IZONE - http://www.izcity.com/ - бесплатный софт, вэб-сервисы, ресурсы для раскрутки, свежие номера журнала "Internet Zone".

 IZONE 


От винта!

Горяйнов / Ясников

"Моя есть вынуждена ограничиться заявлением, что многое, увы, пришло в движение", - приблизительно такую наиценнейшую информацию мы обычно узнаем из интервью с представителями фирм - производителей разнообразных накопителей, когда дело касается технологий. Сидишь, как лупоглазый баран-травожуй, и выискиваешь крохи ценной информации в статье на 10 страниц. И получается, что действительно ценная информация содержится не в ответах "специалистов", а в вопросах журналистов.

"А не расскажете ли Вы о технологии "не-пришей-блину-магнит", которая, по неофициальным источникам, должна была появиться в жестких дисках вашей компании еще в начале года?" - спрашивает журналист. А ему в ответ: "К сожалению, мы не можем раскрыть эту информацию, так она может повредить третьим лицам". Сидишь и истекаешь мозгами, как инжир: на фиг, спрашивается, вся эта хренотень с интервью затевалась? Грызешь зубочистку, чешешь репу и думаешь, что же это за технология такая - "не-пришей-блину-магнит"? "Эфиоп, - говоришь в сердцах, - вашу растакую родственницу… Где же найти инфу?" И, потерев уже покрасневшие от шатания по интернету глазки, в очередной раз залезаешь на поисковик.

Открываешь порой газету какую-нибудь, журнал, заходишь на сайт - а там опять что-то с винтами случилось положительное и технически совершенное. Технологии штампуют, как ириски, - то криворогую головку какую-нибудь сделают, то сковородку для изготовления блинов усовершенствуют. Ну а поскольку винчестер придумала компания IBM, да и технологическими изысками она балуется больше всех, давайте заглянем в светлое будущее на примере ее разработок.

Для начала немного теории.
В 1820 году Ганс Христиан Эрстед установил, что, когда по проводу идет электрический ток, он способен воздействовать на магнитную стрелку. То есть на это время провод становится магнитом. Причем "силу" (напряженность магнитного поля) такого простейшего (равно как и любого другого) электромагнита можно менять, изменяя в нем силу тока. Важно было то, что, меняя направление тока в электромагните, можно изменить его полярность, то есть очень быстро менять местами его северный и южный полюсы. Эти свойства и используются для записи данных на магнитный носитель.

Связь электрических и магнитных явлений, которую установил Эрстед, заинтересовала физиков прошлого столетия не меньше, чем связь президента США и Моники Левински интересовала современную общественность в совсем недавнем прошлом. И уже через каких-то одиннадцать лет человек, двумя годами позже сформулировавший законы Фарадея, открыл другое явление, на основе которого происходит считывание магнитной записи.

Он установил, что в замкнутом проводе возникает электрический ток, когда рядом с ним включают или выключают электромагнит, то есть в те короткие моменты, когда напряженность поля электромагнита растет от нуля до некого уровня и, наоборот, падает с этого уровня до нуля. Установленный Фарадеем эффект был назван электромагнитной индукцией, ток, возникающий в проводе при изменении магнитного поля называют индукционным, поэтому и считывающие головки, принцип работы которых основан на этом эффекте, называют индуктивными.

Если провод, использовавшийся в этих опытах, смотать в катушку, а в нее вставить стержень из ферромагнитного материала (сердечник), то наблюдаемый эффект усиливается. Усиление связано с тем, что сердечник сам намагничивается и его магнитное поле складывается с полем катушки (в случае записи) или с полем участка рабочей поверхности (в случае считывания). Насколько сильно сердечник усилит электромагнит, в основном, зависит от материала, из которого он сделан. Дело в том, что любой материал можно намагнитить только до определенного предела. Это свойство называют магнитным насыщением. Естественно, сердечники изготавливают из материалов, как можно меньше склонных к магнитному насыщению.

Теперь, вооружившись знаниями об электромагнетизме, давайте рассмотрим устройство и принцип работы индуктивной головки. В общем, она представляет собой две катушки, намотанные на О-образный сердечник. Сердечник расположен очень близко к поверхности диска. В нем, с поверхности, обращенной к диску, "пропилен" микроскопической ширины и небольшой длины "магнитный зазор".

