Устройства магнитного хранения данных

Устройства
хранения данных
История:
• Перфокарты
• Перфоленты
Шарманка
Ткацкий станок
Первая машина Бэббеджа (1833)
Счетно-аналитические машины обрабатывали от 50 до 250 перфокарт
в минуту, каждая из которых могла содержать 80-разрядные числа.
Использовались более 50 лет.
Плотность записи не выше 1 бит/мм2
Магнитные диски
Гибкие магнитные диски - на пластиковой
(лавсановой) подложке
Жесткие магнитные диски - на стекле или алюминии
Принципы общие
На подложку наносится ферромагнитный слой на основе окислов железа
с прямоугольной петлей гистерезиса
Головка записисчитывания
Факторы эффективности (с точки зрения плотности записи):
расстояние от головки до магнитного слоя;
зазор сердечника;
Как можно меньше
толщина слоя;
Как можно больше
магнитная индукция в слое и в сердечнике
коэрцитивная сила магнитного слоя
Оптимальная
Основные технические детали: устройство головок и особенности
магнитного слоя.
Индукционные головки
Одна и та же головка для записи и считывания: при проходе над зонами
смены знака магнитного поля в обмотке наводится ЭДС
Каждый бит кодируется некоторой
последовательностью смен
знака намагниченности
При записи и
чтении - разные
сигналы.
Требуется
усиление и
декодирование.
Ферритовые головки.
Исторически первые. На основе прессованного феррита. Масса и
размеры велики, приходится их размещать далеко от диска.
Стеклоферритовые головки: ферритовый сердечник заключен в
керамический корпус.
Малая намагниченность насыщения:
невозможность записи на носители с большой коэрцитивной силой;
низкая чувствительность.
Ограниченная частотная характеристика.
Головки с металлом в зазоре.
В задней части сердечника делается зазор,
заполненный металлом (магнитным сплавом).
Индукция насыщения увеличивается.
Можно напылять металл и в передний зазор.
Тонкопленочные головки.
Изготавливаются по пленочной технологии (фотолитография,
напыление). Напыляется сердечник из Fe-Ni сплава, индукция
насыщения в 2 - 4 раза больше, чем у феррита.
Легкие, миниатюрные.
Размещаются на расстоянии 0.05 мм от диска. Малая высота головок:
в тех же габаритах корпуса больше дисков.
80-е годы.
Магниторезистивные головки.
Считывание на основе магниторезистивного эффекта. Содержится
дополнительный элемент, по которому протекает постоянный ток, а
напряжение измеряется.
Головка реагирует не на смену знака, а на величину магнитного поля.
Функции считывания и записи разделены, поэтому их можно
оптимизировать отдельно:
Записывающий узел - обычная тонкопленочная головка. Ее делают
шире (лучшее проникновение поля в слой носителя),
считывающий узел узкий для увеличения разрешающей способности
(меньше помех от соседних дорожек).
Выходной сигнал в 4 раза выше, чем у индуктивной головки.
Необходимо тщательное экранирование;
Усложнение конструкции: дополнительные провода для питания и
сигнала
Дополнительные технологические операции (4 - 6 фотошаблонов)
Вид В
0.5 мкм
А
В
Вид А
Магнитный слой носителя
Движение головки
0.5 мкм
Головки на гигантском магниторезистивном эффекте
Обычно магнитосопротивление
составляет проценты.
ГМР эффект был открыт в 1988 г.:
Peter Grünberg, Jülich Research Centre;
Albert Fert, University of Paris-Sud
Нобелевская премия 2007 г.
Антиферромагнитная связь: ее знак
осциллирует с изменением толщины NM
и зависит от внешнего магнитного поля.
Спиновый клапан
А
В
Вид А
Магнитный слой носителя
Движение головки
Относительное изменение сопротивления при
обычном и гигантском магниторезистивном эффекте
Рост поверхностной плотности записи на магнитных дисках
1 Gbit/in2 = 1.5 Mb/mm2
Рабочий магнитный слой диска
Оксидный рабочий слой – полимерное покрытие с наполнителем Fe2O3.
