История развития устройств хранения информации

За точку отсчета в развитии магнитной памяти сле­дует принимать далекий 1898 год. Именно в том году датский инженер В. Поулсен продемонстрировал прибор, который мог записать речь на стальную струну. Поулсен перемещался от одного конца проволоки к другому, говоря в микрофон, подсое­диненный к электромагнитной катушке. Когда Поулсен вернул тележку в исходное положение и заменил микрофон динамиком, слышно было его голос в процессе движения тележки. В основе современных устройств магнитной записи ин­формации лежит этот же принцип с той лишь разни­цей, что струна заменена тонкой магнитной пленкой. Применяемые в настоящее время способы записи и считывания информации можно разбить на две груп­пы: магнитный и оптический.

Технология магнитной записи стала широко использо­ваться в различных элементах памяти с начала 1950-х го­дов. Именно эта технология до сих пор применяется в работе большинства компьютеров.

В современных носителях один бит магнитной ин­формации - это один магнит­ный домен, направление вектора намагниченности в котором может быть изменено внешним полем. В маг­нитной записи используются так называемые продоль­ные домены, намагниченность которых ориентирована в плоскости диска. Запись одного бита инфор­мации осуществляется путем подачи тока в электриче­скую катушку. Считывание информации при данной схеме работы может осуществляться различными спо­собами. Данная схема ис­пользуется в процессе работы жестких дисков компью­теров, флоппи-дисков и стриммеров. Для записи битов с высокой плотностью записи необходимо, чтобы не только расстояние между магнитной средой и считыва­ющей/записывающей головкой было мало, но и чтобы сама среда была как можно более тонкой и гладкой.

Одним из наиболее хорошо известных магнитных материалов, используемых для записи, является поро­шок в связывающей матрице (например, лаке). Поро­шок представляет собой микрочастицы с большой оста­точной намагниченностью размером от 0,05 до 1,0 мкм, температурой Кюри от 125 до 770 К и коэрцитивной силой Я_с от 22 до 240 кА/м (0,4—3 кЭ) в зависимости от материала. Соединение Y-Fe,O₃ в недалеком прошлом являлось наиболее популярным материалом для лен­точных магнитных накопителей. Позднее было показа­но, что твердый раствор соединений y-Fe-,O₃ и y-Fe₃O₄, а также кобальтсодержащий y-Fe,O₃ имеют сущест­венно большую коэрцитивную силу, чем соединение y-Fe,O.. Величина Н_с существенно зависит от размера и формы частиц и, например, в случае феррита бария Н_с может изменяться от 56 до 240 кА/м (700—3000 Э).

В отличие от порошковых материалов тонкие пленки — это практически полностью магнитный мате­риал, и, следовательно, в процессе записи информации весь материал пленки находится в зоне действия боль­шого магнитного поля. В то же время при считывании поле, создаваемое отдельными доменами, сконцентри­ровано вблизи поверхности пленки (вблизи головки) и, следовательно, информация может быть считана более эффективно. Таким образом, использование пленок позволяет добиться более высокой по сравнению с по­рошковыми материалами плотности записи. В качест­ве материалов для записи информации используются, например, пленки сплавов кобальта, нанесенные на алюминиевые или стеклянные пластины. Причем ско­рость их вращения может достигать 7200 об./мин. Тол­щина магнитного слоя в пленочных продоль­ных носителях составляет около 10—50 нм. В течение последних лет коммерчески доступными являются дис­ки с плотностью записи несколько Гбит на 1 см², то есть один бит информации имеет размер 0,8 х 0,06 мкм и менее.

Для предупреждения повреждения пленки, особен­но когда диск начинает двигаться, проводится текстурирование дисков: импульсным лазерным излучением на вращающийся диск наносятся кратероподобные шишки высотой около 20 нм. Шишки расположены по спирали, начинающейся от внутреннего радиуса дис­ка, остальная поверхность диска имеет минимальную шероховатость, является рабочей и используется для магнитной записи. Ожидается, что в ближайшее время будет достигнут практически прямой контакт между средой и головкой. С этой целью необходимо использо­вать практически гладкие материалы толщиной 5—10 нм, покрытые слоем смазки, обеспечивающей практически безфрикшюнное движение головки относительно пло­скости диска.

К средам для магнитной записи предъявляются также следующие требования: стабильность свойств при изменении температуры, механических воздейст­виях, радиации и сырости; неограниченное количество циклов записи и сохранность записанной информации более 30 лет; возможность нанесения антифрикцион­ных/защитных покрытий и использования подложек с хорошей аэродинамикой и, что самое главное, малая стоимость производства.