Не вдаваясь в подробности, скажем, что зазор нужен для лучшего намагничивания поверхности, расположенной под сердечником. Кроме того, с другой стороны сердечника делают дополнительный (нерабочий) зазор. Такую головку можно использовать и для записи, и для считывания информации. Ну, это все начала, так сказать (развитие которых до наших дней вы можете посмотреть во врезке), а теперь посмотрим на то, во что это может вырасти.

Усовершенствованные магнитные тонкопленочные носители

Пугаться вышеозначенной фразы не стоит. Это все умная научная терминология виновата в том, что появляются такие фразы на свет. Из нас просто делают дураков. У них (ученых) чувство собственной важности слишком уж велико. Нет, чтобы объяснить просто, отослав нас к учебнику физики, например: Савельев, издание такое-то, том такой-то, страница этакая, читать до посинения, пока не окочуришься. Но мы-то знаем, что все на самом деле просто, вот и будем рассказывать нормальным языком.

Смысл идеи заключается в том, что информация записывается на винчестер в так называемые битовые ячейки памяти. Это что касается логической стороны дела. С физической же стороны эти ячейки являются ничем иным, как зернами магнитного материала. В отличие от сельского хозяйства, где чем зерна больше - тем лучше, в технологиях все наоборот, и будущее именно за уменьшением этих частиц, то есть за появлением новых тонкопленочных носителей.

Называются они так, потому что на поверхность "блинов" внутри винчестера частицы эти наносятся тонкой пленкой. И с их уменьшением пленка становится все тоньше, и тоньше, и тоньше, и тоньше, и тоньше. Частицы от этого на ту же площадь наносятся плотнее, из-за чего они ссорятся (как в коммуналке), начинают мешать друг другу, нервничают и впадают в депрессию (т. е. теряют магнитную стабильность).

В качестве антидепрессантов будут выступать различные сплавы, доселе для таких целей не использовавшиеся, (именно разработкой таких сплавов сейчас и занимается IBM и ряд других компаний). В далеком будущем этот процесс должен прийти к тому, что информацию будут заносить не в зерна, а прямо в структуру материала, в узлы кристаллической решетки. И хотя до этого нам еще, по меркам развития компьютерной техники, далековато, все же разработки ведутся довольно быстрыми темпами, и в ближайшие 5-10 лет наверняка будут реализованы в каком-нибудь довольно дорогостоящем поначалу устройстве.

Новая физика

IBM предсказывает что уже в начале этого десятилетия плотность записи на винчестерах достигнет 100 Гбит/дюйм (квадратный, естественно), а скорость чтения и записи - 100 Мб/сек. Компания считает, что нынешние физические проблемы, например, суперпарамагнетизм и, как его следствие, суперпарамагнитный барьер, будут успешно решены (Seagate, кстати, давно уже гордится тем, что преодолела суперпарамагнитный барьер, но одно дело преодолеть барьер, а другое - что-то на этой основе сделать).

Надо бы объяснить, что же это за суперпарамагнитный барьер. Опять все просто - это предел плотности записи в магнитных носителях при условии, что информация хранится в магнитных частицах на поверхности. Возникает такой предел вследствие увеличения плотности записи и суперпарамагнетизма, когда соседние частицы своими магнитными полями начинают мешать головке прочесть поле той частицы, которая сейчас нужна. Аналогично при записи: магнитная головка намагничивает не только ту частицу, которая нужна, но и смежные с ней.

Однако IBM считает, что группа, занимающаяся именно физикой записи (Recording Physics Group) сможет забыть эти страшные слова за счет новейших великих физических свершений. Как у них это получится, пользователи увидят уже в ближайшее время. Но наряду с уменьшением зерен предполагается ввести иные, доселе невиданные технологии. Речь идет о многослойных носителях (подобно тому, как несколько слоев используются во флуоресцентных лазерных дисках FMD), многоступенчатых приводах головок и огромных (по сравнению с нынешними) блоках коррекции ошибок.

Если все эти технологии грамотно совместить и оптимально применить, то можно добиться невероятной плотности записи, куда большей, чем 100 Гбит/дюйм (опять же квадратный).
Скорость работы дисководов зависит от плотности информации на дисках и задержки вращения шпинделя. Над чем же здесь придется работать ученым?

