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Nikkei X-TECH_2024.9.20

HDD 용량 증가의 비장의 카드 '열 어시스트'
3D화로 한계 돌파

‘열 어시스트 자기 기록(HAMR)’은 하드디스크에 데이터를 고밀도로 쓰기 위한 기술이다. 기록할 때 어떠한 에너지를 더해 데이터를 쓰기 쉽게 하는 ‘에너지 어시스트 기록’의 하나다. 기록 시에 레이저광을 조사해 디스크 매체를 가열하기 때문에 ‘열 어시스트’라고 이름이 붙었다.

일반적으로 하드디스크의 면기록밀도를 높이기 위해서는 디스크 매체 속의 자성입자를 작게 한다. 그에 따라 기록 헤드의 폭을 좁힌다. 그런데 자성 입자가 작을수록 '열 요동(Heat fluctuation)'에 대한 내성이 떨어져 기록 후의 데이터를 잃을 수 있다. 이 과제를 회피하려면 열 안정성이 높은, 즉 '보자력(Coercivity)'이 큰 자성 재료를 이용하면 된다. 하지만 폭이 좁은 기록 헤드에서 발생하는 자기장은 약하기 때문에 자화(Magnetization)가 반전하기 어려워, 보자력이 큰 디스크 매체에 데이터를 쓰기 쉽지 않다.

즉, ‘미세한 자성 입자 구조’ ‘내열 요동 성능’ ‘자화의 용이성’의 3가지를 만족시켜야 한다. 이게 어렵다. 이른바 ‘자기 기록의 트라일레마’다.

이 과제를 해결하기 위해서, 열 어시스트 기록에서는 데이터를 기입할 때 레이저광으로 디스크 매체를 국소적으로 가열한다. 이것에 의해 보자력이 일시적으로 떨어지기 때문에 폭이 좁은 기록 헤드의 약한 자기장에서도 자화를 반전시킬 수 있다.

열 어시스트 기록에 의해서, ‘표면기록밀도’라고 불리는, 하드디스크 1장(1플래터) 당 기록할 수 있는 데이터의 밀도를 큰 폭으로 높일 수 있다. 같은 디스크 매수로 HDD(하드디스크드라이브)를 구성하면 HDD 용량을 늘릴 수 있다. 표면기록밀도를 높임으로써 기록하는 단위 데이터량 당 단가나 소비전력을 낮추기 쉽다. 같은 기록 용량이면, 이용하는 하드디스크의 매수가 줄기 때문에 HDD의 비용 절감으로도 이어진다.

스토리지 장치를 배치하는 공간을 줄일 수도 있다. 데이터센터에서의 대용량 스토리지 장치에서는 HDD를 다수 이용한다. 하나의 HDD 용량이 늘어나면 동일한 스토리지 용량을 달성하는 데 적은 HDD로도 충분하기 때문에 공간을 줄일 수 있다.

-- 시게이트가 드디어 제품 출시 --
열 어시스트 기록은 20여 년 전부터 하드디스크 업계에서 연구개발을 추진해 왔다. 최근에 드디어 HDD 제품에 채택되었다. 채택을 확언한 업체는 미국 시게이트(Seagate Technology)다. 시게이트는 열 어시스트 기록을 채택한 3.5형 HDD를 제품화해, 2024년 4~6월기에 소량 출하를 시작했다. 2025년 중반 무렵부터 대량으로 출하할 전망이다.

대형 HDD 업체는 시게이트와 도시바 산하의 도시바 디바이스 & 스토리지, 미국 웨스턴 디지털의 3사다. 이 중에 도시바 디바이스 & 스토리지도 열 어시스트 기록을 실용화하고 있다. 열 어시스트 기록을 채택한 HDD를 2025년에 샘플 출하할 예정이다. 도시바 디바이스 & 스토리지는 이미 에너지 어시스트 기록의 일종인 ‘마이크로파 어시스트 기록(MAMR)’을 HDD 제품에 이미 채택한 상태다. 시게이트가 열 어시스트 기록에 집중하는 한편, 도시바 디바이스 & 스토리지는 열 어시스트 기록과 마이크로파 어시스트 기록을 모두 전개할 방침이다.

