Novel numerical studies of bit patterned magnetic recording

Abstract

The total amount of data created each year is expected to grow from currently 50 ZB in 2020 to 175 ZB in 2025. Where more than 60 % of this amount of data will be produced by endpoints such as Internet-of-Things devices, vehicles, smartphones and their users,whereas the other 40 % is produced at large data centers and gateways, cell towers and branch offices. While data storage has shifted from hard disc drives to solid state drives in mobile computing devices, hard disc drives are mostly used in data storage centers. To meet the steadily increasing storage demand, around 60 % of the annual produced data will have to be stored on hard disc drives at traditional or cloud based datacenters. A this thesis a framework capable of optimizing the shape of a conventional magnetic recording head and the underlying media of a hard disc drive is developed.A parametrized script for the construction of recording head geometries is embedded into an optimization framework. With micromagnetic simulations the emitted write field of a single pole recording head is computed at the media plane. Dynamic recording processes are simulated to compute three specific error rates: (i) not writing the target,(ii) falsely writing a previously written bit, and (iii) thermally induced overwriting of bits in an adjacent track. The total error rate can be adjusted by tuning the material properties of the medium. The magnetocrystalline anisotropy constant is optimized for a single phase bit patterned media design with an storage density of 2.12 Tb/in^2 and the coupling strength and anisotropy constant for an exchange coupled composite media with a storage density of 4 Tb/in^2 . To investigate the potential of centered, staggered and shingled recording, both media designs are optimized for each writing scheme, separately. A commercial multiobjective optimizer and an open source optimization framework are applied. The optimizer finds two local minima where different media types show up while the recording head’s shape stays similar. One optimized media type has strong coupling between the hard and soft layer whereas the other has a weak coupling. The total write error rates can be decreased below the upper limit of 10^-2 with the help of this framework. Shingled recording turns out to be the most promising scheme in terms of areal density maximization and reduction of write error rates.

Es wird erwartet, dass die Gesamtmenge der jedes Jahr erstellten Daten von derzeit 50 ZB im Jahr 2020 auf 175 ZB im Jahr 2025 anwachsen wird. Dabei werden mehr als 60 % dieser Datenmenge von Endpunkten wie Internet-of-Things Geräten, Fahrzeugen, Smartphones und ihren Benutzern erzeugt werden, während die anderen 40 % in großen Datenzentren und Gateways, Mobilfunk-Zelltürmen und Zweigstellen erzeugt werden. Während sich die Datenspeicherung von Festplattenlaufwerken auf Solid-State-Laufwerke in mobilen Computergeräten verlagert hat, werden Festplattenlaufwerke hauptsächlich in Datenspeicherzentren eingesetzt. Um den stetig steigenden Speicherbedarf zu decken, müssen etwa 60 % der jährlich produzierten Daten auf Festplattenlaufwerken in traditionellen oder Cloud-basierten Rechenzentren gespeichert werden. In dieser Arbeit wird ein System entwickelt, das in der Lage ist, die Form eines konventionellen magnetischen Schreibkopfes und das darunter liegende Medium eines Festplattenlaufwerks zu optimieren. Ein Konstruktionsskript für eine parametrisierte Schreibkopfgeometrie wird in ein Optimierungs-Framework eingebettet. Mit mikromagnetischen Simulationen wird das emittierte Schreibfeld eines einpoligen Schreibkopfes in der Medienebene berechnet. Dynamische Schreibprozesse werden simuliert, um drei spezifische Fehlerraten zu berechnen: (i) kein Schreiben des gewünschten Bits, (ii) falsches Schreiben eines zuvor geschriebenen Bits und (iii) thermisch induziertes Überschreiben von Bits in einer benachbarten Spur. Durch Abstimmung der Materialeigenschaften des Mediums kann die Gesamtfehlerrate angepasst werden. Die magnetokristalline Anisotropiekonstante wird für ein einphasigesbit-strukturiertes Mediendesign mit einer Speicherdichte von 2.12 Tb/in^2 und die Kopplungsstärke und Anisotropiekonstante für ein austauschgekoppeltes Verbundmedium mit einer Speicherdichte von 4 Tb/in^2 optimiert. Um das Potenzial von zentrierter, gestaffelter und geschichteter Aufzeichnung zu untersuchen, werden beide Medienentwürfe für jedes Schreibschema getrennt optimiert. Ein kommerzieller Multiobjektiv-Optimierer und ein Open-Source-Optimierungs-Framework werden eingesetzt. Der Optimierer findet zwei lokale Minima, bei denen unterschiedliche Medientypen auftreten, während die Form des Schreibkopfes ähnlich bleibt. Ein optimierter Medientyp weist eine starke Kopplung zwischen der harten und der weichen Schicht auf, während der andere eine schwache Kopplung aufweist. Die Gesamtschreibfehlerraten können mit Hilfe dieses Frameworks unter die Obergrenze von 10^-2 gesenkt werden. Die Schichtaufzeichnung erweist sich als das vielversprechendste Schema in Hinblick auf die Maximierung der Speicherdichte und die Reduzierung der Schreibfehlerraten.