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発表資料 - JANOG

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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
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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)
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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
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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
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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プラッター当りの容量, CF:Compact Flash Memory
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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]
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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
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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
サスペンション駆動型
第2世代
世代
スライダ駆動型
第3世代 世代 ヘッド駆動型
サスペンション
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)
ヘッド
スライダ
スライダ
ン ショ ン
゚
ヘ
ス
サ
ヘッド
ヘッド
難波他(日立) MEMS’99
>60 kTPI at 3.5
型
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スライダ
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
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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
動圧重荷重スライダ
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スライダ
CSSスライダ
100
負圧スライダ,
負圧スライダ,薄膜ディスク
10
ピコスライダ,
ピコスライダ,L/UL方式
L/UL方式
1
接触許容方式
0.1
0.001
1950
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分子
原子
0.01
松本
毛髪
静圧スライダ
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
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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
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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]
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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
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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
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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
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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
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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:
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(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
ホールド
多重サンプリング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 ホールド
+
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
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0.70ms
20
2組アクチュエータ型(概念)
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21
ボード上型ミニRAIDシステム(概念)
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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
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23
高速転送の鍵となる技術
Chip On Suspension
Preamp
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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
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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)
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11
12
地上波ディジタル
放送開始
BSディジタル
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(ビットコスト)
ビットコスト)
◎
◎
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、ドライブ1台 + メディア1枚で比較
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~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
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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
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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
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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)
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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
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