Скорость перемагничивания ограничена скоростью работы формирователя сигналов записи, эффектом экранирования от вихревых потоков, порождаемых обоймой головок, и динамикой магнитных материалов. Вот над преодолением этих ограничений и будут думать, чтобы обеспечить нам светлое многогигабайтное будущее. А нам разбирать эти ужасные термины ни к чему, так что переходим к следующей главе.

Взаимодействие головки и диска

Будущие дисководы потребуют такой технологии взаимодействия головки с диском, которая сможет поддерживать гораздо меньшее, чем сегодня, пространство между головкой и диском. Это еще притом, что работа по-настоящему надежного винчестера должна нормально проходить при повышенной температуре, влажности и толчках (либо вибрации). В IBM этими проблемами занимается их внутренняя организация Storage Systems and Technologies.

По окончании работ технология будет передана подразделению IBM, которое занимается системами хранения информации, где ее и воплотят в реальных массовых устройствах. Первоначально, конечно, их массовость будет большим вопросом, но потом и мы, простые юзеры, должны получить все эти плоды цивилизации.
IBM утверждает, что в ее исследовательском центре Almaden Research Center для исследований ключевых проблем взаимодействия головки с диском, относящихся к будущему магнитной записи с высокой плотностью, используется самый современный комплекс контрольно-измерительных приборов.

С помощью различных механических, оптических и магнитных преобразователей взаимосвязь головки с диском и износ механизмов могут быть изучены в широком диапазоне состояний среды. А исследования в рамках иных проектов приведут к использованию материалов с улучшенными свойствами.
В самом ближайшем будущем уменьшится расстояние между диском и головкой. Сейчас оно превышает 15 нанометров, но - не в этом году, так в следующем - будет уменьшено более чем на треть, до 10 нм.

Принципиально новые решения

В течение последних нескольких лет было создано великое множество новых механических решений. Среди них такие, как микроскопия туннельного сканирования, позволяющая сделать доступными атомно-разрешенные изображения самых различных объектов - от совершенных поверхностей кристаллов до биологических макромолекул; зарядное хранение в структурах нитрооксида кремния; запись при помощи ближнепольной оптики и т. д.

Кстати, за счет одной только микроскопии туннельного сканирования (scanning tunnelling microscopy, STM) можно добиться плотности записи в 1 эксабайт информации на квадратный дюйм.

На изображении слева внизу два точечных дефекта поверхности меди, вызванные, по-видимому, атомами с примесями. В результате дефекты рассеивают электроны в форме волн. Данные получены при помощи микроскопии туннельного сканирования. 
Многие из этих способов записи и чтения информации напрямую не относятся к накопителям на жестких дисках, но вполне могут заменить их в будущем или расположиться на одном с ними рынке. Не исключено, что мы даже не сможем различить на глаз эти устройства, поскольку внешность их может быть идентична. Как знать, как знать...

Но если говорить о технологиях более практичных, которые можно применять при обычной комнатной температуре и столь же обычном атмосферном давлении, то стоит упомянуть микроскопию атомарного принуждения (или что-то в этом духе - atomic-force microscopy, AFM). Она позволит при самых обычных погодных условиях записывать и считывать информацию при плотности от 40 до 300 Гбит на квадратный дюйм. Эта технология заключается в чтении и записи при помощи острого тонкого иглоподобного устройства, смонтированного на микромеханическом кронштейне.

То есть мы возвращаемся назад к патефону, электрофону и иным игольчатым представителям техники прошлого, только в сильно сокращенном масштабе. Данные записываются термомеханически, за счет нагревания иглы при контакте с пластиковой дисковой подложкой. Комбинация нагревания и давления иглы влечет за собой вдавливание в поверхность. Как это будет читаться, думаю, объяснять не надо. Той же иглой, при мониторинге движений кронштейна. Как раньше проигрывали записи на пластинках.

В принципе, такие диски можно создавать и заводским промышленным способом (как CD), и это будет качественно новая замена современным дискам CD и DVD.

Еще одна технология, которую непременно хотелось бы описать как альтернативу НЖМД - голографическая память.

