Особливості процесів запису, збереження та зчитування інформації з магнітних носіїв

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Речовини, які здатні змінювати індукцію магнітного поля, в якому вони знаходяться називаються магнетиками. В магнітному полі магнетики намагнічуються, в результаті чого створюють власне магнітне поле, що і є причиною зміни сумарного поля. Процес намагнічування магнетика полягає у впорядкуванні просторової орієнтації атомів і молекул, з яких складається магнетик.

В найпростішій моделі намагнічування магнетика - моделі елементарних струмів - атом розглядається як система, яка складається із позитивного ядра і електронів, які рухаються навколо нього по коловим орбітам. Ці електрони еквівалентні круговим струмам і тому кожний атом може розглядатись як рамка зі струмом, подібно до рамки, яка розглядається в курсі електромагнетизму.

Для кількісної оцінки стану намагнічення зразка вводять поняття вектора намагнічення:

,

який дорівнює сумі магнітних моментів в одиниці об'єму зразка.

Експеримент показує, що за характером залежності вектора від напруженості зовнішнього намагнічуючого поля магнетики поділяються на три класи: діамагнетики, парамагнетики та феромагнетики.

Діамагнетики, до яких відносяться, наприклад, мідь, свинець, срібло, вода тощо, намагнічуються так, що вектори і стають антипаралельними. Парамагнетики ж, до яких відносяться платина, алюміній, кисень тощо, намагнічуються так, що вектори і співпадають.

Причому і для діамагнетиків, і для парамагнетиків в широкому діапазоні практично застосовуваних зберігається прямопропорційна залежність:

,

де <0 для діамагнетиків і >0 для парамагнетиків. Величина називається коефіцієнтом магнітної сприйнятливості. На практиці частіше користуються величиною:

,

який називається коефіцієнтом магнітної проникності речовини.

Нарешті, третій клас магнетиків - феромагнетики - відрізняється складною нелінійною і неоднозначною залежністю вектора від . Ці вектори в загальному випадку не колінеарні. Крім того магнітні властивості феромагнетиків часто залежать від взаємної орієнтації зовнішнього намагнічуючого поля і магнітного поля зразка - феромагнетики анізотропні.

Прикладами феромагнетиків є залізо, кобальт, нікель, магнетит, ферит тощо.

Які ж основні властивості феромагнетиків, що відрізняють їх від діа- і парамагнетиків? До них можна віднести:

1) величина коефіцієнта , а значить і , значно перевищує одиницю, досягаючи значень ~ 106. Крім того, ці коефіцієнти є тензорними величинами, так що напрямки і в загальному випадку не співпадають;

2) на відміну від парамагнетиків, феромагнетики намагнічуються до насичення вже в слабких полях;

3) магнітна проникливість феромагнетика залежить від напруженості намагнічуючого поля: спочатку швидко зростає із збільшенням Н, досягає максимуму, а потім спадає, прямуючи до одиниці в сильних полях.

4) залежність індукції магнітного поля зразка В від напруженості зовнішнього магнітного поля Н (рис. 1.3) має гістерезисний характер.

Властивості феромагнетиків пояснюються наявністю в них областей, які у відсутності зовнішнього поля спонтанно намагнічені до насичення; ці області називаються доменами. Розміри доменів ~ () м. Розташування і намагніченість доменів такі, що у відсутності зовнішнього поля сумарна намагніченість дорівнює нулю. В зовнішньому полі вектори намагніченості доменів частково повертаються в напрямку поля і феромагнетик намагнічується.

1. Фізичні основи принципу запису на магнітний носій та читання з нього

В основі магнітного запису лежить явище зберігання залишкової намагніченості феромагнітного робочого шару.

Осердя такої головки повинне бути виготовленим з феромагнетику з якомога вужчою петлею гістерезису (наприклад, м'якого заліза). На осердя одягнена котушка. В обчислювальних машинах струм не є неперервний, а подається на котушку у вигляді коротких імпульсів. В котушці виникає магнітний потік Ф(t), який поширюється по осердю і попадає в його щілину - зазор між торцями осердя. Цієї частини осердя торкається рухомий робочий феромагнітний шар носія, що рухається з деякою швидкістю відносно головки. Струм i(t), що протікає по обмотці, створює змінне магнітне поле з індукцією В(t), яка, при умові вузькості петлі гістерезису матеріалу осердя, достатньо точно повторює закон зміни струму i(t). Магнітне поле, розсіюючись в зазорі осердя, проникає всередину феромагнітного робочого шару, намагнічуючи його. Величина і напрямок вектора залишкової намагніченості М залежать від координати х і представляє функцію F2(х), що несе записану інформацію. Оскільки х=t, то умовою неспотвореної інформації є:

,

де , в, г - постійні коефіцієнти.

Для відтворення інформації магнітного запису служить головка читання, яка, якщо не вдаватися в деталі, аналогічна головці запису.

При проходженні феромагнітного робочого шару, намагніченого за законом F2(t), біля зазору головки читання зі швидкістю потік магнітної індукції Ф, що пронизує обмотку котушки, змінюється в першому наближенні за законом , де k - постійний коефіцієнт пропорційності.

