Магнитное хранилище - Magnetic storage

Продольная запись и перпендикулярная запись, два типа записывающих головок на жестком диске.

Магнитное хранилище или же магнитная запись это хранилище данные на намагниченный средний. Магнитное хранилище использует разные модели намагничивание в намагничивающемся материале для хранения данных и является формой энергонезависимая память. Доступ к информации осуществляется с помощью одного или нескольких читать / писать головки.

Магнитные носители информации, прежде всего жесткие диски, широко используются для хранения компьютерные данные а также аудио и видео сигналы. В области вычислений термин магнитное хранилище является предпочтительным, а в области аудио- и видеопроизводства термин магнитная запись чаще используется. Различие менее техническое и больше зависит от предпочтений. Другие примеры магнитных носителей информации включают: дискеты, магнитный записывающая лента, и магнитные полосы по кредитным картам.

История

Магнитное хранилище в виде проводная запись - аудиозапись по проводам - ​​была разглашена Оберлин Смит в выпуске 8 сентября 1888 г. Электрический мир.[1] Смит ранее подал патент в сентябре 1878 года, но не нашел возможности реализовать эту идею, поскольку его бизнесом были станки. Первый публично продемонстрированный (Парижская выставка 1900 г.) магнитофон был изобретен Вальдемар Поульсен в 1898 году. Устройство Поульсена зафиксировало сигнал на проволоке, намотанной на барабан. В 1928 г. Фриц Пфлеумер разработал первый магнитный магнитофон. Ранние магнитные запоминающие устройства были разработаны для записи аналог звуковые сигналы. Компьютеры, а теперь и большинство аудио- и видеомагнитофонов записывают цифровые данные.

В старых компьютерах магнитное хранилище также использовалось для первичное хранилище в форме магнитный барабан, или же основная память, память сердечника веревки, тонкая пленка памяти, твисторная память или же пузырь памяти. В отличие от современных компьютеров, магнитная лента также часто использовалась для вторичного хранения.

Дизайн

Жесткие диски используют магнитную память для хранения гигабайт и терабайт данных в компьютерах.

Информация записывается на носитель и считывается с него, когда она проходит мимо устройств, называемых головки для чтения и записи которые действуют очень близко (часто на десятки нанометров) над магнитной поверхностью. Головка чтения и записи используется для обнаружения и изменения намагничивания материала непосредственно под ним. Есть две магнитные полярности, каждая из которых используется для обозначения 0 или 1.

Магнитная поверхность концептуально разделена на множество небольших частей.микрометр -размерные магнитные области, называемые магнитными доменами (хотя они не магнитные домены в строгом физическом смысле), каждый из которых имеет в основном однородную намагниченность. Из-за поликристаллический природа магнитного материала каждая из этих магнитных областей состоит из нескольких сотен магнитных зерна. Магнитные зерна обычно имеют размер 10 нм, и каждое из них образует единственное истинное магнитный домен. Каждая магнитная область в сумме образует магнитный диполь что порождает магнитное поле. В старшем привод жесткого диска (HDD) области были ориентированы горизонтально и параллельно поверхности диска, но примерно с 2005 года ориентация была изменена на перпендикуляр чтобы обеспечить более близкое расстояние между магнитными доменами[нужна цитата ].

Использованы старые жесткие диски оксид железа (III) (Fe2О3) в качестве магнитного материала, но современные диски используют кобальт сплав на основе.[2]

Для надежного хранения данных записывающий материал должен противостоять саморазмагничиванию, которое происходит, когда магнитные домены отталкиваются друг от друга. Магнитные домены, записанные слишком близко друг к другу в слабо намагничивающемся материале, со временем разлагаются из-за вращения магнитный момент одного или нескольких доменов, чтобы нейтрализовать эти силы. Домены поворачиваются в сторону до середины, что снижает читаемость домена и снимает магнитные напряжения.

