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よしじろうなかじゅく
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1 テープ HDD と光記録 Simon Greaves 1 1 Research Institute of Electrical Communication Tohoku University, Japan 4/ / 46

2 テープ HDD と光記録テープ HDD CD DVD と Blu-Ray 他の光記録技術 2 / 46

3 テープ 3 / 46

4 なぜテープ? データストレージシステムを分析すると少量のデータがアクティビティの大部分を占めていることがわかるほとんどのデータにアクセスすることはめったにない 4 / 46

5 データ温度毎年膨大な量のデータが生成されるが作成後 90 日以上経過しても 95% のデータがアクセスされることはないこのようなデータは磁気テープに安く保存することができるデータ温度 = 10 log 10 ( アクセス数 / 年 ) 5 / 46

6 データのアーカイブコストテープは最も低コストの長期データストレージを提供する 6 / 46

7 LTO テープ第 5 世代 LTO テープカートリッジ LTO = linear tape-open 最近ではテープはほとんど専ら企業で使用されているデータのアーカイブに使用されるほとんどのテープは LTO フォーマットを使用しているカートリッジは富士フイルムとソニーによって製造されている 7 / 46

8 LTO テープ容量 100 TB per cartridge LTO テープカートリッジの発売以来の容量非圧縮データ Year available LTO テープカートリッジの容量は年間 32.1% の割合で増加しているこの成長は今後も続くと予想される 8 / 46

9 LTO テープロードマップ現在の製品は 8 世代であるプロトタイプはすでに第 12 世代レベルでデータを格納できる 9 / 46

10 LTO トラックレイアウト ( 第 5 世代 ) テープには 4 つのデータバンドがありそれぞれに 300 のデータトラックがある各データバンド内では 20 トラックのセットが交互の方向に書き込まれる ( 奇数 / 偶数ラップ ) 10 / 46

11 LTO エラー率 LTO デバイスでは書き込み中読み取り検証システムが使用される書き込んだデータは書き込み直後にチェックされるエラーが検出された場合データはトラックのさらに下の別の場所に書き換えられる 11 / 46

12 LTO の容量増加を推進する要因テープは第 1 世代の 609 m 8.9 µm から現在の世代の 960 m 5.6 µm へとより長くそして薄くなったトラック数が 384 から 6656 に増えた線記録密度は 4880 ビット /mm からビット /mm に増加したテープ材料は金属粒子から BaFe( 高保磁力 ) に変わた書き込まれたビットが小さくなった時 HDD 産業からの技術例えば TMR 読み取りヘッドがドライブに組み込まれている 12 / 46

13 将来のコスト予測テープアーカイブストレージのコストは近い将来において競争力を維持すると予想される 13 / 46

14 201 Gb/in2 テープレコーディングのデモテープスパッタリング装置テープ断面図研究室では面記録密度 210 Gb/in2 が実証されている 0.25 インチ 960 m テープの場合これは 1.53 ペタバイトの記禄容量を与える 14 / 46

15 HDD 15 / 46

16 ヘッドと媒体ディスクドライブには複数のディスクとヘッドが含まれている ( ディスクの表面ごとに一つのヘッド ) 動作中ヘッドはディスクの上を飛行する 16 / 46

17 浮上量ハードディスクドライブの導入以来ヘッドの浮上量は着実に減少してきた 17 / 46

18 浮上量制御抵抗加熱器を用いた浮上量制御浮上量はヒーターの電力を調整することによって制御できる熱浮上量制御はヒーターをヘッドに組み込むことによって実行されるヒーターはポールの先端を突き出させ浮上量を d だけ減少させる浮上量は数ナノメートルに達することがある 18 / 46

スライダー A380-800: 長さ = 73 m 速度 = 1020 km/h スライダー : 長さ 1 mm 速度 20 m/s

19 スライダー A : 長さ = 73 m 速度 = 1020 km/h スライダー : 長さ 1 mm 速度 20 m/s スライダーは時間の経過とともに小型化および軽量化されており浮上量を約 3 nm に減らすことができるスライダーが A と同じ長さの場合浮上量は 0.2 mm になる 19 / 46

20 ディスク粗さ磁気ディスク直径 = 8.89 cm 田沢湖直径 6 km ハードディスクの平均粗さは 1 nm よりはるかに小さいである円板が田沢湖の大きさであるならばこれは 68 µm の粗さに相当する 20 / 46

21 ヘリウムドライブ最近までハードドライブは空気でいっぱいであったフィルターがほこりがドライブに入るのを防止した 2013 年にはヘリウムで満たされたドライブが発売されたヘリウムを使用することにはいくつかの利点があるより少ない乱流より少ない抗力より薄いディスクより低い電力消費 21 / 46