Згідно з законом Фарадея в котушці головки виникає електрорушійна сила (е. р. с.) індукції еі:

,

при чому кожному відтвореному імпульсу відповідає два імпульси еі(t) різної полярності. Індукційний струм котушки іі(t), що відповідає прямокутним імпульсам еі(t), визначається наступними формулами:

1. за переднім фронтом імпульсу:

,

2. за заднім фронтом (спадом) імпульсу:

.

Тут - амплітудне значення еі(t), R - опір котушки, L - її індуктивність, С - стала.

За геометрією носія магнітна пам'ять поділяється на:

1. Пам'ять на магнітній дротині;

2. Пам'ять на магнітній стрічці (стрімер);

3. Феритова пам'ять;

4. Пам'ять на магнітних дисках.

2. Пам'ять на магнітних носіях

Пам'ять на магнітній дротині.

Пам'ять на магнітній дротині (англ.: plated wire memory) використовувалась в магнітофонах до запровадження в якості носія магнітної стрічки. Вперше як носій інформації магнітна дротина була застосована в 1898 році в телеграфоні Паульсена.

На циліндр, який міг обертатись з постійною частотою, щільно намотувався металевий дріт діаметром 0,5мм. Вздовж циліндра по направляючій рухалась електромагнітна головка зі швидкістю 2,1 м/c, яка могла намагнічувати певні ділянки дроту. Для відтворення записаного все відбувалось в зворотному напрямку.

Недоліком використання дроту в якості носія була проблема з'єднання окремих його кусків. З'єднання вузлом не підходило, оскільки вузол не проходив через магнітну головку. До того ж стальний дріт легко заплутувався, а альтернатива йому, - стальна стрічка, різала руки інженерів.

Зараз в основному пам'ять на магнітній дротині використовується в авіаційних „чорних скриньках”, оскільки цей носій має високу стійкість до зовнішнього впливу екстремальних температур, тисків, дії агресивних середовищ, тощо.

Пам'ять на магнітній стрічці.

Вперше приводи на магнітній стрічці були випущені корпорацією ІВМ в грудні 1952 року В 1957 році в якості основи магнітної стрічки почала використовуватись попередньо витягнута тонка поліефірна плівка. Перші магнітні стрічки містили від 7 до 9 доріжок (треків), а їх щільність досягала 488 доріжок на дюйм (lpi). Робочий шар стрічки покривався тонким шаром пластику для захисту стрічки від деформації головкою, а також - від впливу вологості. Крім того, вперше бобіни магнітної стрічки було вкладено в картриджі. Така конструкція зменшувала чутливість стрічки до умов навколишнього середовища і механічних впливів, а також зробила цей носій інформації більш придатним для використання в автоматичному режимі, полегшуючи пошук та управління інформацією.

Параметри магнітної стрічки які використовуються в даний час для зберігання інформації наступні:

1. Ширина стрічки - від 3,81 мм до 12,5 мм;

2. Ширина треку на магнітній стрічці - 1,5 мкм;

3. Щільність доріжок (lpi) - 488 доріжок на дюйм;

4. Лінійна щільність бітів інформації в найновіших зразках стрічок становить 150000 біт/дюйм;

5. Матеріал основи: ацетилцелюлоза, полівінілхлорид. поліефірна смола. Товщина основи - 20-45мкм;

6. Матеріал феромагнітного робочого шару: сухий лак,

7. Загальна кількість інформації на одній стрічці - до 8ТБ.

8. Використовується магнітна стрічка з подвійним покриттям робочим шаром з однієї сторони. В якості робочого шару тут використовується барій-феритовий шар, що дозволяє в декілька разів підвищити щільність інформації на стрічці.

9. В якості головок читання використовуються GMR-головки.

Орієнтовно можна вважати, що довжина ділянки l намагніченості доріжки стрічки становить:

,

де ф - час імпульсу струму в головці, s - величина зазору, - швидкість руху стрічки.

Для того, щоб вектор намагнічення ділянки треку стрічки мав однорідне значення, необхідно щоб на ньому була присутня достатньо велика кількість голок феромагнетику.

Тому необхідне виконання умови:

l>>lг,

де lг - середня довжина однієї голки.

Для розділення намагнічених ділянок, що відповідають двом послідовним імпульсам в котушці головки необхідно, щоб за час паузи між імпульсами струму намагнічена ділянка встигла вийти із магнітного поля в зазорі осердя. Для цього повинна виконуватись умова:

<.

Співвідношення показують, що допустима щільність запису інформації на доріжці при заданій швидкості її руху збільшується при зменшенні ширини зазору осердя записуючої головки. Однак, довільно зменшувати ширину зазору s неможливо, оскільки при цьому буде зменшуватись розсіювання магнітного поля і глибина його проникнення в робочий шар стрічки. В результаті цього буде зменшуватись і величина вектора намагнічення. Крім того, створення вузьких і в той же час достатньо однорідних по товщині зазорів є технічно важкою задачею.

а) Технологія запису даних на магнітну стрічку:

1. лінійний магнітний запис (DLT/SDLT, SLR, LTO);

2. похило-рядковий магнітний запис (DAT/DDS, AIT, S-AIT, VXA).

