigen. Im Bereich der Lese/Schreib Geschwindigkeit wurden ebenfalls erhebliche Fortschritte gemacht und die Hersteller demonstrieren bei Prototypen Lese/Schreibgeschwindigkeiten die erheblich über denen der Festplatte liegen. Problematisch bei Holographischen Speicher ist das Medium. Die derzeitigen Medien sind zu anfällig gegenüber Temperaturschwankungen und bei häufigen Lesen der Informationen werden diese irgendwann zerstört. Auch stellt die Wiederbeschreibung der Medien ein bisher noch nicht gelöstes Problem dar. Prototypen lassen derzeit bis zu 1000 Schreibvorgänge zu. Dies ist für einen Einsatz als Festplatte viel zu wenig. Mittelfristig realistischer, ist der Einsatz als WORM Medium (write once read multiple) um zum Beispiel die Blueray Disk abzulöse.

Magnetische Speicherverfahren sind seit vielen Jahren in der Entwicklung und auch im Einsatz. Sie haben sich in vielen Bereichen bewährt. Die Superparamagnetische Grenze ist schon seit Jahrzehnten das Limit was physikalisch für möglich gehalten und dennoch haben es die Hersteller immer wieder geschafft diese Grenze zu verschieben. Modernste Festplatten erreichen eine Kapazität von 2 Terabyte. Die Kombination der gerade in Entwicklung befindlichen "Patternd Media" und "Hitzeunterstützten Schreiben", könnte die Kapazität der Festplatten auf über 4 Terabyte steigen. Trotz der Kapazitätssteigerung, ist mittlerweile sichtbar das gerade im Bereich Geschwindigkeit, die Festplatten die Grenze des derzeit machbaren erreicht haben bzw. kurz davor stehen.

Die Fallstudie hat gezeigt, das es derzeit keine alternativen Technologie gibt, die Eigenschaften wie Geschwindigkeit, Kapazität und Haltbarkeit derart miteinander kombinieren das Sie die magnetische Festplatte ablösen könnten. Die Kombination dieser Eigenschaften zusammen mit dem sehr günstigen Preis pro Gigabyte, wird dazu führen das die Festplatte in den nächsten Jahren nicht vom Markt verschwinden wird. Möglicherweise werden Systeme wie Flashspeicher SSD die Festplatte aus einigen Anwendungsfelder verdrängen, primär im portablen Bereich. Als zuverlässiges und günstiges Speichermedium mit der höchsten Speicherdichte und akzeptabler Geschwindigkeit wird die auf magnetischer Technik basierte Festplatte aber weiterhin massiv eingesetzt.

5 Abbildungsverzeichnis

Beschreibung
1.0 Schreiben eines Holograms, http://www.tecchannel.de/storage/komponenten/402129/holographische_speichertechnik/index5.html , aufgerufen am 12.06.09
2.0 Lesen eines Holograms, http://www.tecchannel.de/storage/komponenten/402129/holographische_speichertechnik/index5.html , aufgerufen am 12.06.09
3.0 Umkehr eines Holograms, http://www.tecchannel.de/storage/komponenten/402129/holographische_speichertechnik/index6.html , aufgerufen am 12.06.09
4.0 Prinzip einer FeRam Zelle, http://www.planet-rcs.de/article/ram4/ , aufgerufen am 12.06.09
5.0 Prinzip einer MRam Zelle, Elektronik industrie 09-2004, Seite 42
6.0 Beispielhafte Abbildung eines Querschnitts einer Festplatte, http://www.edatenrettung.com/images/festplatte.jpg, aufgerufen am 08.06.2009
7.0 Geometrische_Aufteilung_der_Magnetscheibe_in_Sektoren_und_Spuren.jpg, http://www.tecchannel.de/storage/komponenten/401602/grundlagen_festplattentechnik/index5.html, aufgerufen am 12.06.2009
8.0 Darstellung des Longitudinal-Recording und Perpendicular-Recording, www.hitachi.com, aufgerufen am 12.06.2009
9.0 Darstellung der antiferromagnetischen Austauschkopplung, http://www.hitachigst.com/hdd/research/storage/adt/afc1.html, aufgerufen am 12.06.2009
10.0 Beispielhafte Darstellungder Magneto-optischen Speicherung, http://www.hitachigst.com/hdd/research/recording_head/tar/index.html, aufgerufen am 12.06.2009
11.0 Grafische Gegenüberstellung von konventioneller partikellastiger- und pattern media Speichertechnik, http://www.hitachigst.com/hdd/research/storage/pm/index.html, aufgerufen am 12.06.2009

