磁気ディスク装置と 高性能化へのロードマップ 1. 2. 3. 4. 磁気ディスク装置概要 高密度化とその技術 高速化とその技術 情報家電へ，次世代超高密度ＨＤＤへ 日立製作所 ストレージ事業部 ディスク装置開発部 三枝省三 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 1 磁気ディスク装置構造と開発課題 ヘッド・スライダー・サス ペンション・アッセンブリ ・極低浮上 ・低風乱サスペンション ･高感度ヘッド ･高速読み出し アクチュエータ 円板 ・低振動化 ・表面潤滑剤 ・表面保護膜強度 ･高密度化 ･低ノイズ化 ･熱的安定性 ・高加速度駆動/サーボ ・軽量化 ・高推力ボイスコイルモータ ・低振動化 匡体/ 匡体/ベース、カバー ・放熱効率 ・低風乱流れ場 ･低振動化構造 スピンドル ・低振動化 ・長寿命軸受け ・高速回転 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 部品名 ・課題項目 2 磁気ディスク装置の機能と課題 1. 容量 ： 高面密度化 (= BPI × TPI ) – 周方向の高密度化 (BPI : bit per inch) – – 半径方向の高密度化 (TPI : track per inch) – 2. 3. ヘッドの高感度化，円板の高密度化，低浮上 高精度位置決め，低振動機構 高速 ： データの高速転送 – 高速回転 ： スピンドルモータ – 高速シーク ： 高推力アクチュアータ，高速サーボ – 高速データ転送 ： 高速スイッチング，高速転送 その他の開発軸 – 低価格化，耐衝撃，清音化 – 高信頼性，長寿命（連続書き込み読み出し） All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 3 面密度の推移 107 AFM Clearance Limit Super paramagnetic Effect Areal Density 106 105 Crystalline Virus 10 4 10 3 102 Prototype 10-2 1970 HDD Product 25% HDD 1M 40% 1 10-1 Optical 60-100 % Optical Disk 10 (Mb/in2) AFM Memory Holographic Advanced Magnetic Storage 64M 16M 4M DRAM DVD-ROM HDD Image of 1-bit 1μm DRAM 1980 256M ＤＲＡＭ TEG Product 1990 2000 2010 Year All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 4 磁気ディスク装置の容量推移 (1970~2000) 100,000 Capacity （MB) 10,000 1,000 直径14in 直径11-8in 参考 100 AD年率2倍 直径5.25in 直径3.5in 10 直径2.5in 直径<1.8in 1 1970 1980 Year All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 1990 2000 2010 参考）国際ドライブ協会（IDEMA JAPAN)、日経BP社、（2000/4）p315-319，他 5 ストレージの記憶容量推移予測 100,000 Capacity （MB) 3.5 3.5型 10,000 2.5 1.8 1,000 2.5型 1.8型 1.0 1.0型 100 ＣＦ CF 10 1 1999 2000 2001 2002 2003 2004 CY (注) HDDは1ﾌﾟﾗｯﾀｰ当りの容量, CF:Compact Flash Memory All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 6 Track Density [kTPI] ２段アクチュエータ)) ＴＰＩ：高精度位置決め (２段アクチュエータ と ＢＰＩ：高速転送((ＣＯＳ ＣＯＳ)) と ＢＰＩ：高速転送 BPI/TPIは BPI/TPIは20から 20から10 から10へやがて 10へやがて1 へやがて1に漸近 120 高精度位置決め 100 面密度=BPI× ×TPI 面密度 Two-Stage Actuator and FDB 80 60 TPI : track track per inch BPI : bit per inch ：Demo 40 COS 20 高速転送 0 0 200 400 600 800 Linear Recording Density [kBPI] All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 7 ヘッド位置決め精度の説明 Accuracy within ～100nm (0.1 (0.1μ μm) Positioning within 0.74mm x 450,000 Disk Arm length 45 mm 333m height