Развитие технологии записи на магнитный диск
Несомненно, одним из наиболее успешных технологических проектов последних десятилетий является жесткий диск. Появившись в середине 50-х годов прошлого века, жесткий диск с середины 80-х стал неотъемлемой частью персонального компьютера. За годы применения жестких дисков установлены впечатляющие рекорды увеличения емкости и производительности, уменьшения физических размеров и стоимости. В настоящее время жесткий диск является основным устройством хранения информации в компьютере и активно внедряется в бытовую электронику.
ервое
устройство хранения данных с произвольным доступом, позднее названное жестким
диском, или винчестером, было выпущено компанией IBM в 1956 году. Устройство
имело емкость 5 Мбайт, а данные записывались на 50 дисков диаметром 24 дюйма,
вращавшихся со скоростью 1200 об./мин. Среднее время доступа равнялось одной
секунде, а плотность записи — 2 Кбит/кв.дюйм. Размеры устройства были сравнимы
с размером двух домашних холодильников, а его стоимость составляла 50 тыс. долл.
С этих исходных характеристик и началось бурное развитие жестких дисков.
В 1980 году компания Seagate выпустила первый жесткий диск, с пластинами диаметром 5,25 дюйма, предназначенный для установки в персональные компьютеры и имевший емкость 5 Мбайт.
Среди параметров жесткого диска существует один, изменение которого влияет на все остальные параметры, — это плотность записи информации на диск. Увеличение плотности записи ведет к росту количества данных на пластине, что равносильно увеличению емкости жесткого диска при заданных размерах и количестве пластин либо уменьшению количества пластин и габаритов привода при заданной емкости.
Влияние плотности записи на работу жесткого диска проявляется различными способами. Во-первых, более плотное расположение данных позволяет считать больше информации за один оборот диска, а во-вторых, с уменьшением размеров пластин головка проходит меньшее расстояние при поиске нужной дорожки, что приводит к сокращению времени доступа к данным. Начав свой рост с 2 Кбит/кв.дюйм у первого жесткого диска (рис. 1), к настоящему времени плотность записи достигла 70 Гбит/кв.дюйм у коммерческих продуктов и превысила 100 Гбит/кв.дюйм у лабораторных образцов жестких дисков.
Плотность записи зависит от размеров отдельных битов и определяется двумя параметрами: плотностью расположения дорожек записи и размером бита вдоль дорожки (см. таблицу).
Для дальнейшего повышения плотности записи и общей емкости дисковых накопителей необходимо и далее уменьшать размеры отдельных битов и размещать их как можно ближе друг к другу. Однако здесь начинают действовать ограничения. Если сделать единичный участок хранения слишком маленьким, его магнитная энергия станет настолько ничтожной, что со временем может совсем исчезнуть из-за теплового движения частиц, и тогда информация потеряется. Данное явление носит название «суперпарамагнетизм». Во избежание последствий этого явления необходимо повысить коэрцитивную силу материала магнитного слоя диска. Это, в свою очередь, потребует повышения напряженности записывающего магнитного поля, которое обеспечивается улучшением конструкции головки и уменьшением зазора между головкой и магнитным слоем.
На протяжении всего периода развития жесткого диска появлялись работы, в которых предсказывался предел увеличения плотности записи на магнитный диск. Так, в начале 70-х годов прошлого века исследователи называли предел около 10 Мбит на 1 кв.дюйм. В настоящее время считается, что для применяемой сегодня технологии продольной записи (рис. 2) такой предел составляет 100-200 Гбит на 1 кв.дюйм.
Продольная магнитная запись характеризуется тем, что северный и южный полюса намагниченного участка располагаются вдоль поверхности магнитного диска, то есть рабочий слой перемагничивается вдоль движения.
Плотность записи в лабораторных образцах жестких дисков, использующих продольную магнитную запись, практически достигла теоретического предела, и, хотя этот предел отодвигался неоднократно, большинство исследователей считают, что в ближайшие несколько лет произойдет переход на другую технологию записи. В качестве наиболее вероятной называется перпендикулярная технология магнитной записи (рис. 3), характеризующаяся тем, что северный и южный полюса намагниченного участка располагаются перпендикулярно поверхности магнитного диска. Такое направление поля обеспечивается конструкцией записывающей головки.
Технология перпендикулярной магнитной записи известна довольно давно и активно исследовалась в 70-80-х годах; была даже сделана попытка ее коммерческого применения. Технология перпендикулярной магнитной записи применялась во флоппи-дисководах емкостью 2,88 Мбайт, но они не получили широкого распространения из-за высокой стоимости дискет.
Перпендикулярная запись часто рассматривалась как альтернатива продольной записи, но в промышленных масштабах переход на нее был нецелесообразен, так как при плотностях записи, с которыми может работать продольная запись, возможности этих технологий примерно равны, а стоимость перпендикулярной технологии немного выше. Сегодня переход на технологию перпендикулярной записи обусловливается тем, что ее технологические особенности позволяют достичь более высоких плотностей записи. При магнитной записи каждый бит образует магнитный домен, состоящий из определенного количества (сейчас около 100) магнитных зерен. Поскольку из-за особенностей взаимодействия двух соседних битов при перпендикулярной записи оптимальная толщина рабочего слоя немного больше, чем при продольной записи, необходимое количество магнитных зерен займет меньшую площадь.