6 Fussnoten

  1. ↑ http://computermuseum-muenchen.de/dictionary/storage.html , aufgerufen am 08.06.2009
  2. ↑ vgl. Fasching (2005), Werkstoffe für die Elektrotechnik
  3. ↑ http://www.tecchannel.de/storage/komponenten/401602/grundlagen_festplattentechnik/index2.html aufgerufen am 08.06.2009
  4. ↑ http://computermuseum-muenchen.de/dictionary/storage.html
  5. ↑ http://www.arithmeum.uni-bonn.de/de/events/96 , aufgerufen am 14.06.09
  6. ↑ http://www.heise.de/ix/Serial-ATA-Spezifikation-in-Version-3-0-erschienen--/news/meldung/139438 , aufgerufen am 10.06.09
  7. ↑ http://www.heise.de/newsticker/USB-3-0-Spezifikation-mit-SuperSpeed-veroeffentlicht--/meldung/119005 , aufgerufen am 10.06.09
  8. ↑ http://www.ibm.de , aufgerufen am 10.06.2009
  9. ↑ http://www.darpa.com , aufgerufen am 10.06.2009
  10. ↑ http://www.scientificamerican.com , aufgerufen am 10.06.2009
  11. ↑ http://stxaprilis.com , aufgerufen am 10.06.2009
  12. ↑ http://www.inphase-technologies.com , aufgerufen am 10.06.2009/
  13. ↑ http://www.ge.com , aufgerufen am 10.06.2009
  14. ↑ http://www.crn.com/storage/217200230;jsessionid=2SHH1LANXUC40QSNDLOSKH0CJUNN2JVN , aufgerufen am 12.06.2009
  15. ↑ http://www.ebu.ch/fr/technical/trev/trev_307-inphase_de.pdf , aufgerufen am 12.06.2009
  16. ↑ vgl. Mertens, Grundzüge der Wirtschaftsinformatik 9. Auflage Seite 17
  17. ↑ vgl. http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Festplatte-HD-hard-disk.html aufgerufen am 12.06.2009
  18. ↑ Kuechlin, Weber - Einführung in die Informatik, 3.Auflage Kapitel 2.1 und 2.2
  19. ↑ vgl. Kuechlin, Weber - Einführung in die Informatik, 3.Auflage Seite 23-24
  20. ↑ vgl. Schiffmann - Technische Informatik 2, Grundlagen der Computertechnik 5. neu bearbeitete und ergänzte Auflage Seite 274
  21. ↑ http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Festplatte-HD-hard-disk.html aufgerufen am 12.06.2009
  22. ↑ vgl. Schiffmann - Technische Informatik 2, Grundlagen der Computertechnik 5. neu bearbeitete und ergänzte Auflage Seite 262
  23. ↑ vgl. Schiffmann - Technische Informatik 2, Grundlagen der Computertechnik 5. neu bearbeitete und ergänzte Auflage Seiten 278-281
  24. ↑ http://www.nt.fh-koeln.de/fachgebiete/inf/diplom/disks/main.html aufgerufen am 09.06.2009
  25. ↑ vgl. Mertens, Grundzüge der Wirtschaftsinformatik 9. Auflage Seite 17
  26. ↑ http://www.nt.fh-koeln.de/fachgebiete/inf/diplom/disks/main.html aufgerufen am 09.06.2009
  27. ↑ http://de.encarta.msn.com/encyclopedia_761561809/Ferromagnetismus.html aufgerufen am 12.06.2009
  28. ↑ http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Induktion-induction.html aufgerufen am 12.06.2009
  29. ↑ http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Schreib-Lesekopf-R-W-read-write-head.html aufgerufen am 12.06.2009
  30. ↑ vgl. Schiffmann - Technische Informatik 2, Grundlagen der Computertechnik 5. neu bearbeitete und ergänzte Auflage Seite 262-263
  31. ↑ http://www.nanotech-hessen.de/technologie/einfuehrungnt/superparamagnetismus aufgerufen am 12.06.2009
  32. ↑ http://www.supermagnete.de/magnetismus/blochwaende aufgerufen am 12.06.2009