На поверхность вращающегося диска разбрызгивается суспензия.
После полимеризации шлифуется.
Затем наносится слой чистого полимера, шлифуется и полируется.
Тонкопленочный слой имеет меньшую толщину, лучшее качество
поверхности и более прочен.
Гальваническое наращивание: последовательно несколько
металлических слоев. Рабочий слой из сплава Co 80 нм.
Вакуумное напыление: сначала NiP, затем сплав Co 30 - 50 нм, затем
защитный слой SiC 25 нм.
Высокое качество поверхности позволяет располагать головку на
расстоянии до 15 нм. Это примерно соответствует толщине клеточной
мембраны (человеческий волос – 80 мкм, т.е. в 5000 раз толще).
Чем тоньше магнитный слой, тем меньше могут быть участки
однородной намагниченности.
Двойной антиферромагнитный слой (AFCoupled – AFC)
Когда участки однородной намагниченности очень малы (~ домена), они
влияют друг на друга и упорядоченная намагниченность неустойчива
(суперпарамагнитный эффект).
Плотность записи
30 – 50 Гбит/дюйм2 ~ 40 - 70 Мбит/мм2
AFC позволяет ослабить это
ограничение и уменьшить предельный
размер участков примерно вдвое
(плотность записи вчетверо).
>100 Гбит/дюйм2 ~ 160 Мбит/мм2
Толщина слоя Ru – 3 атома.
Вертикальная (перпендикулярная) запись
Перспектива: до 1000 Гбит/дюйм2 ~ 1.6 Гбит/мм2
Организация диска
Ползунок
Магнитная головка
На гибких дисках все дорожки имеют
одинаковое число секторов (18), поверхность
используется неэффективно.
На жестких дисках – зонная запись: внешние
дорожки содержат больше секторов (до 1000)
Головка, дорожка, цилиндр, сектор – это адрес ячейки.
Каждый бит кодируется некоторой
последовательностью намагниченных участков (ячеек),
расположенных вдоль дорожки.
Служебная информация: о размещении файлов,
контрольные суммы, параметры диска
Пример: Hitachi Travelstar 7K60 содержит 54288 цилиндров, разделенных
на 16 зон по 3393 цилиндра.
В нулевой зоне 720 секторов, в 15-й – 360 по 512 байт.
Некоторые размерные параметры диска Deskstar 75 GXP (75 Gb):
Параметр
значение
3.3·105
Расстояние от поверхности диска до
головки
15 нм
5 мм
Ячейка данных
65 нм
2.2 см
Расстояние между дорожками
900 нм
30 см
1.2х1х0.3
мм3
400х320х100
м3
Линейная скорость вблизи средней
дорожки диаметром 63 мм (скорость
вращения 120 об/с)
24 м/с
9000 км/с
Число дорожек
27723
Среднее время позиционирования
головки
8.5 мс
Размеры ползунка
Необходима высочайшая точность:
Гидродинамические подшипники (радиальные биения <0.01 мкдюйм  0.25 нм);
Автоматическое слежение (сервокоды, специализированный диск)
Особенности гибких дисков
Гибкий диск
Жесткий диск
~1 Мб/дюйм2
135 tpi  0.19 мм на дорожку
~100 Гб/дюйм2
25·103 tpi  10-3 мм на дорожку
8717 bpi  3 мкм на ячейку
4·105 bpi  65 нм на ячейку
80 дорожек
До 105 дорожек
300 – 360 об/мин
До 15000 об/мин
1 цилиндр, 2 головки;
Привод – шаговый двигатель, нет слежения за дорожками.
Скорость вращения 300 – 360 об/мин;
80 дорожек занимают около 16 мм при радиусе диска 1.77 in = 45 мм
(большая часть диска не используется).
Головка сложная: кроме информационной
две стирающие (подчистка краев дорожки,
чтобы соседние дорожки не влияли друг
на друга).
Головки находятся в постоянном контакте с диском. Поэтому диски
покрываются специальными составами, а на головках образуется налет.