Over vele schijven

De aloude magnetische harde schijf in de computer loopt tegen zijn technologische grenzen aan. Nieuwe methoden om gegevens te bewaren staan voor de deur.

De capaciteit van harde schijven in computers neemt al maar toe. Een beetje multimedia pc biedt tegenwoordig al zo'n 40 gigabyte aan opslagcapaciteit: ruim voldoende voor het opslaan van digitale muziekbestanden (MP3) of digitale plaatjes. Door de capaciteitstoename zijn geheel nieuwe toepassingen mogelijk, zoals videomontage op de pc of televisies die veertig tot zestig uur aan programmamateriaal digitaal kunnen opnemen. En de ontwikkeling gaat door. Harde schijven van 150 tot 200 gigabyte zullen in de nabije toekomst eerder regel dan uitzondering zijn.

Toch lopen fabrikanten zo langzamerhand tegen fysieke grenzen aan. Informatie op een harde schijf wordt geschreven en gelezen met behulp van een schrijf/leeskop die zich boven een sneldraaiende informatiedrager beweegt. Via de kop wordt met behulp van elektrische stroom een magnetisch veld gecreëerd dat lokaal de magnetisatie-richting in het materiaal kan omkeren. Zo kan men een binaire eenheid of bit schrijven, een `1' of een `0'.

Het medium zelf bestaat doorgaans uit een dunne laag magnetisch materiaal die is opgebouwd uit kristalletjes die willekeurig over het oppervlak zijn verdeeld. Om een bit uit te lezen zijn mimimaal honderd van die kristalletjes nodig.

Wil men de capaciteit van harde schijven uitbreiden, dan moet het volume van zo'n bit kleiner worden. Men heeft meer bits per vierkante centimeter nodig. De kristalletjes kunnen echter niet oneindig veel kleiner worden gemaakt. Op een bepaald punt kunnen de bits hun magnetische richting niet langer vasthouden en worden thermisch instabiel. Een bit die een `1' weergeeft kan dan spontaan in een `0' veranderen.

Er zijn manieren om de thermische instabiliteit tegen te gaan. Bijvoorbeeld door gebruik te maken van cobalt-chroom-platina-tantaal-legeringen. De kleinste bitgrootte die momenteel in laboratoria met dergelijke materialen wordt gehaald is twintig nanometer. Nadeel van deze aanpak is dat de toegangstijd van de harde schijf en lees/schrijfsnelheid achteruit gaan. De harde schijf mag dan meer capaciteit hebben gekregen, hij is ook relatief langzamer geworden. Daarom moet de snelheid waarmee harde schijven draaien ook worden opgevoerd. De nieuwste harde schijven draaien al met 15.000 toeren per minuut. Daarvoor zijn wel bijzondere lagers nodig en ook de mechanische constructie moet geoptimaliseerd worden.

Sputterproces

Een ander probleem is minder makkelijk op te lossen. De grootte van de kristalletjes op het medium varieert nogal omdat tijdens de fabricage geen volledige controle bestaat op het sputterproces via welk ze worden aangebracht. Hierdoor ontstaat er ruis en wordt de uitlezing minder secuur. Bovendien worden de kleinste deeltjes het eerst thermisch instabiel, waardoor veldomkering optreedt en in plaats van een 0 een 1 wordt gelezen of vice versa. Dergelijke fouten worden nu al in harde schijven gesignaleerd, maar ze laten zich tijdens de uitlezing nog corrigeren. Ook door de kop dichter bij het magnetische materiaal te brengen kan ruis bestreden worden. ``Iedere nanometer afstand is er een te veel'', zegt Cock Lodder, hoogleraar Systemen en Materialen voor Informatieopslag van de faculteit Elektrotechniek van de Universiteit Twente. ``Je zou de kop eigenlijk in contact moeten brengen met het magnetische materiaal zelf, maar dan krijg je weer slijtage.''

Er kan ook voor een andere manier van lezen en schrijven worden gekozen. Eén oplossing heet thermal assisted recording, waarbij tijdens het schrijven een hogere temperatuur wordt gebruikt. Met minder sterke kopvelden kan men dan toch een bit schrijven. Enkele laboratoria proberen deze technologie verder te ontwikkelen.

Een andere optie zijn magneto-optische schrijftechnieken. Alleen vereisen die het gebruik van lasers met een zeer kleine golflengte. Dergelijke (blauwe) lasers zijn nu nog veel te duur om de concurrentieslag met de harde schijf aan te gaan.

De ultieme wens van de industrie heet single data bit recording, waarbij een bit in slechts één magnetisch deeltje wordt geschreven, in plaats van honderd. Voorwaarde is wel dat alle deeltjes netjes in een rij liggen. IBM heeft met deze technieken al successen geboekt. In het laboratorium in San Jose heeft men magnetische nanodeeltjes ontwikkeld die ongeveer de helft kleiner zijn dan de deeltjes die momenteel in harde schijven worden verwerkt. Doordat ze allemaal dezelfde grootte hebben treedt er nauwelijks ruis op. Alleen zijn er nog geen technieken ontwikkeld om de deeltjes individueel aan te sturen, en ook over hun duurzaamheid en chemische stabiliteit is nog weinig bekend. ``We weten niet of ze voldoende bestand zijn tegen oxidatie en of ze in grote volumes kunnen worden geproduceerd'', zegt Andreas Moser van het IBM Research Center in San Jose. Ook de informatiedichtheid is nog niet erg hoog: 1 tot 2 gigabit per vierkante inch (iets minder dan 6,5 vierkante centimeter), vergeleken met de huidige dichtheid van 35 gigabit. ``Als het ons zou lukken om een enkele bitcel aan te sturen zou je de capaciteit makkelijk kunnen vergroten tot wel 100 terabyte per vierkante inch'', zegt Moser.

ANDER PAD

Aan de Universiteit Twente is men een ander pad ingeslagen. Materialen zijn niet de belemmerende factor, zegt hoogleraar Cock Lodder, wel de snelheid waarmee de gegevens van de harde schijf gelezen worden. De groep van Lodder ontwikkelt zogeheten microSPAM-systemen die een oppervlak in een keer kunnen aftasten met behulp van honderden minuscule lees- en schrijfsensoren of `probes'. De schijf draait niet meer, maar de lees- en schrijfkoppen worden over het oppervlak bewogen. Ook bestaat het medium niet langer uit een dunne film, maar uit een groot regelmatig oppervlak van kleine magnetische deeltjes die, anders dan bij de huidige harde schijven, loodrecht op het medium worden gemagnetiseerd. Daardoor kan de laag dikker worden gemaakt en zijn de deeltjes stabieler bij dezelfde oppervlaktedichtheid. Momenteel hebben de deeltjes een diameter van 70 nanometer.

De aanpak van de Universiteit Twente zou ook kunnen leiden tot een andere manier waarop de gegevens op de schijf worden geadresseerd. Op dit moment worden grotere bestanden op de harde schijf opgedeeld in fragmenten, zodat ze kunnen worden geplaatst op plekken die zijn achtergelaten door verwijderde bestanden. Nadeel is dat de leeskop al deze fragmenten eerst moet verzamelen voordat een bestand in het geheugen van de computer kan worden geladen. Het verklaart waarom computers na verloop van tijd trager worden en de harde schijf met behulp van software gedefragmenteerd moet worden. Bij de aanpak die de groep van Lodder voorstaat zou informatie compacter opgeslagen kunnen worden en toch snel kunnen worden uitgelezen.