Nowa technologia nośników magnetycznych

IBM opracował nową generację systemów pamięci masowej, w której wykorzystał opracowane w swoich laboratoriach technologie.

IBM opracował nową generację systemów pamięci masowej, w której wykorzystał opracowane w swoich laboratoriach technologie.

Najpiew trochę historii

13 września 1956 r. IBM zaprezentował jako pierwszy na świecie, technikę zapisu na dyskach magnetycznych, zwaną RAMAC. W tej technice, zapis 5 MB danych wymagał 50 dysków o średnicy 24" każdy.

Głowicę magnetyczną ślizgającą się po poduszce powietrznej nad powierzchnią obracającego się dysku wdrożono również w IBM w 1961 r. Obecnie zaś, zastosowanie techniki głowicmagnetooporowych w połączeniu z medium zapisu o ciągłej strukturze mikroskopowej zaowocowało znacznym zagęszczeniem zapisu informacji na dyskach magnetycznych, produkowanych przez IBM.

Nośnik informacji

Informacja (pojedyncze bity) jest zapisywana i zapamiętywana w postaci małych obszarów o zwiększonym w stosunku do reszty nośnika, natężeniu pola magnetycznego. Stosowane powszechnie nośniki stanowią zastygły roztwór drobin ferromagnetyka (Fe3O4, CrO2 itp.) w żywicy epoksydowej. Warstwa taka, po naniesieniu z obu stron na (najczęściej) aluminiowy krążek, tworzy jeden z dysków składowych tzw. dysku stałego (HD). W skład jednego urządzenia dyskowego wchodzi zazwyczaj kilka takich "talerzyków". Gęstość zapisu na tego typu nośnikach zależy m.in. od rozmiarów ziarn ferromagnetyka, tworzącego warstwę.

W laboratoriach IBM opracowano warstwy ferromagnetyka, które nie mają struktury ziarnistej. Zaproponowany i wykonany przez naukowców z IBM pomysł, polega na zastosowaniu takich materiałów, które zachowując niezbędne dla pamięci masowych własności magnetyczne, będą miały strukturę ciągłą. W rezultacie powstał nośnik o strukturze wielowarstwowej, na którą składają się aż trzy rodzaje ferromagnetyków.

wrastwa ślizgowa

węgiel (diament)

CoCr

Cr

NiP

Al

Warto zwrócić uwagę na węgiel, pokrywający cienką warstwą ferromagnetyk. Jest to warstwa wykonana techniką carbon-like-a-diamond (węgielýjakýdiament). W technologii wytwarzania takiej warstwy, osiadający na powierzchni węgiel krystalizuje tworząc cieniutką, ale bardzo odporną mechanicznie warstwę diamentu. Na tak chronionych powierzchniach, przypadkowy, mechaniczny kontakt głowicy z warstwą nośnika nie zagraża mikrouszkodzeniem dysku i utratą zapamiętanych w tym miejscu danych.

Głowica

Aby w pełni wykorzystać własności nośnika magnetycznego, skonstruowano specjalny typ głowicy wykorzystującej zjawisko magnetooporowe - zmian oporności elektrycznej pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.

Magnetooporowa głowica składa się z dwóch niezależnych elementów, zapisującego i odczytu, rozdzielonych materiałem ekranującym. Elementem zapisującym jest cienkowarstwowa głowica indukcyjna. Element czytający zaś, to cienka warstwa stopu (najczęściej NiFe), który pod wpływem zmian zewnętrznego pola magnetycznego zmienia swój opór elektryczny. Oba te elementy ekranowane są od inych pól magnetycznych, przy czym jedna z warstw ekranujących pełni rolę jednego z biegunów w nabiegunniku cewki elementu zapisującego. To rozwiązanie jest znacznie prostsze niż w przypadku głowic uniwersalnych (zapisu/odczytu) albowiem nie wymaga stosowania wielu różnych miniaturowych cewek, do wykonania których potrzebne jest zastosowanie zaawansowanych metod technologicznych, podnoszących koszt produktu. Głowice magnetooporowe zaproponowane przez naukowców z laboratoriów IBM pozwalają na obniżenie kosztów zarówno wytwórcy, jak również użytkownika końcowego.

Zapis/odczyt

Zasadę działania głowicy magnetooporowej pokazano na schemacie. Cewka zapisująca dokonuje zapisu przez polaryzację magnetyczną obszarów nośnika, mających postać radialnych pasków, rozmieszczonych na koncentrycznych pierścieniach (ścieżkach) wokół osi wirującego dysku. Powierzchnia do zapisu 1 bitu wynosi ok. 0,9x1,8 ćm. Informacje te mogą być następnie odczytywane przez element czytający (sensor) - w czasie obrotu dysku, sensor natrafia na obszary o różnej polaryzacji magnetycznej. Powodują one zmiany kierunku jego namagnesowania, co w efekcie przejawia się jako zmiany jego oporności. Wykrywane są one jako fluktuacje prądu w obwodzie zewnętrznym sensora. Po wzmocnienu, fluktuacje te są przekazywane do elektronicznego kontrolera dysku.

Obecnie IBM opracował typ wielowarstwowego sensora magnetooporowego, zwanego SAL (Soft-Adjacent-Layer). Prąd elektryczny płynący wzdłuż sensora powoduje powstanie pola magnetycznego poprzecznego do pola wytwarzanego przez zapis na dysku. Reakcja tych pól powoduję, że sensor wytwarza sygnały mało zależne od grubości warstwy magnetooporowej.

Co nowego?

Poszukując nowych materiałów pozwalających na zmniejszenie wymiarów głowic, co jest niezbędne jeśli chce się myśleć o gęstościach zapisu większych niż 1 GB/cal przy zachowaniu rozsądnej amplitudy sygnału odczytu, zbadano warstwy wykazujące bardzo duży efekt magnetooporowy GMR (Giant Magneto Resistivity). Jak można zauważyć, amplituda dla sensorów najnowszej generacji wykorzystujących efekt GMR jest 4 razy większa niż dla MR.

Efekty

Połączenie nowoczesnych technologii nośnika magnetycznego z magnetooporową głowicą zaowocowało zwiększeniem gęstości zapisu. W stosunku do tradycyjnych dysków, nowy typ nośnika i sensory GMR pozwolą na ok. 20ýkrotne zwiększenie gęstości zapisu. Ewolucję tego wyścigu pokazano w tabeli.

Obecnie produkowane przez IBM napędy dysków stałych wyposażone są w nośniki magnetyczne o średnicy 3,5" i głowice magnetooporowe (MR). Stosowana przez IBM technologia pozwala na konstruowanie płaskich napędów dyskowych - do zapisania 1,2 GB informacji wystarczą dwa dyski i 4 głowice. Zastosowanie warstwy diamentu podwyższyło średni czas między awariami (MTBF - mean time between failure) do ponad 1 mln godzin.