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Was ist Mozaic 3+, wie funktioniert es und welche Vorteile bietet es im Rechenzentrum?

Erfahren Sie, wie die bahnbrechende Festplattenplattform von Seagate eine beispiellose Schreibdichte für nachhaltige Massenspeicher ermöglicht.

17 Jan., 2024

Minute gelesen

Inhaltsverzeichnis:

    Jetzt neu: Mozaic 3+

    Cloud-Computing, KI und maschinelles Lernen generieren Unmengen von Daten und die unstillbare Nachfrage nach mehr Speicherkapazität wird zu einer immer größeren Herausforderung. Skalierbarer Massenspeicher ist wichtiger denn je, und Seagate ist bei der Bereitstellung einer Lösung um Jahre voraus. Seagate ist ein Durchbruch bei der Schreibdichte pro Magnetscheibe gelungen, der größere Skalierbarkeit, niedrigere Gesamtbetriebskosten (TCO), eine verbesserte Nachhaltigkeit und eine geringere Belastung des Planeten verspricht.

    Seagate hat vor Kurzem seine hochmoderne Festplattenplattform Mozaic 3+ vorgestellt, die auf der bahnbrechenden Implementierung von HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording) von Seagate basiert. Die Einführung läutet beispiellose Schreibdichten von mehr als 3 TB pro Scheibe ein – und Seagate plant bereits, in den kommenden Jahren 4 TB, 5 TB und darüber hinaus pro Scheibe zu erreichen. Seagate Exos-Festplatten mit 30 TB+ auf Basis von Mozaic 3+ werden im ersten Quartal des Kalenderjahrs 2024 an führende Cloud-Kunden ausgeliefert.

    Mozaic 3+ ist eine Meisterleistung der Ingenieurskunst auf atomarer Ebene. Hinter diesem Erfolg stecken Forschung und Entwicklung, Mut und Entschlossenheit, Investitionen und Überzeugung. Ein Meisterwerk aus Wärme, Licht und Bits. Mozaic 3+ ermöglicht die Speicherung von Daten in einer zuvor undenkbaren Schreibdichte, und das alles bei Verwendung der gleichen Materialressourcen und in der gleichen bewährten 3,5-Zoll-Bauform wie alle Enterprise-Festplatten von Seagate. Mozaic-fähige Festplatten sind mit modernen Rechenzentren voll kompatibel und übertreffen alle Kundenspezifikationen hinsichtlich Leistung, Zuverlässigkeit und Robustheit.

    Mozaic 3+ ist die Antwort auf die wachsenden Anforderungen von Cloud-Umgebungen und der unzähligen Exabyte, die diese unweigerlich erzeugen werden. Mit der neuen Plattform können Rechenzentrumsbetreiber mehr Exabyte pro Flächeneinheit speichern, was zu massiven Einsparungen bei den Gesamtbetriebskosten, einschließlich der Anschaffungs- und Betriebskosten führen wird. 

    Mozaic 3+ ist ein Wendepunkt in der Speicherbranche. Hier wird Zukunft geschrieben und gelesen.

    Warum ist die Schreibdichte für Unternehmen so wichtig?

    Die Antwort ist ganz einfach. Die Datenmenge wächst schneller als die verfügbare Speicherkapazität. Im Jahr 2024 wird die Menschheit 30 Zettabyte an Daten erzeugen – aber nur 2 Zettabyte an Speicherkapazität pro Jahr werden produziert.1

    Es ist von entscheidender Bedeutung, dass Unternehmen über die erforderlichen Mittel verfügen, um den inhärenten Wert aller verfügbaren Daten zu nutzen. Der Druck steigt. Aufbau, Betrieb und Erweiterung von Rechenzentren zählen für unsere Kunden zu den größten Herausforderungen – gleichzeitig ergeben sich hier die größten Chancen. Zwei Kräfte arbeiten gegeneinander: schnelles Datenwachstum und Ressourcenknappheit:

    • Die explosionsartige Entstehung von Daten und die Fähigkeit, diese effizient zu verarbeiten, um wichtige Informationen und neue Umsatzchancen daraus abzuleiten, befeuern die KI-Entwicklung, die wiederum auf die Verfügbarkeit all dieser Daten angewiesen ist. Bis 2027 erwarten wir einen Speicherbedarf von 291 Zettabyte.
    • Die Kosten für den Aufbau eines Rechenzentrums können zwischen 1 und 1,5 Milliarden US-Dollar liegen. Zusätzlich müssen Unternehmen mit knappen Ressourcen in Form von Platz, Strom und Budget rechnen.

    Explosive Data Creation vs. Resource Scarcity

    Angesichts des Erfolgs von KI haben Cloud- und Rechenzentrum schnell in neue KI-Dienste investiert, um die Nachfrage zu befriedigen. Dabei konzentrierten sie sich anfangs auf den Aufbau von Computing- und KI-Architekturen. Sobald diese Infrastruktur geschaffen ist, werden die Speicheranforderungen schnell anwachsen. Um hier nicht ins Hintertreffen zu geraten, müssen Unternehmen ihre Speicherkapazität schnell ausbauen. Ihr Hauptaugenmerk liegt dabei auf niedrigen Kosten pro TB und einer möglichst guten Umweltbilanz. Eine fortschrittliche Schreibdichten-Technologie erfüllt diese Anforderungen.

    Mozaic 3+ ist eine Festplattenarchitektur, die erheblich mehr Speicherkapazität liefert, ohne zusätzlichen Strom oder Ressourcen zu verbrauchen. Durch Steigerung der Schreibdichte kann Seagate die einfachste und eleganteste Lösung zur Erhöhung der Speicherkapazität im Rechenzentrum anbieten. Wir können ineffizientere Ansätze zur Erhöhung der Kapazität wie das Hinzufügen weiterer Scheiben, Köpfe und Elektronik umgehen, die tendenziell Material- und Betriebskosten, Stromverbrauch, Ressourcenverbrauch und Treibhausgasemissionen erhöhen.

