磁気ディスク装置構造と開発課題円板低振動化表面潤滑剤表面保護膜強度高密度化低ノイズ化熱的安定性スピンドル低振動化長寿命軸受け高速回転ヘッドスライダーサスペンションアッセンブリ極低浮上低風乱サスペンション高感度ヘッド高速読み出しアクチュエータ部品名高加速度駆

(1)

磁気ディスク装置と

高性能化へのロードマップ

1. 磁気ディスク装置概要

2. 高密度化とその技術

3. 高速化とその技術

4. 情報家電へ，次世代超高密度ＨＤＤへ

日立製作所　ストレージ事業部

　ディスク装置開発部

　　　　　　三枝省三

(2)

₂

アクチュエータ

ヘッド・スライダー・サス

ペンション・アッセンブリ

円板

匡体

匡体////ベース、カバー

ベース、カバー

・低振動化

・長寿命軸受け

スピンドル

・表面潤滑剤

・低振動化

・放熱効率

・低風乱流れ場

･低振動化構造

・高加速度駆動/サーボ

・軽量化

・高推力ボイスコイルモータ

・低振動化

・極低浮上

・低風乱サスペンション

･高感度ヘッド

･高速読み出し

・課題項目

部品名

磁気ディスク装置構造と開発課題

・表面保護膜強度

･高密度化

･低ノイズ化

･熱的安定性

・高速回転

(3)

磁気ディスク装置の機能と課題

1.

1. 容量

容量

容量：

：：

：高面密度化

高面密度化

高面密度化 (=

(= BPI

(=

BPI

BPI ×

×

× TPI )

×

TPI )

–

周方向の高密度化

周方向の高密度化 ((((BPI : bit per inch)

BPI : bit per inch)

–

ヘッドの高感度化，円板の高密度化，低浮上

–

半径方向の高密度化

半径方向の高密度化 ((((TPI : track per inch)

TPI : track per inch)

–

高精度位置決め，低振動機構

2.

2. 高速

高速

高速：

：：

：データの高速転送

データの高速転送

–

高速回転

：

：：

：

スピンドルモータ

–

高速シーク

：

：：

：

高推力アクチュアータ，高速サーボ

–

高速データ転送

：

：：

：

高速スイッチング，高速転送

3.

3. その他の開発軸

その他の開発軸

–

低価格化，耐衝撃，清音化

–

高信頼性，長寿命（連続書き込み読み出し）

(4)

₄

Year

1970

1980

1990

2000

2010

104

103

102

10

1 10-1

10-2

105 16M

64M

60-100 %

40%

HDD

DRAM

1M

4M

25%

Optical Disk

106 HDD

Prototype

Crystalline

Virus

Super paramagnetic Effect

107 _{AFM Clearance Limit}

Product

Image of 1-bit 1μm

DRAM

DVD-ROM

HDD

256M

Optical

Area

l Densi

ty

Area

l Densi

ty

Area

l Densi

ty

Area

l Densi

ty

((((Mb/in

Mb/in

22

2

2 ₎₎₎₎

Advanced

Magnetic

Storage

AFM Memory

Holographic

面密度の推移

ＤＲＡＭ

　TEG

(5)

磁気ディスク装置の容量推移

(1970~2000)

1

10

100 1,000

10,000

100,000

1970

1980

1990

2000

2010

直径14in

直径11-8in

直径5.25in

直径3.5in

直径2.5in

直径<1.8in

参考

AD年率2倍

Year

Capacity

（

MB)

参考）国際ドライブ協会（IDEMA　JAPAN)、日経BP社、（2000/4）p315-319，他

(6)

₆

1

10

100 1,000

10,000

100,000

1999

2000

2001

2002

2003

2004

CY

Ca

pa

ci

ty

（

MB

)

Ca

pa

ci

ty

（

MB

)

Ca

pa

ci

ty

（

MB

)

Ca

pa

ci

ty

（

MB

)

3.5型

2.5型

1.8型

1.0型

ＣＦ

CF

1.0

1.8

2.5

3.5

3.5 ストレージの記憶容量推移予測

(7)

