Fyzická struktura pevných disků,
charakteristiky a technologie

Otevřený pevný disk – vidíme plotny (stříbrné disky), rameno s hlavičkami a VCA mechanizmus (oranžový magnet vlevo).

1. Princip magnetického záznamu

Aby bylo vůbec možné pochopit, jak pevný disk funguje, je třeba se nejprve vrátit k základům fyziky magnetismu. Pevný disk je v podstatě sofistikovaný stroj, který dokáže zapisovat a číst informace prostřednictvím magnetického pole. Princip vychází z jednoduché skutečnosti: feromagnetické materiály si pamatují, jak byly zmagnetizovány. Tato vlastnost se nazývá remanence nebo remanentní magnetizace a je základním kamenem celého magnetického záznamu.

Na povrchu diskové plotny (anglicky platter) je nanesena velmi tenká vrstva magnetického materiálu – typicky slitina na bázi kobaltu, například kobalt–chrom–platina (CoCrPt). Tato vrstva je rozdělena na miliardy drobných magnetických domén. Co to je magnetická doména? Je to mikroskopická oblast, ve které jsou magnetické momenty všech atomů natočeny stejným směrem – doména funguje jako miniaturní permanentní magnet s definovanou polaritou (sever–jih). Na hranici mezi dvěma doménami se nachází tzv. Blochova stěna, kde se polarita překlápí. Právě binární orientace domény (dva možné směry = dva stavy) odpovídá logické nule a jedničce.

Zápis dat probíhá tak, že zapisovací hlavička (elektromagnet) letí těsně nad povrchem plotny a svým magnetickým polem orientuje domény pod sebou. Čtení funguje opačně – hlavička detekuje změny magnetického pole při přeletu přes přechody (anglicky flux reversals) mezi doménami. Tyto přechody indukují v čtecím elementu malý elektrický signál, který elektronika dekóduje na nuly a jedničky.

Schéma elektromagnetu zapisovací hlavy: cívka se zapisovacím proudem magnetizuje jádro, magnetická siločára prochází mezerou a orientuje magnetické domény v paměťové vrstvě plotny. Šipky označují směr magnetizace.

1.1 Hysterezní smyčka – co to vlastně je a proč je důležitá

Hysterezní smyčka (anglicky B–H curve) je grafem, který popisuje chování magnetického materiálu pod vlivem vnějšího magnetického pole. Na vodorovné ose je intenzita magnetického pole H [A/m] – to je vnější pole, které přikládáme. Na svislé ose je magnetická indukce B [T] – to je míra toho, jak silně je materiál v daném místě zmagnetizován.

Hysterezní smyčka feromagnetického materiálu. B_m = saturační indukce, B_r = remanentní indukce (paměť materiálu), H_c = koercitivní síla (odpor vůči přemagnetování), H_m = maximální přiložené pole. Bod 'a' je počáteční magnetovací křivka.

Pojďme si graf vysvětlit krok za krokem. Začíneme s demagnetizovaným materiálem v počátku (B = 0, H = 0). Pokud postupně zvyšujeme vnější pole H, indukce B pomalu roste a pak prudce skočí (tzv. Barkhausenovy skoky – malé skupiny domén se hromadně překlápí). Nakonec dosáhneme saturace B_m – všechny domény jsou orientovány jedním směrem, další zvyšování H nic nepřidá.

Teď snížíme H zpět na nulu. Klíčové: B neklesne na nulu! Materiál si pamatuje část magnetizace. Hodnota B po odmagnetování vnějšího pole se nazývá remanentní magnetizace B_r. Právě ona uchovává zapsaná data – bez ní by se bit smazal hned po skončení zápisu.

Pokud chceme bit přepsat (doménu otočit), musíme přiložit pole v opačném směru. Hodnota opačného pole, při které B klesne na nulu, se nazývá koercitivní síla H_c. Čím vyšší H_c, tím stabilnější jsou data – ale tím silnější pole musí generovat zapisovací hlavička. Výrobci materiálů pečlivě vyvažují tuto rovnováhu.

Celý cyklus (saturace → remanence → koerce → opačná saturace → zpět) vytvoří uzavřenou smyčku – hysterézní, protože magnetizace „zaostává" za vnějším polem. Slovo hystereze pochází z řeckého hysteros – opožděný.

1.2 Podélný vs. kolmý (perpendiculární) záznam – PMR

Způsob, jakým jsou magnetické domény orientovány v záznamové vrstvě plotny, se v historii HDD zásadně proměnil. Pochopení tohoto rozdílu je klíčem k pochopení moderních technologií (a toho, proč HAMR a MAMR vůbec vznikly).

Nahoře: Podélný záznam (Longitudinal Recording) – domény leží vodorovně v rovině plotny, pole prochází okrajem hlavy přes mezeru. Dole: Kolmý záznam (Perpendicular/PMR) – domény stojí svisle, zapisovací hlavička má monopolární hlavní pól. Tento způsob umožňuje výrazně vyšší hustotu.

Podélný (longitudinální) záznam byl standardem od počátků HDD až přibližně do roku 2005. Magnetické domény jsou orientovány horizontálně, v rovině plotny, podél směru stopy. Tento přístup má fyzikální limit: při zvyšování hustoty záznamu se domény přibližují k sobě, sousední domény s opačnou polaritou na sebe vzájemně působí a způsobují nestabilitu – superparamagnetický efekt nastává dříve.

Kolmý (perpendiculární) záznam – PMR (Perpendicular Magnetic Recording) přešel na orientaci domén kolmo na rovinu plotny, tedy svisle. Tato změna má dvě zásadní výhody. Zaprvé, svisle orientované domény jsou fyzicky stabilnější a lze je přiblížit k sobě bez vzájemného rušení. Zadruhé, PMR využívá speciální dvouvrstvou strukturu plotny: tenkou záznamovou vrstvu (s vysokou koercivitou) a silnější měkkou podvrstvu (soft underlayer, SUL) z materiálu s nízkou koercivitou. Tato podvrstva funguje jako „magnetický vodič" – soustřeďuje a zesiluje magnetické pole hlavičky, což umožňuje zápis do tvrdší záznamové vrstvy. PMR zvýšilo plošnou hustotu oproti podélnému záznamu přibližně 3–5×.

Vrstvená struktura plotny moderního HDD: Lubrikant (~1 nm) chrání povrch, Carbon overcoat (<15 nm) je ochranná vrstva proti opotřebení, Magnetic layer (~30 nm) je vlastní záznamová vrstva (CoCrPt), Cr underlayer (~50 nm) zajišťuje strukturu krystalů, Ni-P sublayer (~10 000 nm) dává mechanickou tuhost, Metal substrate je hliníkový nebo skleněný substrát.

1.3 Konstrukce čtecí/zapisovací hlavičky

Moderní HDD hlavička je ve skutečnosti kombinací dvou funkčních prvků: induktivního zapisovacího prvku a magnetorezistivního čtecího prvku. Jsou fyzicky odděleny, ale umístěny v těsné blízkosti v jednom sliderui.

Vlevo: kombinovaná záznamová a čtecí hlava – čtecí a záznamové vodiče, magnetické jádro, magnetická vrstva, nemagnetický nosič, podélný záznam impulzů na ploše. Vpravo: průběh záznamového proudu, magnetického toku a napěťové odezvy při čtení jednotlivého magnetického dipólu.

Princip tenkovrstvové magnetické hlavy: vlevo schéma PMR hlavy s hlavním pólem, pomocným pólem z VF feritu, vinutím a reverzací. Uprostřed: pólové nástavce z keramiky. Vpravo: povrch klzadla (ABS) s magnetickou vrstvou, vodivou vrstvou a izolační vrstvou.

Zapišovací část je klasický elektromagnet – cívka obtočená kolem magnetického jádra. Průtok proudu cívkou vytvoří magnetické pole, které orientuje domény pod úzkou mezerou (gap) jádra. U PMR je hlavní pól tenčí a soustřeďuje pole kolmo dolů do plotny.

Čtecí část využívá jev GMR (Giant Magnetoresistance) nebo novější TMR (Tunneling Magnetoresistance). Co to znamená? GMR (Objev z roku 1988, Nobelova cena 2007 pro Alberta Ferta a Petera Grünberga) je jev, kdy elektrický odpor tenké kovové vrstvy dramaticky závisí na orientaci magnetického pole. Čtecí element je sendvičová nanostruktura vrstev; když pod ním projde magnetická doména na plotně, změní se odpor prvku, a tím i procházející proud. Tato malá změna proudu je zesílena a dekódována jako bit. GMR/TMR jsou citlivější než starší induktivní čtení a umožňují číst ještě menší domény – tedy vyšší hustotu záznamu.