All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 8 ２段ｱｸﾁｭｴｰﾀ用微動ｱｸﾁｭｴｰﾀ 第1世代 世代 ｻｽﾍﾟﾝｼｮﾝ駆動型 第2世代 世代 ｽﾗｲﾀﾞ駆動型 第3世代 世代 ﾍｯﾄﾞ駆動型 ｻｽﾍﾟﾝｼｮﾝ PZTｱｸﾁｭｴｰﾀ PZTｱｸﾁｭｴｰﾀ 積層圧電 素子( 素子(PZT) ﾍｯﾄﾞ ｽﾗｲﾀﾞ ｽﾗｲﾀﾞ ﾝ ｼｮ ﾝ ﾟ ﾍ ｽ ｻ ﾍｯﾄﾞ ﾍｯﾄﾞ 難波他（日立） MEMS’99 >60 kTPI at 3.5 型 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa ｽﾗｲﾀﾞ 添野他（TDK） ） APMRC’98 >100-200 kTPI at 3.5 型 可動部 平行平板型静電ｱｸﾁｭｴｰﾀ 藤田他（東大）APMRC’98 （東大） >? kTPI 9 スピンドルモータの高精度化 FDB ( Fluid Dynamic Bearing ) Ｈａｂ Thrust Bearing Ｓｈａｆｔ A BB ( Ball Bearing ) Magnetic Seal Motor Stator A’ Ｈａｂ Ｓｈａｆｔ Ball Bearing Motor Stator Motor Magnet Motor Magnet ： Bearing Frequency Radial Bearing 25 20 15 10 5 0 FDB BB 0 15 30 45 60 75 nmpNRRO [[nmp nmp-p] 90 105 120 Frequency Distribution of NRRO All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa その他の利点：低騒音、耐衝撃、信頼性 10 浮上量の変遷 スペーシング[nm] 面記録密度[x1550 Mb/m2] （[Mb/in2]） 1000000 100000 スペーシング 10000 1000 動圧重荷重ｽﾗｲﾀﾞ 煙粒子 可視光波長 ウイルス 空気の平均 自由行程 高分子 軽荷重CSS 軽荷重CSSｽﾗｲﾀﾞ CSSｽﾗｲﾀﾞ 100 負圧ｽﾗｲﾀﾞ, 負圧ｽﾗｲﾀﾞ,薄膜ﾃﾞｨｽｸ 10 ﾋﾟｺｽﾗｲﾀﾞ, ﾋﾟｺｽﾗｲﾀﾞ,L/UL方式 L/UL方式 1 接触許容方式 0.1 0.001 1950 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 分子 原子 0.01 松本 毛髪 静圧ｽﾗｲﾀﾞ 面記録密度 1960 1970 1980 1990 製品出荷時期 2000 2010 11 磁気ヘッド浮上高さの説明 1.2mm 1.2 mm 押下力 空気流れ 18nm 18 nm ～50m/s 50m/s ディスク面 x 67,000 70m 70m 1.0mm 1.0 mm 滑走路 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 時速 180 180km/Hr km/Hr 12 スライダ技術 ディスク回転方向 ディスク回転方向 正圧発生パッド テーパ 正圧レール 1. 2 5 1. 0 0.3 (mm) ステップ溝 (～0.15μm) 負圧発生溝 （２～６μm） 負圧発生溝 （～1μm） 磁気ヘッド 従来型負圧スライダ ２段ステップ型負圧スライダ 浮上量 ［nm］ 50 40 30 20 10 低下～12nm 低下～3nm 0 気圧低下(高度3000m相当)による浮上量低下 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 13 保護膜技術（信頼性の作り込み） •磁性膜を腐食から守るための被覆性確保 磁性膜を腐食から守るための被覆性確保 •耐摺動性向上のための耐摩耗性確保 耐摺動性向上のための耐摩耗性確保 ↓ 緻密化、高硬度、高弾性率 ヤング率／硬度比の低減 ダイヤモンド構造に近い構造 ヤング率 ［ ヤング率 ［GPa GPa GPa］ ］ 250 200 CVDCVD-C:H（ C:H（DLC) 150 100 50 spsp-C:N spsp-C:H spsp-C 0 0 5 20 10 15 硬度（押込み深さ5 硬度（押込み深さ5nm） ［ nm） ［GPa ） ［GPa］ GPa］ All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 14 HDDの高速化 • I/O回数 • 高速化シーク：4.7ms（加速度50G) , 3.6ms (→3ms（加速度100G) ) • 高速回転：15,000→（22,000→30,000rpm) 実現設計（フラッタ、流れ） 消費電力、スピンドル、小径化 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 15 I/O回数の推移 160.0 I/O I/O回数（回 回数（回 回数（回/ /ｓ） 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 20 04 20 02 20 00 19 98 19 96 19 94 