ＴＰＩ：高精度位置決め

((((２段アクチュエータ

２段アクチュエータ

２段アクチュエータ))))

と　ＢＰＩ：高速転送

((((ＣＯＳ

ＣＯＳ

ＣＯＳ))))

0

20

40

60

80

100

120

0

200

400

600

800 Linear Recording Density [kBPI]

Track

　　　　

Density

[kTPI]

Two-Stage

_Actuator

_and

FDB

COS

：

：：

：Demo

BPI/TPI

BPI/TPIは

は20

は

20 20から

20 から

から

から10

10へやがて

10

10 へやがて

へやがて1

へやがて

11 1に漸近

に漸近

高精度位置決め

高速転送

TPI : track

　

　per inch

BPI : bit per inch

面密度

(8)

₈

Positioning within 0.74mm

x 450,000

Accuracy within

～

～100nm (0.1

100nm (0.1

100nm (0.1μ

μ

μm)

μ

m)

333m height

Arm length

45 mm

Disk

ヘッド位置決め精度の説明

(9)

　２段ｱｸﾁｭｴｰﾀ用微動ｱｸﾁｭｴｰﾀ

PZT

PZTｱｸﾁｭｴｰﾀ

ｱｸﾁｭｴｰﾀ

ﾍｯﾄﾞ

ｻｽﾍﾟ

ﾝｼｮﾝ

ｻｽﾍﾟ

ﾝｼｮﾝ

ｻｽﾍﾟ

ﾝｼｮﾝ

ｻｽﾍﾟ

ﾝｼｮﾝ

ｽﾗｲﾀﾞ

第

第1世代

世代

ｻｽﾍﾟﾝｼｮﾝ駆動型

第

第2世代

世代

ｽﾗｲﾀﾞ駆動型

第

第3世代　

世代　

ﾍｯﾄﾞ駆動型

難波

他

（日立）

（日立） MEMS’99

（日立）

>60 kTPI at 3.5

型

>100-200 kTPI at 3.5

_型

>? kTPI

添野

他

（

（（

（TDK）））） APMRC’98

藤田

他

（東大）

（東大）APMRC’98

ｻｽﾍﾟﾝｼｮﾝ

積層圧電

素子

素子((((PZT)

PZT)

ｽﾗｲﾀﾞ

ﾍｯﾄﾞ

_{平行平板型静電ｱｸﾁｭｴｰﾀ}

ﾍｯﾄﾞ

ｽﾗｲﾀﾞ

可動部

(10)

₁₀

Frequency Distribution of NRRO

0

00

0

5

55

5

10

15

20

25

0

00

0

15

30

45

60

75

90

105

120

120 NRRO [

NRRO [

NRRO [nmp

nmp

nmp-

--

-p

pp

p]]]]

FrequencyFrequencyFrequencyFrequency

FDB

BB

FDB ( Fluid Dynamic Bearing )

BB ( Ball Bearing )

スピンドルモータの高精度化

その他の利点：低騒音、耐衝撃、信頼性

Thrust Bearing

Radial Bearing

Magnetic Seal Motor Stator Bearing：：：： Motor Magnet A A’ ＨａｂＨａｂＨａｂＨａｂＳｈａｆｔＳｈａｆｔＳｈａｆｔＳｈａｆｔ

Ball Bearing

Motor Stator Motor Magnet ＨａｂＨａｂＨａｂＨａｂＳｈａｆｔＳｈａｆｔＳｈａｆｔＳｈａｆｔ

(11)

浮上量の変遷

0.001

0.01

0.1

1

10

100 1000

10000

100000

1000000

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

製品出荷時期

スペーシング

[nm]

面記録密

度

[x

1

550 Mb/

m

2 ]

　

