Лекция №10. Магнитная память

(продолжение)

Магнитная память является двумерной. В устройствах для гибких дисков, винчестерах и CDROM движение по одной оси обеспечивается рабочим двигателем (предельная скорость 15000 об/мин), по другой – за счет шагового двигателя. Рассмотрим подробнее внутреннее устройство жесткого диска.

В его корпусе объединены управляющий двигатель, носитель информации (диск), головки чтения/записи и электроника. Носитель информации – это, как правило, несколько дисков, расположенных друг над другом. Кроме того, для увеличения объема памяти диски можно сделать двусторонними, то есть ферромагнитный слой наносится на обе поверхности диска. Для каждого диска имеется одна или пара головок чтения/записи, которые приводятся в движение и позиционируются с помощью пошагового двигателя. Позиционирование одной головки вызывает аналогичное перемещение и всех остальных (рычаги головок жестко связаны друг с другом и представляют собой «гребень»), и поэтому, когда речь идет о логической структуре винчестера, говорят о цилиндрах, а не о дорожках. Рабочий двигатель вращает диски.

Предельная плотность записи на винчестерах есть 150 Гбит/дюйм . Такой высокий результат можно достичь с помощью следующей технологии. На диске на слой ферромагнетика наносится слой антиферромагнетика (вспомним, что принципиальным свойством антиферромагнетика является противоположная ориентированность магнитных моментов в соседних ячейках кристаллической решетки). Такое наслоение позволяет получить материал с принципиально другим размером домена. Теперь размер бита информации определяется размером кристаллической ячейки (порядка 1 нм), что на три порядка меньше, чем размер домена в ферромагнетике.

Проблемы с головками чтения/записи аналогичны проблемам с магнитной лентой. Во время эксплуатации винчестера происходит стирание головок, стирание защитного слоя дисков. Одним из выходов в данной ситуации стала следующая замечательная идея: нагревание диска на очень небольшой площади практически до температуры Кюри. Доходить до точки Кюри нельзя, иначе произойдет размагничивание, но если нагревать до температуры, близкой к точке Кюри, намагничивание головки будет происходить легче. Вопрос только в физической реализации данной идеи: как производить нагревание? Решение данного вопроса привело к появлению следующего направления в области хранения информации – магнитооптики. Теперь память по физическому устройству так и осталась магнитной, чтение – оптическим, а запись может быть и магнитной, и оптической. Речь о магнитооптике пойдет несколько позднее.

Размер бита информации был уменьшен с помощью соединения из ферромагнетика и антиферромагнетика, но размер головки чтения/записи остался прежним. Для преодоления такого несоответствия используется нелинейность процесса записи. Поле в зазоре головки не везде одинаково и запись происходит там, где поле максимально. Чтение в этом случае основано на магниторезистивном эффекте, который был открыт Капицей. Если заряженная частица движется в магнитном поле, то сила Лоренца будет заставлять ее двигаться по окружности. Это происходит потому, что сила Лоренца направлена перпендикулярно к вектору скорости частицы, кроме того, данная сила не совершает работу. Рассмотрим движение электрона в ограниченной пластинке из полупроводника с собственной проводимостью, в котором положительные и отрицательные заряды компенсируют друг друга. Действие внешнего поля на эту пластинку приведет к тому, что один край пластины будет отрицательно заряжен, а другой – положительно. При подключении нагрузки к данной пластине пойдет ток. Если края пластины сделать шероховатыми и приложить электрическое поле к полупроводниковой пластине, то неизбежно произойдет изменение сопротивления. То есть, если тонкую пластину из полупроводника поместить в магнитное поле, то носитель заряда дойдет до края пластины, отдаст часть энергии при столкновении, затормозится, и можно будет зафиксировать изменение сопротивления. Магниторезистивная головка как раз и основана на данном явлении, однако проблемой было малое изменение сопротивления при существовании и отсутствии магнитного поля. Если магнитное поле присутствует, ток в цепи падает. Проблема малого изменения сопротивления была решена следующим образом: на полупроводниковую пластину наносился слой диэлектрика, и изменение сопротивления стало достаточным для того, чтобы точно определить есть ли магнитное поле или нет при полях обычных для типовых винчестеров. Внедрение магниторезистивных головок привело к тому, что операции чтения и записи на диск происходят при помощи различных головок: магниторезистивная – для чтения, обычная – для записи.