Лінійна технологія (серпантинний запис) передбачає рух магнітної стрічки вздовж нерухомих записуючої і читаючої головок. Операції запису/читання виконуються як при прямому, так і при зворотному русі стрічки. Таким чином, інформація записується по доріжках, розташованих вздовж магнітної стрічки. При записі/читанні стрічка рухається в обох напрямках вздовж нерухомої головки; по досягненні кінця стрічки головка зсувається на одну доріжку, а стрічка рухається в протилежному напрямку. Для збільшення швидкості запису/читання встановлюється декілька головок, які працюють з декількома доріжками одночасно.

Переваги:

1. можливість створення простого і надійного механізму протягування стрічки;

2. незначне зношування магнітної стрічки;

3. висока надійність зберігання даних.

Недоліки:

1. відносно низька щільність запису інформації;

2. залежність швидкості запису/читання від швидкості руху магнітної стрічки.

У системах з похило-рядковим записом (спіральний запис) кілька записуючих/читаючих головок розміщують на барабані, що обертається. Цей барабан встановлюється під деяким кутом до вертикальної осі. Доріжки запису розміщуються під кутом до напрямку швидкості магнітної стрічки, тобто вони мають невелику скінчену довжину. При обертанні барабану, головка описує спіраль відносно рухомої стрічки весь час попадаючи на нову доріжку. Оскільки абсолютна швидкість руху стрічки невелика, процеси старту і зупинки запису/читання займають менше часу і створюють менші механічні навантаження на стрічку.

Переваги:

1. можливе використання більш тонких стрічок;

2. щільність розташування доріжок (lpi) в декілька разів вища ніж при лінійній технології.

Недоліки:

1. складна (а отже, ненадійна) конструкція протягування стрічки;

2. сильне зношування магнітної стрічки при експлуатації.

б) Способи запису даних на магнітну стрічку.

Запис з поверненням до нуля.

В цьому способі запису стрічка намагнічується до насичення лише під час проходження послідовності коротких імпульсів. В проміжку між імпульсами стрічка залишається не намагніченою. Такий запис ще називають записом з проміжками.

Розглянемо запис і читання з поверненням до нуля коду 10110001.

На головку запису обов'язково попадають синхроімпульси. Це імпульси, які дозволяють дані на стрічці розміщувати рівномірно. При подачі синхроімпульсу на головку запису одночасно з ними подаються струми намагнічення. При запису з поверненням до нуля сигналу „1” відповідає струм намагнічення додатної полярності, „0” - від'ємної. Відповідно до подачі струму намагнічення в магнітній стрічці будуть намагнічуватись відповідні її ділянки. При зчитуванні інформації в котушці головки зчитування виникають по два імпульси ЕРС на одну ділянку намагнічення доріжки.

Для розшифрування такого запису потрібен дешифратор, який видає імпульси, при умові, що на початку синхроімпульсу має місце від'ємний викид струму відтворення і не видає імпульси, якщо на початку синхроімпульсу струм читання додатній. В якості дешифраторів використовуються тригерні схеми, які будуть розглянуті в розділі „Оперативка”.

Недоліки:

Не економність. Та обставина, що кожному біту інформації відповідає два імпульси струму читання приводить до зношування головок. Крім того на магнітній доріжці є ділянки, на які не записується інформація, що знижує загальну щільність запису і об'єм пам'яті.

Запис без повернення до нуля (запис без проміжків)

При такому виді запису напрямок струму в котушці запису змінюється на протилежний лише при зміні „0” на „1” і навпаки. Струм в обмотці запису не зникає, а лише змінює напрямок на протилежний.

Недоліки:

Великі вимоги до дешифратора. Якщо в записі є велика кількість „1” підряд дешифратор повинен працювати неперервно, що накладає обмеження на електричну схему тригера. Можливі помилкові включення тригера, а також пропуски тригером сигналів, що вносить суттєві помилки при відтворенні. магнітний феритовий накопичувач

Пам'ять на магнітних осердях.

Пам'ять на магнітних осердях (англ.: magnetic core memory) або феритова пам'ять (англ.: ferrite memory) - запам'ятовуючий пристрій, що зберігає інформацію у вигляді намагніченості невеликих феритових осердь.

Феритові осердя виготовлялись найчастіше у формі кілець з магнітожорсткого заліза з майже прямокутною петлею гістерезису і двома стійкими станами залишкової намагніченості. Ферит за хімічною структурою є окисел феромагнітного матеріалу, змішаного з магнітним залізняком. Основним елементом пристрою управління і арифметичного пристрою був тригер на електронних лампах.

Феритові кільця найчастіше розставляються в прямокутну матрицю, через кожне кільце якої проходить, в залежності від конструкції запам'ятовуючого пристрою, від двох до чотирьох провідників. Ці провідники відіграють роль котушок, намотаних на кільця для їх перемагнічування. Діаметр таких кілець (частки мм) роблять якомога меншим для швидкого перемагнічування. Швидке перемагнічування осердь визначає швидкодію запам'ятовуючих пристроїв. Вона для кращих зразків таких пристроїв пам'яті становила 106 переключень за секунду. Стан намагнічення кільця, тобто записаний код, визначається пробним імпульсом струму, який подається на тактову обмотку. Якщо цей імпульс не перемагнічує кільце, то на виході сигналу нема, і цьому можна співставити логічний „0”, якщо струм перемагнічує кільце, то це означає, що в ньому була закладена логічна „1”.