Она, в общем-то, более близка современной науке и технике, чем иные обсуждаемые здесь грядущие достижения. Смысл голографической записи в двух словах можно охарактеризовать так: хранение информации в толще носителя при записи и чтении светом. В голографических технологиях применяются светочувствительные носители. Несущий лазерный луч, в котором закодированы данные, пересекается с другим, когерентным (согласованным по времени) лазерным лучом в определенной точке носителя, которая может находиться не на поверхности, а в глубине. Получает дисковод данные при помощи одного из лучей, который возбуждает голографический носитель и заставляет его светиться. Этот свет и улавливается дисководом.

Юзер, да пребудет с тобой лазер!

Применением лазера в магнитной записи - явление естественное и всем привычное. Вспомнить хотя бы магнитооптику, и все становится не так уж и ново. Однако, если приглядеться к этой технологии, разобраться в ней поподробнее, становится понятно, что здесь "уже совсем другая история", и ничего общего с прошлым массовым применением лазера в магнитных накопителях эта технология не имеет.

При физическом уменьшении битовых ячеек в винчестерах обязательно придет время, когда с точностью будут проблемы, не решаемые традиционными методами. Например, когда нужен короткий импульс на отдельно взятом микроскопически малом участке. Тут-то на помощь и должен прийти лазер.
IBM приводит в качестве примера применения лазера в таких условиях разработку 1994 года, признанную стандартом в 1996 году. Технология предназначалась для того, чтобы во время остановки головка не падала на поверхность диска. Для этого на диск наносилось специальное покрытие из микроскопических возвышений, по которым головка правильно позиционировалась в парковочную область.

Вот так!

И даже если случится такое, что харды как класс вымрут, нам от этого хуже не станет, и тогда кто-нибудь будет через много лет вспоминать: "Вот во времена моей молодости была штука такая. Манчестер называлась. Ой, етот, как его? Вот, вспомнил(-а)! Винчестер! Ох, и штука была! Там информация в зернах хранилась! Ха, динозавры, блин!"...

Из Чего все это выросло

Первые головки, устанавливавшиеся на жесткие диски, назывались ферритовыми. Сердечник в них изготовлялся из прессованного феррита (материала на основе оксидов железа). Такие головки были установлены, например, на Winchester 30-30 компании IBM. Зазор между головкой и поверхностью диска составлял 5-8 микрон.

Сделать ширину зазора меньше было нельзя, так как головки были достаточно массивными, и жесткости подвески не хватило бы для того, чтобы постоянно удерживать их на меньшей высоте, не допуская контакта с рабочей поверхностью диска.

Разновидностью этих головок были композитные (стеклоферритные) головки, в которых ферритовый сердечник располагался в керамическом корпусе, что создавало дополнительную защиту от "шумов" при считывании, так как корпус ослаблял внешние магнитные поля. Среди многочисленных недостатков этих головок были низкое быстродействие и быстрое магнитное насыщение сердечника.

Поэтому их нельзя было использовать с носителями, обладающими большой коэрцитивной силой (сила остаточной намагниченности), а максимальная скорость вращения диска была ограничена. Но на безрыбье и рак рыба, так что эти головки были в свое время установлены на всех винчестерах. Существенным достоинством их была дешевизна, так что и после появления более совершенных головок многие дешевые модели жестких дисков выпускались именно с ними.

Головки с металлом в зазоре (Metal-in-Gap - MIG) появились в результате развития стеклоферритных. В них магнитный, а иногда и дополнительный зазор был заполнен металлом, что позволяло создавать в сердечнике магнитное поле большей напряженности.

Если металлом был заполнен только магнитный зазор, такие головки назывались односторонними, если еще и дополнительный - двусторонними. Градиент магнитного поля в зоне перемены знака стал выше примерно в 2 раза, то есть граница между участками с разной полярностью стала четче и короче, что позволило повысить плотность записи и увеличить скорость вращения диска. Уменьшение размеров и массы головки позволило еще больше приблизить ее к рабочей поверхности.

Революцией в развитии индуктивных головок стало появление так называемых тонкопленочных головок (Thin Film - TF), изготавливаемых при помощи фотолитографии. Сердечник - сплав железа и никеля. Градиент остаточного магнитного поля, создаваемого этим типом головок, еще выше. Миниатюрность и больший градиент магнитного поля позволили еще больше приблизить головки к рабочей поверхности диска и увеличить скорость его вращения, что, естественно, значительно повысило плотность записи. Зазор уменьшился примерно до 0,05 мкм . Следующим прорывом сталиа магниторезистивная (magneto-resistive - MR) головка.