  33. ↑ http://de.encarta.msn.com/encyclopedia_721552160/Dipolmoment.html aufgerufen am 12.06.2009
  34. ↑ http://de.encarta.msn.com/encyclopedia_721552137/Curie-Temperatur.html aufgerufen am 12.06.2009
  35. ↑ http://www.itwissen.info/definition/lexikon/giant-magneto-resistive-GMR-GMR-Effekt.html aufgerufen am 12.06.2009
  36. ↑ http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Perpendicular-Recording-perpendicular-recording.html und http://www.hitachigst.com/hdd/research/recording_head/pr/index.html aufgerufen am 12.06.2009
  37. ↑ http://www.hitachigst.com/hdd/research/storage/hdi/interaction.html und http://www.hitachigst.com/hdd/research/storage/hdi/minimizingspacing.html und http://www.hitachigst.com/hdd/research/recording_head/pr/index.html aufgerufen am 12.06.2009
  38. ↑ http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Speicherdichte-storage-density.html, aufgerufen am 12.06.2009
  39. ↑ http://de.encarta.msn.com/encyclopedia_721552575/Suszeptibilit%C3%A4t.html, aufgerufen am 12.06.2009
  40. ↑ http://www.wmi.badw-muenchen.de/teaching/Praktika/files/hys.pdf, aufgerufen am 12.06.2009
  41. ↑ http://www.supermagnete.de/magnetismus/remanenz, aufgerufen am 12.06.2009
  42. ↑ vgl. Völz (2007), Handbuch der Speicherung von Information Band 3: Geschichte und Zukunft elektronischer Medien Seite 307-308
  43. ↑ vgl. Völz (2007), Handbuch der Speicherung von Information Band 3: Geschichte und Zukunft elektronischer Medien Seite 171
  44. ↑ http://www.wissenschaft-online.de/abo/lexikon/physik/542, aufgerufen am 12.06.2009
  45. ↑ http://www.supermagnete.de/magnetismus/permeabilitaet und http://www.supermagnete.de/magnetismus/magnetfluss und http://www.supermagnete.de/magnetismus/feldlinien, aufgerufen am 12.06.2009
  46. ↑ http://www.hitachigst.com/hdd/research/storage/adt/afc1.html, aufgerufen am 12.06.2009
  47. ↑ vgl. Völz (2007), Handbuch der Speicherung von Information Band 3: Geschichte und Zukunft elektronischer Medien Seite 410
  48. ↑ http://www.materialsgate.de/mnews/mn-2856.html, aufgerufen am 12.06.2009
  49. ↑ http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Magneto-optischer-Speicher-MO-magnetic-optical.html, aufgerufen am 12.06.2009
  50. ↑ vgl. Völz (2007), Handbuch der Speicherung von Information Band 3: Geschichte und Zukunft elektronischer Medien Seite 608
  51. ↑ http://www.russiatoday.com/Sci_Tech/2009-03-24/Laser-assisted_HDDs_to_Break_Limits.html?fullstory, aufgerufen am 12.03.2009
  52. ↑ http://www.hitachigst.com/tech/techlib.nsf/techdocs/616994B9CA608DAF862574B0007F1950/$file/Patterned_Media_WP.pdf, aufgerufen am 12.06.2009

7 Literaturverzeichnis

Mertens, Grundzüge der Wirtschaftsinformatik 9. Auflage

Schiffmann - Technische Informatik 2, Grundlagen der Computertechnik 5. neu bearbeitete und ergänzte Auflage

Völz (2007), Handbuch der Speicherung von Information Band 3: Geschichte und Zukunft elektronischer Medien

Fasching (2005), Werkstoffe für die Elektrotechnik

Von „http://winfwiki.wi-fom.de/index.php/Zukunft_der_Hard_Disk“
Persönliche Werkzeuge