Sie denken also, Festplatten seien langweilig? Es ist Zeit, real zu werden

James McKenzieerklärt, warum Magnetismus für physikbasierte Unternehmen so wichtig ist

Im Jahr 2022 habe ich mich für die Wahl in die Magnetismusgruppe des Instituts für Physik (IOP) beworben, da ich immer der Meinung bin, dass der beste Weg, sich in irgendetwas zu engagieren, darin besteht, einfach dabei zu sein. Ich war der Gruppe erst im Jahr zuvor beigetreten, nachdem ich damit begonnen hatte Arbeit bei einem Unternehmen, das sich auf permanentmagnetische Materialien spezialisiert hat. Obwohl ich nicht viel über die Gruppe wusste, wurde ich – zu meiner Überraschung – gewählt.

Die Magnetismusgruppe ist eine der größeren Interessengruppen des IOP und veranstaltet unter anderem eine erfolgreiche und gut besuchte Jahreskonferenz, die dieses Jahr im April in Manchester stattfand. Auf dem Treffen wurden Themen behandelt, die von Spintronik, 2D-Physik, Domänenwänden und Dynamik bis hin zu Wirbeln, Skyrmionen, topologischer Physik und intelligentem Rechnen reichten. Es umfasste auch ein breites Spektrum an Materialien, von biologischen und organischen Systemen bis hin zu Spin-Eis, Supraleitern und Magnetokalorik.

Aber die Magnetismus-Gruppe des IOP ist nicht die einzige britische Organisation, die sich in diesem Bereich engagiert: Es gibt auch die UK Magnetics Society (UKMagSoc), bei der das Unternehmen, für das ich arbeite, korporatives Mitglied ist. Die Aktivitäten von UKMagSoc überschneiden sich teilweise mit denen des IOP, die Gesellschaft konzentriert sich jedoch mehr auf die Anwendung und Kommerzialisierung von Magneten, beispielsweise für elektrische Maschinen, Instrumente und Festplatten. Die Gesellschaft hat jedoch auch einzelne Mitglieder – tatsächlich nahm ich im Juni an einer gemeinsamen IOP/MagSoc-Veranstaltung im Hauptsitz des IOP in London teil, bei der Redner die Herausforderungen der nächsten fünf oder zehn Jahre in einer Reihe magnetischer Themen darlegten Materialien und Geräte.

Für einen Neuling wie mich war das Treffen ein wirklich hilfreicher Überblick über die Magnetik und ich habe schließlich durch einen Vortrag von Thorsten Hesjedal von der Universität Oxford herausgefunden, was ein Skyrmion wirklich ist. Es handelt sich um einen wirbelnden, nanometergroßen topologischen Defekt in einem dünnen magnetischen Film, der eine neue Form von Computerspeicher liefern könnte. Skyrmionen könnten, wie ich erfuhr, im Weltraum besonders nützlich sein, wo herkömmlicher Computerspeicher leicht durch kosmische Strahlung beschädigt werden kann.

Es gab auch einige hervorragende Vorträge von John Reeve vom Antriebshersteller FluxSys Ltd, von Dean Evans vom Motoren- und Generatorenunternehmen NEMA und von Juliette Soulard von der Warwick Manufacturing Group, die für meine tägliche Arbeit von direktem Interesse waren und sich mit verschiedenen Aspekten des Motordesigns und elektrischer Maschinen befassten . Besonders interessant für mich war ein Vortrag von Robert Hicken, einem Physiker der kondensierten Materie von der University of Exeter. Er untersuchte die Herausforderungen, mit der ständig steigenden Nachfrage nach Datenspeicherung Schritt zu halten, ein Thema, über das ich im Dezember 2020 berichtet habe.

Nun haben Sie sicherlich vom Mooreschen Gesetz gehört, das – wie ich in einem anderen kürzlich erschienenen Artikel erwähnt habe – besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip etwa alle zwei Monate verdoppelt. Es ist nach dem verstorbenen Gordon Moore benannt, dem Mitbegründer von Intel, der das Konzept 1965 entwickelte. Hicken führte jedoch ein verwandtes Konzept ein, das für mich neu war, nämlich die Dichte der Datenspeicherung auf magnetischen Medien (z. B. Festplatten) dürfte jährlich um etwa 40 % zunehmen.

