Teknologi Hard Disk Masa Depan

CHIP.co.id - Teknologi hard disk mendatang harus lebih kompak, lebih murah, dan cepat daripada SSD berbasis Flash.

Saat ini SSD sedang menjadi tren. Hard disk berbasis teknologi Flash memory ini mudah ditemukan di berbagai perangkat keluaran baru, seperti iPad, smartphone, notebook, bahkan PC. Beberapa produsen PC telah mengganti storage hard disk magnetik menjadi SSD untuk alasan kecepatan. Padahal, awalnya teknologi Flash ini tidak dirancang untuk pe­nyim­panan massal karena memoru semi konduktor ini terlalu lambat bekerja. RAM dan CPU PC bahkan dapat memproses data 20 kali lebih cepat dibandingkan proses baca dan tulis pada SSD berbasis Flash.

Kini, banyak perusahaan berkompetisi dalam mengembangkan teknologi pengganti SSD. Milyaran dolar telah diinvestasikan oleh perusahaan-perusahaan besar seperti IBM, Toshiba, atau Fujitsu untuk mengembangkan teknologi penyimpan data supercepat. Mereka telah memiliki sumber daya yang banyak untuk meneliti lusinan metoda baru yang lebih cepat, lebih tahan banting, dan lebih hemat listrik daripada SSD. Beberapa teknologi baru kini telah muncul sebagai pengganti SSD. Teknologi seperti MRAM, FeRAM, PCM dan lainnya mulai disiapkan untuk dipasarkan paling tidak di awal tahun 2013.

Pengganti Flash memang sangat dibutuhkan karena pengembangan teknologi Flash telah mencapai batas maksimal. Sel-selnya sulit diperkecil lagi untuk mencapai kapasitas simpan yang lebih besar. Selain itu, usia pakai dan konsumsi listrik juga sulit dioptimalkan lebih jauh lagi. Penyebabnya terletak pada cara kerja sel Flash (lihat kanan atas). Pada dasarnya, sel Flash merupakan sebuah transistor dengan tiga kontak di dalamnya, yaitu untuk sumber listrik, saluran kendali, dan output. Saluran kendali memungkinkan arus listrik mengalir atau tidak, sesuai de­ngan prinsip "1" (mengalir) atau "0" (tidak mengalir). Sebenarnya, CPU dan RAM juga terdiri atas transistor. Namun, begitu komputer dimatikan, data di dalamnya langsung hilang. Oleh karena itu, sel Flash memiliki sebuah elemen lainnya, Floating Gate, yang dapat menyimpan muatan listrik secara permanen dalam bentuk elektron.

Gate ini berisi muatan dengan tegangan antara 10-20 Volt. Sel-selnya dibaca dengan arus pengukur yang lemah. Apabila arus mengalir dari sumber ke output, gate dalam kondisi tidak bermuatan dan sel memiliki nilai "1". Namun, jika arus terputus, gate memiliki muatan dan nilainya "0".

Masalah utama storage berbasis Flash adalah untuk proses tulis dan hapus memerlukan arus listrik yang lebih kuat. Oleh karena itu, elemen Floating Gate (yang pada kenyataannya "memegang" elektron dengan buruk) membutuhkan tambahan isolasi tebal yang dapat dilalui elektron bertegangan tinggi. Namun, tegangan tinggi ini akan memperpanjang waktu akses karena setiap kali harus dibangun. Hal ini tentunya dapat memperpendek usia sel karena sebagian kecil dari lapisan isolator akan hilang setiap kali muatan diisi atau dikosongkan.

Sel-sel Flash dalam SSD biasa rata-rata hanya tahan 10.000 proses tulis dan setelah itu tidak dapat digunakan lagi. Kepekaan sel Flash ini menuntut controller yang rumit dan pintar untuk proses tulis yang canggih. Dengan terus berkembangnya teknologi baru, kini lapisan isolasi bisa dibuat semakin tipis, tetapi dapat menambah usia pakai.

SONOS Memory: Jebakan elektron untuk efisiensi

Teknologi yang dikembangkan oleh perusahaan seperti Philips dan Spansion ini mampu mengurangi tegangan yang dibutuhkan sebanyak 50% dibanding teknologi Flash. Dengan begitu, kemampuan sel meningkat hingga 10.000 lebih banyak untuk proses tulis dibanding menggunakan teknologi Flash. Sel SONOS dibangun serupa Flash, tetapi elemen Floating Gate-nya bukan dari silicium, tetapi dari silicium-nitrit yang struktur molekularnya lebih merata dan dapat memegang elektron dengan lebih stabil. Dengan demikian, isolasi bisa lebih tipis dan sederhana sehingga dapat diproduksi dengan lebih kompak dan sederhana daripada Flash.