2. Geometrie HDD – stopa, sektor, cylindr, blok; adresování

Pevný disk se skládá z jedné nebo více ploten, otáčejících se kolem společné osy. Na každé plotně jsou data organizována do přesně definované geometrické struktury.

Trojrozměrná vizualizace geometrie HDD: nahoře 3D model válce (cylindru) se stopami a sektory na více plotnách. Uprostřed: pohled (a) shora – stopy jako soustředné kružnice. Dole: ilustrace cylindru procházejícího více plotnami.

2.1 Stopa, sektor, cylindr, blok

Stopa (Track)

Stopa je soustředná kružnice na povrchu plotny. Plotna má tisíce těchto kružnic – na moderním disku jich bývá v řádu stovek tisíc. Jsou číslovány od vnějšího okraje dovnitř (stopa 0 = nejzevnější). Fyzická délka stopy se liší dle poloměru – vnější stopy jsou delší, vnitřní kratší.

Sektor (Sector)

Sektor je nejmenší adresovatelná jednotka – „výseč dortíku" ze stopy. Historický standard byl 512 bajtů (platil od 80. let do ~2010). Dnes převládá Advanced Format (AF) s velikostí 4 096 bajtů (4 KiB). Proč? Každý sektor nese správní overhead – záhlaví, synchronizační bity a ECC blok. U 512B sektoru tvořil overhead větší podíl. U 4K sektoru je ECC robustnější při relativně menší režii. Každý sektor obsahuje záhlaví s adresou (ID area) a datovou část zakončenou ECC kódem pro detekci a opravu chyb.

Fotografie skutečné plotny disku se zvětšením části. Jsou patrné: Začátek stop (index), Sektory s daty (tmavé oblasti), Šedý kód s informacemi o radiální pozici – tzv. servo stopy vkládané při výrobě, sloužící k přesnému nastavení polohy hlavičky.

Cylindr (Cylinder)

Cylindr je myšlený válcový povrch procházející všemi stopami na stejném poloměru napříč všemi plotnami. Disk se třemi plotnami (= 6 povrchů) má na poloměru stopy č. 100 šest stop, které tvoří cylindr č. 100. Klíčová výhoda: všechny hlavičky jsou mechanicky spojeny na jednom rameni. Při přesunu na cylindr č. 100 máme okamžitě přístup ke všem šesti stopám najednou – stačí jen elektronicky přepnout aktivní hlavičku (mikrosekundy), ne mechanicky přemisťovat rameno (milisekundy).

Schéma disku s vyhrazeným servem: Cylindr (svislá přerušovaná čára) prochází přes stopy na všech plotnách. Každá plotna má Hlavu 0 až Hlavu 4. Servo hlava je speciální hlavička sledující servo stopy pro přesné polohování. Pohon hlav hýbe celým ramenem najednou.

Blok (Block / Cluster)

Blok (na úrovni OS označovaný jako cluster) je seskupení více fyzických sektorů, se kterými operační systém pracuje jako s jednou jednotkou. Proč blok existuje? Souborový systém (FAT, NTFS, ext4...) by se se správou milionů 512B sektorů nedokázal efektivně vypořádat – alokační tabulky by byly obrovské. Proto OS seskupí typicky 8 sektorů (= 4 KiB) nebo i více do jednoho clusteru a pracuje výhradně s clustery. Nevýhoda: soubor o 1 bajtu zabírá celý cluster. Pro malé soubory to plýtvá místem – říká se tomu interní fragmentace.

2.2 Adresování – CHS a LBA

CHS adresování (Cylinder–Head–Sector)

Historicky první metoda. Každý sektor je identifikován trojicí čísel C (cylindr, 0–1023), H (hlava, 0–254), S (sektor, 1–63). Maximální kapacita při limitech BIOSu:

S příchodem disků nad 8 GB v 90. letech se CHS stalo nepoužitelným. Navíc moderní disky s ZBR fyzicky CHS geometrii nesplňují – stopy mají různý počet sektorů, takže fyzická geometrie neodpovídá číselnému modelu.

LBA adresování (Logical Block Addressing)

LBA (1996) přistupuje k disku jako k lineárnímu poli sektorů číslovaných od 0. Každý sektor má jediné číslo – svou LBA adresu. Disk si interně sám převede LBA na fyzické (cylindr, hlava, sektor). Původní 28bitové LBA = max. 128 GiB. Standard ATA-6 přinesl 48bitové LBA = max. 128 PiB.