22 ガラス基板 HDD はアルミニウム基板を使用していたがガラスはより硬くより硬いである基板の厚さは徐々に減少しており各ドライブ内のディスク数を増やすことができる基板の厚さが mm に達すると現在の 7 枚のディスクは 12 枚のディスクに増加すると予想される 22 / 46

23 トラックレイアウト Track Sector Cluster トラックレイアウト Sector 0 ゾーンビットレコーディング現在のディスクは 4096 バイトのセクタを使用しているゾーンビット記録ではセクタ数はディスクの外径に向かって増加する Cylinder とは異なるディスク上の同じトラックを指す 23 / 46

24 トラック追跡 HDD ポジショニングシステムの概略図サーボパターンは書き込まれたデータとインターリーブされる位置決め精度は 10 nm 以下ハードディスクドライブに書き込まれたトラックは非常に狭く現在約 50 nm の幅であるヘッドを正しい位置に保つためにサーボパターンが使用される 24 / 46

25 サーボパターン I ハードディスク上のサーボパターンのレイアウトデータセクタはサーボパターンの間に書き込まれる読み取りヘッドはトラック i±1 に書き込まれた二つのサーボパターンからの信号を検出する読み取りヘッドはサーボ信号が最小になるように位置決めされる 25 / 46

26 サーボパターン II AGC トラックはリードバック信号のゲインを調整するために使用されるグレイコードはトラック番号を識別する位置誤差信号 (PES) はサーボバースト A-D からの信号を用いて決定される 26 / 46

27 二段アクチュエータヘッドアセンブリは二つのアクチュエータを有するアセンブリの基部にあるアクチュエータがヘッドを読み書きするトラックのおおよその位置に移動するヘッドアセンブリの先端近くの PZT アクチュエータはトラックをより正確に追従させるために使用される 27 / 46

28 トラック追跡の精度東京スカイツリー高さ = 634 m ヘッドアセンブリ長さ 5 cm ヘッドは 10 nm 以下の精度で位置決めできるヘッドが東京スカイツリーと同じくらい長い場合これは 0.13 mm の位置決め精度に相当する 28 / 46

29 CD DVD と Blu-Ray 29 / 46

30 光記憶技術それぞれの新しい技術はディスク上のマークのサイズ光の波長およびレーザーとディスクの間の間隔を縮小した 30 / 46

31 コンパクトディスク I Readback optics for a compact disc system レーザ波長 = 780 nm 集束スポットサイズ = 1.6 µm データはレーザー光の波長の約 1/4 の深さでピットに格納されているピットからの反射光および周囲領域からの反射光は部分的に相殺されその結果検出信号の振幅が変化する 31 / 46

32 コンパクトディスク II CD ドライブの集束システム位置決めコイルはレンズを上下に動かしてリードバックフォトダイオードに円形の画像を作成するリードバックフォトダイオードは四つのセグメントに分割されている光が正しく集束されると信号 (A + C) (B + D) はゼロになる 32 / 46

コンパクトディスク III コンパクトディスク上のスパイラルトラックレイアウトデータレート = 175.

33 コンパクトディスク III コンパクトディスク上のスパイラルトラックレイアウトデータレート = kb/s 容量 = 650 MB データはディスクの内側から始まる単一の連続したスパイラルトラックに書き込まれるディスクは一定の線速度でデータを読み取るすなわちディスクの外側端部近くでデータを読み取るときにディスクはよりゆっくり回転する 33 / 46

34 CD-R CD-R ディスクの構造染料層は最初に透明でありディスクは高い反射率を有するディスクは書き換えできない CD-R ディスクは記録層として感光性有機染料を使用する染料が露光されると不透明になり反射率が低下するその効果は CD のピットと同じである 34 / 46

35 CD-RW 120fs レーザーパルスにより GeBsTe 材料上に形成された非晶質マーク周囲の地域は結晶性であるリライタブルディスクは GeBsTe などの相変化材料を使用している結晶相と非晶質相は異なる反射率を有する結晶相または非晶質相は材料が加熱される最高温度に基づいて形成される 35 / 46

36 DVD データレート = 1.4 MB/s DVD 容量 = 4.7 GB レーザ波長 = 650 nm 集束スポットサイズ = 1.1 µm DVD は CD とよく似ているより短い波長のレーザがディスク上のより小さなマークを読み書きするために使用される二層 DVD は 8.5GB の容量を提供するより低いの反射率とクロストークがあるため密度がわずかに低下する 36 / 46