（

[M

b/

in

2 ]）

動圧重荷重ｽﾗｲﾀﾞ

静圧ｽﾗｲﾀﾞ

軽荷重

軽荷重CSS

CSS

CSSｽﾗｲﾀﾞ

ｽﾗｲﾀﾞ

負圧ｽﾗｲﾀﾞ

負圧ｽﾗｲﾀﾞ,,,,薄膜ﾃﾞｨｽｸ

薄膜ﾃﾞｨｽｸ

ﾋﾟｺｽﾗｲﾀﾞ

ﾋﾟｺｽﾗｲﾀﾞ,,,,L/UL

L/UL

L/UL方式

L/UL

方式

接触許容方式

スペーシング

面記録密度

毛髪

煙

煙粒子

粒子

可視光波長

ウイルス

空気の平均

自由行程

高分子

分子

原子

(12)

₁₂

磁気ヘッド浮上高さの説明

1.2

1.2 1.2mm

mm

18

18 18nm

nm

70

70 70m

m

1.0

1.0 1.0mm

mm

時速

時速 180

180

180 180km/Hr

km/Hr

ディスク面

滑走路

押下力

空気流れ

～

～50

50

50 50m/s

m/s

x 67,000

(13)

気圧低下(高度3000m相当)による浮上量低下 0 10 20 30 40 50 浮上量　［ nm ］

スライダ技術

1.2

5

1.0

0.3 (mm)

磁気ヘッド

正圧発生パッド

負圧発生溝

（～1μm）

ステップ溝

(～0.15μm)

ディスク回転方向

テーパ

正圧レール

負圧発生溝

（２～６μm）

従来型負圧スライダ

２段ステップ型負圧スライダ

低下～12nm 低下～3nm

(14)

₁₄

保護膜技術（信頼性の作り込み）

•磁性膜を腐食から守るための被覆性確保

磁性膜を腐食から守るための被覆性確保

•耐摺動性向上のための耐摩耗性確保

耐摺動性向上のための耐摩耗性確保

　　　　　　↓

　　緻密化、高硬度、高弾性率

　　　　ヤング率／硬度比の低減

　　　　ダイヤモンド構造に近い構造

0

00

0

50

100

150

200

250

0

00

0

55

5

10

15

20

20 硬度（押込み深さ

硬度（押込み深さ

硬度（押込み深さ5

55 5nm

nm

nm）　［

nm

）　［

）　［GPa

GPa

GPa］

］］

］

ヤング率　［ヤング率　［ヤング率　［ヤング率　［

GP

a

GP

a

GP

a

GP

a］］］］

CVD

CVD-

--

-C:H

C:H

C:H（

C:H

（（

（DLC)

DLC)

sp

sp-

--

-C:N

C:N

sp

sp-

--

-C:H

C:H

sp

sp-

--

-C

C

(15)

• I/O回数

• 高速化シーク：4.7ms

（加速度50G)

, 3.6ms

　　　　　　　　

(→3ms

（加速度100G)

)

• 高速回転：15,000→（22,000→30,000rpm)

　　　

実現設計（フラッタ、流れ）

　　　消費電力、スピンドル、小径化

HDDの高速化

(16)

₁₆

00.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0 1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

CY

I/OI/OI/OI/O

回数（回回数（回回数（回回数（回

////

ｓ）ｓ）ｓ）ｓ）

I/O回数の推移

I/O回数(回/s)＝１/（平均シーク

シーク

シーク時間+回転待ち

シーク

回転待ち

回転待ち時間+SCSIオーバヘッド+18kB転送時間)、

回転待ち

条件：ランダム（書き込み１：読み出し１）、非整列,キャッシュヒット無し

(17)

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

16,000

18,000

20,000

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

CY

回転数（

rpm

）

回転数の推移

(18)

₁₈

アクセス時間の推移

時

間

（ﾐﾘ秒）

4444

6666

8888

10

20

20 1990

1990

2222

40

60

100

100 年

年

平均シーク時間

2000

1995

アクセス時間

（平均シーク時間＋回転待ち時間）

12,000

12,000rpm

rpm

10,000rpm

15,000

15,000rpm

rpm

(19)

