La crescita dei volumi di dati generati dalle applicazioni aziendali, dai servizi cloud e dai sistemi di intelligenza artificiale continua ad alimentare la domanda di capacità di archiviazione. In questo mercato, gli hard disk mantengono un ruolo centrale soprattutto nei data center e nei sistemi di storage su larga scala, dove il costo per terabyte e il consumo energetico rapportato alla capacità installata rappresentano parametri determinanti.
L’evoluzione degli HDD richiede tuttavia un cambiamento delle tecnologie di registrazione magnetica. Dopo circa vent’anni di progressi basati sulla Perpendicular Magnetic Recording (PMR), i produttori si confrontano con limiti fisici che rendono sempre più difficile aumentare la densità dei dati attraverso la miniaturizzazione delle particelle magnetiche.
Toshiba ha delineato le soluzioni tecnologiche destinate a sostenere la crescita della capacità nei prossimi anni, indicando hard disk da 40-50 TB come prossima tappa della registrazione assistita dal calore, seguiti da unità superiori a 70 TB e, nel lungo periodo, potenzialmente oltre 100 TB.
Il percorso comprende due sviluppi complementari: l’aumento del numero di piatti magnetici all’interno dei tradizionali drive da 3,5 pollici e l’adozione delle tecnologie MAMR (Microwave-Assisted Magnetic Recording) e HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording), che consentono di utilizzare materiali magnetici con caratteristiche differenti rispetto a quelli impiegati negli HDD convenzionali.
Dodici piatti nello stesso hard disk grazie ai substrati in vetro
Una prima possibilità per aumentare la capacità consiste nell’inserire più piatti magnetici all’interno dell’involucro di un hard disk, mantenendo invariato il formato da 3,5 pollici utilizzato nei sistemi enterprise.
L’introduzione dei drive riempiti di elio ha consentito di passare da otto a nove piatti, riducendo la resistenza aerodinamica e le turbolenze generate dalla rotazione. Successivamente, l’assottigliamento dei supporti magnetici, da 0,635 a 0,55 millimetri, ha reso possibile arrivare a undici piatti per unità.
Toshiba ha già dimostrato la fattibilità di una configurazione a dodici piatti, adottando substrati in vetro al posto di quelli tradizionali in alluminio.
Il vetro garantisce una maggiore stabilità meccanica anche con spessori ridotti, una caratteristica particolarmente importante quando i piatti ruotano ad alta velocità e le testine devono mantenere distanze estremamente piccole dalla superficie magnetica.
L’aggiunta di un dodicesimo piatto aumenta la superficie complessiva disponibile per la registrazione di circa il 9% rispetto a una configurazione a undici piatti. L’incremento della capacità dipende inoltre dalla densità dei dati che ciascuna superficie riesce a ospitare.
Per ottenere progressi più consistenti, l’evoluzione meccanica deve quindi accompagnarsi a quella dei materiali magnetici e delle tecniche di scrittura.
Perché la registrazione magnetica PMR ha raggiunto i propri limiti
La tecnologia PMR, introdotta commercialmente circa vent’anni fa, registra i dati orientando la magnetizzazione dei bit perpendicolarmente alla superficie del disco. Il progressivo affinamento della struttura granulare del rivestimento magnetico ha permesso di aumentare la densità delle tracce e ridurre lo spazio occupato da ciascun bit.
La miniaturizzazione incontra però il cosiddetto limite superparamagnetico: quando i grani magnetici diventano troppo piccoli, l’energia termica può alterarne spontaneamente l’orientamento, compromettendo la stabilità dei dati memorizzati.
Per continuare ad aumentare la densità è necessario utilizzare materiali con un’anisotropia magnetica più elevata, capaci di conservare stabilmente l’orientamento della magnetizzazione anche in strutture molto piccole.
Tra i materiali più promettenti figurano le leghe ferro-platino, caratterizzate da un’elevata coercività, ossia dalla resistenza del materiale alla modifica della magnetizzazione.
Questa proprietà migliora la stabilità dei dati, ma rende più difficile la scrittura: il campo magnetico necessario per modificare lo stato dei bit può superare quello generabile dalle testine convenzionali, soprattutto mantenendo la distanza operativa richiesta dalla superficie del disco.
MAMR e HAMR affrontano questo problema attraverso due differenti forme di assistenza alla registrazione, che riducono temporaneamente il campo magnetico necessario per scrivere i dati.
MAMR: le microonde aumentano la densità dei dati
La Microwave-Assisted Magnetic Recording utilizza un campo magnetico oscillante ad alta frequenza per facilitare l’inversione della magnetizzazione dei bit.
Toshiba distingue due varianti della tecnologia, con caratteristiche e prospettive di sviluppo differenti.
La prima è FC-MAMR (Flux-Control Microwave-Assisted Magnetic Recording), già impiegata commercialmente, che utilizza uno spin-torque oscillator (STO), un dispositivo microscopico integrato nella testina, per controllare e concentrare il flusso magnetico durante la scrittura.
Questa soluzione permette di migliorare l’efficienza della registrazione mantenendo un’architettura relativamente vicina a quella degli HDD tradizionali, ma offre margini di crescita della densità più contenuti.
La seconda variante, MAS-MAMR (Microwave-Assisted Switching MAMR), interviene direttamente sul processo di inversione della magnetizzazione.
Un sistema a doppio oscillatore di spin integrato nella testina genera un campo a microonde sufficientemente intenso da favorire la commutazione magnetica nella zona interessata dalla scrittura. L’azione localizzata sul rivestimento in ferro-platino consente di registrare i bit su materiali a coercività più elevata, riducendo il campo magnetico richiesto alla testina.
Secondo le previsioni illustrate da Toshiba, MAS-MAMR potrebbe consentire di raggiungere 32-33 TB con undici piatti, combinando la maggiore densità con la tecnologia SMR (Shingled Magnetic Recording).
La SMR dispone le tracce magnetiche parzialmente sovrapposte, secondo una struttura simile alle tegole di un tetto, aumentando la quantità di dati memorizzabile sulla superficie. Questa organizzazione richiede una gestione più complessa delle operazioni di riscrittura, perché la modifica di una traccia può coinvolgere quelle adiacenti.
L’evoluzione delle cache e degli algoritmi di gestione dei dati ha migliorato l’affidabilità operativa e l’efficienza delle unità SMR, soprattutto nei carichi di lavoro per i quali le scritture possono essere organizzate in modo sequenziale.
Con il passaggio a dodici piatti, Toshiba prevede che MAS-MAMR possa raggiungere capacità nell’ordine dei 40 TB.
La miniaturizzazione degli oscillatori e l’intensità del campo a microonde ottenibile pongono tuttavia vincoli alla crescita ulteriore della densità, rendendo HAMR la tecnologia destinata a sostenere le generazioni successive.
HAMR: un laser riscalda il disco per scrivere più dati
La Heat-Assisted Magnetic Recording adotta un principio differente: invece di utilizzare un campo a microonde, riscalda temporaneamente una porzione estremamente piccola del rivestimento magnetico mediante un laser integrato nella testina.
Il calore riduce la coercività del materiale e permette al campo magnetico di scrittura di modificarne l’orientamento. Dopo il rapido raffreddamento, il bit recupera la propria elevata stabilità magnetica.
Il processo interessa una zona microscopica della superficie, che può raggiungere temperature superiori a 400 °C, prossime alla temperatura di Curie del materiale utilizzato. L’esposizione termica è estremamente breve e localizzata, mentre il resto del piatto rimane a temperature operative ordinarie.
Questa tecnica permette di utilizzare rivestimenti magnetici ad alta anisotropia, tra cui le leghe ferro-platino, e di ridurre ulteriormente le dimensioni dei grani mantenendo la stabilità dei dati.
L’architettura HAMR è però più complessa di quella MAMR. La testina deve incorporare un sistema ottico miniaturizzato capace di concentrare l’energia laser sulla superficie magnetica, mentre i materiali devono sopportare ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento.
Tra le criticità affrontate nello sviluppo figurano il degrado progressivo della sorgente laser, la resistenza dei rivestimenti magnetici e la stabilità delle componenti sottoposte a sollecitazioni termiche.
Secondo Toshiba, i progressi compiuti hanno consentito alla tecnologia HAMR di raggiungere livelli di affidabilità comparabili a quelli delle precedenti generazioni di hard disk enterprise, con un Mean Time To Failure (MTTF) stimato in 2,5 milioni di ore.