Der Bedarf an Datenspeichern wird langfristig sicherlich steigen und Unternehmen wie Seagate, Toshiba und Western Digital werden alles tun, um den enormen Bedarf zu decken

Es ist als „Kryder-Gesetz“ bekannt und nach Mark Kryder benannt – einem ehemaligen Chief Technology Officer beim Festplattenhersteller Seagate. Kryder, der in Physik promoviert hat, erwähnte den Gedanken erstmals 2005 in einem Artikel im Scientific American. Leider war Kryders Gesetz weniger erfolgreich als Moores Gesetz, da das Wachstum der Speicherdichte auf magnetischen Materialien im Jahr 2005 nur um 15 % anstieg fünf Jahre bis 2014.

Selbst wenn sich Kryders kühne Prognose nicht bewahrheiten sollte, wird die Nachfrage nach Datenspeichern langfristig sicherlich steigen und Unternehmen wie Seagate, Toshiba und Western Digital – die zusammen 80 % aller Festplattenlaufwerke (HDDs) weltweit herstellen – steigern – werden ihr Möglichstes tun, um die große Nachfrage zu decken. Laut einem Bericht von Future Market Insights wird der Datenspeichermarkt im Jahr 2021 einen Wert von 35 Milliarden US-Dollar pro Jahr haben und bis 2029 auf 80 Milliarden US-Dollar anwachsen.

Im Jahr 2021 wurden unglaubliche 259 Millionen Festplatten ausgeliefert, die meisten davon gingen in Rechenzentren. Mit einem Marktanteil von 44 % ist Seagate derzeit der größte Hersteller von Festplatten – tatsächlich stellt allein seine Technologieanlage in Nordirland fast 30 % des weltweiten Angebots an Lese-/Schreibköpfen her. Auch im Wettlauf um die Speicherdichte scheint das Unternehmen dank seiner Arbeiten zum „Heat-Assisted Magnetic Recording“ (HAMR) führend zu sein. Dadurch konnte Seagate die Speicherdichte seiner Festplatten auf mehr als 2 x 1012 Byte (2 TB) pro Quadratzoll steigern, wobei die Bits über einen Laser und einen in den Lese-/Schreibkopf integrierten plasmonischen Nahfeldwandler geschrieben werden.

Etwa 21 Jahre nach der Konzeption der Idee wurden kürzlich die ersten HAMR-Festplatten mit einer riesigen Kapazität von 32 TB (10 Platten mit je 3,2 TB) ausgeliefert. Die Roadmap von Seagate geht davon aus, dass wir mit dieser HAMR-Technologie bis zum Ende des Jahrzehnts über 120-TB-Laufwerke verfügen werden, mit mehr als 10 TB Datenspeicher pro Festplatte. Dies wird vor allem auf wesentliche Verbesserungen bei den magnetischen Medien und der Wachstumstechnologie sowie auf die damit verbundenen Herausforderungen bei der Ausrichtung zurückzuführen sein.

Heutzutage enthält jede Festplattenspur – von der es etwa eine Million pro Zoll gibt – Informationsbits, die in winzigen Bereichen aufgezeichnet sind, die nur 42 nm breit (ungefähr sechs bis acht magnetische Körner) und 10 nm lang (kaum zwei bis drei Körner) sind. Aber wenn wir die Wachstumsziele erreichen wollen, müssen diese Spuren viel, viel kleiner werden. Um das Endziel von mehr als 8 TB Daten pro Quadratzoll mithilfe einer Technologie namens Heated Dot Magnetic Recording (HDMR) zu erreichen, sind magnetische Medien mit Einzelbitmuster erforderlich.

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Wie Hicken weiter ausführte, gehe es bei der Erhöhung der Speicherdichte nicht nur darum, die Bits so klein wie möglich zu machen: Man müsse auch sicherstellen, dass die Daten schnell genug auf die Laufwerke geschrieben werden könnten und diese auch thermisch stabil seien. Mit anderen Worten: Unternehmen stehen vor einem Trilemma widersprüchlicher Anforderungen, deren Lösung eine Herausforderung darstellt. Zum Glück haben sie andere Lösungen im Ärmel. Insbesondere optische Techniken könnten HDDs durch „rein optisches“ Schreiben und Umschalten von Festplatten über die aktuellen Grenzen hinaus bringen.

Wenn Sie also dachten, Festplatten seien langweilige Objekte, die in schuppenartigen Rechenzentren eingesperrt sind, ist es an der Zeit, noch einmal darüber nachzudenken. Sie verbergen eine Menge modernster Physik und Technik und wir können mit vielen weiteren spannenden Entwicklungen rechnen, wenn wir die 120 TB pro Festplatte erreichen und mit der Nachfrage nach „Cloud“-Speicher Schritt halten wollen. Wenn es nächstes Jahr eine weitere gemeinsame IOP/UKMagSoc-Veranstaltung gibt, empfehle ich Ihnen dringend, daran teilzunehmen.