а) Схема передачі інформації між кільцями.

Схема послідовного з'єднання двох магнітних осердь. Кожне кільце має чотири обмотки:

1. Імпульс струму, за допомогою якого записується інформація подається на вхідну обмотку. При цьому імпульсі феритове кільце намагнічується певним чином. Воно може зберігати цей стан (логічні „1” або „0”) практично нескінченно довгий час.

2. Обмотки заборони мають наступне призначення: при подачі на них сигналу будь який імпульс із вхідної котушки не може змінити стан феритового кільця.

3. Тактові обмотки служать для індикації стану феритового кільця. Якщо при подачі на них сигналу стан феритового кільця не змінюється значить в ньому закодований „0”, а якщо змінюється -то закодована „1”. Крім того, тактові обмотки синхронізують роботу всього лічильного пристрою.

4. Вихідні обмотки служать для передачі імпульсів струму між кільцями.

Приведемо приклад передачі біту інформації від одного феритового кільця до іншого. Нехай вихідний стан 2-х феритових кілець М1 і М2 - „0”. При подачі на вхід першого кільця імпульсу струму і відсутності сигналу в тактовій обмотці кільце М1 перемагнітиться і перейде в стан „1” . Цей імпульс струму не може пройти на вхід другого кільця і перемагнітити його внаслідок включення діода проти струму. Діод не пропускає цей імпульс у вхідну котушку другого кільця і воно залишиться в стані „0”. При відсутності імпульсу у вхідній котушці і подачі імпульсу на тактову обмотку він переводить стан першого кільця в ”0” і має такий напрямок що проходить через діод і переводить друге кільце в стані „1”. Таким чином відбулася передача логічної „1” з кільця 1 в кільце 2. Сказане вище проілюстровано в наступній таблиці, де стрілками, направленими в протилежні сторони умовно позначено два стани намагнічення кілець, що відповідають „0” і „1”.

б) Приклад логічної схеми на феритових кільцях.

Схема, яка реалізує логічну операцію коньюнкції („ І ”). Цю схему можна назвати також схемою співпадань. Імпульс на виході кільця М3 з'являється тільки при одночасній появі імпульсів на входах А і В. В цьому випадку кільце М2 свого стану не змінює, оскільки сигнал В подано на обмотку заборони. Тому не з'являється сигнал і на обмотці заборони кільця М3, і воно перекидається черговим тактовим імпульсом, даючи на виході імпульс, який відповідає логічній „1”. Якщо ж сигнал В відсутній, то сигнал А перекидає кільце М2, а вихідний сигнал з цього кільця забороняє перекидання кільця М3. Якщо нема сигналу А, то поява сигналу В теж може визвати перекидання М3.

Пам'ять на магнітних дисках.

В даний час така пам'ять реалізується на накопичувачах на жорстких магнітних дисках (жорсткий диск, вінчестер, хард, HDD, з англ.: Hard (Magnetic) Disk Drive) - енергонезалежний, комп'ютерний, перезаписуючий пристрій. Вперше жорсткий диск було запропоновано в 1956 році корпорацією ІВМ під назвою IBM 350 Disk File. Він складався з 50 дисків діаметром 24 дюйми, які обертались зі швидкістю 1200 об/хв. Середній час доступу до довільної комірки складав 1 секунду, щільність - 2 кбіт/дюйм2, загальна ємність - 5 МБ. В якості технології запису використовувався паралельний запис інформації.

Основним критерієм оцінки накопичувачів на жорстких дисках є поверхнева щільність запису. Вона визначається як добуток лінійної щільності запису вздовж доріжки, яка визначається в бітах на дюйм (Bits Per Inch - BPI), і кількості доріжок на дюйм (Tracks Per Inch - TPI). В сучасних накопичувачах розміром 3,5дюйма величина цього параметру складає 10-20 Гбіт/дюйм2, а в експериментальних моделях досягає 100 Гбіт/дюйм2.

Сучасний жорсткий диск складається з наступних основних частин:

1. Блок електроніки;

2. Електродвигун для обертання дисків;

3. Блок головок з пристроєм позиціювання;

4. Власне жорсткі диски з магнітним покриттям;

5. Корпус.

Основними елементами накопичувача є декілька алюмінієвих або скляних пластин, на які нанесено робочий феромагнітний шар і які знаходяться на одній осі. Дані записуються і зчитуються універсальними головками читання/запису з поверхні дисків, розбитих на доріжки і сектори (512 байт даних в кожному). Доріжка - це одне „кільце” даних на одній стороні диску. В багатьох накопичувачах її ємність перевищує 100000 Байт. Відводити такий блок для зберігання одного файла недоцільно, тому доріжки на диску розбивають на нумеровані відрізки, які називають сектори. Кількість секторів може бути різною в залежності від щільності доріжок і типу накопичувача. В середніх накопичувачах доріжка вінчестера має від 380 до 700 секторів.

Принцип запису на магнітний диск практично не відрізняється від принципу запису на магнітну стрічку. В таких накопичувачах зазвичай встановлюється декілька дисків і дані записуються на обидві сторони кожного з них. Однотипні (однаково розміщені) доріжки на всіх сторонах дисків об'єднуються в циліндр. Всі головки змонтовані на загальному стержні і можуть рухатись тільки синхронно.