    Die Vorteile von Mozaic 3+ für Cloud- und Enterprise-Rechenzentren

    Skalierung, Gesamtbetriebskosten und Nachhaltigkeit

    Mozaic-fähige Festplatten sind der effizienteste Festplattenspeicher der Welt. Sie können die Anschaffungs- und Betriebskosten senken und gleichzeitig die Produktivität steigern. Mit der höheren Schreibdichte von Mozaic können Kunden mehr Daten speichern, ohne mehr Stellfläche, Strom oder natürliche Ressourcen zu verbrauchen.

    Mozaic 3+ kommt genau zum richtigen Zeitpunkt, um Unternehmen Raum zur Skalierung für neue Anwendungen und das erwartete explosionsartige Datenwachstum zu bieten. Kunden können einfacher eine neue Infrastruktur aufbauen oder bereits vorhandene Infrastrukturen optimieren, um die Speicherdichte und Effizienz zu maximieren. Rechenzentren können mehr Daten kostengünstiger speichern und für Analysen, Archivierung, die Bereitstellung von Inhalten und die Notfallwiederherstellung nutzen – und die derzeit enorme Lücke zwischen erzeugten und gespeicherten Daten schließen.

    Dank der innovativen Schreibdichtentechnologie von Seagate, die die Anzahl der auf einer Festplatte speicherbaren Bits erhöht, lassen sich die häufigsten Probleme der Branche lösen. Mit Mozaic 3+ können Kunden auf derselben Fläche mehr Daten speichern. Ein Upgrade von einer herkömmlichen Perpendicular Magnetic Recording (PMR)-Festplatte mit 16 TB (die durchschnittliche Kapazität in großen Rechenzentren) auf eine Festplatte mit Exos Mozaic 3+-Technologie mit 30 TB verdoppelt effektiv die Kapazität bei gleichem Platzbedarf.

    Die Gesamtbetriebskosten sind für Rechenzentrumsbetreiber von großer Bedeutung und hier hebt sich Mozaic 3+ besonders ab. Die Festplatten von Seagate bieten nun mit 3 TB pro Scheibe die branchenweit höchste Schreibdichte pro Scheibe, wobei in den kommenden Jahren bei Festplatten mit mehr als 50 TB eine Schreibdichte von 5 TB und mehr pro Scheibe angestrebt wird.

    Die Plattform verwendet in etwa die gleichen Materialkomponenten wie PMR-Festplatten, während die Kapazität drastisch erhöht wird. Dadurch können Rechenzentren die Kosten für die Anschaffung und den Betrieb von Speichermedien erheblich senken, einschließlich eines um 45 Prozent geringeren Stromverbrauchs pro Terabyte. Eine typische CMR-Festplatte mit 16 TB und einer Schreibdichte von 1,78 TB pro Scheibe verbraucht 0,59 Watt pro TB. Im Vergleich dazu verbraucht eine Seagate Exos-Festplatte mit 30 TB und Mozaic 3+-Technologie und einer Schreibdichte von 3 TB pro Scheibe 0.32 Watt pro TB. Das entspricht einer Stromersparnis von 45 % pro TB.2

    Mozaic 3+ kann Kunden auch dabei helfen, Nachhaltigkeitsziele zu erreichen – eine Top-Priorität für große Rechenzentren –, denn die Technologie ermöglicht eine 55-prozentige Senkung des grauen Kohlenstoffausstoßes pro Terabyte.3

    Bewährte Kompatibilität und Zuverlässigkeit

    Mozaic 3+-Festplatten lassen sich nahtlos in bestehende Rechenzentren integrieren, entsprechen den branchenüblichen Bauformen und Schnittstellen und ermöglichen eine unkomplizierte Plug-and-Play Bereitstellung. Es sind keine Änderungen an Hardware, Software oder Host Awareness erforderlich. Die Mozaic 3+­Technologie wurde mit allen üblichen Integrationsbenchmarks validiert und gewährleistet eine 100-prozentige Kompatibilität mit vorhandenen Speichersystemen und -architekturen in Rechenzentren. Dieser Grad an Kompatibilität vereinfacht den Einsatz von Festplatten, die auf der Mozaic-Plattform 3+ basieren, und versetzt die Betreiber von Rechenzentren in die Lage, die aktuellsten Neuerungen zu nutzen, ohne Änderungen an ihrer Infrastruktur vornehmen zu müssen.

    Mozaic-fähige Festplatten sind sehr langlebig und bieten dieselbe 5-Jahres-Garantie, eine mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) von 2,5 Millionen Stunden und eine Workload-Rate von 550 TB pro Jahr, die auch die gesamte Exos-Festplattenfamilie von Seagate bietet. Seit 2016 wird die Mozaic 3+-Plattform strengen Tests unterzogen, um sicherzustellen, dass sie die hohen Standards erfüllt, die von modernen Rechenzentren verlangt werden. In umfangreichen Stoß- und Erschütterungstests haben Mozaic 3+-Festplatten eine Robustheit jenseits der Branchennormen bewiesen und gewährleisten die Datenintegrität selbst in physisch anspruchsvollen Umgebungen. Die Lese-/Schreibköpfe von Mozaic-Festplatten übertreffen die Branchenstandards für Zuverlässigkeit und Datenübertragungsleistung über die gesamte Lebensdauer bei weitem und die Kundenanforderungen sowie technischen Daten von Standardfestplatten um den Faktor 20.