Пишущая головка намагничивает область, создавая сильное локальное магнитное поле, а считывающая головка обнаруживает намагничивание областей. Ранние жесткие диски использовали электромагнит как для намагничивания области, так и для считывания ее магнитного поля с помощью электромагнитная индукция. Более поздние версии индуктивных головок включали головки Metal In Gap (MIG) и тонкая пленка головы. По мере увеличения плотности данных считывающие головки, использующие магнитосопротивление (MR) вошел в употребление; электрическое сопротивление головки изменялось в зависимости от силы магнетизма от диска. Более поздние разработки использовали спинтроника; в считывающих головках магниторезистивный эффект был намного больше, чем в более ранних типах, и был назван «гигантское» магнитосопротивление (GMR). В современных головках элементы чтения и записи разделены, но находятся в непосредственной близости от головной части рычага привода. Элемент чтения обычно магниторезистивный в то время как пишущий элемент обычно является тонкопленочным индуктивным.[3]

Пластики защищены от контакта с поверхностью диска воздухом, который находится очень близко к диску; этот воздух движется со скоростью диска или около нее. Головка записи и воспроизведения установлена ​​на блоке, называемом ползунком, а поверхность рядом с пластиной имеет такую ​​форму, чтобы она почти не контактировала. Это образует тип воздушный подшипник.

Классы магнитной записи

Аналоговая запись

Основная статья: Запись звука на магнитную ленту

Аналоговая запись основан на том факте, что остаточная намагниченность данного материала зависит от величины приложенного поля. Магнитный материал обычно имеет форму ленты, причем лента в ее пустой форме первоначально размагничивается. Во время записи лента движется с постоянной скоростью. Пишущая головка намагничивает ленту током, пропорциональным сигналу. Распределение намагниченности достигается вдоль магнитной ленты. Наконец, можно считать распределение намагниченности, воспроизводя исходный сигнал. Магнитная лента обычно изготавливается путем встраивания магнитных частиц (примерно 0,5 микрометра). [4] по размеру) в пластиковом переплете на ленте из полиэфирной пленки. Чаще всего использовался оксид железа, хотя также использовались диоксид хрома, кобальт и более поздние частицы чистого металла. Аналоговая запись была самым популярным методом аудио- и видеозаписи. Однако с конца 1990-х годов популярность магнитофонной записи снизилась из-за цифровой записи.[5].

Цифровая запись

Вместо создания распределения намагниченности при аналоговой записи, цифровая запись требуется только два стабильных магнитных состояния, которые являются + Ms и -Ms на петля гистерезиса. Примеры цифровой записи: дискеты и жесткие диски (HDD). Цифровая запись также велась на кассеты. Однако жесткие диски предлагают превосходную емкость по разумным ценам; на момент написания (2020 г.) жесткие диски потребительского уровня предлагают хранилище данных по цене около 0,03 доллара за ГБ.

Носители записи на жестких дисках используют стопку тонких пленок для хранения информации и головку чтения / записи для чтения и записи информации на носитель и с него; в области используемых материалов были проведены различные разработки.[6]

Магнитооптическая запись

Магнитооптическая запись записывает / читает оптически. При записи магнитная среда локально нагревается лазер, что вызывает быстрое уменьшение коэрцитивного поля. Затем можно использовать небольшое магнитное поле для переключения намагничивания. Процесс чтения основан на магнитооптическом Эффект Керра. Магнитная среда обычно представляет собой тонкую аморфную пленку R-Fe-Co (R - редкоземельный элемент). Магнитооптическая запись не пользуется большой популярностью. Один известный пример: Минидиск разработан Sony.

Память распространения домена

Память распространения домена также называется пузырь памяти. Основная идея - управлять движением доменной стенки в магнитной среде, свободной от микроструктуры. Пузырь - это стабильный цилиндрический домен. Затем данные регистрируются по наличию / отсутствию пузырьковой области. Память распространения домена имеет высокую нечувствительность к ударам и вибрации, поэтому ее обычно используют в космосе и авиации.

Технические детали

Метод доступа

Магнитные носители данных можно классифицировать как память с последовательным доступом или же оперативная память, хотя в некоторых случаях различие не совсем четкое. Время доступа можно определить как среднее время, необходимое для получения доступа к сохраненным записям. В случае магнитной проволоки головка чтения / записи покрывает только очень небольшую часть записывающей поверхности в любой момент времени. Чтобы получить доступ к различным частям провода, необходимо наматывать его вперед или назад, пока не будет найдена интересующая точка. Время доступа к этой точке зависит от того, насколько далеко она находится от начальной точки. В случае памяти с ферритовым сердечником все наоборот. Каждая основная локация доступна сразу в любой момент.

Жесткие диски и современные линейные накопители на магнитной ленте не подходят ни к одной из этих категорий. У обоих есть много параллельных дорожек по ширине носителя, и головкам чтения / записи требуется время, чтобы переключаться между дорожками и сканировать внутри дорожек. Для доступа к разным местам на носителе требуется разное время. Для жесткого диска это время обычно составляет менее 10 мс, но запись на магнитную ленту может занять до 100 с.

