Магнитное хранилище - Magnetic storage

Продольная запись и перпендикулярная запись , два типа записывающих головок на жесткий диск.

Магнитное хранилище или магнитная запись - это хранение данных на намагниченном носителе. Магнитное хранилище использует различные модели намагничивания в намагничивающемся материале для хранения данных и является формой энергонезависимой памяти . Доступ к информации осуществляется с помощью одной или нескольких головок чтения / записи .

Магнитные носители информации, в первую очередь жесткие диски , широко используются для хранения компьютерных данных, а также аудио- и видеосигналов . В области вычислительной техники термин магнитное хранилище является предпочтительным, а в области производства аудио и видео чаще используется термин магнитная запись . Различие менее техническое и больше зависит от предпочтений. Другие примеры магнитных носителей информации включают гибкие диски , магнитную ленту и магнитные полосы на кредитных картах.

История

Магнитное хранилище в форме проводной записи - аудиозаписи на проводе - было опубликовано Оберлином Смитом в номере журнала « Электрический мир» за 8 сентября 1888 года . Смит ранее подал патент в сентябре 1878 года, но не нашел возможности реализовать эту идею, поскольку его бизнесом были станки. Первый публично продемонстрированный (Парижская выставка 1900 года) магнитный рекордер был изобретен Вальдемаром Поульсеном в 1898 году. Устройство Поульсена записывало сигнал на провод, обмотанный вокруг барабана. В 1928 году Фриц Пфлеймер разработал первый магнитофон . Ранние магнитные запоминающие устройства были разработаны для записи аналоговых аудиосигналов. Компьютеры, а теперь и большинство аудио- и видеомагнитофонов записывают цифровые данные .

В старых компьютерах магнитное хранилище также использовалось для первичного хранилища в виде магнитного барабана или основной памяти , памяти стержневого троса , тонкопленочной памяти , твисторной памяти или пузырьковой памяти . В отличие от современных компьютеров, магнитная лента также часто использовалась для вторичного хранения.

Дизайн

Жесткие диски используют магнитную память для хранения гигабайт и терабайт данных в компьютерах.

Информация записывается и считывается с носителя информации, когда она проходит мимо устройств, называемых головками чтения и записи, которые работают очень близко (часто на десятки нанометров) над магнитной поверхностью. Головка чтения и записи используется для обнаружения и изменения намагничивания материала непосредственно под ним. Есть две магнитные полярности, каждая из которых используется для обозначения 0 или 1.

Магнитная поверхность концептуально разделена на множество небольших магнитных областей субмикронного размера, называемых магнитными доменами (хотя они не являются магнитными доменами в строгом физическом смысле), каждая из которых имеет в основном однородную намагниченность. Из-за поликристаллической природы магнитного материала каждая из этих магнитных областей состоит из нескольких сотен магнитных зерен . Магнитные зерна обычно имеют размер 10 нм, и каждое из них формирует единственный истинный магнитный домен . Каждая магнитная область в целом образует магнитный диполь, который генерирует магнитное поле . В старых конструкциях жестких дисков (HDD) области были ориентированы горизонтально и параллельно поверхности диска, но примерно с 2005 года ориентация была изменена на перпендикулярную, чтобы обеспечить более близкое расстояние между магнитными доменами.

В старых жестких дисках в качестве магнитного материала использовался оксид железа (III) (Fe 2 O 3 ), но в современных дисках используется сплав на основе кобальта .

Для надежного хранения данных записывающий материал должен противостоять саморазмагничиванию, которое происходит, когда магнитные домены отталкиваются друг от друга. Магнитные домены, написанные слишком близко друг к другу в слабо намагничивающемся материале, со временем будут разрушаться из-за вращения магнитного момента одного или нескольких доменов, чтобы компенсировать эти силы. Домены поворачиваются в сторону до середины положения, что ухудшает читаемость домена и снимает магнитные напряжения.

