Magazyn magnetyczny - Magnetic storage

Zapis wzdłużny i zapis prostopadły , dwa rodzaje głowic piszących na dysku twardym.

Magazyn magnetyczny lub zapis magnetyczny to przechowywanie danych na nośniku magnetycznym . Pamięć magnetyczna wykorzystuje różne wzorce namagnesowania w magnesowalnym materiale do przechowywania danych i jest formą pamięci nieulotnej . Dostęp do informacji uzyskuje się za pomocą co najmniej jednej głowicy odczytu/zapisu .

Magnetycznych nośników danych, przede wszystkim dysków twardych , są szeroko stosowane do sklepu komputerowego danych , jak i dźwiękowych i wizyjnych sygnałów. W dziedzinie informatyki preferowany jest termin „ magazyn magnetyczny”, a w dziedzinie produkcji audio i wideo częściej stosuje się termin „ zapis magnetyczny” . Rozróżnienie jest mniej techniczne i bardziej zależy od preferencji. Inne przykłady nośników magnetycznych to dyskietki , taśma magnetyczna i paski magnetyczne na kartach kredytowych.

Historia

Zapis magnetyczny w postaci nagrywania przewodowego — nagrywania dźwięku na kablu — został opublikowany przez Oberlina Smitha w numerze „ Electric World” z 8 września 1888 roku . Smith wcześniej złożył wniosek patentowy we wrześniu 1878 roku, ale nie znalazł możliwości realizacji tego pomysłu, ponieważ jego biznesem były obrabiarki. Pierwszy publicznie zademonstrowany (Paryska Wystawa 1900) magnetofon został wynaleziony przez Valdemara Poulsena w 1898 roku. Urządzenie Poulsena rejestrowało sygnał na drucie owiniętym wokół bębna. W 1928 Fritz Pfleumer opracował pierwszy magnetofon . Wczesne magnetyczne urządzenia pamięciowe zostały zaprojektowane do nagrywania analogowych sygnałów audio. Komputery, a obecnie większość magnetycznych urządzeń do przechowywania dźwięku i obrazu, rejestruje dane cyfrowe .

W dawnych komputerów magnetycznych był stosowany do pamięci głównej w postaci bębna magnetycznego lub pamięci rdzenia , rdzeń liny pamięci , cienkiej folii pamięci , pamięci twistor lub pamięci pęcherzyka . W przeciwieństwie do nowoczesnych komputerów taśma magnetyczna była również często używana do przechowywania wtórnego.

Projekt

Dyski twarde wykorzystują pamięć magnetyczną do przechowywania giga- i terabajtów danych w komputerach.

Informacje są zapisywane i odczytywane z nośnika pamięci, gdy przechodzi on obok urządzeń zwanych głowicami do odczytu i zapisu, które działają bardzo blisko (często dziesiątki nanometrów) nad powierzchnią magnetyczną. Głowica odczytująco-zapisująca służy do wykrywania i modyfikowania namagnesowania materiału znajdującego się bezpośrednio pod nią. Istnieją dwie polaryzacje magnetyczne, z których każda reprezentuje 0 lub 1.

Powierzchnia magnetycznego koncepcyjnie podzielone na wiele małych sub mikrometrów -sized obszary magnetyczne, zwane domen magnetycznych, (aczkolwiek nie są one domen magnetycznych w rygorystycznych sensie fizycznym), z których każda ma w większości jednolity namagnesowanie. Ze względu na polikrystaliczny charakter materiału magnetycznego, każdy z tych obszarów magnetycznych składa się z kilkuset ziaren magnetycznych . Ziarna magnetyczne mają zazwyczaj rozmiar 10 nm i każde z nich tworzy pojedynczą prawdziwą domenę magnetyczną . Każdy obszar magnetyczny w sumie tworzy dipol magnetyczny, który generuje pole magnetyczne . W starszych konstrukcjach dysków twardych (HDD) regiony były zorientowane poziomo i równolegle do powierzchni dysku, ale od około 2005 roku orientacja została zmieniona na prostopadłą, aby umożliwić bliższe odstępy między domenami magnetycznymi.

Starsze dyski twarde wykorzystywały tlenek żelaza(III) (Fe 2 O 3 ) jako materiał magnetyczny, ale obecne dyski wykorzystują stop na bazie kobaltu .

Aby zapewnić niezawodne przechowywanie danych, materiał rejestrujący musi być odporny na samorozmagnesowanie, które ma miejsce, gdy domeny magnetyczne odpychają się od siebie. Domeny magnetyczne zapisane zbyt blisko siebie w słabo magnesowalnym materiale z czasem ulegną degradacji z powodu rotacji momentu magnetycznego jednej lub więcej domen, aby zniwelować te siły. Domeny obracają się na boki do połowy, co osłabia czytelność domeny i łagodzi naprężenia magnetyczne.