Незалежно від того, який матеріал використовується в якості основи диску, він покривається тонким шаром феромагнітного матеріалу. Самими поширеними є два типи робочого шару:

1. оксидний;

2. тонкоплівковий.

Оксидний шар виготовляється з полімерного матеріалу, наповненого окисом заліза. Цей матеріал в якості робочого шару дисків використовувався з 1955 року, але внаслідок недостатньої твердості зараз майже повністю замінений тонкоплівковим робочим шаром.

Тонкоплівковий робочий шар має меншу товщину, він твердіший, і якість його покриття набагато вища. Наносять його на основу шляхом електролізу сплаву кобальту товщиною біля 0,025мкм або шляхом напилення на основу двох шарів: фосфориту нікелю і магнітного кобальтового сплаву (0,025-0,5мкм). В обох технологіях зверху робочий шар покривається захисною надзвичайно міцною вуглецевою плівкою.

Підвищення щільності запису магнітних дисків за допомогою технології AFC.

Підвищення щільності запису магнітних дисків за допомогою технології AFC (antiferromagnetically coupled).

У 1990 році спеціалістами компанії ІВМ була розроблена технологія AFC (система антиферомагнітного запису інформації). В 2001 році вийшли в продаж перші накопичувачі Deskstar GXP ємністю 80 і 120ГБ, створені за цією технологією. Принцип роботи цієї системи базується на явищі GMR і заключається в наступному: між 2 шарами феромагнітного матеріалу з кожної сторони магнітного диску наноситься надзвичайно тонкий шар (товщиною 2-3 атоми) рутенію. Носії, в яких використовується шар металевого рутенію (носії з антиферомагнітними подвійними шарами) отримали назву пилок ельфа („pixie dust”). Тонкий шар рутенію, розміщений між двома магнітними робочими шарами, дозволяє зорієнтувати намагнічення доменів відповідних шарів в протилежних напрямках (див. рис. 1.20). Така тришарова структура робочого шару має дещо більшу товщину відносно традиційного, але протилежна магнітна орієнтація шарів дозволяє ущільнити інформацію на диску до 25Гбіт/дюйм2 і ємності жорстких дисків - до 400ТБ.

Накопичувач на гнучких магнітних дисках.

Накопичувач на гнучких магнітних дисках (дискета, НГМД, англ.: Floppy Disk Drive - FDD).FDD був винайдений в кінці 60-их років А. Штудгартом. Перші FDD з'явились в продажу на початку 80-их років в форматі 5,25 дюйма і об'ємі 1,2 МБ. На дискеті вкладалось 80 доріжок з 18 секторами. Сучасні FDD можуть зберігати до 3 ГБ інформації.

FDD - це носій невеликого об'єму інформації. Він представляє собою гнучкий пластиковий диск на полімерній основі покритій з обох сторін магнітним окислом. Такий диск розміщується в захисній оболонці, на внутрішню поверхню якої нанесено очищаюче покриття. В упаковці зроблені з обох сторін радіальні щілини, через які головки запису/читання отримують доступ до диску. Використовується FDD для перенесення даних з одного комп'ютера на інший і для розповсюдження програмного забезпечення. Зараз в комп'ютерній техніці майже не застосовується.

Накопичувач на змінних жорстких дисках.

По своїй суті - це переносний вінчестер. В накопичувачах цього типу жорсткі диски (одна або дві стандартні пластини) розміщуються в герметичному картриджі разом з головками запису/читання. Це дозволяє наблизити їх параметри до параметрів жорстких дисків.

Пам'ять на циліндричних магнітних доменах (ЦМД).

Пам'ять на ЦМД використовує генерацію і кероване переміщення в нерухомому магнітному матеріалі доменів. Вона має послідовний доступ і є енергонезалежною. Довгий час зберігала лідерство в щільності зберігання інформації серед енергонезалежних пристроїв.

Магнітна сприйнятливість феромагнетиків є тензорною величиною. Це означає, що вони характеризуються значною анізотропією намагнічення, тобто в кожного феромагнетика можна виділити декілька напрямків відносно кристалографічних осей, вздовж яких насичення в процесі намагнічення досягається при мінімальних напруженостях намагнічуючого поля. Осі по яких це спостерігається називаються осями легкого намагнічення. Феромагнетик, який має одну вісь легкого намагнічення називається одноосним. ЦМД виникають в тонких монокристалічних плівках одноосних феромагнітних матеріалів, осі легкого намагнічення яких перпендикулярні поверхні плівки. За відсутності магнітного поля у них самовільно утворюються домени, які мають форму стрічки, довжина якої набагато більша ширини. За свою форму такі домени отримали назву смугових доменів. Трансформація смугової доменної структури під дією зовнішнього магнітного поля: а) смугова доменна структура; б) відокремлені ЦМД; в) решітка ЦМД; г) стільникова доменна структура.

В ненамагніченому стані ширина смугових доменів з антипаралельною орієнтацією вектора намагнічення однакова, тому індукція магнітного поля, створеного плівкою, дорівнює нулю.

