Magnetické úložiště - Magnetic storage

Podélný záznam a kolmý záznam , dva typy zapisovacích hlav na pevný disk.

Magnetické úložiště nebo magnetický záznam je ukládání dat na magnetizované médium. Magnetické úložiště využívá k ukládání dat různé vzory magnetizace v magnetizovatelném materiálu a je formou energeticky nezávislé paměti . K informacím se přistupuje pomocí jedné nebo více čtecích/zapisovacích hlav .

Magnetická paměťová média, především pevné disky , jsou široce používána k ukládání počítačových dat i audio a video signálů. V oblasti výpočetní techniky je upřednostňován termín magnetické úložiště a v oblasti zvukové a obrazové produkce je běžněji používán termín magnetický záznam . Rozdíl je méně technický a záleží spíše na preferencích. Mezi další příklady magnetických paměťových médií patří diskety , magnetická páska a magnetické pruhy na kreditních kartách.

Dějiny

Magnetické úložiště ve formě záznamu po drátě - zvukové nahrávání na drát - zveřejnil Oberlin Smith v čísle Elektrický svět z 8. září 1888 . Smith předtím podal patent v září 1878, ale nenašel žádnou příležitost, aby se této myšlence věnoval, protože jeho podnikání bylo obráběcí stroje. První veřejně předvedený (Paris Exposition of 1900) magnetický zapisovač vynalezl Valdemar Poulsen v roce 1898. Poulsenovo zařízení zaznamenávalo signál na drátu omotaném kolem bubnu. V roce 1928 vyvinul Fritz Pfleumer první magnetický magnetofon . Raná magnetická paměťová zařízení byla navržena pro záznam analogových zvukových signálů. Počítače a nyní většina magnetických paměťových zařízení pro zvuk a video zaznamenávají digitální data .

Ve starých počítačích bylo magnetické úložiště také používáno pro primární ukládání ve formě magnetického bubnu , neboli jádrové paměti , jádrové lanové paměti , tenkovrstvé paměti , twistorové paměti nebo bublinové paměti . Na rozdíl od moderních počítačů byla magnetická páska také často používána pro sekundární ukládání.

Design

Pevné disky využívají magnetickou paměť k ukládání gigabajtů a terabajtů dat v počítačích.

Informace se zapisují a čtou z paměťového média, když se pohybuje kolem zařízení zvaných čtecí a zapisovací hlavy, které pracují velmi blízko (často desítky nanometrů) po magnetickém povrchu. Čtecí a zapisovací hlava slouží k detekci a úpravě magnetizace materiálu bezprostředně pod ním. Existují dvě magnetické polarity, z nichž každá reprezentuje buď 0 nebo 1.

Magnetický povrch je koncepčně rozdělena do mnoha malých dílčí mikrometru -sized magnetické oblasti, označované jako magnetických domén, (i když tyto nejsou magnetické domény v přísném fyzickém smyslu), z nichž každá má většinou jednotné magnetizaci. Vzhledem k polykrystalické povaze magnetického materiálu je každá z těchto magnetických oblastí složena z několika stovek magnetických zrn . Magnetická zrna mají obvykle velikost 10 nm a každé tvoří jedinou skutečnou magnetickou doménu . Každá magnetická oblast tvoří magnetický dipól, který generuje magnetické pole . U starších návrhů jednotek pevného disku (HDD) byly oblasti orientovány vodorovně a rovnoběžně s povrchem disku, ale počínaje rokem 2005 byla orientace změněna na kolmou, aby bylo umožněno bližší rozteč magnetických domén.

Starší pevné disky používaly jako magnetický materiál oxid železitý (Fe 2 O 3 ), ale současné disky používají slitinu na bázi kobaltu .

Pro spolehlivé ukládání dat musí záznamový materiál odolávat vlastní demagnetizaci, ke které dochází, když se magnetické domény navzájem odpuzují. Magnetické domény zapsané příliš blízko sebe ve slabě magnetizovatelném materiálu se časem degradují v důsledku otáčení magnetického momentu jedné nebo více domén, aby se tyto síly zrušily. Domény se otáčejí do strany do poloviny, což oslabuje čitelnost domény a uvolňuje magnetická napětí.

