Магнитная запись

Цифровая магнитная запись производится на магниточувствительные материалы, к которым относятся некоторые разновидности оксидов железа, никель, кобальт, соединения редкоземельных элементов с кобальтом, магнитопласты и магнитоэласты со связкой из пластмасс и резины, микропорошковые магнитные материалы [41]. В зависимости от содержания оксидов железа, цвет магнитного материал может иметь характерный темно-коричневый оттенок. Магнитное покрытие очень тонкое (несколько микрометров), причем чем оно тоньше, тем выше качество магнитной записи. Покрытие наносится на немагнитную основу, в качестве которой для магнитных лент и гибких дисков используются различные пластмассы, а для жестких дисков — алюминиевые или стеклянные круги. Размеры (форм-факторы) жестких дисков (называемых также винчестерами): 3,5 дюйма (рис. 1.9 слева), 2,5 дюйма (для ноутбуков, рис. 1.9 справа),), 1 дюйм (“микродрайв” – для фотоаппаратуры, карманных ПК, плейеров и т.д.).

Рис. 1.9. Винчестер формфактора 3.5 дюйма Sumsung SpinPoint T133 (400 Гбайт, 3 пластины, слева) и винчестер формфактора 2.5 дюйма Sumsung SpinPoint М60 (120 Гбайт, 1 пластина, справа)

 

Для повышения емкости винчестеров целесообразно не увеличивать число поверхностей и магнитных головок (это увеличивает шум при работе, нагрев и процент ошибок при записи и чтении данных), а уменьшать размер ферромагнитных частиц. Так фирма Samsung [42] разработала накопители емкостью 400 Гбайт (рис. 1.19 слева) для настольных ПК и серверов и емкостью 120 Гбайт для ноутбуков (рис. 1.19 справа), применив магнитные TMR-головки на основе технологии туннельного магниторезистивного эффекта (Tunneling Magneto Resistanse, TMR).

Покрытие дисков состоит из множества мельчайших магнитных доменов - однородно намагниченных областей, отделенных от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами). На рис. 1.10 представлено распределение векторов магнитной индукции атомов в доменах ферромагнетиков. При уменьшении размеров ферромагнетика тепловые колебания молекул приводят к самопроизвольной утрате ориентации доменов, для уменьшения этого эффекта используют антиферромагнитную подложку. В антиферромагнетике магнитные моменты соседних атомов направлены антипараллельно, так, что суммарный магнитный момент любой области равен нулю. Практический максимум емкости одной пластины (3,5 дюйма) при продольной ориентации доменов (рис. 1.11 слева) составляет 150-200 Гбайт.

Более высокую плотность записи обеспечивает поперечное расположение доменов (рис. 1.10 и 1.11 справа). Первые накопители на жестких дисках (винчестеры), использующие перпендикулярную запись, созданы в 2005 г.
(рис. 1.22). Компания Hitachi Global Storage Technology планирует довести емкость 3,5-дюймовых дисков до 1 Тбайт (1терабайт=1000 Гбайт).

Рис. 1.10. Распределение векторов магнитной индукции в доменах ферромагнетиков

Рис. 1.11. Схема продольной (слева) и поперечной (справа) записи на магнитный диск: А – ферромагнитный слой, Б – антиферромагнитная подложка, В –электромагнитная головка. [43].

Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего поля на поверхности домена образуются зоны остаточной намагниченности - на диске сохраняется информация о действовавшем магнитном поле. Изменение направления тока записи вызывает соответствующее изменение направления магнитного потока в сердечнике головки, что приводит к появлению на поверхности носителя участков с противоположной намагниченностью (рис. 1.13).

Рис. 1.12. Винчестер Momentos 5400.3 (2.5 дюйма, 160 Гбайт, скорость вращения дисков 5400 об/мин) с перпендикулярной записью производства компании Seagate

 

Рис. 1.13. Изменение направления магнитного потока в обмотке головки чтения/записи

 

Оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, такие участки наводят в ней при считывании электродвижущую силу (э.д.с.). Изменение направления э.д.с. в течение некоторого промежутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения — с нулем. Указанный промежуток времени называется битовым элементом.

Для правильной записи информации требуется предварительное форматирование - логическое разбиение диска на дорожки и секторы (рис. 1.14 слева) путем нанесения меток, помогающих находить необходимые позиции записи. Быстрый доступ к любой части поверхности гибкого или жесткого диска обеспечивается за счет его вращения и передвижения магнитной головки чтения/записи по радиусу диска (рис. 1.14 справа).

Дорожки

Секторы

Рис. 1.14. Дорожки и секторы магнитного диска (слева) и организация прямого доступа к информации (справа)

 

Благодаря быстрому вращению диска задержка при переходе от одной точки любой части окружности диска к другой невелика. Скорость вращения гибкого диска (дискеты) 300—360 об/мин, жестких дисков 5400 и 7200 об/мин.

Магнитные диски относятся к носителям информации с прямым доступом, так как можно непосредственно обратиться к любой части записанных данных (рис. 1.24). Поверхность диска разбивается на концентрические кольца - дорожки записи (рис. 1.24), начиная с внешнего края. В гибких магнитных дисках (3,5", 1,44 Мбайт) число дорожек равно 80, а в жестких дисках составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч. Дорожки идентифицируются номером (внешняя дорожка имеет нулевой номер). Кольцо дорожки разбивается на участки (обычно 17-18), называемые секторами (рис. 1.24). В качестве стандарта принят размер сектора 512 байт. Секторам на дорожке присваиваются номера, начиная с нуля. Сектор с нулевым номером на каждой дорожке резервируется для идентификации записываемой информации, а не для хранения данных. Наименьшим участком диска, которым оперирует операционная система при распределении места для записи файла, называется кластер. Он состоит из нескольких секторов. Жесткий диск (винчестер) обычно представляет собой пакет (сборку) из нескольких дисков (рис. 1.19 слева). Стороны дисков идентифицируются номерами, начиная с нуля (верхняя сторона). Все дорожки, одновременно находящиеся под головками чтения/записи, называются цилиндром. При этом дорожки на верхней стороне диска смещены к центру относительно дорожек на нижней стороне.

В 2002-2003 г. начался переход от параллельного дискового интерфейса EIDE, или АТА (РАТА) к последовательному (Serial ATA 1.0, SATA) и были выпущены первые накопители с этим интерфейсом, PCI-платы контроллеров и наборы микросхем со встроенными контроллерами SATA. С тех пор жесткие диски и оптические накопители с этим интерфейсом все быстрее вытесняют РАТА-устройства. В 2006 г. прогнозируется резкое снижение выпуска АТА-винчестеров. Следующее поколение последовательного дискового интерфейса Serial ATA II будет включать восемь новых возможностей, среди которых алгоритм оптимизации очереди команд Native Command Queuing (NCQ) и повышение скорости передачи информации до 3 Гбит/c (300 Мбайт/c), реализованные во многих выпускаемых моделях [44]. Примерами являются винчестеры Samsung SATA 3 Гбит/c, показанные на рис. 1.19, которые также выпускаются с параллельным интерфейсом Ultra ATA/100 для совместимости с ранее выпускавшимися компьютерами. По результатам тестирования журналом Hard и Soft [45] лучшие показатели в 2005 г. продемонстрировали винчестеры формфактора 3.5 дюйма Sumsung SpinPoint P120S (емкостью 250 и 200 Гбайт, 2 пластины) с интерфейсом SATA 3 Гбит/c и поддержкой технологии NCQ и стоимостью $0.5/Гбайт.