У магнітному полі для тих доменів, у яких напрямок вектора намагнічення J співпадає з напрямком напруженості зовнішнього магнітного поля Н, ширина домену збільшується. Якщо ж вони мають протилежний напрямок, то ширина зменшується. Так виникає рух доменних стінок, що приводить до збільшення розмірів одних доменів і зменшення інших. При деяких значеннях магнітних полів відбувається руйнування смугових доменів на окремі ізольовані ділянки, форма яких швидко стає циліндричною. Ці утворення отримали назву циліндричних магнітних доменів.

Застосування ЦМД.

Властивості ЦМД (стійкість в деякому інтервалі полів зміщення, рухливість, можливість керування їх рухом, властивість знаходитись в різних станах та ін.) визначають їх застосування в пристроях обробки інформації. Такий пристрій складається із низки функціональних елементів, які забезпечують генерацію, рух, переключення і детектування ЦМД. Ідея такого пристрою в наступному: нехай в плівці якимось способом сформований канал, вздовж якого можуть рухатись з заданою швидкістю ЦМД (канал пересування ЦМД). Інформація кодується за принципом наявності або відсутності в даній точці плівки ЦМД. В певних місцях каналу формують генератор і детектор ЦМД, які виконують ті ж функції, що і головки запису/читання в пристроях з рухомими магнітними носіями інформації. Генератор перетворює сигнали, які поступають на його вхід, у ЦМД, детектор робить зворотне перетворення. Важливою відмінністю ЦМД - пристроїв є те, що в них не потрібний механічний рух магнітного носія або головки.

Читання інформації відбувається за допомогою магніторезистивної головки.

Пристрої збереження інформації, які базуються на використанні намагнічення циліндричних доменів в широкий вжиток будуть введені в 2015-2020 роках.

3. Види головок запису/читання (англ.: read/write head)

Над кожною поверхнею кожного диска знаходиться своя головка. Всі головки змонтовані на загальному рухомому каркасі і пересуваються одночасно. Кожна з них встановлена на кінці підпружиненого важеля. При виключеному комп'ютері вони лежать на зовнішньому краї дисків, у вільній від записування інформації зоні. При вмиканні комп'ютера вони піднімаються над поверхнею дисків в середньому на 0,1мкм. Для підтримування головки на потрібній відстані від диску використовується повзунок.

На даний час найбільш відомі 6 видів головок запису/читання:

1. індукційні, або електромагнітні (ІГ);

2. феритові (ФГ);

3. з металом в зазорі (MIG, англ..: Metal In Gap)

4. тонкоплівкові (TF);

5. магніторезистивні (МR);

6. гігантські магіторезистивні (GMR).

Індукційні головки.

Індукційні (електромагнітні) головки Вони складаються з:

1. осердя з м'якого заліза;

2. додатковий зазор;

3. носій запису (не входить до складу головки);

4. робочий зазор;

5. котушка.

Додатковий зазор носить технологічний характер. При виготовленні головки, її не вдається зробити з монолітним сердечником, тому вона виготовляється з двох частин, які з'єднуються механічно.

Феритові головки.

Феритові головки (ФГ) вперше були застосовані в накопичувачах фірми ІВМ. Осердя ФГ виготовлялись із пресованого фериту на основі окислу заліза, тому вага їх була відносно велика. ФГ використовувались як для запису так і для читання інформації. Пізніше як модифікація ФГ виникли склоферитові (композитні) головки. У них феритове осердя знаходилось в керамічному корпусі. За рахунок зменшення ваги цих головок вдалося дещо зменшити робочий зазор (4 на рис. 1.26), а це дозволило збільшити щільність розміщення доріжок. ФГ використовувались в накопичувачах до середини 80-их років, зараз не використовуються.

Недоліки ІГ і ФГ:

1. не підходять для запису на носіях з великим коерцитивною силою;

2. частотна характеристика обмежена;

3. низька чутливість (погане співвідношення „сигнал - шум”);

4. велика вага і, як наслідок, великий зазор між носієм і головкою.

Переваги: дешевизна.

Головки MIG.

Головки MIG (головки з металом в зазорі) були розроблені на основі композитних головок. У них додатковий зазор (2) (див. рис. 1.26) заповнювався металом, що знижувало схильність матеріалу осердя до насичення і дозволяло підвищити магнітну індукцію в робочому зазорі.

Ці головки дозволяють використовувати матеріали з більшою коерцитивною силою і тонкоплівковим робочим шаром. Вони формують на поверхні диска намагнічені ділянки з більш чіткими границями, що дозволяє використовувати тонший феромагнітний шар. До того ж, це дозволяє зменшити зони зміни знаку при намагнічені, а значить, і підвищити щільність запису. Пізніше з'явились двошарові MIG-головки, в яких метал нанесений в робочий і додатковий зазори. Це дозволило суттєво зменшити відстань між дисками і головками.

Переваги:

1. зменшена відносно ІГ маса;

2. менший робочий зазор;

3. в MІG використовують підборну головку з заповненим зазором металізованим сплавом, індукція насичення якого в 2 рази більша ніж у феритів.

Тонкоплівкові (TF) головки.