Zápisová hlava magnetizuje oblast generováním silného místního magnetického pole a čtecí hlava detekuje magnetizaci oblastí. Dřívější HDD používaly elektromagnet jak k magnetizaci oblasti, tak k čtení magnetického pole pomocí elektromagnetické indukce . Pozdější verze indukčních hlav zahrnovaly hlavy Metal In Gap (MIG) a hlavy z tenkých filmů . Jak se hustota dat zvyšovala, začaly se používat čtecí hlavy využívající magnetorezistenci (MR); elektrický odpor hlavy se měnil podle síly magnetismu z talíře. Pozdější vývoj využíval spintroniku ; ve čtecích hlavách byl magnetorezistivní účinek mnohem větší než u dřívějších typů a byl nazván „obří“ magnetorezistence (GMR). V dnešních hlavách jsou čtecí a zapisovací prvky oddělené, ale v těsné blízkosti, na hlavové části ovládacího ramene. Čtecí prvek je typicky magneto-odporový, zatímco zapisovací prvek je typicky tenkovrstvý induktivní.

Hlavy jsou drženy v kontaktu s povrchem talíře vzduchem, který je extrémně blízko talíře; vzduch se pohybuje rychlostí talíře nebo blízko ní. Záznamová a přehrávací hlava jsou upevněny na bloku zvaném jezdec a povrch vedle talíře je tvarován tak, aby se jen stěží dostal do kontaktu. To tvoří typ vzduchového ložiska .

Třídy magnetického záznamu

Analogové nahrávání

Analogový záznam je založen na skutečnosti, že zbytková magnetizace daného materiálu závisí na velikosti aplikovaného pole. Magnetický materiál je obvykle ve formě pásky, přičemž páska ve své prázdné formě je zpočátku demagnetizována. Při nahrávání běží páska konstantní rychlostí. Zápisová hlava magnetizuje pásku proudem úměrným signálu. Distribuce magnetizace je dosažena podél magnetické pásky. Nakonec je možné přečíst distribuci magnetizace a reprodukovat původní signál. Magnetická páska se obvykle vyrábí vložením magnetických částic (přibližně 0,5 mikrometru) do plastového pojiva na pásku z polyesterové fólie. Nejčastěji používaným z nich byl oxid železitý, ačkoli byl také použit oxid chromitý, kobalt a později čisté kovové částice. Analogové nahrávání bylo nejpopulárnější metodou záznamu zvuku a videa. Od konce 90. let 20. století však nahrávání na kazetu získává na popularitě díky digitálnímu záznamu.

Digitální záznam

Namísto vytváření distribuce magnetizace v analogovém záznamu potřebuje digitální záznam pouze dva stabilní magnetické stavy, což jsou +Ms a -Ms ve smyčce hystereze . Příkladem digitálního záznamu jsou diskety a pevné disky (HDD). Digitální záznam byl také proveden na kazety. Pevné disky však nabízejí vynikající kapacity za rozumné ceny; v době psaní (2020) nabízejí pevné disky pro spotřebitele úložiště dat přibližně za 0,03 $ za GB.

Záznamová média na pevné disky používají hromadu tenkých filmů k ukládání informací a čtecí/zapisovací hlavu pro čtení a zápis informací na az média; v oblasti použitých materiálů byl proveden různý vývoj.

Magnetooptický záznam

Magnetooptický záznam zapisuje/čte opticky. Při zápisu se magnetické médium lokálně zahřívá laserem , což vyvolává rychlý pokles donucovacího pole. Potom lze k přepnutí magnetizace použít malé magnetické pole. Proces čtení je založen na magnetooptickém Kerrově jevu . Magnetická média jsou typicky amorfní tenký film R-Fe-Co (R je prvek vzácných zemin). Magnetooptický záznam není příliš populární. Jedním slavným příkladem je Minidisc vyvinutý společností Sony .

Paměť propagace domény

Paměť pro šíření domény se také nazývá bublinová paměť . Základní myšlenkou je řídit pohyb stěny domény na magnetickém médiu, které neobsahuje mikrostrukturu. Bublina označuje stabilní válcovou doménu. Data jsou poté zaznamenána přítomností/nepřítomností bublinové domény. Paměť šíření domény má vysokou necitlivost na otřesy a vibrace, takže její aplikace je obvykle ve vesmíru a v letectví.

Technické údaje

Přístupová metoda

Magnetická paměťová média lze klasifikovat buď jako paměť se sekvenčním přístupem, nebo jako paměť s náhodným přístupem , i když v některých případech není rozdíl zcela jasný. Čas přístupu lze definovat jako průměrný čas potřebný k získání přístupu k uloženým záznamům. V případě magnetického drátu čtecí/zapisovací hlava pokrývá v daném okamžiku pouze velmi malou část záznamové plochy. Přístup k různým částem drátu zahrnuje navíjení drátu dopředu nebo dozadu, dokud není nalezen bod zájmu. Čas pro přístup k tomuto bodu závisí na tom, jak daleko je od počátečního bodu. Opačným případem je paměť s feritovým jádrem. Každé klíčové místo je okamžitě dostupné kdykoli.

Pevné disky a moderní lineární serpentinové páskové jednotky nepatří přesně do žádné kategorie. Oba mají mnoho paralelních stop po celé šířce média a čtecím/zapisovacím hlavám trvá přechod mezi stopami a skenování v rámci stop nějaký čas. Přístup k různým místům na úložném médiu trvá různě dlouho. U pevného disku je tato doba obvykle kratší než 10 ms, ale pásky mohou trvat až 100 s.

Kódovací schémata

Hlavy magnetických disků a hlavy magnetických pásek nemohou procházet stejnosměrným proudem (stejnosměrný proud). Schémata kódování pro data na pásku i na disku jsou tedy navržena tak, aby minimalizovala DC offset . Většina magnetických úložných zařízení používá opravu chyb .

Mnoho magnetických disků interně používá nějakou formu omezeného kódování délky běhu a maximální pravděpodobnosti částečné odezvy .

Aktuální využití

Od roku 2020 je běžným používáním magnetických paměťových médií hromadné ukládání počítačových dat na pevné disky a nahrávání analogových zvukových a obrazových záznamů na analogovou pásku . Vzhledem k tomu, že velká část produkce zvuku a videa se přesouvá do digitálních systémů, očekává se, že se využití pevných disků zvýší na úkor analogové pásky. Digitální páskové a páskové knihovny jsou oblíbené pro vysokokapacitní ukládání dat archivů a záloh. Diskety vidí určité okrajové využití, zejména při řešení starších počítačových systémů a softwaru. Magnetické úložiště je také široce používáno v některých konkrétních aplikacích, jako jsou bankovní šeky ( MICR ) a kreditní/debetní karty ( mag proužky ).

Budoucnost

Vyrábí se nový typ magnetického úložiště, nazývaný magnetorezistivní paměť s náhodným přístupem nebo MRAM, která ukládá data do magnetických bitů na základě efektu tunelové magnetorezistence (TMR). Jeho výhodou je energetická nezávislost, nízká spotřeba energie a dobrá odolnost proti nárazům. 1. generace, která byla vyvinuta, byla vyrobena společností Everspin Technologies a využívala pole indukované psaní. Druhá generace je vyvíjena dvěma způsoby: tepelně podporovaným přepínáním (TAS), které v současné době vyvíjí společnost Crocus Technology , a točivým momentem (STT), na kterém pracují společnosti Crocus , Hynix , IBM a několik dalších společností. Vzhledem k tomu, že hustota úložiště a kapacita jsou řádově menší než pevný disk , je MRAM užitečný v aplikacích, kde je vyžadováno mírné množství úložiště s nutností velmi častých aktualizací, které paměť flash nemůže podporovat kvůli omezené výdrži zápisu. Vyvíjí se také šestimístný MRAM, který odráží čtyřbitové víceúrovňové flash paměťové buňky, které mají šest různých bitů, na rozdíl od dvou .

Aleksei Kimel z Radboud University také provádí výzkum zaměřený na možnost využití terahertzového záření spíše než používání standardních elektroimpulzí pro zápis dat na magnetická paměťová média. Použitím terahertzového záření lze výrazně zkrátit dobu psaní (50x rychleji než při použití standardních elektropulzů). Další výhodou je, že terahertzové záření nevytváří téměř žádné teplo, čímž se snižují požadavky na chlazení.

Viz také

Reference

externí odkazy