Głowica zapisująca magnetyzuje region poprzez generowanie silnego lokalnego pola magnetycznego, a głowica odczytująca wykrywa namagnesowanie regionów. Wczesne dyski twarde wykorzystywały elektromagnes zarówno do namagnesowania regionu, jak i odczytywania jego pola magnetycznego za pomocą indukcji elektromagnetycznej . Późniejsze wersje głowic indukcyjnych obejmowały głowice Metal In Gap (MIG) oraz głowice cienkowarstwowe . Wraz ze wzrostem gęstości danych do użytku weszły głowice do odczytu wykorzystujące magnetooporność (MR); rezystancja elektryczna głowicy zmieniała się w zależności od siły magnetyzmu z talerza. Późniejszy rozwój wykorzystywał spintronikę ; w głowicach czytających efekt magnetorezystancyjny był znacznie większy niż we wcześniejszych typach i został nazwany „gigantycznym” magnetooporem (GMR). W dzisiejszych głowicach elementy odczytu i zapisu są oddzielone, ale w bliskiej odległości, na części głowicy ramienia siłownika. Element do odczytu jest zwykle magnetorezystancyjny, podczas gdy element do zapisu jest zwykle cienkowarstwowy indukcyjny.

Głowice nie mają kontaktu z powierzchnią talerza przez powietrze znajdujące się bardzo blisko talerza; że powietrze porusza się z prędkością talerza lub w jej pobliżu. Głowica nagrywająca i odtwarzająca jest zamontowana na bloku zwanym suwakiem, a powierzchnia przy talerzu jest tak ukształtowana, aby prawie nie stykała się z nią. Tworzy to rodzaj łożyska powietrznego .

Zajęcia z zapisem magnetycznym

Nagrywanie analogowe

Zapis analogowy polega na tym, że namagnesowanie szczątkowe danego materiału zależy od wielkości przyłożonego pola. Materiał magnetyczny ma zwykle postać taśmy, przy czym taśma w pustej formie jest początkowo rozmagnesowana. Podczas nagrywania taśma biegnie ze stałą prędkością. Głowica pisząca magnetyzuje taśmę prądem proporcjonalnym do sygnału. Na taśmie magnetycznej uzyskuje się rozkład namagnesowania. Na koniec można odczytać rozkład namagnesowania, odtwarzając oryginalny sygnał. Taśma magnetyczna jest zwykle wytwarzana przez osadzenie cząstek magnetycznych (o wielkości około 0,5 mikrometra) w plastikowym spoiwie na taśmie z folii poliestrowej. Najczęściej stosowanym z nich był tlenek żelaza, chociaż stosowano również dwutlenek chromu, kobalt, a później cząstki czystego metalu. Najpopularniejszą metodą rejestracji dźwięku i obrazu było nagrywanie analogowe. Jednak od późnych lat 90-tych popularność nagrań na taśmie spadła ze względu na nagrywanie cyfrowe.

Nagrywanie cyfrowe

Zamiast tworzyć rozkład namagnesowania w zapisie analogowym, zapis cyfrowy wymaga jedynie dwóch stabilnych stanów magnetycznych, którymi są +Ms i -Ms pętli histerezy . Przykładami zapisu cyfrowego są dyskietki i dyski twarde (HDD). Dokonano również cyfrowego zapisu na taśmach. Jednak dyski twarde oferują doskonałą pojemność w rozsądnych cenach; w chwili pisania tego tekstu (2020) dyski twarde klasy konsumenckiej oferują przechowywanie danych w cenie około 0,03 USD za GB.

Nośniki zapisu w dyskach twardych wykorzystują stos cienkich folii do przechowywania informacji oraz głowicę odczytująco-zapisującą do odczytu i zapisu informacji na nośniku iz nośnika; w dziedzinie stosowanych materiałów dokonano różnych zmian.

Nagrywanie magneto-optyczne

Nagrywanie magnetooptyczne zapisuje/odczytuje optycznie. Podczas pisania ośrodek magnetyczny jest lokalnie ogrzewany przez laser , co powoduje gwałtowne zmniejszenie pola koercyjnego. Następnie do przełączania namagnesowania można użyć niewielkiego pola magnetycznego. Proces odczytu oparty jest na magnetooptycznym efekcie Kerra . Nośnikiem magnetycznym są zazwyczaj amorficzne cienkie warstwy R-Fe-Co (R jest pierwiastkiem ziem rzadkich). Zapis magnetooptyczny nie jest zbyt popularny. Jednym ze znanych przykładów jest Minidisc opracowany przez Sony .

Pamięć propagacji domeny

Pamięć propagacji domeny jest również nazywana pamięcią bąbelkową . Podstawową ideą jest kontrolowanie ruchu ścian domeny w ośrodku magnetycznym pozbawionym mikrostruktury. Bubble odnosi się do stabilnej domeny cylindrycznej. Dane są następnie rejestrowane przez obecność/brak domeny bąbelkowej. Pamięć propagacji domeny charakteryzuje się wysoką niewrażliwością na wstrząsy i wibracje, dlatego jej zastosowanie znajduje zwykle w kosmosie i aeronautyce.