37 Blu-ray データレート = 4.5 MB/s Blu-ray 容量 = 25 GB レーザ波長 = 405 nm 集束スポットサイズ = 480 nm レーザ波長を短くするとレーザスポットをより狭い領域に集束させることができる 4 層の Blu-ray ディスクが現在入手可能で 6-8 層のディスクが実証されている 37 / 46

38 光ディスクアーカイブ I 光ディスクのアーカイブはブルーレイ技術に似ているが記禄媒体は 100 年まで続くように設計されている 38 / 46

39 光ディスクアーカイブ II 一般的なディスクには両面に三つずつ合計六つの記録層があるブルーレイディスクとは対照的に ODA はランドとグルーブの両方に記録する 39 / 46

40 光ディスクアーカイブ III ODA メディアは何十年もの間データを保存するように設計されているそれらを読むためのドライブは 50 年後にも存在するでしょうか? 40 / 46

41 他の光記禄技術 41 / 46

42 ミニディスク I ミニディスクはカセットテープの交換を意図して 1992 年に導入されたディスクの直径は 12 cm でコンパクトディスクよりも持ち運びが容易であるディスク容量 = MB. トラックピッチ = 1.2 µm. ミニディスクパッケージレーザ波長 = 780 nm. ディスク線速度 = m/s. 42 / 46

43 ミニディスク II ミニディスクは光磁気記録媒体であるレーザーは媒体を約 180 C( キュリー温度 ) に加熱する冷却中に磁界を印加して媒体を上下に磁化する 43 / 46

44 ホログラフィックメモリ I ホログラフィックメモリはその三次元の性質上膨大なデータ量を保存する可能性がある各ページのデータは参照ビームの入射角に応じて異なる体積の媒体に記禄される記録データデータは空間光変調器で符号化されるホログラムは参照ビームと信号ビームの干渉縞として格納される記禄媒体は通常ニオブ酸リチウム結晶またはフォトポリマーである 44 / 46

45 ホログラフィックメモリ II 全ページのデータが同時に検出器上に撮像されるのでデータ検索も非常に高速になり得る参照ビームは正しいデータページを得るために正確に整列されなければならないデータ検索データを検索するためには参照ビームのみが必要とされる参照ビームの角度はどのデータが検索されるかを決定する記録媒体のコストはホログラフィックメモリを妨げる主な要因である 45 / 46

46 Sources S. Furrer, IEEE Trans. Magn. 54, p , (2018), 201 Gb/in 2 Recording Areal Density on Sputtered Magnetic Tape. U. Boettcher, IEEE Trans. Magn. 47, p1823, (2011), Dynamic flying height adjustment in hard disk drives through feedforward control. J. Xu, Microsys. Technol. 15, p687, (2009), Effect of thermal pole tip protrusion and disk roughness on slider disk contacts. T. Yamaguchi, SICE J. Control, Measurement and System Integration 1, p242, (2008), A design method of a full closed loop sampled servo control for hard disk drive. S. Xiong, Microsys. Technol. 19, p1307, (2013), Position error signal generation in hard disk drives based on a field programmable gate array (FPGA). T. Ohta, J. Optoelectronics and Adv. Mat. 3, p609, (2001), Phase-change optical memory promotes the DVD optical disk. T. Yoshida, Proc. IEEE 82, p1492, (1994), The rewritable MiniDisc system. 46 / 46

この精度を鹿児島 - 札幌間の直線距離 ( 約 1600km) の道路で例えると道路上の直線でのブレは約 1cm 図 1 高精度のトラッキングかつてテープストレージにサーボバンドが採用されていなかった時代にはテープを初期化する際にサーボパターンを書いていたしかし書き込まれたサーボパター

この精度を鹿児島 - 札幌間の直線距離 ( 約 1600km) の道路で例えると道路上の直線でのブレは約 1cm 図 1 高精度のトラッキングかつてテープストレージにサーボバンドが採用されていなかった時代にはテープを初期化する際にサーボパターンを書いていたしかし書き込まれたサーボパター 6 高記録密度を支えるサーボ技術今ではテラバイトを超える大容量データの確実な保管そして高速なデータ転送が求められるテープストレージそこには高速高密度でデータを書き込み確実に読み出すための精密かつ高度な技術が投入されているこの章では磁気ヘッドでの信頼性の高いトラッキングを可能にするサーボ技術を中心にテープストレージを支える高信頼性技術について解説する 6.1 ヘッドの正確なトレースを実現するサーボ技術