РОЗДІЛ 1. Магнітний запис та читання інформації.

РОЗДІЛ 1. Магнітний запис та читання інформації.

 

Тривалий час в якості основного пристрою зберігання даних в обчислювальній техніці використовувались перфокарти і перфострічки. Вперше їх застосували в програмованих ткацьких станках у 1725 році. В обчислювальних машинах СРСР середини ХХ століття найбільшого поширення отримала 80-колонкова перфокарта (див. рис. 1.1). Кожна колонка кодувала 1 байт. 8 із 80 байтів були службовими. Стандартні розміри перфокарти становили 187,4х82,5 мм, а швидкість їх обробки - 2000 карт за 1 хвилину. Зчитування даних з перфокарт здійснювалось за допомогою фотоелементів.

Лише в 1949 році група інженерів компанії ІВМ розпочала розробку нового пристрою зберігання даних – магнітного носія. В основу принципу запису, зберігання і читання інформації було покладено явище намагнічування шару феромагнітного матеріалу (робочого шару), нанесеного на немагнітну основу. Це явище використовувалось в ЕОМ першого покоління, широко застосовується воно і в даний час. Пояснюється це наступними його перевагами:

· малою вартістю зберігання 1 біта інформації;

· простотою запису і зчитування;

· великою щільністю зберігання інформації.

Рис. 1.1.

Технологія запису даних на магнітну стрічку.

 

Технології, що використовуються при створенні стрічкових накопичувачів, залежать від декількох обставин. Вони повинні оптимізувати ширину стрічки і метод розміщення запису на ній, забезпечити максимальну швидкість руху і мінімальне число перегинів при перемотуванні, знайти спосіб зниження тертя між стрічкою і головками запису/читання і т. д. Інший комплекс проблем пов’язаний з вибором способу запису на плівку та визначенням методу зчитування інформації, в тому числі і компресії даних. Але найголовніше – знайти оптимальне поєднання, що забезпечує найшвидший доступ до даних, високу їх пропускну здатність та надійність зберігання. У пошуках оптимального рішення фірми-виробники розробляють власні системи. Тим не менше, незважаючи на конструктивні відмінності, в усіх стрічкових пристроях використовується лише два базових методи запису:

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

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

Лінійна технологія (серпантинний запис) (див. рис. 1.8.І) 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.

Рис. 1.8. Лінійний (І) і похило-рядковий (ІІ) магнітний запис: а) магнітна стрічка, б) доріжки, в) фіксована магнітна головка, г) магнітні головки, що обертаються.

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 (див. рис. 1.8.ІІ). 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.

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 (див. рис. 1.20.а).

 

Рис. 1. 20. 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 (див. рис. 1.20а, б, в та рис. 1.21). Ці утворення отримали назву циліндричних магнітних доменів.

Рис. 1.21.

2.7.2. 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 (див. рис. 1.21, 1 - логічна „1”, 2 - логічний „0”). 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.

Рис. 1.22, а – доменорухома ТІ-структура із пермалоєвих аплікацій (Н_зм і Н_упр - напруженість магнітного поля зміщення і управління, d – діаметр ЦМД), б – Схема руху ЦМД вздовж ТІ-структури.

 

Найчастіше використовуються доменорухомі структури у вигляді аплікацій певної форми (наприклад, в вигляді ТІ; рис. 1.22) із магнітом’якого матеріалу (найчастіше – пермалою). При намагнічені пермалоєвих аплікацій управляючим магнітним полем, орієнтованим в площині плівки, на їх краях виникають магнітні полюси. ЦМД притягаються до від’ємних полюсів аплікацій, тобто створюється магнітостатична пастка. При обертанні управляючого магнітного поля в площині плівки потенціальні ями рухаються разом з ЦМД, а в вузькому зазорі між аплікаціями ЦМД переходить на сусідню аплікацію і продовжує рух по її периметру.