19 92 19 90 00.0 CY I/O回数(回/s)＝１/（平均シーク時間+回転待ち時間+SCSIオーバヘッド+18kB転送時間)、 条件：ランダム（書き込み１：読み出し１）、非整列,キャッシュヒット無し All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 16 回転数の推移 20,000 回転数（rpm） 18,000 16,000 14,000 12,000 10,000 8,000 6,000 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 20 04 20 02 20 00 19 98 19 96 19 94 19 92 19 90 4,000 CY 17 アクセス時間の推移 100 60 アクセス時間 （平均シーク時間＋回転待ち時間） 時 40 間 20 （ﾐﾘ秒） 15,000rpm 15,000rpm 10 8 6 4 2 平均シーク時間 1990 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 1995 12,000rpm 12,000rpm 10,000rpm 年 2000 18 HDDの将来像（高速型） HDDの将来像（高速型） 項目 円板直径 円板枚数 容量 回転数 シーク時間 内部転送速度 I/O回数（ランダム） I/O回数（１Tr） 単位 （mm） （枚） （GB） （ｋrpm） （ms） （MB/ｓ） （回/ｓ） （回/ｓ） ３型 84 4 280 10 4 120 130 240 2.5型 1.8型 65 48 4 4 200 100 15 23 3 2.5 140 160 180 240 320 450 1型 27.4 4 20 45 2 180 330 660 参考 φ65mm 5 18.4 15 3.9/4.5(4.2) 47.4 推定140 推定300 2003年？(参考BPI/TPI=348k/21.4k) 考察 周速 考察条件： All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa （m/s） 44 51 58 65 51 面密度：100Gb/in 2 、消費電力：<11W、25.4mmH BPI：1000ｋ、TPI：100ｋ（0.25μｍ）、BPI/TPI=10 19 マルチレートFF制御 マルチレート 制御 高速化のための新制御方式 フィードフォワードパス 補償器 Ts/4 ﾎｰﾙﾄﾞ 多重ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ制御によるなめらかな軌道 Ts/4 + 目標軌道 安定な近似逆ｼｽﾃﾑ(位相遅れなし）の実現 − 補償器 ﾎｰﾙﾄﾞ + 制御対象 Ts フィードバックループ ヘッド変位 Ts：サンプリング周期 従来制御 従来制御 本制御 本制御 電流 位置 偏差 0.5µ 0.5µm 0.56ms All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 0.70ms 20 ２組アクチュエータ型（概念） All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 21 ボード上型ミニＲＡＩＤシステム（概念） All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 22 転送速度のトレンド 1000 円板直径 転送速度 転送速度 ((MB/s) 3.5型 3.5型 100 14”Type 11-6.5 ”Type 5 ” Type 10 3.5 ” Type 2.5型 2.5型 高速3.5 2.5 ” Type 1 1970 1.8 ” Type 1980 1990 CY 2000 2010 1.3-1”Type 0.1 参考）国際ドライブ協会（IDEMA JAPAN)、日経BP社、（2000/4）p315-319，他 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 23 高速転送の鍵となる技術 Chip On Suspension Preamp All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa Suspension Slider 24 これからの磁気ディスク装置 1. 市場：情報家電への展開 2. 技術開発 • 垂直 • 光融合 記録密度 テラビットへの挑戦 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa ＨＤＤ用途の多様化の将来予測 出展：Computer Economics Apr.’00等 2003年頃に 年頃にPC 市場の飽和と 年頃に 40 情報家電市場の本格的な立上り ・小型HDDへの移行 への移行 ・小型 ≦1.0 ・多様化する新用途への展開 情報 家電 音楽 1.8 2.5 30 M 台 ／月 携帯情報 端末 映像 3.5 IDE 20 1.8型 1.8 ノート 2.5 1.8 10 H10 3.5 IDE 0 2000 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 11 12 地上波ﾃﾞｨｼﾞﾀﾙ 放送開始 BSﾃﾞｨｼﾞﾀﾙ 放送開始 2001 2.5 13 2002 2003 2004 液晶 ＰＣ デスクトップ ＣＲＴ 2005 26 情報家電用途におけるHDD適用例 BS / Terrestrial / CATV STB TV/WebTV/Web-TV HDD Camcorder Digital Camera Home Server AV Theater Home Audio HDD Recorder MP3 Personal Audio HDD in CD/MD/Radio CD/MD/Radio PDA Tool Personal Viewer DVD Cellular Phone Cellular Terminal IP Phone 27 ランダムアクセス系ストレージの得失比較 ストレージ DVD/CD 3.5型 3.5型HDD 2.5型 2.5型HDD 記憶容量 ◎ ◎ 〇 △ × 価格( 価格(ﾋﾞｯﾄｺｽﾄ) ﾋﾞｯﾄｺｽﾄ) ◎ ◎ 〇 △ × 転送速度 △ 〇 〇 △ 〇 重量・寸法 △ × △ 〇 ◎ 駆動電圧 △ × 〇 ◎ ◎ 消費電力 △ △ 〇 〇 ◎ 騒音 △ △ 〇 〇 ◎ 寿命 〇 △ △ △ ◎ 耐衝撃性能 〇 × △ 〇 ◎ 記録回数 〇 〇 〇 〇 △ (注）：DVDとHDDは、ﾄﾞﾗｲﾌﾞ1台 + メディア1枚で比較 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa ～1型HDD CF Memory CF： Compact Flash Memory 28 記憶装置ビットコストの推移 TRS社2000参考 100,000.0 3.5(a)Type 2.5Type 1.8Type DLT CD-ROM DVD-RAM 3.5MO Mini-Card （＄/GB) /GB) Bit Cost （＄ 10,000.0 1,000.0 100.0 10.0 1.0 1990 0.1 1995 2000 2005 2010 CY All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 29 メディア技術の開発 1Gb/in Gb/in2 10Gb 10Gb/in Gb/in2 100Gb 100Gb/in Gb/in2 Longitudinal CoCo-alloy longitudinal thin film CoCo-alloy granular/ MultiMulti-layered/Synthetic Ferri thin film film (AFC*) * AFC : AntiAnti-Ferro Coupled 1Tb/in2 Perpendicular Perpendicular film with highhigh-μback layer/ patterned thin film Patterned Media (65 Gbit/in2) 200nm All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 30 光熱磁気記録読み出し方式 Magnetic coil for recording GMR element for reading LD, PD Slider MO recording film Arm All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 60Gb/in^2実績、 実績、1Tb/in^2の の可能性 実績、 31 ドライブの動作信頼性に関する運用 ･修復不可能なエラー （ホストに報告し適切な処理を期待） 項目 Uncollectable error Write fault Seek error 内容 修正不可能なエラー 書き込み禁止 シークエラー ･修復可能なエラー（=ANSIに基づく に基づくSMART 情報 ） ･修復可能なエラー（ に基づく （ホストには必要に応じて報告） 項目 内容 閾値を超えた読み出 し Read error rate 閾値を越えた書 Write error rate 閾値を超えたシークエラー率 Seek error rate Re-allocated sector count 再指定した補助セクター数 閾値を超えた回転増加試行回数 Spin up retry count Spin up time count ある一定時間以上かかった回転数増加時間の回数 S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 32 Nourished by deep roots, growing tall. ありがとうございました。 日立STR 三枝 日立 All Rights Reserved,Copyright(C) 2001-6/7, Hitachi, Ltd S. Saegusa 33
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