Принцип ее работы выглядит так. Через считывающий элемент такой головки постоянно идет ток, называемый измерительным. Если магнитное поле возле элемента изменяется, он реагирует на это изменением собственного сопротивления, что отражается на силе измерительного тока. Таким образом, сигнал из такой головки выходит постоянно, меняясь в зависимости от полярности намагниченного участка, который в данный момент находится под считывающим элементом.

К сожалению, используя магниторезистивный эффект, можно создать только считывающую головку, так что про нее можно справедливо заметить, что "чукча не писатель, чукча - читатель". Первый жесткий диск с магниторезистивными головками емкостью 1 Гбайт (3,5") был выпущен в 1991 году компанией IBM.

В чем же преимущества магниторезистивных головок перед индуктивными?

Первое - это их чувствительность. Амплитуда выходного сигнала (число, показывающее силу сигнала) у них примерно в 3-4 раза больше. Кроме того, как уже упоминалось, амплитуда выходного сигнала у обычных тонкопленочных головок сильно зависит от скорости движения расположенной под ней дорожки. Чем меньше диаметр дорожки, тем меньше скорость, с которой она движется под головкой. Это создает дополнительные трудности для разработки магнитных носителей малых размеров.

Амплитуда выходного сигнала магниторезистивной головки от скорости движения дорожки не зависит, так как ток в ней возникает не по принципу магнитной индукции и, следовательно, сила тока не зависит от скорости изменения магнитного поля рабочего слоя.
Второе. Поскольку для записи используется обычная индуктивная головка, а магниторезистивная - для считывания, то каждую из них можно установить на оптимальной высоте над поверхностью диска.

Дело в том, что для записи головку лучше располагать на несколько большем расстоянии от поверхности, чем для считывания, так как при этом рабочая поверхность намагничивается на большую глубину, что, естественно, улучшает и качество записи, и срок ее хранения. Для считывания же это расстояние должно быть меньше, так как при этом на головку больше влияет тот участок рабочей поверхности, который расположен непосредственно под ней, а влияние посторонних шумов уменьшается.

Третье. Обычная тонкопленочная головка создает магнитную дорожку большей ширины, чем нужно магниторезистивной головке для чтения. Это создает дополнительную надежность считывания информации, так как снижается влияние помех.

Наряду с неоспоримыми достоинствами магниторезистивные головки имеют и недостатки, связанные, главным образом, с более трудоемкой, а следовательно, и более дорогостоящей технологией изготовления. Во-первых, при изготовлении головки, так же как и для тонкопленочной, используется технология фотолитографии, но по сравнению с технологией изготовления тонкопленочной головки требуется больше фотошаблонов. Во-вторых, для подачи измерительного тока необходимо подвести к головке дополнительные провода. В-третьих, чувствительность магниторезистивных головок гораздо больше, следовательно, их нужно лучше экранировать от внешних помех. В-четвертых, при контакте головки с любыми микрочастицами или касании поверхности элемент чтения мгновенно нагревается.

Изменения температуры отражаются на сопротивлении считывающего элемента, и головка временно теряет способность считывать данные с рабочей поверхности. Это создает повышенные требования к конструкции всего жесткого диска, особенно привода головок и воздушного фильтра.

На появлении магниторезистивных головок прогресс в области конструирования накопителей на жестких дисках не остановился. В 1997 году IBM выпустила винчестер емкостью 16,8 Гбайт, на котором был установлен новый тип магнитных головок - так называемые гигантские магниторезистивные (GMR) головки. Называются они так не благодаря размеру (размер их меньше, чем у обычных головок), а благодаря названию эффекта, на котором основан принцип их работы (Giant Magnetoresistive).

Этот эффект был открыт в 1988 году при помещении некоторых кристаллов в сильное магнитное поле, которое сильнее поля, используемого для записи на жестких дисках, примерно в 1000 раз. Сегодня такие головки используются в большинстве жестких дисков.

Источник: http://www.computery.ru/upgrade/

 


Copyright © "Internet Zone"info@izcity.com
Копирование и использование данных материалов разрешается только в случае указания на журнал "Internet Zone", как на источник получения информации. При этом во всех ссылках обязательно явное указание адреса вэб-сайта http://www.izcity.com/. При наличии у копируемого материала авторов и источника информации - их также нужно указывать, наряду со ссылкой на нас.