Szczegóły techniczne

Metoda dostępu

Magnetyczne nośniki pamięci można sklasyfikować jako pamięć o dostępie sekwencyjnym lub pamięć o dostępie swobodnym , chociaż w niektórych przypadkach rozróżnienie nie jest całkowicie jasne. Czas dostępu można zdefiniować jako średni czas potrzebny na uzyskanie dostępu do przechowywanych rekordów. W przypadku drutu magnetycznego głowica odczytująco-zapisująca obejmuje w danym momencie tylko bardzo małą część powierzchni zapisu. Dostęp do różnych części przewodu polega na zwijaniu przewodu do przodu lub do tyłu, aż do znalezienia interesującego punktu. Czas dostępu do tego punktu zależy od odległości od punktu początkowego. W przypadku pamięci z rdzeniem ferrytowym jest odwrotnie. Każda główna lokalizacja jest natychmiast dostępna w dowolnym momencie.

Dyski twarde i nowoczesne liniowe serpentynowe napędy taśmowe nie pasują dokładnie do żadnej kategorii. Oba mają wiele równoległych ścieżek na całej szerokości nośnika, a głowice odczytująco-zapisujące potrzebują czasu, aby przełączać się między ścieżkami i skanować w obrębie ścieżek. Dostęp do różnych miejsc na nośniku danych zajmuje różną ilość czasu. W przypadku dysku twardego czas ten wynosi zwykle mniej niż 10 ms, ale taśmy mogą zająć nawet 100 sekund.

Schematy kodowania

Głowice dysków magnetycznych i głowice taśm magnetycznych nie mogą przepuszczać prądu stałego (prąd stały). Tak więc schematy kodowania zarówno dla danych taśmowych, jak i dyskowych są zaprojektowane tak, aby zminimalizować przesunięcie DC . Większość magnetycznych urządzeń pamięci masowej wykorzystuje korekcję błędów .

Wiele dysków magnetycznych wykorzystuje wewnętrznie jakąś formę kodowania o ograniczonej długości przebiegu i częściowej odpowiedzi z maksymalnym prawdopodobieństwem .

Bieżące użycie

Od 2020 r. powszechnym zastosowaniem magnetycznych nośników danych jest masowe przechowywanie danych komputerowych na dyskach twardych oraz nagrywanie analogowych utworów audio i wideo na taśmie analogowej . Ponieważ większość produkcji audio i wideo przechodzi na systemy cyfrowe, oczekuje się, że użycie dysków twardych wzrośnie kosztem taśmy analogowej. Cyfrowe biblioteki taśm i taśm są popularne do przechowywania danych o dużej pojemności w archiwach i kopiach zapasowych. Dyskietki mają marginalne zastosowanie, szczególnie w przypadku starszych systemów komputerowych i oprogramowania. Pamięć magnetyczna jest również szeroko stosowana w niektórych specyficznych zastosowaniach, takich jak czeki bankowe ( MICR ) i karty kredytowe/debetowe ( paski magnetyczne ).

Przyszły

Produkowany jest nowy typ pamięci magnetycznej, zwany magnetorezystywną pamięcią o dostępie swobodnym lub MRAM, który przechowuje dane w bitach magnetycznych w oparciu o efekt magnetorezystancji tunelowej (TMR). Jego zaletą jest nielotność, niskie zużycie energii i dobra odporność na wstrząsy. Opracowana pierwsza generacja została wyprodukowana przez Everspin Technologies i wykorzystywała pisanie indukowane w terenie. Druga generacja jest rozwijana przy użyciu dwóch metod: przełączania wspomaganego termicznie (TAS), które jest obecnie opracowywane przez Crocus Technology , oraz momentu obrotowego przenoszącego spin (STT), nad którym pracują Crocus , Hynix , IBM i kilka innych firm. Jednak ze względu na gęstość pamięci masowej i rzędy wielkości mniejsze niż w przypadku dysków twardych , pamięć MRAM jest przydatna w zastosowaniach, w których wymagana jest umiarkowana ilość pamięci masowej z potrzebą bardzo częstych aktualizacji, których pamięć flash nie jest w stanie obsłużyć ze względu na ograniczoną trwałość zapisu. Opracowywana jest również sześciostanowa pamięć MRAM, odzwierciedlająca czterobitowe wielopoziomowe komórki pamięci flash, które mają sześć różnych bitów, w przeciwieństwie do dwóch .

Aleksei Kimel z Uniwersytetu Radboud prowadzi również badania nad możliwością wykorzystania promieniowania terahercowego zamiast standardowych impulsów elektrycznych do zapisywania danych na magnetycznych nośnikach pamięci. Dzięki zastosowaniu promieniowania terahercowego można znacznie skrócić czas pisania (50x szybciej niż przy użyciu standardowych elektropulsów). Kolejną zaletą jest to, że promieniowanie terahercowe prawie nie generuje ciepła, co zmniejsza wymagania dotyczące chłodzenia.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne