Due to the sensitivity of the write process to temperature variations and laser position alignment, transition noise in HAMR may exhibit characteristics that are significantly different from those of perpendicular magnetic recording (PMR). It is important to have an accurate characterization of medium noise for a realistic channel model, which in turn is essential for developing reliable signal processing and coding schemes. In this work, statistical properties of transition noise in HAMR and PMR are investigated using real data taken off a spin stand. The Karhunen-Loeve (K-L) expansion method is applied to the read waveforms corresponding to a pseudorandom bit pattern written at varying locations of a disk.
A 127-bit pseudorandom pattern is written on different positions of the disk. The HAMR system under study employs a FePtL10 thin-film disk and a shielded pole head designed for PMR. The same head was used along with a CoCrPt alloy thin-film disk for the PMR measurements. Each 127-bit pattern is read repeatedly to remove additive system noise via averaging. The averaged read waveforms are interpolated with sufficient resolution and then aligned based on the least square principle. The aligned waveforms constitute an ensemble that contains meaningful statistical variations involving transitions within different local bit patterns. The K-L expansion allows decomposition of the noise associated with isolated transitions into different orthogonal directions corresponding to position jitter and width fluctuations. In this work, we apply the K-L expansion to the read waveforms corresponding to crowded transition patterns in HAMR and PMR, in order to develop insights into data-dependent transition noise characteristics.
The results indicate that for isolated transitions in PMR, the position jitter component accounts for about 80% of the total noise power whereas the width fluctuation component takes up 9-13%. This appears consistent with the results reported in previous work. For the HAMR case, however, our results show that for isolated transitions, the position jitter and width fluctuation components
account for approximately 60% and 30%, respectively, pointing to a more pronounced width variation effect relative to conventional PMR.
We surmise that the sensitivity of the half-height width (PW50) of the read pulse to temperature fluctuations and accuracy of laser position alignment. They contribute to the relatively high width-variation component in the isolated transitions of HAMR. For isolated dibits, the dominant noise mode appears to be the one corresponding to amplitude fluctuation, which may be related to partial erasure of closely-spaced ransitions and/or transition position shifts that are negatively correlated (i.e., two transitions either pulling or pushing each other). The second significant effect associated with the dibits may be explained by positively-correlated position shifts (i.e., two transitions shifting in the same direction). Finally, a procedure has been established for constructing a pattern-dependent medium noise model for MTR-coded data consisting only of isolated transitions and isolated dibits.
현재의 hard disk drive (HDD) 기록 방식인 PMR 기술은 초 상자성효과 (superparamagnetic effect: 용량 증가로 인해 magnetic grain 크기가 줄어들면서 이방성 에너지가 열에너지보다 작아지면서 자기 모멘트가 상온에서 불안정해져서 자화 반전이 일어날 수 있는 효과)에 의해서 더 이상 용량을 증가 시킬 수 없는 물리적인 한계에 다다랐다. 이런 한계를 극복할 수 있는 차세대 기록 방법으로 연구 진행되고 있는 기술들로 bit-patterned magnetic recording (BPMR), heat-assisted magnetic recording (HAMR), microwave-assisted magnetic recording (MAMR), two-dimensional magnetic recording (TDMR), shingled magnetic recording (SMR)등이 있다. 이런 기술들 중에서 HAMR 기술은 현재 상용화되고 있는 PMR 기술을 대체할 차세대 기록 방법으로 1Tb/in2의 용량을 실현 가능케 하는 기술로 부상하고 있다. HAMR의 기본 개념은 높은 이방성을 갖는 medium을 사용해서 grain 크기가 작아져도 열에너지보다 이방성 에너지를 매우 크게 하는 것이다. 이방성 에너지가 매우 크게 되면 자화된 자기 모멘트가 열에너지에 영향을 받지 않는 안정된 상태로 유지되기 때문에 초 상자성효과를 극복할 수 있다. 하지만, 높은 이방성을 갖는 medium은 상온에서 자화가 불가능하므로 데이터를 자화 시킬 때 높은 보자력을 낮추기 위해서 레이저를 이용해 자화하려는 부분을 순간적으로 뜨겁게 달궈 medium 보자력을 낮춰서 medium에 자화를 가능케 한다. 따라서 HAMR의 경우에는 기존 PMR과 달리 레이저에서 발생하는 열을 이용해서 데이터를 자화하기 때문에 자화 전환시에 열 경사도, 열, 레이저의 위치의 변화에 매우 큰 영향을 받게 된다. 자화 전환시 발생하는 noise 성분은 크게 jitter noise와 width fluctuation이 있다. 두 가지의 noise 성분중에 width fluctuation은 열의 영향에 매우 민감하게 반응한다. 따라서, PMR과 HAMR를 비교해 볼 때 전체 noise power에서 width fluctuation이 차지하는 비율이 PMR보다 HAMR에서 더 크리라 예상할 수 있다.
본 학위논문에서는 Karhune Loeve (K-L) expansion를 이용해서 고립된 자화 전환과 연속된 두 개의 자화 전환 (dibit) 에서 발생하는 noise 성분을 분석하고 K-L analysis를 통해서 구해진 eigenfunctions and eigenvalues를 가지고 maximum transition run (MTR) 코드를 기반으로 한 채널 모델을 설계했다. 기존 논문에서는 PMR의 고립된 자화 전환에서 발생하는 noise 성분만을 분석했으나, 본 논문에서는 실측 데이터인 127-bit pseudo random binary sequence (PRBS)에서 고립된 자화 전환과 dibit에서 발생하는 noise 성분을 K-L expansion을 이용해 분석했다. 또한, HAMR에서 자화 전환시 발생하는 noise 성분을 가늠하기 위해서 PMR에도 똑같은 방법으로 K-L expansion을 적용했다. PMR과 HAMR에 K-L analysis를 적용함으로써 PMR과 HAMR에서 자화 전환시 발생하는 noise의 성분을 비교했다. 결과는 예상했던 대로 width fluctuation의 noise power가 PMR(9-13%) 대비 HAMR(30%)에서 증가함을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과는 열 경사도 변화 및 레이저의 위치가 고립된 자화 전환에서 발생하는 noise에 영향을 주고 있으며, noise 성분 중에서 position jitter 보다는 width fluctuation에 더 크게 작용됨을 추측할 수 있다. 그리고 dibit에서 발생하는 noise성분은 HAMR, PMR 모두에서 amplitude fluctuation이 가장 큰 noise 성분이었으며 두 번째로 큰 noise 성분은 두 개의 transition이 같은 방향으로 옮겨지는 unison-jitter 현상임을 확인했다. 마지막으로 고립된 자화 전환과 dibit에 K-L expansion을 적용해서 도출된 eigenvalues와 eigenfunctions을 이용해서 pattern-dependent medium noise가 반영된 실제적인 채널 모델을 설계했다.