3. Základní pojmy

3.1 Parkování hlaviček

Při provozu létají hlavičky 3–10 nm nad povrchem plotny. Při vypnutí je nutné je bezpečně uložit, jinak hrozí head crash – fyzický kontakt hlavičky s plotnou rychlostí stovek km/h, zničení povrchu a ztráta dat.

1) CSS (Contact Start Stop) – starší metoda. Hlavičky se parkují na vnitřním okraji do speciální landing zone s upravenou texturou. Plotna se zastaví, hlavičky sedí na povrchu. Nevýhoda: opotřebení povrchu, uvolňování prachových částic.

2) Ramp Loading/Unloading – moderní metoda. Hlavičky se při parkování přesunou mimo plotnu na plastovou load/unload rampu u vnějšího okraje. Plotna se zastaví, hlavičky visí na rampě bez kontaktu s plotnou. Při spuštění sjedou z rampy na roztočenou plotnu. Při výpadku napájení se hlavičky zaparkují energií rotujícího kotouče (emergency retract přes generátor).

3.2 Hustota zápisu

Lineární hustota (BPI – Bits Per Inch) – počet bitů na palec délky stopy. Závisí na minimální velikosti magnetické domény a ostrosti přechodů.

Radiální hustota (TPI – Tracks Per Inch) – počet stop vedle sebe na jeden palec poloměru. Závisí na přesnosti servomechanismu a šířce hlavičky.

Plošná hustota (Gbit/in²) – součin obou, hlavní ukazatel pokroku v průmyslu.

V roce 1956 měl první HDD (IBM 350) plošnou hustotu ~2 kbit/in². Dnešní disky přesahují 1–2 Tbit/in² – milionkrát více za 70 let.

3.3 ZBR – Zone Bit Recording (Zónový bitový záznam)

U starých disků měly všechny stopy stejný počet sektorů. To bylo plýtvání: vnější stopy jsou fyzicky delší, ale nesly stejné množství dat. ZBR to řeší rozdělením disku na zóny (16–32), přičemž vnější zóny mají sektorů více než vnitřní.

Vizualizace ZBR: vlevo plotna se stopami, sektory a cylindry (vnější, střední, vnitřní). Uprostřed: standardní nízkoúrovňové formátování – každá stopa má stejný počet sektorů. Vpravo: ZBR formátování – sektorů ve stopě přibývá od středu k vnějšímu okraji. Dole vlevo: celkový pohled na HDD s pohonem hlav a ramenem.

ZBR přináší vedlejší efekt na přenosovou rychlost. Plotna se otáčí konstantní úhlovou rychlostí (CAV – Constant Angular Velocity). Za jednu otáčku hlavička přeběhne celou stopu. Protože vnější stopy mají více sektorů a otáčky jsou stejné, data z vnějších stop přicházejí rychleji. Proto je přenosová rychlost na začátku disku (vnější stopy) vyšší než na konci.

3.4 MTBF – Mean Time Between Failures

MTBF (střední doba mezi poruchami) je statistický parametr. Typické hodnoty: 1 000 000 – 2 500 000 hodin. Neznamená, že konkrétní disk vydrží milion hodin. Jde o statistiku velkého vzorku: MTBF = 1 000 000 h znamená, že z milionu disků v provozu selže průměrně jeden za hodinu.

Praktičtější ukazatel je AFR (Annualized Failure Rate) – roční míra selhání:

Disk s MTBF = 1 000 000 h má AFR ≈ 0,88 %. Reálné disky se řídí tzv. vanovou křivkou (bathtub curve): vysoká míra selhání v prvních měsících (výrobní vady, infant mortality), dlouhá stabilní fáze, a pak rostoucí opotřebení. Záruční doby spotřebitelských disků jsou 3–5 let, serverových 5–7 let.

3.5 S.M.A.R.T. – Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology

S.M.A.R.T. je standardizovaný monitorovací systém přímo v firmware disku. Průběžně měří desítky parametrů (atributů) a ukládá je do vlastní paměti. Na Windows je lze číst například přes CrystalDiskInfo, na Linuxu příkazem smartctl -a /dev/sda. Každý atribut má hodnoty Current (aktuální, 1–253), Worst (nejhorší zaznamenaná) a Threshold (práh). Pokud Current klesne pod Threshold, disk je označen jako „selhaný".