Схемы кодирования

Головки магнитных дисков и головки магнитной ленты не могут пропускать постоянный ток, поэтому схемы кодирования как для ленты, так и для данных на диске предназначены для минимизации Смещение постоянного тока.[7]Большинство магнитных запоминающих устройств используют исправление ошибки.[7]

Многие магнитные диски внутри используют ту или иную форму длина тиража ограничена кодирование и частичный ответ с максимальной вероятностью.

Текущее использование

По состоянию на 2011 г., обычно магнитные носители используются для массового хранения компьютерных данных на жестких дисках и записи аналогового аудио и видео на аналоговая лента. Поскольку большая часть аудио- и видеопроизводства переходит на цифровые системы, ожидается, что использование жестких дисков будет увеличиваться за счет аналоговой ленты. Цифровая лента и ленточные библиотеки популярны для хранения данных большой емкости архивов и резервных копий. Дискеты видят некоторое маргинальное использование, особенно при работе со старыми компьютерными системами и программным обеспечением. Магнитное хранилище также широко используется в некоторых конкретных приложениях, таких как банк. чеки (MICR ) и кредитные / дебетовые карты (магнитные полосы ).

Будущее

Новый тип магнитного накопителя, названный магниторезистивная память с произвольным доступом или MRAM, который хранит данные в магнитных битах на основе туннельное магнитосопротивление (TMR) эффект. Его преимущество - энергонезависимость, низкое энергопотребление и хорошая ударопрочность. Первое поколение, которое было разработано, было произведено Everspin Technologies, и использовал индуцированное поле письмо.[8] Второе поколение разрабатывается двумя способами: тепловая коммутация (ТАС)[9] который в настоящее время разрабатывается Крокус Технологии, и крутящий момент передачи вращения (STT) на котором Крокус, Hynix, IBM, и еще несколько компаний.[10] Однако при плотности хранения и емкости на порядки меньше, чем HDD, MRAM полезен в приложениях, где требуются умеренные объемы хранилища с необходимостью очень частых обновлений, которые флэш-память не может поддерживать из-за его ограниченной выносливости записи.[нужна цитата ] MRAM с шестью состояниями также разрабатывается, отражая четырехбитные многоуровневые ячейки флэш-памяти, которые имеют шесть разных битов, в отличие от два.[11]

Исследования также проводятся Алексеем Кимелем из Университета Радбауд.[12] в сторону возможности использования терагерцового излучения вместо стандартных электроимпульсов для записи данных на магнитные носители. Использование терагерцового излучения позволяет значительно сократить время записи (в 50 раз быстрее, чем при использовании стандартных электроимпульсов). Еще одно преимущество состоит в том, что терагерцовое излучение практически не выделяет тепла, что снижает требования к охлаждению.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Лей, Вилли (август 1965). "Галактические гиганты". Довожу до вашего сведения. Галактика Научная фантастика. С. 130–142.
  2. ^ Канеллос, Майкл (24 августа 2006 г.). «Разделение на будущее жестких дисков». CNETNews.com. Получено 24 июн 2010.
  3. ^ "IBM OEM MR Head | Технология | Эпоха гигантских магниторезистивных головок". Hitachigst.com. 27 августа 2001 г. Архивировано с оригинал на 2015-01-05. Получено 4 сентября 2010.
  4. ^ «Запись на магнитную ленту». Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Получено 2014-01-28.
  5. ^ Э. дю Trémolete de Lacheisserie, Д. Жинью и М. Шленкер (редакторы), Magnetism: Fundamentals, Springer, 2005 г.
  6. ^ Разработки в области хранения данных, под ред. С.Н. Пираманаягам и То Чонг, IEEE-Wiley Press (2012).
  7. ^ а б Аллен Ллойд.«Полное руководство по электронным СМИ».2004.p. 22.
  8. ^ Атрибуты технологии MRAM В архиве 10 июня 2009 г. Wayback Machine
  9. ^ Появление практичной MRAM «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-04-27. Получено 2009-07-20.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  10. ^ «Tower инвестирует в Crocus, подсказывает сделку с литейным заводом MRAM». EE Times. Архивировано из оригинал на 2012-01-19. Получено 2014-01-28.
  11. ^ «Исследователи создают магнитную память с шестью состояниями». Phys.org. Получено 2016-05-23.
  12. ^ Страница университета Алексея Кимеля
  13. ^ Журнал Kijk, 12, 2019

внешняя ссылка