Tecnologías y materiales de los discos duros

La densidad de los datos grabados en los discos duros ha aumentado 5000 veces en 15 años, en gran medida gracias a unas pocas innovaciones en materiales y tecnologías.

La codificación PRML

El PRML «Partial Response Maximum Likelihood», permite juntar más los bits al mejorar la lectura usando un sistema estadístico (máxima verosimilitud), en vez de detectar sólo los picos sobre el nivel de ruido, esta técnica permitió en los años 90 aumentar un 30% la capacidad de almacenamiento de datos sobre anteriores codificaciones.

La tecnología Magnetoresistiva Anisótrópica (A)MR

En 1991 IBM presentó el «0663 Corsair» de 1GB en 8 platos de 3,5″, fue el primer disco duro con la tecnología AMR «anisotropic magnetoresistive», más conocida simplemente como MR (magnetoresistiva).  Aunque IBM ya había usado MR desde 1984 para la lectura de cintas, su introducción en discos duros marcaría una nueva era en el almacenamiento de datos.

Se basa en un material que cambia su resistencia al pasar por un campo magnético y es mucho más sensible que los cabezales «thin-film» (película delgada), utilizados hasta 1991 para la lectura y escritura de los datos.

La tecnología MR o GMR se utiliza sólo para la parte del cabezal que lee los datos. Para escribir se sigue utilizando la tecnología «thin-film» (película delgada), pero al no utilizar este segundo elemento del cabezal para hacer la lectura, se puede optimizar mucho su funcionamiento para obtener más rendimiento, ya que anteriormente la optimización para escritura hacía que funcionaran peor en lectura y viceversa.

Como curiosidad, los cabezales MR y GMR son muy sensibles a la electricidad estática. Cuando se desmonta un cabezal de un disco duro (algo habitual en trabajos de recuperación de datos), nada más tocarlo queda instantáneamente destruido, a no ser que se haga con muñequeras con toma de tierra.

La tecnología Magnetoresistiva Gigante GMR

En 1996 IBM presentó la GMR «Giant Magnetoresistive» (Magnetorresistencia gigante), anunciando que había conseguido escribir 1Gbit por pulgada cuadrada. En 1997 presentan el primer disco con esta tecnología, el «Deskstar 16GP Titan», de 16,8GB en 3,5″.

La GMR aumenta la magnitud de cambio resistivo desde el 2% de la MR hasta un 8%, permitiendo la grabación de campos magnéticos aun más débiles y por tanto reduciendo más la distancia entre bits y entre pistas, lo que permite una mayor densidad de datos y por tanto discos duros de más capacidad.

Actualmente se experimenta con CMR «Colossal Magnetoresistive», que se supone será la siguiente generación de componentes magnetoresistivos, aunque aun es un material en desarrollo.

Grabación Magnética Perpendicular

Desde 2006 en que Hitachi introdujo el Deskstar 7k10000 de 1TB, todos los discos del mercado utilizan PMR «perpendicular magnetic recording», un sistema que consiste en poner los bits con una polarización perpendicular, con lo que se obtiene una densidad de datos mucho más alta y que permitiría, sin el uso de otras tecnologías, llegar a almacenar hasta 1Tbit por pulgada cuadrada.

Hasta 2006 se utilizaba LRM «Longitudinal Magnetic Recording», que utiliza un cabezal que produce una magnetización longitudinal, con el PMR cada bit se polariza de arriba hacia abajo, lo que duplica la densidad de la información y aumenta la estabilidad térmica.

Todos los discos duros actuales utilizan una combinación de GMR y LMR codificados con EPMRL «extended partial response, maximum likelihood» (una versión mejorada de PMRL).

HAMR «Heat-Assisted Magnetic Recording»

Seagate anuncia a principio de 2012 que podrá llegar a fabricar discos de 60TB en 2015 utilizando HAMR «Heat-Assisted Magnetic Recording», un sistema de lubricación con nano tubos, que permitiría acercar más los cabezales al disco, y por tanto reducir la magnetización necesaria de cada bit.

El principal escollo para el desarrollo de esta nueva tecnología es que podrían perderse los datos grabados por los límites del efecto paramagnético, debido al reducido tamaño del material magnético utilizado.

Todas estas tecnologías van orientadas a lo mismo, buscar la forma de reducir la intensidad del campo magnético de cada bit grabado en el disco duro, para poder meter cada vez más datos en el mismo espacio. Los discos actuales (2012), tienen una densidad de 620 Gbits por pulgada cuadrada, la primera generación de discos HAMR se espera que llegue a 1 Tb/in² (terabits por pulgada cuadrada) y podrían alcanzar los 10 Tb/in² antes del fin de la década¹.

Actualización noviembre 2024:

La tecnología HAMR sigue siendo la principal usada en los discos mecánicos actuales, aunque desde 2020 se está usando la nueva tecnología MAMR (Microwave-Assisted Magnetic Recording) y otras similares, que permite incrementar la densidad de almacenamiento al utilizar microondas en lugar de calor para estabilizar la escritura en la superficie del disco.

El pionero de esta tecnología es Western Digital, con el lanzamiento en 2020 del Ultrastar DC HC550 de 18 TB, aunque otros también lo usan, Toshiba ha anunciado discos duros MAMR con capacidades de hasta 31 TB, aunque el disco de mayor tamaño actualmente es el Western Digital Ultrastar DC HC650 de 20 TB (unos 470€ a noviembre de 2024), que usa MAMR + SMR (Shingled Magnetic Recording), aunque WD lo llama EAMR (Energy-Assisted Magnetic Recording), una técnica que aplica energía adicional (como microondas, en el caso de MAMR), para reducir la coercitividad del medio de almacenamiento haciendo posible la escritura de datos en áreas más pequeñas.

(1) Aun así, HAMR aventaja a día de hoy a MARM en las densidades máximas posibles, aunque no se ha llegado a los 10 Tb/in² (terabits por pulgada cuadrada), que se preveían hace 12 años para antes de 2020, ya que a fecha de hoy no se han superado los 3 Tb/in².

En desarrollos recientes se han alcanzado los 3 Tb/in², siendo el Seagate Exos X Mosaic 3+ de 30TB el disco con mayor densidad de datos hasta la fecha, usando tecnología HAMR, que consigue 3 TB por plato, lo que permite alcanzar una capacidad total de 30 TB en un disco de 3,5″ con 10 platos y tecnología HAMR + CMR (Conventional Magnetic Recording), también tienen un modelo HAMR + SMR (Shingled Magnetic Recording), que llega a los 32TB, pero este aumento no se consigue con una mayor densidad de datos, sino porque SMR coloca las pistas como las tejas de un tejado, superpuestas, haciendo que entre más información, aunque esto tiene una penalización en el rendimiento del disco, especialmente en las escrituras aleatorias. A noviembre de 2024 no es fácil comprar este disco, Seagate dice que tiene unidades limitadas y no se encuentra en tiendas online, su precio ronda los 1200€.

Casi todos estos discos mecánicos de última generación, en general a partir de 10TB, tienen helio en vez de aire en su interior para reducir la fricción y la temperatura. Esto hace que en caso de necesitar una recuperación de datos, exista un alto riesgo de pérdida total de los datos si se abre el disco y no se vuelve a sellar con helio en su interior, esto dificulta mucho el proceso de recuperación en caso de avería de cabezales y otros elementos mecánicos que requieran la apertura del disco.