Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Продольная запись и перпендикулярная запись , два типа записывающих головок на жесткий диск.

Магнитное хранилище или магнитная запись - это хранение данных на намагниченном носителе. Магнитное хранилище использует различные модели намагничивания в намагничивающемся материале для хранения данных и является формой энергонезависимой памяти . Доступ к информации осуществляется с помощью одной или нескольких головок чтения / записи .

Магнитные носители информации, в первую очередь жесткие диски , широко используются для хранения компьютерных данных, а также аудио- и видеосигналов . В области вычислительной техники термин магнитное хранилище является предпочтительным, а в области производства аудио и видео чаще используется термин магнитная запись . Различие менее техническое и больше зависит от предпочтений. Другие примеры магнитных носителей информации включают гибкие диски , магнитную ленту и магнитные полосы на кредитных картах.

История [ править ]

Магнитное хранилище в форме проводной записи - аудиозаписи на проводе - было опубликовано Оберлином Смитом в номере журнала « Электрический мир» за 8 сентября 1888 года . [1] Смит ранее подавал патент в сентябре 1878 года, но не нашел возможности реализовать эту идею, поскольку его бизнесом были станки. Первый публично продемонстрированный (Парижская выставка 1900 года) магнитный рекордер был изобретен Вальдемаром Поульсеном в 1898 году. Устройство Поульсена записывало сигнал на провод, обмотанный вокруг барабана. В 1928 году Фриц Пфлеймер разработал первый магнитофон . Первые магнитные запоминающие устройства были разработаны для записи аналоговыхзвуковые сигналы. Компьютеры, а теперь и большинство аудио- и видеомагнитофонов записывают цифровые данные .

В старых компьютерах магнитное хранилище также использовалось для первичного хранилища в виде магнитного барабана или основной памяти , памяти стержневого троса , тонкопленочной памяти , твисторной памяти или пузырьковой памяти . В отличие от современных компьютеров, магнитная лента также часто использовалась для вторичного хранения.

Дизайн [ править ]

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

Информация записывается и считывается с носителя информации, когда она проходит мимо устройств, называемых головками чтения и записи, которые работают 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 магнитных областей субмикронного размера, называемых магнитными доменами (хотя они не являются магнитными доменами в строгом физическом смысле), каждая из которых имеет в основном однородную намагниченность. Из-за поликристаллической природы магнитного материала каждая из этих магнитных областей состоит из нескольких сотен магнитных зерен . Магнитные зерна обычно имеют размер 10 нм, и каждое из них формирует единственный истинный магнитный домен . Каждая магнитная область в целом образует магнитный диполь, который генерирует магнитное поле . На более старом жестком диске(HDD) области были ориентированы горизонтально и параллельно поверхности диска, но примерно с 2005 года ориентация была изменена на перпендикулярную, чтобы обеспечить более близкое расстояние между магнитными доменами [ необходима цитата ] .

В старых жестких дисках в качестве магнитного материала использовался оксид железа (III) (Fe 2 O 3 ), но в современных дисках используется сплав на основе кобальта . [2]

Для надежного хранения данных записывающий материал должен противостоять саморазмагничиванию, которое происходит, когда магнитные домены отталкиваются друг от друга. Магнитные домены, написанные слишком близко друг к другу в слабо намагничивающемся материале, со временем будут разрушаться из-за вращения магнитного момента одного или нескольких доменов, чтобы компенсировать эти силы. Домены поворачиваются в сторону до середины положения, что ухудшает 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 электромагнитной индукции . Более поздние версии индукционных головок включали головки Metal In Gap (MIG) и тонкопленочные головки. По мере увеличения плотности данных стали использоваться считывающие головки, использующие магнитосопротивление (MR); электрическое сопротивление головки изменялось в зависимости от силы магнетизма от диска. Позднее развитие использовало спинтронику ; в считывающих головках магниторезистивный эффект был намного больше, чем в более ранних типах, и был назван«гигантское» магнитосопротивление (ГМС). В современных головках элементы чтения и записи разделены, но находятся в непосредственной близости на головной части рычага привода. Считывающий элемент обычно является магниторезистивным, тогда как записывающий элемент обычно является тонкопленочным индуктивным. [3]

Пластики не соприкасаются с поверхностью диска из-за воздуха, 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 своего рода воздушный подшипник .

Классы магнитной записи [ править ]

Аналоговая запись [ править ]

Основная статья: Запись звука на магнитной ленте

Аналоговая запись основана 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 упала из-за цифровой записи. [5]

Цифровая запись [ править ]

Вместо создания распределения намагниченности при аналоговой записи для цифровой записи нужны только два стабильных магнитных состояния, а именно + Ms и -Ms на петле гистерезиса . Примерами цифровой записи являются гибкие диски 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 США 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; различные разработки были проведены в области используемых материалов. [6]

Магнитооптическая запись [ править ]

Магнитооптическая запись записывает / читает оптически. При записи магнитная среда локально нагревается лазером , который вызывает быстрое уменьшение коэрцитивного поля. Затем можно использовать небольшое магнитное поле для переключения намагничивания. Процесс считывания основан на магнитооптическом эффекте Керра . Магнитная среда обычно представляет собой тонкую аморфную пленку R-Fe-Co (R - редкоземельный элемент). Магнитооптическая запись не пользуется большой популярностью. Один из известных примеров - минидиски, разработанные Sony .

Память распространения домена [ править ]

Память распространения домена также называется пузырьковой памятью . Основная идея состоит в том, чтобы 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 [ править ]

Метод доступа [ править ]

Магнитные носители данных можно классифицировать как память с последовательным доступом или память с произвольным доступом , хотя в некоторых случаях различие не совсем ясное. 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, нужно 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 [ править ]

Головки магнитных дисков и магнитные ленты не пропускают постоянный ток. Таким образом, схемы кодирования как для данных на магнитной ленте, так и для дисковых данных разработаны таким образом, чтобы минимизировать смещение постоянного тока .[7] Большинство магнитных запоминающих устройств используют исправление ошибок . [7]

Многие магнитные диски внутренне используют ту или иную форму кодирования с ограничением длины серии и максимальной вероятностью частичного отклика .

Текущее использование [ править ]

С 2020 года магнитные носители информации обычно используются для массового хранения компьютерных данных на жестких дисках и записи аналоговых аудио- и видеопроизведений на аналоговую ленту . Поскольку большая часть производства аудио и видео перемещается на цифровые системы, ожидается, что использование жестких дисков увеличится за счет аналоговой ленты. Цифровые ленточные и ленточные библиотеки популярны для хранения данных большой емкости - архивов и резервных копий. Дискеты редко используются, особенно при работе со старыми компьютерными системами и программным обеспечением. Магнитное хранилище также широко используется в некоторых конкретных приложениях, таких как банковские чеки ( MICR ) и кредитные / дебетовые карты ( магнитные полосы).).

Будущее [ править ]

В настоящее время создается новый тип магнитной памяти, называемой магниторезистивной памятью с произвольным доступом или MRAM, которая хранит данные в магнитных битах на основе эффекта туннельного магнитосопротивления (TMR). Его преимущество - энергонезависимость, низкое энергопотребление и хорошая ударопрочность. Первое поколение, которое было разработано, было произведено Everspin Technologies и использовало запись, индуцированную полем. [8] Второе поколение разрабатывается с помощью двух подходов: терморегулирующего переключения (TAS) [9], которое в настоящее время разрабатывается Crocus Technology , и крутящего момента с передачей вращения (STT), на котором Crocus, Hynix , IBM и несколько других компаний работают. [10] Однако с плотностью хранения и емкостью на порядки меньше, чем у жесткого диска , MRAM полезна в приложениях, где требуются умеренные объемы хранения с необходимостью очень частых обновлений, которые флэш-память не может поддерживать из-за своей ограниченной продолжительности записи. [ необходима цитата ] MRAM с шестью состояниями также разрабатывается, повторяя четырехбитные многоуровневые ячейки флэш-памяти, которые имеют шесть разных битов, а не два . [11]

Алексей Кимел из Университета Радбауд [12] также проводит исследования 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 почти не выделяет тепла, что снижает требования к охлаждению. [13]

См. Также [ править ]

  • Цифровая аудиокассета
  • Хранение цифровых данных
  • Дисковое хранилище
  • Карлквистский разрыв
  • Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM)
  • Методы магнитной записи:
    • Магнитная запись с подогревом (HAMR)
    • Продольная магнитная запись (LMR)
    • Перпендикулярная магнитная запись (PMR) - также известная как: Обычная магнитная запись (CMR)
    • Галька магнитная запись (SMR)
  • Марвин Камрас

Ссылки [ править ]

  1. ^ Лей, Вилли (август 1965). «Галактические гиганты» . Довожу до вашего сведения. Научная фантастика Галактики . С. 130–142.
  2. ^ Kanellos, Майкл (24 августа 2006). «Разделение на будущее жестких дисков» . CNETNews.com . Проверено 24 июня 2010 года .
  3. ^ "IBM OEM MR Head | Технология | Эпоха гигантских магниторезистивных головок" . Hitachigst.com. 27 августа 2001 года Архивировано из оригинала на 2015-01-05 . Проверено 4 сентября 2010 года .
  4. ^ "Запись на магнитной ленте" . Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . Проверено 28 января 2014 .
  5. ^ Е. дю Trémolete де Lacheisserie, Д. Gignoux и М. Schlenker (редакторы), магнетизм: Основы, Springer, 2005
  6. ^ Разработки в области хранения данных, изд. С. Н. Пираманаягам и То Ч. Чонг, IEEE-Wiley Press (2012).
  7. ^ а б Аллен Ллойд. «Полное руководство по электронным СМИ» . 2004. с. 22.
  8. ^ MRAM технологии Атрибуты в архив Июнь 10, 2009, в Wayback Machine
  9. ^ Появление практического MRAM «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 27 апреля 2011 года . Проверено 20 июля 2009 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  10. ^ «Башня инвестирует в Crocus, подсказывает сделку с литейным заводом MRAM» . EE Times . Архивировано из оригинала 2012-01-19 . Проверено 28 января 2014 .
  11. ^ "Исследователи проектируют магнитную память с шестью состояниями" . Phys.org . Проверено 23 мая 2016 .
  12. ^ Страница университета Алексея Кимеля
  13. ^ Журнал Kijk, 12, 2019

Внешние ссылки [ править ]

  • История магнитной записи (BBC / h2g2)
  • Избранная история магнитной записи
  • Оберлин Смит и изобретение магнитной звукозаписи
  • История магнитной записи на веб-сайте Калифорнийского университета в Сан-Диего (CMRR).
  • Хронология магнитной записи.
  • [1] "Science Reporter, ISSN 0036-8512 ТОМ 43, НОМЕР 7 ИЮЛЯ 2006 ГОДА" Магнитная запись - революционная технология " 
  • «Знай свои цифровые носители информации: руководство по наиболее распространенным типам цифровых носителей информации, которые можно найти в архивах» . США: Техасский университет в Сан-Антонио.