項目

単位

３型

2.5型 1.8型

1型

参考

円板直径

（mm）

84

65

48

27.4 φ65mm

円板枚数

（枚）

4

5 容量

（GB）

280

200

100

20

18.4 回転数

（ｋrpm）

10

15

23

45

15 シーク時間

（ms）

4

44

4

3

33

3

2.5

22

2

2 3.9/4.5(4.2)

内部転送速度

（MB/ｓ） 120

140

160

180

47.4 I/O回数（ランダム）（回/ｓ）

130

180

240

330

330 推定140

I/O回数（１Tr）

（回/ｓ）

240

320

450

660

660 推定300

2003年？

(参考BPI/TPI=348k/21.4k)

考察

周速

（m/s）

44

51

58

65

51 考察条件：

面密度：100Gb/in

2

_{、消費電力：<11W、25.4mmH}

BPI：1000ｋ、TPI：100ｋ（0.25μｍ）、BPI/TPI=10

HDD

HDDの将来像（高速型）

の将来像（高速型）

(20)

₂₀

マルチレート

マルチレートFF制御

制御

本制御

従来制御

_従来制御

電流

位置

偏差

0.56ms

0.70ms

補償器

ﾎｰﾙﾄﾞ

+

−

₊

Ts

ﾎｰﾙﾄﾞ

Ts/4

補償器

多重ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ制御によるなめらかな軌道

Ts/4

目標軌道

ヘッド変位

フィードフォワードパス

フィードバックループ

制御対象

高速化のための新制御方式

Ts：サンプリング周期

0.5

0.5 µµµµ

m

安定な近似逆ｼｽﾃﾑ

((((位相遅れなし）

位相遅れなし）

の実現

(21)

(22)

₂₂

(23)

転送速度のトレンド

0.1

1

10

100 1000

1970

1980

1990

2000

2010

CY

転送速度

　

転送速度

　

転送速度

　

転送速度

　

((((MB/

s)

MB/

s)

MB/

s)

MB/

s)

_14”Type

11-6.5 ”Type

5 ” Type

3.5 ” Type

高速3.5

2.5 ” Type

1.8 ” Type

1.3-1”Type

円板直径

3.5

3.5 3.5型

型

2.5

2.5 2.5型

型

参考）国際ドライブ協会（IDEMA　JAPAN)、日経BP社、（2000/4）p315-319，他

(24)

₂₄

高速転送の鍵となる技術

Preamp

Suspension

Slider

(25)

1. 市場：情報家電への展開

2. 技術開発

• 垂直

• 光融合

これからの磁気ディスク装置

記録密度

　　テラビットへの挑戦

(26)

₂₆

ＨＤＤ用途の多様化の将来予測

出展：Computer Economics Apr.’00等

ＣＲＴ

情報

家電

ノート

液晶

音楽

デスクトップ

ＰＣ

H10 11 12 13

30 2000

40

20

10

1.8型

2.5 3.5 IDE

1.8 ≦1.0

2.5 3.5 IDE

2001

2002

2003

2004

M

台台台台

／月／月／月／月

2003年頃に

年頃に

年頃にPC 市場の飽和と

年頃に

市場の飽和と

情報家電市場の本格的な立上り

携帯情報

端末

映像

1.8

0 2005

・小型

・小型HDDへの移行

への移行

・多様化する新用途への展開

地上波ﾃﾞｨｼﾞﾀﾙ放送開始 BSﾃﾞｨｼﾞﾀﾙ放送開始

2.5

1.8

(27)

BS / Terrestrial / CATV

STB

HDD

Recorder

HDD Camcorder

_DVD

_IP

Phone

AV Theater

Home Audio

Home Server

HDD in

CD/MD

/Radio

PDA Tool

Cellular

Phone

TV/Web

TV/Web----TV

TV

Personal Viewer

Cellular Terminal

情報家電用途におけるHDD適用例

MP3 Personal

Audio

Digital Camera

(28)