    Seagate hat bis heute weit über eine halbe Million Mozaic-Entwicklungsfestplatten produziert und Gesamtbetriebsstunden in zweistelliger Millionenhöhe verzeichnet. Mehrere Generationen dieser Festplatten haben alle Erwartungen an das Zusammenspiel von Festplatten in verschiedenen Benchmarks erfüllt: Energieeffizienztests, sg3_utils-Hilfsprogramme zum Testen von Schnittstellenbefehlen, smartmontools-Hilfsprogramme und der Vier-Quadranten-Tests (Lesen/Schreiben, zufällig, sequenziell und gemischte Workloads). Die Festplatten wurden im Rahmen einer langjährigen Zusammenarbeit mit vielen der größten Rechenzentren der Welt mit mehreren Tausend Festplatten durch verschiedene CSPs auf Herz und Nieren geprüft.

    Die jahrelangen Tests und ihre hervorragenden Ergebnisse haben das Vertrauen der Kunden in die Bereitschaft der Plattform für den Masseneinsatz in Standard-Cloud- und IT-Umgebungen gefestigt. Seagate verzeichnet eine starke Nachfrage von Rechenzentrumskunden, die Mozaic 3+ vollständig qualifiziert haben und mit dem massenhaften Einsatz begonnen haben. Ein führender Anbieter von Cloud-Diensten konzentriert sich auf die Umstellung der von Seagate bereitgestellten Festplatten auf Mozaic 3+ und zeigt damit sein Vertrauen in die Technologie.

    Mit Blick in die Zukunft liegen die strategischen Vorteile einer Einführung von Mozaic 3+ auf der Hand. Die Plattform ist nicht nur eine Antwort auf die aktuellen Anforderungen, sondern eine zukunftsweisende Lösung, die mit den wachsenden Anforderungen von Rechenzentren skaliert. Sie steht für das unerschütterliche Engagement von Seagate, den Anforderungen einer ständig wachsenden Datenwelt gerecht zu werden und Cloud- und Unternehmensrechenzentren eine zuverlässige, skalierbare und kosteneffiziente Speicherlösung zu bieten.

    Wie funktioniert die Plattform?

    Mozaic 3+ ist das Ergebnis von zwei Jahrzehnten bahnbrechender Forschung und Entwicklung im Bereich der HAMR-Technologie bei Seagate. Mit ihrer deutlich höheren Schreibdichte weist die Plattform einen klaren Weg zu kosteneffizienten Massenspeicherlösungen, die Datendichte, Kapazität, Effizienz und TCO-Einsparungen bieten.

    Ein Kernelement der Mozaic 3+-Technologie von Seagate ist die Aufzeichnung im Nanobereich. Während mit herkömmlichen Materialien die erforderliche Schreibdichte für Kapazitäten über 2,4 TB pro Scheibe nicht erreicht werden konnte, führt Mozaic 3+ eine Übergitter-Struktur (Superlattice) ein, um die magnetische Stabilität zu verbessern und auch unter extremen Bedingungen Daten mit höchster Zuverlässigkeit zu schreiben. Das Schreibverfahren nutzt einen Nanophotonen-Laser und eine Quantenantenne, die die Wärme mit höchster Präzision für einen Moment fokussiert und so in Nanosekunden eine Veränderung am Aufzeichnungsmedium bewirkt.

    Mozaic 3+ arbeitet auf atomarer Ebene, d. h. über konventionelle Skalen hinaus, mit Angström-Präzision und Pikosekunden-Taktung. In diesem Bereich entfaltet sich ein raffinierter Tanz, der von einem integrierten Nano-Chip gesteuert wird. Die Plattform nutzt komplexe Algorithmen zur Verwaltung von Milliarden von Bits und ermöglicht so eine präzise Datenbearbeitung und -aufzeichnung. Die Schreib-Lese-Köpfe arbeiten mit der Präzision von Nanorobotern und schweben nur wenige Angstöm über der rotierenden Scheibe. Beim Datenlesen verlassen sich die Magnetsensoren von Mozaic auf nobelpreisgekrönte Technologien, um die dicht geschriebenen Informationen zu entschlüsseln.

    „Seagate ist jetzt der einzige Festplattenhersteller weltweit, der eine Schreibdichte von 3 TB pro Scheibe erreichen kann und demnächst 5 TB erreichen wird“, sagt Dave Mosley, CEO von Seagate. „Wenn es darum geht, Rechenzentren nachhaltig zu gestalten, sind wir in eine Ära eingetreten, in der die Kapazität pro Scheibe genauso wichtig ist wie die Kapazität pro Festplatte. Wir haben über zwei Jahrzehnte intensiv in Forschung und Entwicklung investiert, um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen. Unsere Kunden haben das TCO-Potenzial von Mozaic erkannt. Seagates Fokus darauf, Menschen dabei zu helfen, den größtmöglichen Nutzen aus Daten zu ziehen, trägt Früchte.“

    Vorhang auf für die Technologie hinter Mozaic 3+

    Um die bemerkenswerten Errungenschaften von Mozaic 3+ in vollem Umfang würdigen zu können, lohnt es sich, einen Blick auf die Kernkomponenten des innovativen Designs von Seagate werfen. Fortschritte in verschiedenen Bereichen wie der Nanotechnologie, Nanophotonik, Plasmonik und der Quantenphysik spielen alle eine entscheidende Rolle dabei, diese Technologie zu ermöglichen und die Speicherkapazität von Festplatten auf ein neues Niveau zu heben.

    Von zentraler Bedeutung für die Mozaic 3+-Plattform ist das Übergittermedium (Superlattice) aus einer Platinlegierung. Dieses bahnbrechende Scheibenmaterial ermöglicht es, Daten dichter als je zuvor auf einer Festplattenscheibe zu speichern. Eine einzigartig hohe magnetische Koerzitivfeldstärke verhindert magnetische Instabilitäten im Nanobereich, sodass Daten mit deutlich höherer Dichte geschrieben werden können. Geschriebene Daten unterliegen nie Schwankungen und können nur mit dem Plasmonic Writer von Mozaic neu geschrieben werden – ein weiterer wichtiger Meilenstein.  