웨스턴 디지털은 ‘ePMR’이라고 부르는, 자체 에너지 어시스트 기록을 HDD 제품에 도입했지만 열 어시스트 기록의 연구개발에도 주력한다. 2023년 5월, 물질/재료연구기구(NIMS)와 열 어시스트 기록과 관련된 재료 연구를 공동으로 실시한다고 발표했다. NIMS는 자기 재료에 관한 연구성과나 노하우를 풍부하게 보유하고 있다.

-- 소니가 레이저를 공급 --
열 어시스트 기록에서 크게 달라지는 것이 반도체 레이저를 이용하는 것이다. 이 때문에 반도체 레이저 업체에게는 새로운 사업 기회가 된다. 그 기회를 잡은 것이, 소니 그룹 산하에서 반도체 사업을 담당하는 소니 세미컨덕터 솔루션즈(SSS)다. SSS의 반도체 레이저가 시게이트의 열 어시스트 기록에 채택되었다. SSS의 사장 겸 CEO인 시미즈(清水) 씨에 따르면, 열 어시스트 기록용 반도체 레이저를 시게이트와 함께 10년 이상에 걸쳐 연구개발해 왔다고 한다.

디스크 매체에도 신기술이 필요하다. 예를 들면, 시게이트는 열 어시스트 기록의 HDD로 ‘초격자 플래티넘 합금 미디어’라고 부르는 디스크 매체를 도입했다. 기존의 코발트 백금 합금계 매체에 비해 보자력을 10배 이상으로 높였다고 한다. 시게이트는 공급업체를 공개하지 않았지만 레조낙으로 보인다. 2021년 6월 레조낙의 전신인 쇼와덴코는 시게이트와 열 어시스트 기록용 디스크 매체를 공동 개발하는 계약을 체결했기 때문이다.

-- 4Tb/(인치)²에 벽 --
현재 하드디스크의 표면기록밀도는 평방 인치당 1.5T(테라)비트(1.5T비트/(인치)²)라고 한다. 지금까지 하드디스크의 표면기록밀도는 10년 가까이 정체 상태였다. 열 어시스트 기록으로 다시 표면기록밀도가 향상돼 하드디스크 용량이 늘어난다.

시게이트에 따르면, HDD의 기록 용량이 2배가 되기까지 지금까지 9년 정도 걸렸다고 한다. 열 어시스트 기록에 따라 약 4년에 기록 용량이 약 2배의 페이스로 늘어날 전망이다. 구체적으로는 3.5형 디스크 1장 당 기록 용량은 2025년에 4T바이트, 2027년에 5T바이트에 달한다고 한다.

다만, 열 어시스트 기록만으로 앞으로도 표면기록밀도가 계속 증가한다는 보장은 없다. 열 어시스트 기록을 포함한 기존 기술에서는 약 4T비트/(인치)²를 경계로 하여 성장 페이스가 떨어진다고 보고 있다.

그래서 디스크 매체에 이용하는 새로운 자성 재료의 개발이나, 새로운 기록 방식의 연구 개발이 진행되고 있다. 기본적으로 열 어시스트 기록과 조합해 이용하는 것이 전제다.

이 중 유망한 기술 중 하나가 ‘3D기록’이다. 현재는 2차원적으로 기록층에 데이터를 기록하고 있지만, 3D기록에서는 기록층을 3차원적으로 적층함으로써 다치화(多値化)하여 기록밀도를 대폭 증가시킨다. 10T비트/(인치)²급을 노릴 수 있는 기술로 자리잡았다. 예를 들면, NIMS나 시게이트, 도호쿠대학의 연구 그룹이 3D기록의 연구에 착수한다. 이 그룹은 기록 레이저의 출력 조정을 통해 3D 다치 기록이 가능하다는 것을 실증했다고 2024년 3월에 발표하는 등 성과를 내고 있다.

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