Hitachi: Neuer Meilenstein in der Nanotechnologie – Vier Terabyte Festplatte theoretisch möglich

(Auszug aus der Pressemitteilung)

Tokyo, 15. Oktober 2007 – Hitachi, Ltd. und Hitachi Global Storage Technologies (Hitachi GST) teilten heute mit, die kleinsten Leseköpfe für Festplatten entwickelt zu haben. Somit kann die Speicherkapazität auf vier Terabyte (TB) für PC- und auf ein Terabyte für Notebook-Festplatten vervierfacht werden.

Hitachi ist es gelungen Schreib-/Leseköpfe zu entwickeln, die zweimal kleiner sind als der heutige Stand der Technik. Die neuen Köpfe liegen im Bereich zwischen 30 bis 50 Nanometer (nm), das entspricht in etwa einem 2000stel eines menschlichen Haares (circa 70 bis 100 Mikrometer). Die sogenannten „Current Perpendicular-to-the-Plane Giant Magnetoresistive“ (CPP-GMR) Köpfe werden voraussichtlich ab 2009 in Produkten ausgeliefert und ab 2011 ihr volles Potential erreichen.

Hitachi präsentiert diese Entwicklung auf der 8. Perpendicular Magnetic Recording Conference (PMRC 2007) vom 15. bis 17. Oktober im Tokyo International Forum in Japan.

„Hitachi investiert weiter in die Entwicklung von Festplatten, da wir der festen Überzeugung sind, dass in naher Zukunft keine andere Technologie in der Lage sein wird, die Hochleistungskapazitäten von Festplatten zu einem geringen Preis anzubieten“, so Hiroaki Odawara, Research Director, Storage Technology Research Center, Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. „Davon profitiert der Verbraucher ebenso wie Hitachi. Wir treiben das Wachstum der „Terabyte Ära“ weiter voran. Verbraucher erhalten damit nahezu unbegrenzten Speicherplatz für ihre digitalen Inhalte.“

Hitachi glaubt, dass CPP-GMR Köpfe die Speicherdichte von Festplatten von 500 GBit auf ein Terabyte pro Quadrat-Zoll erhöhen können, was einer Vervierfachung der derzeitigen Flächendichte bedeuten würde. Anfang des Jahres hat Hitachi GST die erste industriell hergestellte 1 Terabyte Festplatte mit 148 GBit pro Quadrat-Zoll auf den Markt gebracht. Aktuell ist die höchste erreichte Flächendichte einer Hitachi Festplatte im Markt etwa 200 GBit pro Quadrat-Zoll. Diese Produkte arbeiten mit TMR (Tunnel Magneto Resistance) Technologie. Schreib-/Leseköpfe sowie Datenträger sind die zwei wichtigsten Komponenten, die Miniaturisierung und exponentielles Wachstum der Speicherkapazität der Festplatten bedingen.

Den Geräuschpegel verringern – das beste Signal / Rausch Verhältnis
Um die Kapazität von Festplatten weiter zu erhöhen, müssen immer kleinere Datenpakete auf das Speichermedium passen. Entsprechend verkleinert sich auch der Schreib-/Lesekopf. Wird der Kopf jedoch immer kleiner, erhöht sich der elektronische Widerstand, der für einen Anstieg des Rauschpegels verantwortlich ist. Zudem wird die Lesegenauigkeit der Köpfe eingeschränkt. Ziel des Leseprozesses ist ein hohes Signalergebnis bei geringem Rauschen. Deshalb versuchen die Entwickler ein optimales Signal-Rausch Verhältnis in der Lesekopf-Technologie zu erreichen. Mit der TMR Technologie kann, laut Aussage der Entwickler, keine exaktes Auslesen bei Speicherkapazitäten von über 500 GBit pro Quadrat-Zoll gewährleistet werden.

Im Vergleich zu TMR hat CPP-GMR einen geringeren elektrischen Widerstand, der in einem geringeren elektrischen Rauschen, aber auch in einem kleineren Signalpegel resultiert. Deshalb war es notwendig, dass ein hoher Signalpegel bei reduziertem Rauschen erreicht wurde, bevor die CPP-GMR Technologie umsetzbar war.

Als Antwort auf diese Herausforderung haben Hitachi Ltd. und Hitachi GST gemeinsam eine Hochleistungs-Technologie sowie eine Technologie zur Rauschreduktion für den CPP-GMR Kopf entwickelt. Ein Magnetfilm mit hoher Elektronenspinstreuung wird in der CPP-GMR Schicht eingesetzt, um die Signaleffizienz des Kopfes zu erhöhen. Das Ergebnis sind Leseköpfe mit einer Spurbreite zwischen 30 und 50 Nanometer und einem Signal-Rausch-Verhältnis von 30 und 40 Dezibel. Die Köpfe wurden gemeinsam vom Hitachi GST Labor in San Jose, USA, und dem zentralen Hitachi Ltd. Forschungszentrum in Japan entwickelt.

Schreibköpfe mit einer Spurbreite von 50 Nanometer werden voraussichtlich 2009 zum ersten mal in Produkten verfügbar sein, bei 30 Nanometer rechnet man mit 2011. Aktuell haben TMR-Köpfe eine Spurbreite von 70 Nanometer.

Der immer kleiner werdende Kopf
Der GMR (Gigantisch Magnetoresistive)-Effekt wurde 1988 von Albert Fert und Peter Grünberg entdeckt. Die beiden Physiker wurden dafür letzte Woche mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Beinahe zwei Jahrzehnte nach der Entdeckung erhält GMR mit der Einführung der CPP-GMR Köpfe eine neue Bedeutung.

1997 setzte IBM erstmals GMR-Köpfe in der PC-Festplatte Deskstar 16GXP ein. Die GMR Technologie erlaubte der Festplattenindustrie, die Kapazität von Festplatten weiter zu erhöhen und leitete die Phase des schnellsten Kapazitätswachstums überhaupt ein. Anfang des 21. Jahrhunderts verdoppelten sich die maximalen Kapazitäten beinahe im Jahresrhythmus. Heute hat sich die Zunahme der Flächendichte verlangsamt, jedoch unterstützen technische Fortschritte bei den Leseköpfen und weitere Innovationen eine Kapazitätsverdopplung bei Festplatten alle zwei Jahre.

Seit der Einführung der ersten Festplatte vor 51 Jahren hat sich die Größe der Köpfe entscheidend verringert und gleichzeitig die Flächendichte und Kapazität unglaublich erhöht. Der erste Schreibkopf in einer Festplatte, damals induktiver Kopf genannt, wurde 1956 in der RAMAC, der allerersten Festplatte eingesetzt. Dieser hatte eine Spurbreite von 0,12 Zentimeter oder 1,2 Millionen Nanometer. Der heute vorgestellte CPP-GMR Kopf hat eine Spurbreite von 30 Nanometer, das heißt man hat in etwa 50 Jahren eine Verkleinerung um das 40.000-fache erreicht.

Begriffserklärung:

CPP-GMR (Current Perpendicular-to-the-Plane – Gigantisch Magnetoresistent):
Die CPP-GMR Kopf Technologie hat einen geringeren elektrischen Widerstand bedingt durch seine metallische Leitfähigkeit anstelle der Tunnel-Leitfähigkeit. Dies ermöglicht Hochgeschwindigkeitsbetrieb sowie eine weitere Miniaturisierung.

TMR Kopf (Tunnel Magneto Resistance)
Die TMR Anwendung besteht aus drei Lagen. Eine isolierende Schicht wird zwischen zwei ferromagnetische Beläge eingeschoben. Der TMR-Effekt bezeichnet den Wechsel der Widerstandsrichtung, welcher durch einen Richtungswechsel der oberen und unteren ferromagnetischen Schichten auftritt. Das Verhältnis des elektrischen Widerstands während dieser beiden Stadien wird als Magnet-Widerstand Verhältnis bezeichnet.