Sel SONOS juga hanya membutuhkan tegangan 5-8 Volt untuk proses baca dan tulis sehingga mampu menyediakan data  lebih cepat dibanding Flash. SONOS dibangun secara konvensional dan sudah jauh berkembang. Idenya sendiri berasal dari tahun 60-an dan chip pertama dibuat tahun 70-an. Militer dan penerbangan luar angkasa telah menggunakan sel SONOS dalam perangkat-perangkat yang tidak boleh peka terhadap pancaran radioaktif. Untuk pasar massal, sampai saat ini miniaturisasi dan produksi yang murah masih belum memadai. Namun, teknologi ini sudah siap sedia jika Flash sudah tidak bisa berkembang lagi.

FeRAM: Usia pakai lebih panjang

Klik Gambar untuk Lebih Jelas

Sel Flash dapat mencapai 10.000 proses tulis. FeRAM drive didesain mampu bertahan hingga 10 miliar proses tulis. Angka ini sudah mendekati penggunaan "unlimited". Para peneliti dari Ramtron, Fujitsu, dan Texas Instruments sedang mengembangkan teknologi ini. Berbeda dengan Flash dan SONOS, FeRAM (ferro-electrical RAM) mampu menyimpan informasi dengan cara menggeser atom, sebuah sistem yang teoritis dapat diulang hampir tanpa batas. Prototipe sel ini sudah ada sejak era 80-an. Saat ini, miniaturisasinya sudah mencapai ukuran produksi 130 nm, masih belum setara dengan sel Flash yang berukuran 20 nm. Namun, ukuran ini sudah memadai untuk produk-produk TI yang ada saat ini.

Pada FeRAM, arus melalui sebuah ferro-elektrikum. Dalam struktur material ini, arus tulis dapat menggeser atom-atom ke atas atau ke bawah. Hal ini mengubah kemampuan menghantarkan listrik material. Kelebihan FeRAM diantaranya adalah proses tulis hanya membutuhkan tegangan rendah. Dengan demikian, konsumsi listrik dapat berkurang hingga 50-25% dari semula. Kinerja tulis juga lebih baik dibanding Flash. Proses polarisasi pada FeRAM sangat cepat sehingga siklus tulis 150 nanodetik 1 Bit dapat ditulis sekitar 67 kali lebih cepat daripada Flash yang membutuhkan 10 milidetik.

Modul dengan FeRAM antara lain diproduksi Fujitsu dan Texas Instruments untuk micro-controller. Saat ini, biaya simpan per Bit masih sangat mahal sehingga teknik ini baru diaplikasikan pada elektronik perangkat kendali airbag atau dalam teknologi kedokteran.

MRAM: Magnet menyimpan informasi selamanya

Seperti FeRAM, Magneto-resistive RAM (MRAM) juga dirancang untuk bertahan lama dan sangat cepat. Namun, keduanya berbeda dalam prinsip kerja FeRAM. MRAM menggunakan gagasan inti magnet dari tahun 50-an, tetapi mengonversinya ke dalam dunia IC yang sangat kecil. Info disimpan sebagai kutub magnetik yang tahan lama, tetapi mudah diubah-ubah tanpa batasan sekian siklus.

Prinsip kerjanya: Dua batang magnet diletakkan berdampingan (yang satu memiliki arah polarisasi tetap dan lainnya dapat diubah dengan arus kendali ke arah yang sama atau berlawanan). Apabila arahnya sama, hambatan berkurang bagi arus baca yang melalui kedua elemen. Jika arahnya berbeda, hambatan akan meningkat.  MRAM memiliki kemampuan reaksi yang cepat (teoritis hingga 1 nanodetik). Dengan begitu, sel bisa ditulisi hingga 1.000 kali lebih cepat dibanding Flash. Sebuah image DVD 8 GB bisa disimpan dalam waktu 0,02 detik pada sebuah SSD berbasis MRAM, dibanding 21 detik pada Flash.

Namun, dalam prakteknya masih ditemukan sedikit masalah. Pada clockspeed di atas 400 MHz, magnet saling mempe­ngaruhi. Sebuah proyek penelitian di Physikalish-Technische Bundesanstalt di Braunschweig telah berhasil menyingkirkan masalah ini dengan menggabungkan beberapa sel MRAM menjadi satu elemen. Dengan begitu, performa MRAM juga meningkat 5 kali lipat.

Seperti calon pengganti Flash lainnya, saat ini chip MRAM te­lah diproduksi, tetapi baru digunakan secara terbatas pada bidang-bidang khusus, seperti penerbangan luar angkasa. Namun, keseriusan perusahaan seperti IBM, Toshiba, dan NEC dalam mengembangkan teknologi ini, memungkinkan  MRAM untuk diproduksi secara massal di tahun-tahun mendatang.