За один повний поворот управляючого поля в площині плівки відбувається зміщення ЦМД на один період доменорухомої структури. Тактова частота обертання поля (10⁵-10⁶ Гц) визначає швидкодію ЦМД-пристроїв. Величина періоду структури і відстань між каналами повинні бути більшими або порядку 4d, щоб виключити взаємодію доменів. Ця величина визначає щільність запису в ЦМД-пристроях (6000000 біт/см² при d =1 мкм). Доменорухома структура створюється літографічним способом.

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)

 

Відносне розміщення головок запису/читання в HDD показане на рис. 1.23.

Рис. 1.23.

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 0,1 мкм. 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..: M etal I n G ap)

4. тонкоплівкові (TF);

5. магніторезистивні (МR);

6. гігантські магіторезистивні (GMR).

3.1. Індукційні (електромагнітні) головки. (ІГ) вперше були застосовані для магнітних стрічок, осердь і перших жорстких дисків. Будова їх показана на рис. 1.24. 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.

Рис. 1.24.

 

Додатковий зазор (2) носить технологічний характер. При виготовленні головки, її не вдається зробити з монолітним сердечником, тому вона виготовляється з двох частин, які з’єднуються механічно.

3.2. Феритові головки (ФГ) вперше були застосовані в накопичувачах фірми ІВМ (див. рис. 1.24). 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), а це дозволило збільшити щільність розміщення доріжок. ФГ використовувались в накопичувачах до середини 80-их років, зараз не використовуються.

Рис. 1.24.

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.

3.3. Головки MIG (головки з металом в зазорі) були розроблені на основі композитних головок. У них додатковий зазор (2) (див. рис. 1.23) заповнювався металом, що знижувало схильність матеріалу осердя до насичення і дозволяло підвищити магнітну індукцію в робочому зазорі.

Ці головки дозволяють використовувати матеріали з більшою коерцитивноюсилою 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.

3.4. 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. 1.25). 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 0,03 мкм) 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.

Рис. 1.25.

3.5. Магніторезистивні (МR) головки (англ.: Magneto - Resistive) вперше були застосовані фірмою ІВМ в 1991 році в накопичувачах ємністю 1 ГБ (див. рис. 1.26). 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.

Рис. 1.26.

3.5.1. 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

Магнітоопір для самих різноманітних досліджуваних речовин ніколи не перевищував декількох відсотків.

Звичайний електричний опір провідника виникає внаслідок того, що електрони при своєму русі наштовхуються на перешкоди в провіднику (дефекти кристалів, домішкові атоми, теплові коливання кристалічної решітки).

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 (див. рис. 1.27).

Рис. 1.27.

 

В наслідок 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.

Такими властивостями електричного опору феромагнетиків вдалося скористатися в матеріалах, які характеризуються своїми надрешітками. Надрешітка – це кристал, який складається з декількох шарів магнітних і немагнітних речовин зі схожою кристалічною структурою, що чергуються. Товщина шарів становить 1-2 нм, що відповідає 2-5 періодам кристалічної решітки (див. рис. 1.28).

 

Рис. 1.28. Надрешітка.

 

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.

В експерименті визначилось, що якщо правильно підібрати матеріал для немагнітних шарів і його товщину, то магнітні шари будуть мати неспецифічну для феромагнетиків тенденцію чергування орієнтації намагніченості шарів. Це особливо яскраво проявляється в шарах залізо – хром. Якщо шари феромагнетику (заліза, Fe) чергуються з тонкими шарами немагнітного металу (хром, Cr) певної товщини, то в шарах феромагнетику напрям вектора намагніченості буде чергуватись за відсутності зовнішнього магнітного поля (Н =0) (див. рис. 1. 29, зліва). Однак, якщо таку структуру помістити в сильне зовнішнє магнітне поле, то вектор намагніченості шарів феромагнетику розвернеться в одну сторону (див. рис. 1.29, справа). Якщо магнітне поле забрати, то чергування намагніченості шарів відновиться.

Рис. 1.29.