    Der Plasmonic Writer, ein Wunderwerk der Miniaturisierung und Präzisionstechnik, ermöglicht das Schreiben von Daten auf Medien mit hoher Koerzitivfeldstärke. Der Writer besteht aus drei Hauptelementen, die zusammen die Grenzen der magnetischen Aufzeichnung neu definieren:

    • Nanophotonischer Laser: Diese Komponente sendet einen fokussierten Lichtstrahl aus, der genau die Energie liefert, die erforderlich ist, um das Medium kurzzeitig zu erwärmen.
    • Photonischer Trichter: Dieser kanalisiert das Laserlicht von seiner Quelle zur Quantenantenne.
    • Quantenantenne: Als Energieumformer fokussiert sie die photonische Energie des Lasers mit bemerkenswerter Präzision auf einen unglaublich kleinen Punkt auf der Datenträgeroberfläche, die aus einer Platinlegierung besteht, um diesen in einen plasmonischen Zustand zu versetzen, der den Aufzeichnungsvorgang ermöglicht.

    Das Spintronic-Lesegerät der 7. Generation von Seagate stellt einen bedeutenden Fortschritt beim Lesen von Daten aus den dicht gepackten Spuren dar, die durch Mozaic 3+™ ermöglicht werden. Das Lesegerät kann kleinste Änderungen in der Magnetisierung erkennen und stellt so sicher, dass die Daten auch bei extrem hoher Dichte genau und schnell gelesen werden können.

    Das Zusammenwirken all dieser Elemente ermöglicht schließlich der integrierte 12-nm-Controller, ein Beweis für die führende Rolle von Seagate bei der Integration komplexer Kontrollsysteme in Festplatten. Der Controller ist das Gehirn hinter den Operationen. Er bewältigt den komplizierten Wechseltanz des Lesens und Schreibens von Daten mit beispielloser Effizienz und Zuverlässigkeit.

    Die plasmonische Aufzeichnung ist der Dreh- und Angelpunkt von Mozaic 3+. Sie nutzt die Wechselwirkung von Licht und Metall im Nanobereich, um eine Aufzeichnung mit höherer Dichte zu ermöglichen. Der Einsatz eines eingebetteten Lasers und die Umwandlung von Lichtenergie in Plasmonen erlaubt eine höhere Energiebündelung als mit herkömmlichen Optiken möglich. Durch die präzise, gezielte Erwärmung des Auszeichnungsmediums kann die magnetische Koerzivität vorübergehend verringert werden. Dies ermöglicht die präzise Ausrichtung der magnetischen Bits zur effektiven Erfassung der Binärdaten, die das Rückgrat des digitalen Speichers bilden.

    Gemeinsam werden diese Innovationen künftige Generationen von Datenspeichertechnologien auf Jahre hinaus vorantreiben und die Festplatten von Seagate als Eckpfeiler einer datengetriebenen Welt positionieren.

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    Sehen wir uns nun jedes Element von Mozaic 3+ genauer an, um zu verstehen, wie es zur Verwirklichung der bahnbrechenden Schreibdichte beiträgt.

     

    Übergittermedium aus Platinlegierung

    In dem Bestreben, die Schreibdichte zu erhöhen, stellt das Übergittermedium aus einer Platinlegierung von Seagate einen großen Fortschritt für magnetische Speichermedien dar. Diese bahnbrechende Technologie löst das Problem der magnetischen Instabilität im Nanobereich, indem sie das Umdrehen magnetischer Bits erschwert, die die Daten darstellen. Um eine „härtere“ Speicherschicht mit höherer magnetischer Koerzitivkraft als bei herkömmlichen Festplatten zu entwickeln, haben die Ingenieure von Seagate eine Übergitterstruktur geschaffen, bei der die genaue Anordnung der einzelnen Atome eine entscheidende Rolle spielt;

    Für die Mozaic-Plattform, bei der Daten in Form von magnetischen Bits gespeichert werden müssen, die näher beieinander liegen als bei herkömmlichen PMR-Festplatten, mussten die Aufzeichnungsmedien von Grund auf neu konzipiert werden. Die fortschrittlichen Materialien und Strukturen, die in der Mozaic 3+™-Plattform von Seagate zum Einsatz kommen, unterstützen ein Schreiben von Daten, das weitaus präziser ist als bei allen bisherigen Festplatten. Das Medium ist nicht einfach eine passive Komponente, sondern aktiv am Datenspeicherprozess und dem Erreichen einer höheren Speicherdichte beteiligt.

    Der Kern dieser Technologie liegt in der Verwendung von Platin(Pt)- und Eisen(Fe)-Teilchen für das Aufzeichnungsmedium der Mozaic 3+-Festplatten von Seagate. Jedes Nanoteilchen, das nur wenige Nanometer groß ist, fungiert als einzelnes Bit. Das Erreichen dieser feinen Granularität bei gleichzeitiger Verhinderung magnetischer Schwankungen zwischen den Bits wird durch die hohe magnetische Anistrophie des Mediums ermöglicht. Das bedeutet, dass die magnetische Ausrichtung des Materials im Laufe der Zeit konstant bleibt, wodurch sichergestellt wird, dass jedes Bit stabil bleibt und nicht durch das Schreiben benachbarter Daten verändert wird. Diese Innovation ermöglicht Mozaic 3+-Festplatten, Daten mit bemerkenswerter Präzision zu Schreiben und gleichzeitig die Integrität von Daten in der Umgebung zu bewahren.

    Die spezielle magnetische Legierung des Aufzeichnungsmediums begünstigt eine vorgegebene magnetische Ausrichtung. Dies ist der Schlüssel zur Stabilität des magnetischen Zustands einzelner Bits, wodurch ihre Anfälligkeit für thermische Schwankungen verringert wird. Seagates Wahl einer chemisch geordneten, körnigen Eisen-Platin-Legierung (FePt) ist entscheidend. Die hohe magnetische Anisotropie sorgt für die nötige Stabilität, damit die aufgezeichneten Bits eine rekordverdächtige Schreibdichte erreichen.