Пишущая головка намагничивает область, создавая сильное локальное магнитное поле, а считывающая головка обнаруживает намагничивание областей. Ранние жесткие диски использовали электромагнит как для намагничивания области, так и для считывания ее магнитного поля с помощью электромагнитной индукции . Более поздние версии индукционных головок включали головки Metal In Gap (MIG) и тонкопленочные головки. По мере увеличения плотности данных стали использоваться считывающие головки, использующие магнитосопротивление (MR); электрическое сопротивление головки изменялось в зависимости от силы магнетизма от диска. Позднее развитие использовало спинтронику ; в считывающих головках магниторезистивный эффект был намного больше, чем в более ранних типах, и получил название «гигантское» магнитосопротивление (GMR). В современных головках элементы чтения и записи разделены, но находятся в непосредственной близости от головной части рычага привода. Считывающий элемент обычно является магниторезистивным, а записывающий элемент обычно является тонкопленочным индуктивным.

Пластики не контактируют с поверхностью диска из-за воздуха, который находится очень близко к диску; этот воздух движется со скоростью диска или около нее. Головка записи и воспроизведения установлена ​​на блоке, называемом слайдером, а поверхность рядом с пластиной имеет такую ​​форму, чтобы она почти не контактировала. Это своего рода воздушный подшипник .

Классы магнитной записи

Аналоговая запись

Аналоговая запись основана на том факте, что остаточная намагниченность данного материала зависит от величины приложенного поля. Магнитный материал обычно имеет форму ленты, причем лента в ее пустой форме первоначально размагничивается. Во время записи лента движется с постоянной скоростью. Пишущая головка намагничивает ленту током, пропорциональным сигналу. Распределение намагниченности достигается вдоль магнитной ленты. Наконец, можно считывать распределение намагниченности, воспроизводя исходный сигнал. Магнитная лента обычно изготавливается путем встраивания магнитных частиц (размером примерно 0,5 микрометра) в пластиковое связующее на ленту из полиэфирной пленки. Чаще всего использовался оксид железа, хотя также использовались диоксид хрома, кобальт и более поздние частицы чистого металла. Аналоговая запись была самым популярным методом аудио- и видеозаписи. Однако с конца 1990-х годов популярность магнитофонной записи снизилась из-за цифровой записи.

Цифровая запись

Вместо создания распределения намагниченности при аналоговой записи для цифровой записи нужны только два стабильных магнитных состояния, а именно + Ms и -Ms на петле гистерезиса . Примерами цифровой записи являются гибкие диски и жесткие диски (HDD). Цифровая запись также велась на кассеты. Однако жесткие диски предлагают превосходную емкость по разумным ценам; на момент написания (2020 г.) жесткие диски потребительского уровня предлагают хранилище данных по цене около 0,03 доллара за ГБ.

Носители записи на жестких дисках используют стопку тонких пленок для хранения информации и головку чтения / записи для чтения и записи информации на носитель и с него; различные разработки были проведены в области используемых материалов.

Магнитооптическая запись

Магнитооптическая запись записывает / читает оптически. При записи магнитная среда локально нагревается лазером , который вызывает быстрое уменьшение коэрцитивного поля. Затем можно использовать небольшое магнитное поле для переключения намагничивания. Процесс считывания основан на магнитооптическом эффекте Керра . Магнитная среда обычно представляет собой тонкую аморфную пленку R-Fe-Co (R - редкоземельный элемент). Магнитооптическая запись не пользуется большой популярностью. Один из известных примеров - минидиски, разработанные Sony .

Память распространения домена

Память распространения домена также называется пузырьковой памятью . Основная идея состоит в том, чтобы управлять движением доменной стенки в магнитной среде, свободной от микроструктуры. Пузырь - это стабильный цилиндрический домен. Затем данные записываются по наличию / отсутствию пузырьковой области. Память распространения домена имеет высокую нечувствительность к ударам и вибрации, поэтому ее обычно используют в космосе и авиации.