 

Рухаючись упоперек шарування електрони з одним напрямком спіну відчувають великий опір всередині одних шарів (наприклад, парних), але малий – всередині інших шарів (непарних), а електрони з протилежним напрямком спіну відчувають малий опір всередині парних шарів і великий – всередині непарних. Оскільки і тих, і інших шарів однакова кількість, то обидва сорти електронів перебувають в однакових умовах. При накладанні зовнішнього магнітного поля і вирівнюванні напрямку намагнічення феромагнітних шарів електрони обох сортів опиняться в різних умовах. Електрони з одним напрямком спіну „відчують” великий опір у всіх шарах феромагнетика і їх внесок в струм зменшиться, а електрони з протилежним напрямком спіну „відчують” малий опір і будуть фактично рухатись в режимі короткого замикання. В результаті, струм суттєво збільшиться, а сумарний опір – зменшиться (див. рис. 1.30).

Рис. 1.30.

 

Еквівалентна схема процесу представлена на рис. 1.31. Тут R – великий опір одних феромагнітних шарів, а r – малий опір інших феромагнітних шарів.

Початкові експерименти Ферта показали зменшення опору зразка майже в два рази. Цей результат вдалося досягти з використанням сильних магнітних полів при температурі 4,2 К. Дослідження Грюнберга дозволили досягти зменшення опору у два рази при кімнатній температурі і набагато слабших магнітних полях.

Використання МR - головок дозволило довести щільність інформації на диску до 3,09 Гбіт/дюйм².

Рис. 1.31.

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).

Оскільки на основі магніторезистивного ефекту можна створити тільки пристрій читання, то в сучасних магнітних головках здійснюється розділення запису і зчитування інформації різними головками. Так запис здійснюється за допомогою TF-головки,а зчитування за допомогою МR-головки. У всіх раніше розглянутих головках застосовувався один робочий зазор як для запису, так і для читання. У магнітної головки їх два – кожний для своєї операції. У вузла читання зазор повинен бути вузьким (для збільшення роздільної здатності), а у записуючого вузла – більш широким (для глибокого проникнення магнітного потоку в робочий шар носія). Крім того, записуюча TF-головка створює більш широкі доріжки, чим це необхідно для читаючої МR-головки. Тому, при читанні головкою не захоплюються шуми сусідніх доріжок.

Хоча вартість таких головок вища чим MIG і TF-головок, цей недолік нівелюється надзвичайно високою щільністю запису і надійністю.

3.6. 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% (див. рис. 1.32).

Рис. 1.32.

 

Такий ефект досягається завдяки тому, що звичайна GMR-головка складається з чотирьох тонкоплівкових (1-5 нм) шарів (див. рис. 1.33):

· чутливого (sensing layer), зробленого з залізонікелевого сплаву;

· провідного (conducting spacer), виготовленого із немагнітного матеріалу (найчастіше – міді);

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

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

Така структура отримала назву спінового затвору.

Рис. 1.33.

 

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.

РОЗДІЛ 1. Магнітний запис та читання інформації.

 

Тривалий час в якості основного пристрою зберігання даних в обчислювальній техніці використовувались перфокарти і перфострічки. Вперше їх застосували в програмованих ткацьких станках у 1725 році. В обчислювальних машинах СРСР середини ХХ століття найбільшого поширення отримала 80-колонкова перфокарта (див. рис. 1.1). Кожна колонка кодувала 1 байт. 8 із 80 байтів були службовими. Стандартні розміри перфокарти становили 187,4х82,5 мм, а швидкість їх обробки - 2000 карт за 1 хвилину. Зчитування даних з перфокарт здійснювалось за допомогою фотоелементів.

Лише в 1949 році група інженерів компанії ІВМ розпочала розробку нового пристрою зберігання даних – магнітного носія. В основу принципу запису, зберігання і читання інформації було покладено явище намагнічування шару феромагнітного матеріалу (робочого шару), нанесеного на немагнітну основу. Це явище використовувалось в ЕОМ першого покоління, широко застосовується воно і в даний час. Пояснюється це наступними його перевагами:

· малою вартістю зберігання 1 біта інформації;

· простотою запису і зчитування;

· великою щільністю зберігання інформації.

Рис. 1.1.