    Genauso wichtig ist das Erreichen eines hohen Ordnungsgrades innerhalb der Übergitter-Platinlegierung für die Mozaic 3+-Technologie. Hierbei kommt ein ausgeklügelter Herstellungsprozess zum Einsatz, bei dem durch epitaktisches Wachstum dünne FePt-Schichten auf kristallinen Unterschichten auf einem speziellen Glassubstrat abgeschieden werden. Diese Unterschichten dienen als Vorlage, die die Orientierung und Anordnung der FePt-Körner während des Depositionsvorgangs vorgibt. Eine anschließende Temperung bei hohen Temperaturen fördert die Anordnung der FePt-Körner und führt zu einer Phasenumwandlung, durch die sich die magnetischen Eigenschaften des Mediums und die Ausrichtung der Körner verbessern.

    Dieser komplizierte und sorgfältig kontrollierte Prozess ist notwendig, damit das Übergittermedium aus der Platinlegierung eine robuste, stabile Plattform für die hochdichte Datenspeicherung bietet. Die präzise Anordnung der Atome innerhalb der Übergitterstruktur ermöglicht es den Medien von Seagate, wesentlich zur erhöhten Flächendichte der Mozaic 3+-Festplatten beizutragen, was einen wesentlichen Fortschritt im Bereich der Datenspeichertechnologie darstellt.

     

    Der Plasmonic Writer

    Da die Medien magnetisch „gehärtet“ werden, um Dateninstabilität zu verhindern, erfordert das Design ein revolutionäres Schreibgerät.

    Das Herzstück dieses Schreibgeräts ist die Fähigkeit, das Übergittermedium aus der Platinlegierung präzise zu erwärmen. Möglich wird dies durch eine punktuelle Erhitzung auf über 800º Fahrenheit (427º Celsius) in unter zwei Nanosekunden. Dieser schnelle Temperaturwechsel ist entscheidend für das effektive Aufzeichnungsverfahren von Mozaic. Der komplizierte Vorgang nutzt einen präzise gesteuerten Laser, der durch einen Photonentrichter auf eine Quantenantenne gerichtet wird. Zusammen erzeugen diese Komponenten ein plasmonisches Feld, das einen fokussierten Punkt auf der Scheibe erhitzt und ihn für das Schreiben durch den Magnetkern-Schreibkopf vorbereitet.

    Der Magnetkern-Schreibkopf wurde speziell weiterentwickelt, um sich nahtlos in die Mozaic 3+-Technologie einzufügen. Jede technische Optimierung, von der Laserintegration bis zur Verschleißfestigkeit, wurde sorgfältig vorgenommen, um die Wirksamkeit von Mozaic 3+ zu verbessern.

     

    Komponenten des Plasmonic Writer

    Der Plasmonic Writer besteht aus einem herkömmlichen Magnetkern und drei neuen Komponenten, von denen jedes eine bestimmte Funktion erfüllt, um das Schreiben auf der Mozaic 3+-Plattform zu ermöglichen: der nanophotonische Laser, der Photonentrichter und die Quantenantenne.

    Betrachten wir jedes neue Element im Detail:

    Nanophotonischer Laser:

    Der nanophotonische Laser ist das Ergebnis umfangreicher Innovationen von Seagate, um die Entwicklung der Datenspeichertechnologie voranzutreiben.


    Der Laser ist die Energiequelle, die die magnetischen Eigenschaften des Übergittermediums aus einer Platinlegierung vorübergehend verändert und so den Bereich für das Schreiben von Daten vorbereitet. Die Präzision und die Flüchtigkeit der Energieeinwirkung ermöglichen eine höhere Bit-Dichte pro Scheibe. Durch eine ausgeklügelte Steuerung in Verbindung mit dem Photonentrichter und der Quantenantenne erhitzt der Laser nur die erforderlichen Nanopartikel auf dem Medium. Dadurch verringert sich deren magnetischer Widerstand und Daten können mit einer geringeren Magnetfeldstärke als sonst geschrieben werden. Durch die kontrollierte Erhitzung wird sichergestellt, dass nur das geschriebene Bit betroffen ist, wodurch die Stabilität und Integrität der umgebenden Daten aufrechterhalten wird.

    Seagate hat ein kostenoptimiertes und skalierbares Verfahren unter Verwendung von Lasern in seiner fortschrittlichen Schreibkopftechnologie entwickelt. Um sicherzustellen, dass unsere intern gefertigten Laser das gleiche Maß an Konsistenz und Qualität aufweisen wie die anderer führender Hersteller, wurden umfangreiche Charakterisierungen durchgeführt, was zu einer langfristigen Lieferflexibilität führt.

    Bei der Entwicklung des nanophotonischen Lasers wurde sorgfältig auf Faktoren wie Typ und Wellenlänge des Lasers, Leistungsabgabe, Strahlenqualität und Modulationssteuerung geachtet. Jeder Parameter wird fein abgestimmt, um die Effektivität und Präzision des Lasers während des Schreibvorgangs zu gewährleisten. Bei der Integration in den Schreibkopf ist eine präzise Ausrichtung erforderlich, damit der durch den Photonentrichter geleitete Laserstrahl über die Quantenantenne genau auf das Aufnahmemedium fokussiert wird.

    Das Wärmemanagement ist ein weiterer wichtiger Aspekt der Lasertechnik. Um die während des Aufzeichnungsvorgangs erzeugte Energie abzuführen, hat Seagate einen effizienten Kühlmechanismus eingebaut, um die Stabilität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Diese Design-Optimierungen zielen nicht nur darauf ab, eine höhere Schreibdichte zu erreichen. Sie stellen auch sicher, dass die Mozaic 3+-Plattform die Führungsposition von Seagate im Bereich der nachhaltigen und zuverlässigen Massendatenspeicherung fortführt.

