Mágneses adattárolásHajlékony- és merevlemez, spinszelepek

Udvarhelyi Péter

2015.04.29.

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Section 1

Hajlékonylemez

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Szerkezet

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Történeti áttekintés

8 inch �oppy

fejlesztés: 1967 IBM, System/370-hez virtuális memória,frissítések terjesztése → read-onlymegjelenés: 1971 Shugart, 80 kB

Memorex 650: 1972, 175 kB, els® írható FD

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

51/4 inch �oppy

1976 ötlet, 1978 tömeggyártás: IBM, Apple 110 kB

1978 kétoldalú FDD, 360 kB (korábban manuális fordítás:"�ippy disc")

MS-DOS támogatás: 1981 v1.0: egyoldalú 160 kB-ig, 1983v2.0: kétoldalú, 360 kB-ig

31/2 inch �oppy

1982 eredeti terv a Sony-tól, Micro�oppy Industry Committee"szabványosította"

1983-'85: Apple, Atari, Commodore gépekben megjelenik (360kB)

1988-tól népszer¶bb lesz az 51/4-esnél

1989 high-density �oppy 1,44 MB tárhellyel

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Tárterület felépítése

track

Narancssárga.Index lyuk alapján szektor eleje.

sector

Kék.8 inch és 51/4 inch eseténhard-sectoring: minden sectorkezdetét lyuk jelzi

adats¶r¶ség osztályok

DD (720 kB): 2 µm vas-oxid (Hc ≈ 300 OE)HD (1,44 MB): 1,2 µm kobalttal szennyezett vas-oxid(Hc ≈ 600 OE)ED (2,88 MB): 3,8 µm bárium-ferrit (Hc ≈ 750 OE),mer®leges mágnesezés

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Kódolások

frekvencia modulálás (FM)

�uxusváltozás R, nem-változás N

bit 1: RR, bit 0: RN

clock reverzálással indít minden bit

módosított frekvencia modulálás (MFM)

felesleges clock reverzálásokat kisz¶rjük

átlagosan dupla bits¶r¶ség érhet® el FM-hez képest → DoubleDensity �oppy

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Group Code Recording

sok egymás utáni csupa 0 vagy 1 bit költséges

minden byte két négybites nibble-re bomlik (Group Code)

minden 4 bites nibble 5 bitesre kódolódik az alábbi szerint

Nibble Code Nibble Code

0000 01010 1000 010010001 01011 1001 110010010 10010 1010 110100011 10011 1011 110110100 01110 1100 011010101 01111 1101 111010110 10110 1110 111100111 10111 1111 10101

minden 10 bit max 8 egymás utáni 1-et vagy 2 egymás utáni0-át tartalmaz

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Section 2

Merevlemez

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Szerkezet

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Történeti áttekintés

feltalálás: 1953, IBM, Random Access Storage, dobmemóriahelyett

kereskedelmi forgalomban el®ször 1956-ban: IBM 305, 50 db24 inch-es lemez, 3,75 MB, küls® tárhely (szekrény méret), egyfej → 1 s elérési id®, head gap 800 µinch1961: IBM 1301: minden lemez felett siklócsapágyas fej →elérési id® 180 ms, head gap 250 µinch (mosógép méret)

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

HDD fej, slider, kar

1973: IBM 3340 "Winchester", könny¶ (20 gramm) karok,kicsi slider → 18 µinch gap, 5 ms válaszid®1979: IBM 3370, vékonyréteg fej

HDD fej pozícionáló

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

1979: IBM 62PC: els® 8 inch-es lemez

1980: Seagate (Shugart) ST-506, els® 51/4 inch-es, már PC-beszerlhet® HDD

1983: Rodime RO352, els® 3.5 inch-es (mai asztali gépek)

1988: Prairie Tek 220, els® 2.5 inch-es lemez (laptopokban)

HDD lemez

szerkezet:

� szubsztrát: alumínium ötvözetkisebb gap esetén üveg, kompozit, magnézium ötvözetek

� mágneses réteg: párologtatott (µinch) vas-oxidmodernebb vékonyrétegek electroplating, vapor-deposition;vas-platina nanokristály réteg

� véd®réteg: szén

méret: kisebb tömeg, nagyobb szilárdság, kisebb fogyasztás,gyorsabb elérés, kevesebb zaj

track és szektor felosztás, kódolás: �oppy-hoz hasonló

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

1990: IBM 0681, PRLM dekódolás

1991: IBM 0663, els® mágneses ellenállást (MR) használó fej

1992: Seagate Barracuda, els® 7200 rpm-es HDD

1996: Seagate Cheetah 4LP, els® 10000 rpm-es HDD

1997: Seagate, folyadékdinamikai csapágyazás

2000: Seagate Cheetah X15, els® 15000 rpm-es HDD

HDD motor

szervó: hangtekercs, zártkör¶ visszacsatolással

direkt meghajtás

csapágyazás: golyós vagysiklócsapágy

nagy teljesítményfelvételfelpörgéskor: jumper

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

1997: IBM 16GP, els® óriás mágneses ellenállást (GMR)használó fej

2005: Seagate, alagutazó mágneses ellenállás (TMR) fejToshiba, els® mer®leges mágneses adatrögzítés (PMR)

2013 Seagate, zsindelyes mágneses rögzítés (átfed® track-ek)Western Digital, h®rásegítéses mágneses rögzítés (HAMR)

HAMR

szemcseméret csökkentés → HC n® (doménfal-mozgás járulékacsökken → mágneses keményedés)legyen stabil domén: Eani = KV > kBT→ méretkorlát (1 Tbit/inch2), nagy HC

Lemezre írás nehéz, nincs elég nagy tér az átmágnesezéshez.Lézerrel TC fölé melegítés, majd gyors visszahüléskor kis tér is eléga fázisátmenet utáni állapot beállításához.Nagyobb koercivitású anyagok is használhatók (50 Tbit/inch2)

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Section 3

Óriás mágneses ellenállás és spinszelepek

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Mágneses ellenállás

Felfedezés: 1856 Lord Kelvin

Jelenség: ferromágneses anyagok ellenállása néhány százalékotváltozik mágneses térben.

Magyarázat: relaxációs id® közelítésben (emlékeztet®)

B →∞ esetben σzz egyetlen járulék. Véges terekre sorfejtés:

σαβ(B) = Aαβ +1

BBαβ +

1

B2Cαβ + · · ·

Onsager relációt σαβ(B) = σβα(−B) felhasználva és invertálva:

ρxx , ρyy ∝1

B2

Transzverzális mágneses ellenállás. A párhuzamos taghoz nem elégjó a modell.

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Anizotróp mágneses ellenállás

Jelenség: áram irányával párhuzamus és arra mer®leges térnél1− 2% eltérés ∆R-ben.Magyarázat:

Spinfügg® szórás miatt spinfügg® relaxációs id®:(τσσ

′

k

)−1=

2π

~N (Ek)

∑k′

∣∣〈k, σ |Vσσ′ | k′σ′〉∣∣2N (Ek′) δ (Ek − Ek′)Vσσ′ spinfügg® kölcsönhatás: küls® tér,spin-pálya, szennyez® atom.Stoner-Wohlfahrt modell alapján 3dfémekben kétfajta vezetési elektron: ↑, ↓.Ezek alapvet®en különböz® vezetésitulajdonságúak, N(EF ) különbözik.

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Óriás mágneses ellenállás

Felfedezés: 1988 Albert Fert, Peter Grünberg (2007 Nobel-díj)Jelenség: mágneses multirétegek (ferromágneses,nem-mágneses fém) esetén akár ∆R/R = 50% is lehet.

Kitér®: csatolás ferromágneses multirétegek között

Kicserél®dési kölcsönhatás:

� dipól-dipól: gyenge, gyorslecsengés¶

� direkt kicserél®dés: rétegen beleülferromágneses rend, átfedésiintegrál miatt csak lokális

� indirekt kicserél®dés: Ruderman-Kittel oszcillációval,törzselektron-vezetési elektron kölcsönhatás spins¶r¶ségoszcillációt kelt (1/r3, λ = π/kF ), távoli spinnel a lokális,helyfügg® spins¶r¶ség hat kölcsön.

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Magyarázat:

A rétegvastagságot a Kittel-hullámhosszhoz hangoljuk, küls® térnélkül legyen antiparallel mágnesezettség:

Küls® térben a rétegek mágnesezettsége párhuzamos:

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Az átfolyó áram spinfügg® ellenállást tapasztal a ferromágnesesrétegben és a határfelületen való szóródáskor. Ezeket jelölje R↑, R↓.H = 0 esetben:

H 6= 0 esetben:

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

GMR spinszelep

Kitér®: csatolás ferromágneses és antiferromágneses réteg között

kicserél®dési anizotrópia → egytengely¶ anizotrópia (easy axis)kicserél®dési dupla anizotrópia: FM-AFM kicserél®désikölcsönhatása → egyirányú anizotrópia

GMR-elven m¶köd® mágneses tér méréshez rögzíteni kell az egyikFM réteg mágnesezettségét. Ezt az FM-AFM határrétegkicserél®dési dupla anizotrópiája biztosítja.

A mérend® mágneses tér így csak a szabad réteget tudjaátmágnesezni. Az átmágnesez®dés óriás ellenállás-változásbanjelentkezik → nagyon érzékeny olvasófej.

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

Köszönöm a �gyelmet!

Udvarhelyi Péter IEFA Mágneses adattárolás

HajlékonylemezMerevlemezÓriás mágneses ellenállás és spinszelepek