Ukázky SMART čteček: vlevo SpeedFan – tabulka atributů s hodnotami Value/Worst/Raw pro disk ST3120827AS. Vpravo CrystalDiskInfo – česká verze, zobrazuje teplotu (32°C), rozhraní SATA/300, počet zapnutí (342x), hodiny provozu (245 hod) a podrobnou tabulku atributů. Zelené ikony = zdravý stav.

3.6 Vzduchový polštář (Air Bearing)

Velikostní srovnání vzduchového polštáře: Výška letu hlavičky je 0,3–0,6 mikronu (dnes i méně – 3–10 nm u moderních disků). Srovnání: Částice prachu ~10 µm, Lidský vlas ~75 µm, Otisk prstu ~1 µm, Částice kouře jsou větší než fly height. Jakákoli taková kontaminace způsobí head crash.

Schéma vzduchového polštáře v průřezu: Vlevo: u diskety jsou hlavy přímo v kontaktu s diskem (PLŠŤ = pružná vrstva). Vpravo: u pevného disku jsou hlavy odděleny vzduchovou mezerou. Vzduchový polštář vzniká hydrodynamickým efektem rotující plotny.

Vzduchový polštář (air bearing / air film) je tenká vrstva vzduchu, na které hlavička doslova létá nad plotnou bez fyzického kontaktu. Principem je hydrodynamika: plotna se otáčí ~7200 RPM, povrch se pohybuje relativní rychlostí ~10–20 m/s pod slideriem. Vzduch se vtahuje do zúžené mezery pod tvarovanou plochou slideru (ABS – Air Bearing Surface) a vytváří vztlak – přesně jako letecké křídlo, jen v nano-měřítku. Tento vztlak přesně vyrovnává magnetickou přítažlivost hlavičky k plotně.

Výška letu historicky klesala: 80. léta ~500 nm, 90. léta ~100 nm, dnes 3–10 nm. Čím blíže, tím silnější signál a vyšší hustota záznamu. Proto musí být disk vzduchotěsně uzavřen s dýchacím filtrem zachycujícím i mikroskopické části (<0,3 µm). Disky mají specifikaci max. nadmořské výšky ~3000 m – nad ní je vzduch řídký a vztlak nestačí.

3.7 Překompenzace zápisu (Write Precompensation)

Překompenzace zápisu – Obrázek 1.17: (a) Data uložená na disku tím, že se magnetizují oblasti záporně nebo kladně. (b) Informace je charakterizována nejen magnetismem, ale také nedostatkem magnetismu – prostory mezi magnety jsou důležité. (c) Na vnitřních válcích jsou data natlačena k sobě – přitahování a odpuzování sousedních magnetů posouvá přechody ze správné pozice.

Překompenzace zápisu řeší fyzikální problém na hustě zakódovaných (vnitřních) stopách. Sousední magnetické přechody se navzájem přitahují nebo odpuzují, čímž se fyzicky posunou ze svých ideálních pozic – jevu se říká non-linear bit shift. Při čtení pak dojde k chybě, protože bit přijde o zlomek dříve nebo později, než ho čtecí elektronika očekává.

Řešení: elektronika záměrně předsuňuje nebo opožďuje přepólování zapisovacího pole, aby po magnetickém posunu přistál bit přesně na správné pozici. Je to jako házet šipku s předpovědí větru – mířím trochu doprava, protože vím, že vítr mě odfoukne doleva. Překompenzace se aplikuje od určitého cylindru směrem k vnitřní části disku. Dnes ji firmware spravuje automaticky bez zásahu uživatele.

3.8 Teplotní kalibrace (Thermal Calibration)

Disk je mechanické zařízení. Při zahřátí se všechny části (rameno, plotny, ložiska) nepatrně roztáhnou nebo zkroutí – to způsobí, že hlavička neleží přesně nad správnou stopou. Stopy jsou vzdáleny jen nanometry od sebe, takže i mikroskopický drift způsobí chyby čtení.

Teplotní kalibrace je automatický proces: firmware přeruší operace, nechá hlavičku najít referenční bod (servo stopy – zapsané při výrobě s přesností pod 1 nm na speciálním servo track writeru, STW), změří odchylku a aktualizuje model polohy. Celé trvá zlomky sekundy. Na starých discích z 90. let trvala desítky ms a způsobovala výpadky při real-time záznamu zvuku – tzv. thermal recalibration stutter.

4. Vystavovací mechanizmus

Základní součásti pevného disku: Plotny disku (stříbrné kotouče), Hlavy pro čtení a zápis (na konci ramen), Závěs hlav (pružné pásky spojující rameno s hlavičkou), Pohon hlav (VCA – motor pohybující ramenem), Deska s elektronikou (PCB), Konektory – napájení, rozhraní, přenos napájení z řadiče na pohon ploten.

Elektromagnetický pohon závěsu (VCA): Vidíme rameno s hlavičkami (vlevo), kříž magnetu (oranžový, nahoře), elektromagnetickou cívku (dole na ramenu) a ložisko pivotu. Permanentní magnety jsou ze vzácnozemních materiálů (neodym). Průtok proudu cívkou způsobí rotaci ramene.

Vystavovací mechanizmus (actuator) je zařízení pohybující hlavičkami radiálně přes plotnu. Historický krokový motor (stepper motor) pohyboval ramenem ve skokách – jeden krok = jedna stopa. Byl pomalý, nepřesný a neumožňoval teplotní kompenzaci.

Všechny moderní disky používají Voice Coil Actuator (VCA) – elektromagnet totožného principu jako reproduktor (odtud „voice coil"). Složení: permanentní magnet (neodym) s mezerou, cívka pevně na ramenu, rameno s hlavičkami otáčející se kolem pivotového ložiska. Průtok proudu cívkou → Lorentzova síla → plynulý pohyb ramene. Směr a velikost pohybu závisí na směru a velikosti proudu.

kde B = magnetická indukce v mezeře [T], I = proud cívkou [A], L = délka vodiče v poli [m], θ = úhel (ideálně 90°, sin = 1).

Nahoře: Válec (cylindr) s propojovacími deskami, stopami a sektory – 3D model ukazující sektory jak jsou na plotně. Uprostřed: Tabulka doby vyhledávání pro různé typy disků (Seagate, Maxtor, PS/2…) – srovnání krokovacího motorku vs. vychylovací cívky (VCA). Vidíme že VCA (Priam 22 ms, Maxtor 19 ms) je výrazně rychlejší než krokový motorek (Toshiba 175 ms).

Příklad pevného disku Seagate ST251 (pohled shora): Vystavovací ramínko pro diskovou hlavu – pásky vedoucí rameno. Zarážka pro stopu 0 – mechanický doraz vymezující krajní polohu. Krokový motorek – starší metoda pohonu ramen. Vidíme jak jsou ramena spojena s plotnami na společné ose.

VCA pracuje v uzavřené zpětnovazební smyčce (closed-loop servo): firmware tisíckrát za sekundu čte servo stopy, porovnává aktuální polohu s cílovou, a upřesňuje proud cívkou. Přesnost polohování je v řádu desítek nanometrů – krokový motor toho nikdy nebyl schopen.

Při výpadku napájení cívka nemá proud → magnetická síla permanentního magnetu přitahuje rameno do krajní polohy → hlavičky se samy zaparkovují na rampu. Tato pasivní bezpečnost nevyžaduje žádné napájení.

Doby přístupu moderního 7200 RPM disku: seek time ~8–10 ms průměr, rotational latency průměrně 4,2 ms (= polovina otáčky), transfer time zlomky ms. Celkem typicky 10–15 ms na náhodný přístup.

5. Technologie SMR, HAMR a MAMR

S narůstajícími kapacitními požadavky (datová centra, cloud) narážela konvenční PMR na fyzikální limity – zejména superparamagnetický limit. Odpovědí průmyslu jsou tři technologie zápisu.

5.1 SMR – Shingled Magnetic Recording

Srovnání šíře stop u PMR a SMR: U PMR (vlevo) jsou stopy 1, 2, 3 od sebe odděleny, zapisovací hlava má šířku 25 nm. U SMR (vpravo) má zapsová hlava šířku 70 nm, ale ochranný štít omezuje efektivní šíři stopy na 10 nm a stopy se překrývají (Ochranný štít = magnetic shield omezující rozptyl pole).

3D schéma PMR hlavičky nad plotnou: JHO (magnetické jádro hlavy), zapisovací pól s modrou vrstvou (magnetická vrstva plotny s kolmo orientovanými doménami – červené/modré bloky). Šipky ukazují směr pohybu plotny. Vidíme, jak pole proniká kolmo dolů do záznamové vrstvy.

SMR (Střešní magnetický záznam) záměrně překrývá stopy přes sebe jako šindele (shingles) na střeše. Zapisovací hlavička je fyzicky širší než čtecí, proto u PMR musely být stopy od sebe dostatečně daleko. SMR záměrně nechá nově zapsanou stopu překrýt okraj předchozí – a tím zhuštění radiální hustoty o ~25 %.

Problém: překrytá stopa se nesmí samostatně přepsat (zničilo by se překrývající). Stopy jsou proto seskupeny do pásem (bands). Přepis jednoho pásma vyžaduje přečtení, modifikaci a přepsání celého pásma (Read-Modify-Write). Výsledek: pomalý náhodný zápis, zatímco sekvenční zápis je normální.

5.2 HAMR – Heat-Assisted Magnetic Recording

HAMR hlavička 3D: Nahoře: standardní PMR hlava s JHO (jho = magnetická konstrukce hlavy). Dole: HAMR hlava – přidán laserový zdroj (válec s bleskem nahoře) s optickým vlnovodem a NFT (Near-Field Transducer = zlatý nanočlánkový prvek soustřeďující světlo na bod <50 nm). Červená čára = laserový paprsek procházející vlnovodem k NFT. Šipky na plotně ukazují kolmo orientované domény.

HAMR dočasně zahřeje bod na plotně před zápisem, čímž sníží koercivitu na chvíli na minimum, zapíše bit a nechá bod rychle vychladnout. Využívá materiál FePt (železo-platina) v uspořádání L1₀ – extrémně vysoká koercivita při pokojové teplotě (stabilní data), ale koercivita dramaticky klesá u Curieovy teploty (≈480 °C).

1. Laserový zdroj v slideru generuje IR záření (~800 nm, výkon ~10–20 mW).
2. Near-Field Transducer (NFT) – zlatý nanoantenový prvek – soustřeďuje světlo do bodu 25–50 nm. Jde o blízkopolní optiku (near-field optics) – bod je menší než vlnová délka světla, což je v klasické optice nemožné, ale v blízkém poli (<λ) možné díky povrchové plazmové rezonanci.
3. Bod na plotně se zahřeje na ~400–450 °C (blízko Curieově teplotě FePt) po dobu <1 nanosekunda.
4. Zapisovací hlava zapíše bit do lokálně „změkčeného" materiálu malým polem.
5. Bod se okamžitě ochladí, koercivita naroste, bit je trvale „zamčen".

Výsledek: plošná hustota přes 3 Tbit/in², disky přes 30 TB. Seagate uvedl první komerční HAMR disky (platforma Mozaic 3+) v roce 2023.

5.3 MAMR – Microwave-Assisted Magnetic Recording

MAMR hlavička 3D: Nahoře: MAMR hlava přidává STO (Spin Torque Oscillator) vrstvený prvek generující mikrovlny. Spodní část: detail NFT soustřeďujícího energii na malý bod. Oblák v oranžové kruhu znázorňuje dva mechanismy: (1) vlna/foton – mikrovlnná rezonance způsobující preces magnetizace, (2) šipky – výsledné překlápění domén s menším polem. Modrá šipka = normální magnetické pole, bílá šipka = výsledná magnetizace po MAMR asistenci.

MAMR místo tepla používá mikrovlnné záření. Princip: každá magnetická doména má přirozenou rezonanční frekvenci preces svého magnetizačního vektoru (feromagnetická rezonance, FMR), typicky 1–100 GHz. Pokud na doménu působíme střídavým polem přesně na této frekvenci, magnetizace se „rozhoupá" (preces amplitudy narůstá jako houpačka při rezonanci). V tomto stavu je k přepólování domény potřeba výrazně menší statické pole – efektivní koercivita lokálně klesá.

STO (Spin Torque Oscillator) je spintronický prvek – tenká vrstvená nanostruktura, která při průtoku stejnosměrného proudu generuje mikrovlnné záření laditelné frekvence díky jevu spin torque (moment hybnosti spinu). STO je integrován přímo do slideru vedle zapisovací části.

Výhoda oproti HAMR: nevyžaduje zahřívání plotny – plotna není tepelně namáhána, jednodušší materiálové požadavky. Plošná hustota MAMR: ~1,5–2 Tbit/in², průkopník je Western Digital (první produkty ~2019).

Srovnání technologií magnetického záznamu