₂₈

ランダムアクセス系ストレージの得失比較

DVD/CD

3.5型

3.5

3.5 型

型HDD

型

HDD

2.5

2.5 2.5型

型

型HDD

HDD

～

～1

11 1型

型

型HDD

HDD

HDD CF Memory

CF Memory

ストレージ

記憶容量

価格

価格((((ﾋﾞｯﾄｺｽﾄ

ﾋﾞｯﾄｺｽﾄ

ﾋﾞｯﾄｺｽﾄ))))

重量・寸法

駆動電圧

消費電力

騒音

寿命

耐衝撃性能

記録回数

◎

〇

△

◎

転送速度

◎

〇

△

×

△

〇

△

〇

△

×

△

〇

◎

×

△

〇

◎

△

〇

◎

△

〇

◎

〇

△

〇

×

△

〇

◎

△

〇

(29)

0.1

1.0

10.0

100.0 1,000.0

10,000.0

100,000.0

1990

1995

2000

2005

2010

CY

Bit Cost Bit Cost Bit Cost Bit Cost

（＄（＄（＄（＄

/GB)/GB)/GB)/GB)

3.5(a)Type

2.5Type

1.8Type

DLT

CD-ROM

DVD-RAM

3.5MO

Mini-Card

記憶装置ビットコストの推移

TRS社2000参考

(30)

₃₀

Longitudinal

Co

Co-

--

-alloy longitudinal

alloy longitudinal

thin film

Co

Co-

--

-alloy granular/

alloy granular/

Multi

Multi-

--

-layered/Synthetic

layered/Synthetic

layered/Synthetic Ferri

Ferri

thin film

　

(AFC*)

Perpendicular

Perpendicular film

with

with high

high

high-

--

-μ

μ

μback

back

back layer/

layer/

patterned thin film

メディア技術の開発

* * *

* AFC : AntiAFC : AntiAFC : AntiAFC : Anti----Ferro CoupledFerro CoupledFerro CoupledFerro Coupled

磁気ディスク装置と

高性能化へのロードマップ

1.

磁気ディスク装置概要

2.

高密度化とその技術

3.

高速化とその技術

4.

情報家電へ，次世代超高密度ＨＤＤへ

日立製作所 ストレージ事業部

日立製作所 ストレージ事業部

日立製作所 ストレージ事業部

日立製作所 ストレージ事業部

ディスク装置開発部

ディスク装置開発部

ディスク装置開発部

ディスク装置開発部

三枝省三

三枝省三

三枝省三

三枝省三

2

アクチュエータ

アクチュエータ

アクチュエータ

アクチュエータ

ヘッド・スライダー・サス

ヘッド・スライダー・サス

ヘッド・スライダー・サス

ヘッド・スライダー・サス

ペンション・アッセンブリ

ペンション・アッセンブリ

ペンション・アッセンブリ

ペンション・アッセンブリ

円板

円板

円板

円板

匡体

匡体

匡体

匡体////ベース、カバー

ベース、カバー

ベース、カバー

ベース、カバー

・低振動化

・長寿命軸受け

スピンドル

スピンドル

スピンドル

スピンドル

・表面潤滑剤

・低振動化

・放熱効率

・低風乱流れ場

･低振動化構造

・高加速度駆動/サーボ

・軽量化

・高推力ボイスコイルモータ

・低振動化

・極低浮上

・低風乱サスペンション

･高感度ヘッド

･高速読み出し

・課題項目

部品名

磁気ディスク装置構造と開発課題

磁気ディスク装置構造と開発課題

磁気ディスク装置構造と開発課題

磁気ディスク装置構造と開発課題

・表面保護膜強度

･高密度化

･低ノイズ化

･熱的安定性

・高速回転

磁気ディスク装置の機能と課題

1.

1.

1.

日立製作所　ストレージ事業部

日立製作所　ストレージ事業部

日立製作所　ストレージ事業部

日立製作所　ストレージ事業部

　ディスク装置開発部

　ディスク装置開発部

　ディスク装置開発部

　ディスク装置開発部

　　　　　　三枝省三

　　　　　　三枝省三

　　　　　　三枝省三

　　　　　　三枝省三

₂

容量：

：高面密度化

高速：

：データの高速転送