     

    Photonentrichter :

    DerPhotonentrichter ist ein Wellenleiter, der das Laserlicht direkt und mit hoher Genauigkeit auf die Quantenantenne leitet. Seine Struktur ist das Ergebnis neuester Erkenntnisse aus der Materialwissenschaft und Nanofabrikation. Er begrenzt den Pfad des Lasers und hält gleichzeitig die Integrität und Leistung des Strahls auf dem Weg zum Ziel aufrecht. Die Materialien werden mit Bedacht gewählt. Ein hoher Brechungsindex ist entscheidend, um das Licht effizient und mit minimaler Streuung oder Verlust zu leiten.

    Der Durchbruch von Seagate in der Wellenleiter-Technologie ist nicht nur in der Materialauswahl, sondern auch im strukturellen Design begründet. Geometrie und Abmessungen des Photonentrichters werden akribisch berechnet, um ein effizientes Mode-Matching zu gewährleisten, wobei Licht und Quantenantenne zusammenwirken, um die Energieübertragung zu maximieren. Bei einer derartigen Präzision geht es nicht nur darum, die Lichtstärke zu kontrollieren – es geht auch darum, das Potenzial für die Datenspeicherung zu erhöhen. Der Trichter liefert einen fokussierten Strahl, der das Speichermedium an präzisen Punkten erwärmt, sodass Seagate in der Lage ist, die Schreibdichte zu erhöhen. So können auf der gleichen Fläche einer Festplatte mehr Daten gespeichert werden.

    Zur Herstellung dieses Bauteils in großen Stückzahlen musste Seagate über herkömmliche Fertigungsmethoden hinausgehen. Wärmemanagementstrategien sind ein wesentlicher Bestandteil des Trichterdesigns. Die Kühlmechanismen von Seagate sorgen dafür, dass der Trichter innerhalb des optimalen Temperaturbereichs arbeitet, um Stabilität zu gewährleisten und die Lebensdauer des Aufzeichnungskopfes zu verlängern.

     

    Quantenantenne:  

    In der Quantenantenne, einer Erfindung der Seagate-Ingenieure, läuft das komplexe Zusammenspiel aus Quantenphysik und Materialwissenschaft zusammen, um die höhere Schreibdichte von Mozaic zu ermöglichen.

    Die primäre Funktion der Antenne ist die extrem präzise Umwandlung von Laserenergie in Wärme, die das Schreiben von Daten mit hoher Dichte ermöglicht. Dies geschieht durch die Erzeugung von Oberflächenplasmonen – Elektronenschwingungen auf Quantenebene, die durch Licht auf der Metalloberfläche induziert werden. Die Konvertierung ist lokal sehr begrenzt und betrifft nur den Festplattenbereich, in den die Daten geschrieben werden.

    Die Entwicklung der Quantenantenne durch Seagate erforderte Innovationen in mehreren Schlüsselbereichen. Die Antenne selbst ist das Ergebnis einer sorgfältigen Herstellung aus Materialien, die aufgrund ihrer optischen Absorptionseigenschaften und ihrer Fähigkeit, den thermischen Belastungen des Aufnahmeprozesses standzuhalten, ausgewählt wurden. Durch Konzentration auf die plasmonischen Eigenschaften kann die Quantenantenne die Energie des Lasers effektiv begrenzen, sodass die Erwärmung konzentriert und präzise erfolgt.

    Die Integration der Quantenantenne in die Schreibkopf-Baugruppe ist ein kritischer Designaspekt. Sie erfordert eine präzise Ausrichtung, um sicherzustellen, dass die Laserenergie genau auf das Medium geleitet wird und die zum Schreiben der Daten notwendige Erhitzung Bit für Bit erfolgen kann.

    Die Quantenantenne fungiert als Wandler, der das einfallende Laserlicht in ein hochintensives elektromagnetisches Feld im Nahbereich umwandelt. Dieses Feld wird dann genutzt, um das Aufnahmemedium lokal über seine Curie-Temperatur zu erhitzen. Dadurch wird die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Bits verringert und sie können neu ausgerichtet werden, wodurch Daten geschrieben werden. Das Design der Quantenantenne verbessert die Koordination zwischen der Nahfeldenergie des Lasers und dem Magnetfeld des Schreibkopfes, um höchste Präzision zu gewährleisten.

    Das Design umfasst zudem fortschrittliche Wärmemanagementstrategien. Diese sind entscheidend für das schnelle Aufheizen und anschließende Abkühlen mit der erforderlichen Präzision. Auf diese Weise wird die Integrität der umgebenden Daten gewahrt und die Gesamtstabilität des Speicherprozesses aufrechterhalten.

    Die Quantenantenne ist eine elementare Komponente zum Erreichen höherer Schreibdichten bei Festplatten. Sie stellt einen bedeutenden Schritt im Vergleich zu herkömmlichen Aufzeichnungstechnologien dar, weil sie die Manipulation von Daten im Nanobereich ermöglicht.

     

    Erhöhung der Schreibdichte

    Gemeinsam ermöglichen diese Komponenten des Plasmonic Writers eine erhebliche Erhöhung der Schreibdichte. Weil Seagate die Integration einer Laserdiode zur präzisen Steuerung des Trichters und die Optimierung der Quantenantenne gelungen ist, kann die Mozaic 3+-Technologie Daten dichter schreiben als jede andere Festplatte in der Geschichte. Fortschritte im Wärmemanagement, in der Werkstofftechnik und in der Miniaturisierung von Komponenten sowie ein hohes Maß an Erfindungsgeist und praktischem Können haben diesen Quantensprung möglich gemacht.

