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

Гибкие магнитные диски - на пластиковой (лавсановой) подложкеЖесткие магнитные диски - на стекле или алюминии

Принципы общие

На подложку наносится ферромагнитный слой на основе окислов железа с прямоугольной петлей гистерезиса

Магнитные диски

Головка записи-считывания

Факторы эффективности (с точки зрения плотности записи):расстояние от головки до магнитного слоя;зазор сердечника;толщина слоя;

Как можно меньше

магнитная индукция в слое и в сердечнике Как можно больше

коэрцитивная сила магнитного слоя Оптимальная

При записи и чтении - разные сигналы.Требуется усиление и декодирование.

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 смензнака намагниченности

Основные технические детали: устройство головок и особенности магнитного слоя.

Индукционные 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.

Ферритовые 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.

Тонкопленочные головки.

Считывание на основе магниторезистивного эффекта. Содержится дополнительный элемент, по которому протекает постоянный ток, а напряжение измеряется.

Магниторезистивные головки.

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 сигналаДополнительные технологические операции (4 - 6 фотошаблонов)

0.5 мкм

Вид В

Магнитный слой носителя

А

Вид А

В

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 знакосциллирует с изменением толщины NM и зависит от внешнего магнитного поля.

Спиновый клапан

Магнитный слой носителяДвижение головки

В

А

Вид А

Относительное изменение сопротивления при обычном и гигантском магниторезистивном эффекте

1 Gbit/in2 = 1.5 Mb/mm2

Рост поверхностной плотности записи на магнитных дисках

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

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

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)

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.

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

Размеры ползунка1.2х1х0.3

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

Некоторые размерные параметры диска Deskstar 75 GXP (75 Gb):

Необходима высочайшая точность:Гидродинамические подшипники (радиальные биения <0.01 мкдюйм 0.25 нм);Автоматическое слежение (сервокоды, специализированный диск)

135 tpi 0.19 мм на дорожку 25·103 tpi 10-3 мм на дорожку

4·105 bpi 65 нм на ячейку 8717 bpi 3 мкм на ячейку

~100 Гб/дюйм2~1 Мб/дюйм2

Особенности гибких дисков

80 дорожек До 105 дорожек

Гибкий диск Жесткий диск

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.