Устройства хранения данных

1. Устройства хранения данных

2. 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

3. Принципы общие Как можно меньше Головка записи-считывания Магнитные диски Гибкие магнитные диски - на пластиковой (лавсановой) подложке Жесткие магнитные диски - на стекле или алюминии На подложку наносится ферромагнитный слой на основе окислов железа с прямоугольной петлей гистерезиса Факторы эффективности (с точки зрения плотности записи): расстояние от головки до магнитного слоя; зазор сердечника; толщина слоя; Как можно больше магнитная индукция в слое и в сердечнике коэрцитивная сила магнитного слоя Оптимальная

4. 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 смензнака намагниченности При записи и чтении - разные сигналы. Требуется усиление и декодирование.

5. 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.

6. 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.

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

8. 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 индуктивнойголовки. Необходимо тщательное экранирование; Усложнение конструкции: дополнительные провода для питания и сигнала Дополнительные технологические операции (4 - 6 фотошаблонов)

9. А Вид В В 0.5 мкм Вид А Магнитный слой носителя Движение головки 0.5 мкм

10. 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

11. А В Вид А Магнитный слой носителя Движение головки

12. Относительное изменение сопротивления при обычном и гигантском магниторезистивном эффекте

13. Рост поверхностной плотности записи на магнитных дисках 1 Gbit/in2 = 1.5 Mb/mm2

14. 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.

15. 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 AFCпозволяет ослабить это ограничение и уменьшить предельный размер участков примерно вдвое (плотность записи вчетверо). >100 Гбит/дюйм2~ 160 Мбит/мм2 Толщина слоя Ru – 3 атома.

16. Вертикальная (перпендикулярная) запись Перспектива: до 1000 Гбит/дюйм2~ 1.6 Гбит/мм2

18. Организация диска Ползунок

19. Магнитная головка

20. На жестких дисках – зонная запись: внешние дорожки содержат больше секторов (до 1000) На гибких дисках все дорожки имеют одинаковое число секторов (18), поверхность используется неэффективно. 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

21. Пример: Hitachi Travelstar 7K60 содержит 54288 цилиндров, разделенных на 16 зон по 3393 цилиндра. В нулевой зоне 720 секторов, в 15-й – 360по 512 байт. Некоторые размерные параметры диска Deskstar 75 GXP (75 Gb):

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

23. Особенности гибких дисков Гибкий диск Жесткий диск ~1 Мб/дюйм2 ~100 Гб/дюйм2 25·103tpi10-3мм на дорожку 135 tpi 0.19 мм на дорожку 8717bpi 3 мкм на ячейку 4·105bpi65 нм на ячейку 80 дорожек До 105 дорожек 300 – 360 об/мин До 15000 об/мин

24. Головка сложная: кроме информационной две стирающие (подчистка краев дорожки, чтобы соседние дорожки не влияли друг на друга). 1 цилиндр, 2 головки; Привод – шаговый двигатель, нет слежения за дорожками. Скорость вращения 300 – 360об/мин; 80 дорожек занимают около 16 мм при радиусе диска 1.77 in = 45 мм (большая часть диска не используется). Головки находятся в постоянном контакте с диском. Поэтому диски покрываются специальными составами, а на головках образуется налет.