     

    Integrierter 12-nm-Controller

    Der Aufgabenbereich des integrierten 12-nm-Controllers ist vielschichtig. Um diese Schreibdichte in großem Maßstab und mit überzeugenden Gesamtbetriebskosten zu erreichen, ist eine Elektronik erforderlich, die alle Aufgaben auf der Festplatte übernimmt, von der Ansteuerung bis zur Aufzeichnung und Sicherheit. Dies erforderte einen integrierten Controller, ein System-on-a-Chip (SOC), das von den Chipdesignern von Seagate vollständig intern entwickelt wurde.

    Der Controller vereint Lesekanäle, Plattenmanagement und Datenaustauschprotokolle und ist somit das Herzstück der Festplatte. Er regelt die Spindeldrehzahlen, verwaltet die Kopfbewegungen und führt die Lese-, Schreib- und Bewegungssteuerung mit beispielloser Präzision aus. Die Integration mehrerer Aufgaben in einen einzigen Chip zeugt von dessen technischem Entwicklungsgrad. Das maßgeschneiderte SoC hat die perfekte Größe für die Anwendung und ist für bestimmte Berechnungen, Geschwindigkeiten, Speicher und Energieeffizienz optimiert.

    Der Controller enthält Innovationen wie die hochleistungsfähige RISC-V-CPU von Seagate, den ersten RISC-V-Prozessor, der jemals zur Steuerung von Festplattenfunktionen verwendet wurde, und erreicht eine bis zu dreifache Leistung im Vergleich zu früheren Lösungen. Dieser Leistungssprung ist nötig zur Unterstützung der fortschrittlichen Algorithmen, die für eine höhere Schreibdichte sorgen.

    Zu den Verbesserungen bei der Aufzeichnung gehören Automated Multi-Rev Recovery (AMRR), das wichtige Datenwiederherstellungsvorgänge automatisiert, automatisierte Adjacent Track Interference Cancellation (ATIC) und ein verbesserter Iterative Outer Code (IOC), der die Korrekturleistung der LDPC-Decodierung mit spurbasierter ECC kombiniert.

    Ein entscheidendes Merkmal des integrierten 12-nm-Controllers ist sein Servokern, der entwickelt wurde, um Datenspuren mit größerer Präzision anzusteuern. Die verbesserte Mikroarchitektur des Prozessors ermöglicht in Kombination mit einer gezielten befehlsspezifischen Latenzreduzierung eine höhere Leistung bei wichtigen Servo-Workloads. Dazu gehören eine Echtzeitbehandlung der Störungserkennung, adaptive Regelungsfunktionen, eine Feed-Forward-Kompensierung und Berechnungen mit hohen Abtastraten. Der Prozessor benötigt weniger als die Hälfte der Zeit, um dieselbe Arbeit wie frühere Prozessoren auszuführen. Das ist wichtig, da schnelle Echtzeit-Anpassungen am Servo erforderlich sind, um den Aktuator auf der unglaublich schmalen Datenspur zu halten.

    Da Festplatten inzwischen über eine Million Spuren pro Zoll aufweisen, können selbst Umgebungsgeräusche die Genauigkeit des Aktuators beeinträchtigen. Der Servoprozessor von Seagate arbeitet in Pikosekunden-Intervallen und verarbeitet bis zu 4 Milliarden Bit pro Sekunde. Er führt komplexe Algorithmen aus, um möglichen Störungen entgegenzuwirken und die Spurgenauigkeit der Festplatte aufrechtzuerhalten, indem er genau die Bewegungen ausführt, die für die dreistufigen Aktuatoren der Festplatte erforderlich sind.

    Der Controller von Seagate verfügt über ein vollständig angepasstes, analoges Read-Channel-Frontend, das mit Raten von über 4 GHz abtastet, d. h. für jedes neue Sample nur eine Viertelnanosekunde benötigt. Diese Verbesserungen bei der Verarbeitung gehen nicht zu Lasten der Energieeffizienz.

    Der Übergang von einem 28-nm-Chip zu einem 12-nm-Chip ist ein weiterer Sprung nach vorn, der niedrigere Die-Kosten und einen geringeren Stromverbrauch ermöglicht. Dieser technologische Wandel ist entscheidend dafür, mehr Transistoren auf derselben Chipfläche unterzubringen, die Spannungsanforderungen zu senken und das Stromprofil zu verbessern.

    Die RISC-V-Architektur spielt eine zentrale Rolle, da sie anwendungsspezifische Rechenaufgaben wie Simulationen und das Training von ML-Modellen erleichtert. Darüber hinaus ebnet der Einsatz offener Sicherheitsarchitekturen den Weg für sichere Datenübertragungen, ein wichtiger Punkt in der heutigen datenzentrierten Landschaft.

    Bei Mozaic 3+ kommen zudem spezifische Modifikationen, wie z. B. eine Mode-Hop-Dämpfung, zum Einsatz, um die Zuverlässigkeit und Leistung der Festplatten weiter verbessern. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Flaggschiff unter den Enterprise-Festplatten von Seagate seinen Vorsprung unter den hochdichten Speicherlösungen beibehält.

    Durch die Zentralisierung aller Schritte vom Design bis zur Endfertigung hat Seagate die direkte Kontrolle über die Integration und Leistung des Chips und ist der einzige Festplattenhersteller mit diesen Fähigkeiten auf dem Markt.

     

    Spintronic-Lesegerät der 7. Generation

    Klein geschriebene Daten sind nur dann nützlich, wenn sie auch gelesen werden können. Neben den Teilkomponenten des Plasmonic Writers musste auch das Lesegerät weiterentwickelt werden. Mozaic 3+ beinhaltet einen der kleinsten und empfindlichsten Magnetfeld-Lesesensoren der Welt, der auf Quantentechnologie basiert – das Spintronic-Lesegerät der 7. Generation.