Тонкоплівкові (TF) головки (англ.: Thin Film Heads) з'явилися в 1979 році. Вони виготовлялись фотолітграфічним методом, подібно до мікросхем. На основу наносяться тонкі плівки майбутніх фрагментів головки. Таким способом отримуються набагато тонші головки з меншими технологічним і робочим зазорами (див. рис. 1.28). Це дозволило різко зменшити розмір головок і їх масу. На одну основу можна нанести декілька тисяч фрагментів осердя із залізо - нікелевого сплаву. Крім того, конструкція нового типу дозволила змінювати зазор (до 0,03мкм) між головкою і диском шляхом нарощування шарів алюмінієвого сплаву на робочу поверхню головки.

Переваги:

1. зменшення величини зазору дозволяє підвищити залишкову намагніченість носія і щільність запису (індукція таких головок в робочому зазорі в 2-4 рази більша ніж індукція в ІГ і MІG-головці);

2. підвищується відношення „сигнал-шум”, оскільки збільшується амплітуда сигналу;

3. зменшується зона зміни знаку на робочій поверхні;

4. алюмінієвий сплав попереджує пошкодження головки об поверхню диску;

5. невеликі розміри головки дають змогу розмістити більшу кількість магнітних дисків..

Магніторезистивні (МR) головки.

Магніторезистивні (МR) головки (англ.: Magneto - Resistive) вперше були застосовані фірмою ІВМ в 1991 році в накопичувачах ємністю 1 ГБ (див. рис. 1.29). Принцип роботи МR-головки базується на магніторезистивному ефекті зміни опору провідників в магнітному полі. При проходженні головки над ділянками робочого шару диску з різною залишковою намагніченістю електричний опір головки буде змінюватись. Цей ефект зміни опору в магнітному полі був відкритий Кельвіном в 1857 році.

Явище зміни магнітоопору.

Якщо позначити питомий опір матеріалу без магнітного поля , а його питомий опір у магнітному полі з магнітною індукцією В - , то магнітоопір (у відносних одиницях) зручно характеризувати величиною:

В результаті, при накладанні напруги, на швидкий безладний рух електронного газу всередині металу накладається повільне зміщення електронів. Цей повільний дрейф і є електричним струмом. Приймають участь у цьому русі можуть не всі електрони, а лише та їх невелика частина, яка володіє енергією, близькою до максимальної (так званої енергії Фермі). Якщо таких електронів багато, то струм великий і, (відповідно) - опір малий і навпаки.

У явищі гігантського магніторезистивного ефекту визначальну роль відіграє орієнтація спіну електронів в зовнішньому магнітному полі. Магнітне поле всередині феромагнетику діє на електрони, збільшуючи або зменшуючи їх енергію в залежності від орієнтації їх спінів. Це приводить до зсуву енергії електронів і до зміни їх кількості біля енергії Фермі в залежності від орієнтації спіну.

Внаслідок цього складається картина коли електричний струм у феромагнетику складається з двох різних, але ретельно перемішаних потоків - потоків електронів із спіном за напрямком намагніченості і проти. Електричний опір для цих потоків різний. Для електронів зі спінами, орієнтованими проти поля, він менший, ніж для електронів зі спінами, орієнтованими за полем. Особливо слід наголосити, що така картина специфічна лише для феромагнетиків.

Виготовлення шарів надрешітки - технологічно дуже складне завдання. Їх вирощують в глибокому вакуумі, напилюючи на основу шар за шаром потрібні речовини. Обидві речовини, а також сама основа повинні мати схожі кристалічні решітки, інакше шарування буде різноплановим, а це негативно вплине на протікання електричного струму. Напилення повинно бути рівномірним, щоб шари різних речовин накладались один на одного не перемішуючись.

Також суттєве значення має і контроль магнітних властивостей зростаючих шарів.

Переваги:

1. головка є не генератором електрорушійної сили, а резистивним датчиком магнітного поля;

2. амплітуда вихідного сигналу в декілька разів більша ніж у TF-головки.

Недоліки:

1. головка має додаткову обмотку для подачі високостабілізованого вимірного струму;

2. головка дуже чутлива до зовнішніх магнітних полів, тобто вимагає екранування;

3. використання в процесі виробництва додаткових 4-6 фотомасштабів (масок).

Гігантські магніторезистивні головки.

Гігантські магніторезистивні (англ.: Giant Magneto - Resistive, GMR) головки називаються так не через їх геометричні розміри, а за величиною магніторезистивного ефекту, який в них виникає. Він досягається за рахунок введення додаткового шару в надрешітку.

GMR - ефект був відкритий у 1988 - 1989 рр. А. Фертом і П. Грюнбергом. Експериментуючи з матеріалами надрешіток і їх товщинами їм вдалося довести величину магнітоопору до 80%.

Такий ефект досягається завдяки тому, що звичайна GMR-головка складається з чотирьох тонкоплівкових (1-5нм) шарів:

1. чутливого (sensing layer), зробленого з залізонікелевого сплаву;

2. провідного (conducting spacer), виготовленого із немагнітного матеріалу (найчастіше - міді);

3. фіксованого (pinned layer), виготовленого з кобальту, з зафіксованим напрямком намагнічення;

4. обмінного (exchange layer), сильного антиферомагнетика, виготовленого, як правило, з FeMn або NiO.

5. Така структура отримала назву спінового затвору.

Магнітна орієнтація чутливого шару змінюється в залежності від напрямку намагнічення бітів доріжок диску.

Напрямок намагнічення всередині фіксуючого шару завжди однаковий, це досягається завдяки функціюванню обмінного шару.

В результаті сумарний опір чутливого і фіксованого шарів змінюється при проходженні над бітами диску - спрацьовує GMR-ефект, який в середньому в два рази більший за MR-ефект.

Переваги:

1. вища чутливість ніж у MR-головки до слабких сигналів;

2. вища щільність інформації для дисків де використовуються GMR-головки (до 100 Гбіт/дюйм2);

3. менші розміри;

4. завадостійкість;

5. не схильні до інтерференції сигналів.

4. Технології магнітного запису інформації

Система паралельного (горизонтального) зберігання даних.

У цій системі намагнічування робочого шару диску відбувається вздовж його руху. Він дозволяє здійснити щільність запису до 23 Гбіт/см2.

Дані записуються на диск, покритий феромагнітним записуючим шаром.

Система перпендикулярного (вертикального) зберігання даних (PMR).

У перпендикулярній системі запису даних орієнтація намагнічення доменів робочого шару перпендикулярна поверхні диску. Таке її розміщення вперше запропонував Ш. Івасакі в 1976 році.

Під робочим шаром диска чи стрічки знаходиться шар магнітом'якого заліза.

Магнітна головка, як і в поздовжньому запису, знаходиться з однієї сторони носія, але має відмінну від головки поздовжнього запису конструкцію. Полюси такої головки різні за поперечним перерізом - „гострий” і „тупий”. Густі силові лінії, які стікають з „гострого” полюсу, записують дані на диск і, розтікаючись по магнітом'якій основі, в розрідженому стані повертаються до „тупого” полюсу. При цьому розріджені вони настільки, що вже не в стані перемагнітити носій. Таким чином, якщо в поздовжньому запису магнітне поле запису генерується між полюсами головки, то в перпендикулярному - між зрізом полюсу головки і магнітом'якою основою диску. Тому домени записуючого шару орієнтуються вертикально, а основи - горизонтально. Це забезпечує додаткову стабільність доменів відносно один одного.

Для зчитування інформації в системах з перпендикулярним магнітним записом потрібні принципово нові головки читання, які дозволяють значно збільшити співвідношення сигнал/шум і потужність самого сигналу. Тому деякі компанії вже починають застосовувати нове покоління головок на тунельному магніторезистивному ефекті (TMR Heads).

Система магнітного теплового зберігання даних.

Таку систему запису ще називають термоасистованою системою запису (англ.: HAMR - Heat Assisted Magnetic Recording, запис з попереднім нагріванням за допомогою лазера). Цей метод передбачає короткочасний (1 пс) нагрів ділянки, на яку проводиться запис, до температури 380-400 К. В HAMR-головку вбудований лазер. При проходженні такої головки над робочим шаром він нагрівається променем лазера, внаслідок чого зменшується магнітна сприйнятливість феромагнетика робочого шару, а значить і зменшення площі гістерезису. Зменшення площі петлі гістерезису дає можливість переводити магнітний стан індукції зі стану ”0” в”1” і навпаки при менших значеннях індукції зовнішнього магнітного поля. Після проходження головки над нагрітою ділянкою її температура відновлюється до норми і петля гістерезису відновлює свою попередню форму. Такий спосіб зберігання інформації дозволяє досягнути її щільності до 20 Тбіт/дюйм2.

Система структурованого (паттернованого) зберігання даних.

Система паттернованого зберігання даних - перспективна технологія зберігання даних на магнітному носієві. Вона використовує для запису даних масив однакових магнітних комірок, кожна з яких відповідає одному біту інформації, на відміну від сучасних технологій магнітного запису, в яких біт записується на декількох доменах.

Як відомо, для підвищення щільності інформації на магнітному носієві необхідно зменшувати геометричні розміри області запису одного біту даних. В записаному стані ця область повинна бути стійкою до зовнішніх чинників і зберігати цей стан достатньо довгий проміжок часу. Якщо розмір такого магнітної області дуже мала, можливе виникнення суперпарамагнітного ефекту, тобто не стійкості намагніченого стану в результаті теплового руху доменів. Це означає, що розмір області 1 біту даних має певну фізичну межу, зменшення якої переводить феромагнетик в парамагнетик.

В технології паттернованого запису сотні маленьких магнітних доменів замінені одним великим зерном. Для цього проводиться додаткова обробка поверхні методом літографії, в результаті якої кожне велике зерно розміщується на деякому магнітоізольованому підвищенні. Розміщення області одного біту даних на підвищенні дає можливість зменшити вплив теплового руху на стійкість намагніченого стану.

Такий спосіб зберігання інформації дозволяє досягнути її щільності до 4 Тбіт/дюйм2.

Фізичні обмеження перпендикулярного запису фактично досягнуті і на зміну йому повинні прийти термоасистована пам'ять та структуровані носії. На даному малюнку не відображені перспективи розвитку альтернативних методів зберігання даних (флеш, голографічних), які в досяжному майбутньому можуть скласти серйозну конкуренцію магнітним носіям.

Размещено на Allbest.ru