Более эффективная геометрия магнитного поля, создаваемого головкой, позволяет увеличить плотность энергии магнитного поля в рабочем слое примерно в четыре раза.
Кроме того, разноименные полюса намагниченных и ненамагниченных участков расположены на противоположных сторонах рабочего слоя носителя. Поэтому магнитные поля от соседних ненамагниченных участков будут стабилизировать состояние намагниченного участка. Это позволяет заметно уменьшить минимальные размеры стабильных доменов.
По расчетам специалистов компании Seagate, перпендикулярная запись позволит достичь плотности записи 1 Тбит на 1 кв.дюйм, что эквивалентно возможности записать более 1 Тбайт информации на стандартный трехдюймовый диск. Для наглядности приведем несколько цифр. Так, если распечатать 1 Гбайт текстовой информации с плотностью 2500 символов на страницу, то высота получившейся стопки бумаги составит около 40 м. Для обеспечения плотности записи 1 Тбит на 1 кв.дюйм необходимо достичь плотности расположения дорожек 500 тыс. на 1 дюйм и линейной плотности 2 млн. бит данных на 1 дюйм дорожки. При такой плотности на срезе бумажного листа помещаются 2 тыс. дорожек или 8 тыс. бит данных.
Приведенные цифры намного превышают те, что могут предложить сегодняшние дисковые накопители, однако и этих показателей плотности, принимая во внимание прогнозируемые потребности в хранении данных в будущем, очень скоро может оказаться недостаточно. Так, согласно докладу Калифорнийского университета в Беркли, ежегодно в мире производится от 1 до 2 экзабайт (1 экзабайт эквивалентен миллиарду гигабайт) информации на самых разных носителях, включая магнитные, бумажные, пленочные и оптические. Не следует забывать и о том, что на магнитные носители постепенно переводятся документы традиционного вида — бумажные и пленочные, а кроме того, возрастают потребности бытовой электроники. Поэтому инженерам уже сейчас приходится искать новые, еще более перспективные технологии записи и хранения информации.
В качестве наиболее вероятных кандидатов здесь рассматриваются термомагнитная запись HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) и так называемые самоорганизующиеся магнитные решетки — SOMA (Self-Ordered Magnetic Arrays), однако на разработку этих технологий могут уйти еще годы.
Технология термомагнитной записи (рис. 4) похожа на технологию, используемую в магнитооптических приводах. При записи в обоих случаях используется зависимость магнитных свойств рабочего слоя от температуры. Разница между технологиями проявляется в способе чтения информации с диска. В магнитооптических приводах информация считывается лучом лазера, работающего на меньшей, чем при записи, мощности, а в термомагнитной записи информация считывается магнитной головкой так же, как в обычном жестком диске.
Запись информации осуществляется путем нагрева участка рабочего слоя, находящегося в магнитном поле записывающей головки. Нагревание производится кратковременным воздействием лазерного луча — длительность импульса лазера меньше длительности магнитного импульса. Магнитное поле подбирается с таким расчетом, чтобы при отсутствии нагрева его величина была недостаточной для перемагничивания рабочего слоя. При повышении температуры участка рабочего слоя происходит существенное изменение его магнитных свойств: например, может в 3-4 раза уменьшаться коэрцитивная сила. Это приводит к тому, что нагретые участки перемагничиваются. Подобные области и представляют собой записанную информацию.
Для термомагнитной записи используются материалы с высокой коэрцитивной силой, что обеспечивает высокую стабильность записанных участков. Минимальные размеры области, соответствующей одному биту информации, определяются диаметром сфокусированного светового луча.
По оценкам специалистов компании Seagate, термомагнитная запись позволит достичь плотности записи 10 Тбит на 1 кв.дюйм.
В основе технологии SOMA (рис. 5) лежит идея создания небольших изолированных ячеек магнитного материала, организованных в регулярные массивы. На рисунке изображена фотография массива с плотностью записи 9 Тбит/кв.дюйм, полученная при помощи электронного микроскопа с увеличением 145 тыс. раз, диаметр зерен магнитного материала менее 7 нм. Вот что говорит по этому поводу один из ее разработчиков, д-р Дитер Уэллер из Seagate Research: «Для записи одного бита информации сейчас необходимо примерно 100 зерен магнитного материала, мы же работаем над тем, чтобы каждое зерно хранило собственный уникальный бит. Это позволит резко увеличить плотность записи информации. Мы ищем способы выстроить магнитные зерна в правильные решетки, которые не только позволят считывать и записывать данные, но и обеспечат высокую стойкость к температурным воздействиям». Сегодня считается, что наилучшим материалом для изготовления таких носителей является сплав железа и платины с добавлением тщательно сбалансированного соотношения других химических элементов.
Предполагается, что сочетание технологий SOMA и HAMR позволит достичь плотности записи на магнитный диск 50 Тбит на 1 кв.дюйм.
В заключение можно сказать, что в ближайшие десять лет развитие технологии магнитного хранения данных должно удовлетворить растущие потребности рынка.