L’MTTF esprime il tempo medio statistico prima di un guasto, calcolato su una popolazione di dispositivi, e costituisce uno degli indicatori utilizzati per valutare l’affidabilità degli HDD destinati ai data center.
L’aumento della densità offre inoltre un vantaggio energetico: concentrando più terabyte in un singolo drive, HAMR permette di migliorare il rapporto watt per terabyte, riducendo il consumo elettrico rapportato alla capacità di archiviazione. Un parametro particolarmente importante nei data center con migliaia di unità installate.
Dagli hard disk da 40 TB alle prospettive oltre 100 TB
La roadmap tecnologica delineata da Toshiba distingue diversi livelli di capacità, associati a differenti evoluzioni dell’architettura degli HDD.
| Tecnologia | Capacità prevista | Configurazione e prospettive |
| MAS-MAMR + SMR | 32-33 TB | Prossima generazione con 11 piatti |
| MAS-MAMR + SMR | Circa 40 TB | Evoluzione con 12 piatti |
| HAMR | 40-50 TB | Prime generazioni previste |
| HAMR | Oltre 70 TB | Generazioni successive |
| HAMR, lungo termine | Potenzialmente oltre 100 TB | Prospettiva tecnologica indicata da alcuni esperti |
Le capacità indicate corrispondono a differenti stadi di maturità tecnologica. FC-MAMR è già utilizzata commercialmente, Toshiba ha dimostrato la fattibilità della configurazione a dodici piatti, mentre le capacità attribuite a MAS-MAMR e HAMR rappresentano sviluppi previsti per le prossime generazioni.
Le unità superiori a 100 TB costituiscono una prospettiva di lungo periodo, che Toshiba attribuisce alle valutazioni di alcuni esperti del settore. L’azienda non associa a questi traguardi un calendario commerciale dettagliato.
Negli ultimi anni, secondo Toshiba, la capacità media degli HDD è aumentata a un ritmo di circa 2 TB annui, grazie alla combinazione tra miglioramenti della densità di registrazione e aumento del numero di piatti.
“Con dodici o più dischi e tecnologie di registrazione avanzate come MAMR e HAMR, si prevede che gli HDD continueranno a offrire capacità in costante aumento per molti anni, pur rimanendo il supporto di archiviazione più conveniente disponibile. La tecnologia PMR ha ormai raggiunto i propri limiti, ma questo non significa che la crescita della capacità degli hard disk si fermerà: MAMR e HAMR ci permetteranno di continuare ad aumentarla per molti anni ancora”, afferma Dean Edwards, General Manager Engineering & Technical Support di Toshiba Electronics Europe.
Il ruolo degli HDD nei data center e nell’archiviazione dei dati AI
L’aumento della capacità per singola unità assume particolare importanza nei sistemi di storage enterprise, dove le infrastrutture devono gestire grandi quantità di informazioni mantenendo sotto controllo costi, consumi e spazio occupato.
Per i provider cloud e gli operatori dei data center, un hard disk di maggiore capacità permette di aumentare la densità di archiviazione per rack e, a parità di capacità complessiva, di ridurre il numero di unità necessarie, con possibili benefici anche per l’alimentazione, il raffreddamento e la gestione dell’infrastruttura.
Queste caratteristiche sono particolarmente rilevanti per gli archivi di grandi dimensioni, i repository di oggetti, i backup e i dataset utilizzati nei sistemi di intelligenza artificiale, nei quali il volume delle informazioni da conservare può crescere molto più rapidamente delle esigenze di accesso a bassa latenza.
Gli SSD continuano a offrire vantaggi sostanziali in termini di prestazioni, tempi di risposta e operazioni di input/output, mentre gli HDD mantengono una posizione economicamente favorevole nelle applicazioni di archiviazione ad alta capacità. La distribuzione dei dati tra supporti differenti dipende quindi dalle caratteristiche dei carichi di lavoro e dal costo complessivo dell’infrastruttura.
L’evoluzione verso unità da 50, 70 e potenzialmente oltre 100 TB potrebbe prolungare ulteriormente la competitività economica della registrazione magnetica, soprattutto negli ambienti in cui il costo per terabyte rimane il principale criterio di dimensionamento.