Технические детали

Метод доступа

Магнитные носители данных можно классифицировать как память с последовательным доступом или память с произвольным доступом , хотя в некоторых случаях различие не совсем ясное. Время доступа можно определить как среднее время, необходимое для получения доступа к сохраненным записям. В случае магнитной проволоки головка чтения / записи покрывает только очень небольшую часть записывающей поверхности в любой момент времени. Чтобы получить доступ к различным частям провода, нужно наматывать его вперед или назад, пока не будет найдена интересующая точка. Время доступа к этой точке зависит от того, насколько далеко она находится от начальной точки. В случае памяти с ферритовым сердечником все наоборот. Каждая основная локация сразу доступна в любой момент времени.

Жесткие диски и современные линейные накопители на магнитной ленте не подходят ни к одной из этих категорий. У обоих есть много параллельных дорожек по ширине носителя, и головкам чтения / записи требуется время, чтобы переключаться между дорожками и сканировать внутри дорожек. Для доступа к разным местам на носителе требуется разное время. Для жесткого диска это время обычно составляет менее 10 мс, но запись на магнитную ленту может занять до 100 с.

Схемы кодирования

Головки магнитных дисков и головки магнитной ленты не пропускают постоянный ток. Таким образом, схемы кодирования как для данных на магнитной ленте, так и для дисковых данных разработаны таким образом, чтобы минимизировать смещение постоянного тока . Большинство магнитных запоминающих устройств используют исправление ошибок .

Многие магнитные диски внутренне используют ту или иную форму кодирования с ограничением длины серии и максимальной вероятностью частичного отклика .

Текущее использование

С 2020 года магнитные носители информации обычно используются для массового хранения компьютерных данных на жестких дисках и записи аналоговых аудио- и видеопроизведений на аналоговую ленту . Поскольку большая часть производства аудио и видео перемещается на цифровые системы, ожидается, что использование жестких дисков увеличится за счет аналоговой ленты. Цифровые ленточные и ленточные библиотеки популярны для хранения данных большой емкости - архивов и резервных копий. Дискеты редко используются, особенно при работе со старыми компьютерными системами и программным обеспечением. Магнитное хранилище также широко используется в некоторых конкретных приложениях, таких как банковские чеки ( MICR ) и кредитные / дебетовые карты ( магнитные полосы ).

Будущее

В настоящее время создается новый тип магнитной памяти, называемой магниторезистивной памятью с произвольным доступом или MRAM, которая хранит данные в магнитных битах на основе эффекта туннельного магнитосопротивления (TMR). Его преимущество - энергонезависимость, низкое энергопотребление и хорошая ударопрочность. Первое поколение, которое было разработано, было произведено Everspin Technologies и использовало запись, индуцированную полем. Второе поколение разрабатывается с использованием двух подходов: терморегулирующего переключения (TAS), которое в настоящее время разрабатывается Crocus Technology , и крутящего момента с передачей вращения (STT), над которым работают Crocus , Hynix , IBM и несколько других компаний. Однако с плотностью хранения и емкостью на несколько порядков меньше, чем у жесткого диска , MRAM полезна в приложениях, где требуются умеренные объемы хранения с необходимостью очень частых обновлений, которые флэш-память не может поддерживать из-за своей ограниченной продолжительности записи. MRAM с шестью состояниями также разрабатывается, дублируя четырехбитные многоуровневые ячейки флэш-памяти, которые имеют шесть разных битов, а не два .

Алексей Кимел из Университета Радбауд также исследует возможность использования терагерцового излучения вместо стандартных электроимпульсов для записи данных на магнитные носители. Использование терагерцового излучения позволяет значительно сократить время записи (в 50 раз быстрее, чем при использовании стандартных электроимпульсов). Еще одно преимущество состоит в том, что терагерцовое излучение почти не выделяет тепла, что снижает требования к охлаждению.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки