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11.08.1978 - 

Entwicklungstendenzen bei Magnetplattenspeichern:

Jumbom-Jets - Zentimeter über dem Boden

Schreib-Leseköpfe von modernen Magnetplattenspeichern "fliegen" auf einem 0,5 Mikrometer (millionstel Meter) dünnen Luftpolster über Feroxyd beschichtete Plattenoberflächen. Dazu einen wirklichkeitsnahen Vergleich: Größenordnungsmäßig ist das so, als wenn ein Großraumjet vom Typ 747 mit einer Geschwindigkeit von 240 Stundenkilometern mit einem Zentimeter-Abstand über den Boden rast. Anders jedoch als die Kosten für Großraumjets sind die Kosten für Magnetplattenspeicher drastisch gesunken; von 750 Dollar pro Megabyte im Jahre 1968 auf 75 Dollar heute, in 10 Jahren um den Faktor 10. Wird diese Entwicklung anhalten? Das entscheidende Kriterium ist die Erhöhung magnetischer Aufzeichnungsdichten. Kann dies geschehen, ohne die gesteigerten Anforderungen an die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen? Welchen Einfluß haben neue Speichertechnologien wie CCD (Charged Coupled Devices) oder Bubble-Memories auf die Weiterentwicklung von rotierenden Massenspeichern? Klaus-Peter Görtz zeigt Trends und Perspektiven auf.

1963 arbeiteten Plattenspeicher mit linearen Schreibdichten von 600 BPI (Bits per inch) und einer Spurdichte von 50 TPI (Tracks per inch). Eine 100 MB-Einheit besaß die Abmessungen eines Lieferwagens.

Die gleiche 100 MB Einheit ist heute nicht größer als ein Kühlschrank und um den Faktor 20 billiger. (Tabelle 1 zeigt die chronologische Entwicklung hin zu immer höheren Aufzeichnungsdichten).

Serienmäßige Hochleistungsplattengeräte, die an Großrechnersystemen arbeiten, haben heute Kapazitäten bis 800 MB pro Laufwerk bei Transferraten bis 6000 KB/sec.

Auf dem steckerkompatiblen Sektor sind Modelle in "Winchestertechnologie" bis 635 MB pro Laufwerk mit Transferraten von 1200 KB/sec. verfügbar.

Der Grund für die stürmische Entwicklung während der letzten 15 Jahre ist nicht allein in Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten zu suchen, vielmehr spielt bei technologisch hochwertigen Produkten wie Plattenspeichern fertigungstechnisches Know-how eine entscheidende Rolle. Bis hochgezüchtete Labormodelle serienmäßig vom Band laufen, bedarf es erheblicher Anstrengungen der Produktionsabteilungen, die nicht nur das Produkt selbst, sondern auch die zum Teil recht komplexen Fertigungs- und Testeinrichtungen fertigen.

Drei Faktoren beeinflussen und ermöglichen die Erhöhung magnetischer Aufzeichnungsdichten: Schreib/Lese-köpfe, Servo/Drive-Systeme und Medien. Diese Komponenten gleichen einer "Troika", sie müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt sein, und es ist wichtig, bei Weiterentwicklungen simultan auf allen drei Bereichen zu arbeiten.

Mit zunehmender Aufzeichnungsdichte muß der Luftspalt zwischen Kopf und Plattenoberfläche abnehmen, um die erforderlichen Signalimpulse zu gewährleisten, gleichzeitig muß die Oxydschicht auf der Platte dünner gestaltet werden. (Tabelle 2 zeigt, daß die Dimensionsverhältnisse zwischen Luftspalt und Beschichtung ungefähr gleich sind).

Der Grund für immer dünnere Beschichtung ist durch die Anforderung an höheres magnetisches Auflösungsvermögen bedingt, je dünner die Oxydschicht, desto schärfer die erreichbaren Impulse und desto höher die erreichbaren Aufzeichnungsschichten. Auf dem Sektor Oberflächenbehandlung von Platten sind in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte zu verzeichnen. Werden Platten der ersten Generation einfach lackiert und poliert, bedient man sich heute komplizierter Beschichtungsverfahren. Die Beschichtungshöhe zukünftiger Platten wird auf 0,1 Mikrometer sinken, so dünn, daß die Feroxydschicht nicht mehr deckbraun ist, die Aluminiumplatte erscheint spiegelblank.

Control Data hat ein dafür entsprechendes Dünnfilmbeschichtungsverfahren unter dem Namen "Homogeneous Metal Coating" patentieren lassen.

Servos und Drives

Die Güte einer Spur wird beeinflußt von der Güte der Plattenoberfläche, der Qualität der Schreibköpfe und der Präzision des Servosystems.

Mit zunehmender Spurdichte werden zusätzliche Anforderungen an Präzision und Zuverlässigkeit des Positionierungssystems gestellt.

Allgemein haben sich dabei elektronisch gesteuerte Tauchspulenmechanismen (voice coil actuators) durchgesetzt. Die jüngste Innovation auf diesem Gebiet sind "Rotary actuators". Hierbei werden die Köpfe nicht in herkömmlicher Weise radial positioniert, sondern seitlich in den Plattenstapel eingeschwenkt.

"Rotary actuators" werden erhebliche Vorteile in bezug auf elektrische Leistungsaufnahme, Zuverlässigkeit und Herstellungskosten bedeuten.

Zukünftige Servosysteme dürften stark von der LSI-Technologie (Large Scale Integration) beeinflußt werden. Mit LSI können ECC (Error Code Correction)-Prozeduren auf einem einzigen Chip durchgeführt werden, was die Kosten der Recovery-Prozeduren reduziert.

Der Trend geht dahin, mehr Funktionen von der CPU und den Steuereinheiten hin zum Laufwerk zu verlagern. Darüber hinaus wird LSI für Service und Wartungsfunktionen wie Servogeschwindigkeit, Netzteilregulierung und Offline Testen eine wichtige Rolle einnehmen.

Ein weiteres Kriterium für die Entwicklung ist der Vormarsch der Festplattenphilosophie. Höhere Toleranzen, Stapeldimensionen und die Forderung an Stapelkompatibilität sind Faktoren, die eine Weiterentwicklung von Wechselplatten erschwert haben.

Festplatten werden auch aus diesem Grunde bessere Preis-Leistungsverhältnisse erwarten lassen. Wegen der differenzierten Marktanforderungen werden jedoch in den nächsten Jahren sowohl Wechsel- als auch Festplattengeräte gefertigt werden.

Wie sehen die Köpfe aus, die mit zukünftigen Aufzeichnungsdichten lesen und schreiben? Schreib-/Leseköpfe der Zukunft werden der "Thin Film Technology" folgen. Der entscheidende Vorteil dieser Dünnfilmköpfe ist die automatische Massenfertigung ähnlich wie bei integrierten Schaltkreisen: Der Kopf besteht aus einem mehrschichtigen metallkeramischen Sandwich-Laminat.

Darüber hinaus hat dieser Kopf sehr viel weniger Masse als herkömmliche Ausführungen. Das hat mechanische und dynamische Vorteile, insbesondere bei modernen "Winchestersystemen". Letztere arbeiten heute bereits mit Köpfen von 0.3 pond Gewicht, leicht genug, um in der Start/Stop-Phase mit der geölten Plattenoberfläche problemlos Kontakt zu haben.

Bei herkömmlichen Plattensystemen muß der Plattenstapel auf "flying speit" sein, bevor die Köpfe gelandet werden Erfahrungsgemäß ist gerade in dieser Phase die "Crash"-Gefahr am größten.

Die Applikation von leichteren Köpfen ist daher ein entscheidendes Kriterium für die Vermeidung von "Head crash" und "Loss-Data"-Situationen.

Nicht zuletzt ist auch die äußere Formgebung von Schreib-/Leseköpfen von Bedeutung.

Im Zusammenhang damit werden umfangreiche strömungstechnische Untersuchungen angestellt. Ähnlich wie bei Flugzeugen und Rennwagen werden die -Köpfe mit Spoilern versehen, um ein optimales aerodynamisches Verhalten zu erzielen. Mit speziellen Interferenzverfahren können dabei Flugwinkel und position des Kopfes dynamisch gemessen werden.

Blasenspeicher (Bubble Memories) und CCD's (Charge Coupled Devices) sind in kleinen Einheiten produktreif entwickelt. Für beide Typen sind bereits 256K Chips verfügbar, so daß große Einheiten Anfang der 80er Jahre auf dem Markt zu erwarten sind.

Aufgrund ihrer Eigenschaften (Tabelle 3) werden diese Speichertypen leistungs- und preismäßig in einer Zone liegen, die heute von Festkopfplatten und Trommelspeichern ausgefüllt wird.

Es erscheint daher sinnvoll CCD's oder Bubbles als Swapp- oder Paging Devices zu benutzen. Eine weitere Anwendung wäre als Buffer Memory, um potentiellen Contentionproblemen zukünftiger Superplatten zu begegnen.

Allgemein werden CCD's aufgrund ihrer höheren technologischen Bandbreite die meisten Chancen eingeräumt.

Fazit: Die Entwicklung rotierender Massenspeicher ist nicht beendet. Technologien wie "Homogeneous Metal Coating", LSI und Thinfilm Heads" werden Aufzeichnungsdichten von 100 BM pro Plattenoberfläche realisieren lassen, Übertragungsraten werden sich verdreifachen. Es gibt keine technischen Argumente, warum das Preis-Leistungsverhältnis nicht im gleichen Maße weiterverbessert werden kann wie in den vergangenen 10 Jahren (Faktor 10).

Ergänzt durch neu entstehende Speichertechnologien werden Magnetplattenspeicher bis weit in die 80er Jahre die tragende Rolle im Externspeicherbereich einnehmen.

*Klaus-Peter Görtz ist Mitarbeiter von Control Data.