    Ein wesentliches Merkmal des Spintronic-Lesegeräts der 7. Generation ist seine sehr geringe Spurbreite, die ein präzises Lesen der gewünschten Spur gewährleistet und gleichzeitig das Übersprechen von benachbarten Spuren minimiert.  

    Im Kern beruht das Lesegerät auf dem Tunnelmagnetowiderstandseffekt – einem quantenmechanischen Phänomen, bei dem sich der elektrische Widerstand eines magnetischen Tunnelübergangs (MTJ) in Abhängigkeit von der relativen Ausrichtung der durch eine isolierende Barriere getrennten magnetischen Schichten ändert. Das Design des Lesegeräts gewährleistet eine hochauflösende magnetische Rücklesung und minimiert Interferenzen zwischen den Spuren, was für das genaue Lesen der kleineren und dichter gepackten aufgezeichneten Bits in Mozaic 3+-Festplatten im Vergleich zu herkömmlichen Festplatten unerlässlich ist.

    Teil des Lesegeräts ist ein komplexer Stack aus mehreren Schichten, der in die Lesekopfeinheit integriert ist. Der Stack besteht aus magnetischen und nicht magnetischen Schichten, die jeweils eine bestimmte Rolle im Rückleseprozess spielen. Die Schichten arbeiten zusammen, um die magnetischen Signale der aufgezeichneten Bits in elektrische Signale umzuwandeln, die dann verarbeitet und decodiert werden, um die gespeicherten Daten abzurufen.  

    Zusammensetzung und Eigenschaften des magnetischen Stacks werden sorgfältig ausgewählt, um eine optimale Leistung zu erzielen. Zu den magnetischen Schichten gehören der Free Layer (FL), der empfindlich auf externe Magnetfelder von aufgezeichneten Daten reagiert; der Reference Layer (RL), der eine stabile magnetische Ausrichtung beibehält; und der synthetische Antiferromagnet (SAF), der als Puffer wirkt, um eine Beeinflussung des FL durch die magnetische Ausrichtung des RL zu verhindern.

    Für den Stack, der für die Mozaic 3+-Technologie verwendet wird, werden Materialien und Schichtdicken nach ihrer thermischen Stabilität ausgewählt, damit sie den Temperaturschwankungen während des Schreibvorgangs standhalten. Die Barriereschicht des Tunnelübergangs, die aus Magnesiumoxid (MgO) besteht, wird einer kontrollierten Oxidation unterzogen, um die Empfindlichkeit und Effektivität des Lesegeräts einzustellen.

    Der Stack des Lesegeräts wird durch einen Mehrkammer-Abscheideprozess unter kontinuierlichem Unterdruck aufgebaut, um Verunreinigungen zu verhindern. Die während des Schichtungsprozesses nötige Präzision erfordert eine exakte Steuerung der Dicke jeder einzelnen Schicht, was für die Leseleistung des Lesegeräts entscheidend ist.

    Das innovative Stack-Design von Seagate optimiert die Empfindlichkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis und ermöglicht so ein präzises Auslesen von Daten auf den Medien aus der Superlattice-Platinlegierung sowie eine höhere Datendichte bei Mozaic 3+-Festplatten.

    Über die Cloud hinaus: Die Zukunft für alle datenintensiven Anwendungen

    Die Mozaic 3+ Technologie von Seagate wird eine entscheidende Rolle dabei spielen, die steigenden Anforderungen datenintensiver Anwendungen zu erfüllen. Die Forderung nach höherer Schreibdichte wird durch die exponentielle Datengenese in zahlreichen Sektoren – von Unternehmen bis zu Cloud-Rechenzentren – weiter angeheizt, wodurch immer effizientere und kostengünstigere Speicherlösungen erforderlich sind.

    Zu den datenintensiven Anwendungen, die von der verbesserten Schreibdichte profitieren, zählen ML-Modelle, für deren Training riesige Datensätze erforderlich sind, Video-Streaming Dienste, die 4K- und 8K-Inhalte speichern und bereitstellen müssen, oder Datenbanken für die medizinische Forschung, in denen umfangreiche Genomsequenzen gespeichert sind.

    Die Mozaic 3+-Plattform von Seagate ermöglicht diese Fortschritte nicht nur für Hyperscale- und Cloud-Rechenzentren, sondern für ein breites Spektrum an Speicherprodukten.

    Mit der Integration der Technologie in die verschiedenen Festplatten von Seagate – wie IronWolf Pro, SkyHawk und Exos – werden sich Vorteile in verschiedenen Anwendungen ergeben, von Multi-Cloud- und Hybrid-Cloud-Umgebungen bis hin zu Speicherlösungen mit großer bis mittlerer Speicherkapazität. Anwendungen jeder Art, die große Mengen an Daten erzeugen, werden zunehmend auf die effizienten Lösungen mit großer Speicherkapazität angewiesen sein, die nur Mozaic 3+ ermöglicht.

    Die Mozaic 3+ von Seagate ist mehr als ein technologischer Fortschritt – sie ist ein Versprechen, die unaufhaltsame Entwicklung des digitalen Universums voranzutreiben. Die Schreibdichte-Technologien der Plattform werden von grundlegender Bedeutung sein, um das weitere Wachstum datenintensiver Anwendungen zu unterstützen und die Entwicklung neuer bzw. die Erweiterung bestehender Dienste zu voranzutreiben.  

    Mit Blick auf die Zukunft wird die Fähigkeit zum Speichern, Abrufen und Nutzen von riesigen Datenmengen ein entscheidender Faktor für Innovationen und die Ausschöpfung des vollen Potenzials des digitalen Zeitalters sein. Mit der Einführung von Mozaic 3+ hält Seagate nicht nur Schritt mit dem Datenwachstum, sondern gibt auch das Tempo bei der Weiterentwicklung von Speicherlösungen vor, die dem Potenzial von Daten keine Grenzen setzen.

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