К преимуществам магнитной записи можно отнести простоту и высокую надежность записи (малую вероят­ность ошибки), более высокую скорость записи/считы­вания по сравнению с оптическими системами; малую стоимость одного бита и сравнительно низкую стои­мость дальнейшего увеличения плотности записи. Не­достатками магнитных систем являются ограничение скорости записи индуктивностью используемого кольца, а также определенное ограничение емкости диска. При использовании механических систем ограничения накладываются также на время доступа к информации и точность позиционирования головки.

В настоящее время для магнитной записи инфор­мации используются индукционные головки. В про­цессе работы головки поле, создаваемое электрической микрокатушкой, концентрируется с помощью магни-топровода в непосредственной близости от поверхнос­ти диска. В отличие от диска головка может перемещаться только в радиальном направлении. Запись продольных доменов различной ориентации осуществляется за счет изменения направления тока в микрокатушке. Сущест­вуют универсальные головки, которые совмещают как функцию записи, так и воспроизведения. Современные жесткие компьютерные диски емкостью 120 Гбайт имеют шесть головок для записи и считывания ин­формации.

Наиболее плотная магнитная запись достигнута с применением тонкопленочных головок для считывания информации, действие которых основано на эффекте гигантского магнитосопротивления. Этот эффект за­ключается в изменении сопротивления материалов под воздействием магнитного поля. Он был открыт лордом Кельвином в 1856 году в обычном железе и составлял 1/3000 долю от величины сопротивления железа в нор­мальных условиях. Ученым удалось найти вещества, в которых относительное изменение сопротивления пре­вышает величину 1%/Э. Этот гигантский эффект и ис­пользуется в считывающих головках компьютеров для регистрации поля, создаваемого одним доменом (маг­нитное поле на поверхности диска не превышает 20— 25 Э). Отметим, что в современных компьютерах за­пись информации осуществляется с помощью индук­ционной головки, а считывание — экранированной магниторезистивной головкой.

В середине 1970-х — начале 1980-х г.г. фундамен­тальные исследования в области оптической записи достигли уровня, позволившего таким промышлен­ным гигантам, как RСА, «Sony» и «Philips», запустить в производство оптические устройства хранения инфор­мации. Первый оптический диск для хранения инфор­мации был выпущен в 1985 году. Наиболее известными устройствами такого рода в России являются компакт-диски (CD). В каждую из систем для считывания ин­формации с CD встроен лазерный диод, работающий в ближней инфракрасной области спектра. Этот диод способен легко детектировать выбитые на поверхности диска ямы с характерным размером около 1 мкм и тем самым считывать записанную информацию. Увеличе­ние плотности записи информации на оптических дис­ках в некоторой степени сдерживается отсутствием твердотельных лазеров с меньшей длиной волны. Выпу­скаемые CD позволяют перезаписывать информацию до ста раз. Оптические системы (так называемые Juke­box) наибольшей емкости могут записывать до 1,45 Тбит на 278 дисках.

Логическим продолжением этих работ стало разви­тие магнитооптического способа записи информации. Помимо обсуждаемой выше продольной записи, кото­рая используется при создании магнитной памяти, су­ществует также и перпендикулярная запись, при кото­рой вектор намагниченности доменов ориентирован перпендикулярно к плоскости диска. Такой тип записи применяется в магнитооптических системах памяти. Первая коммерческая версия магнитооптической сис­темы была выпущена только в 1994 году.

Маг­нитооптические системы используют в своей работе полярный эффект Керра. При этом информация об ориентации намагниченности домена получается при анализе степени вращения плоскости поляризации ла­зерного луча при отражении от пленки (около 0,3°). Первые такие системы использовали ферримагнитные аморфные сплавы редкоземельных и переходных металлов, обладающие перпендикулярной магнитной анизотропией. Состав пленок подбирается таким обра­зом, чтобы температура, при которой происходит переагничивание домена, была близка к точке магнитной компенсации или точке Кюри, где величина Н_сзначи­тельно уменьшается. Эффективными составами для магнитооптической записи считаются GdFe, TbCo, TbFe, TbFeCo, Co/Pt, Co/Pd и др.

В настоящее время существуют, например, 5,25-дюймовые перезаписываемые удаляемые (перенос­ные) магнитооптические диски емкостью до 2,3 Гбай-та, 14-дюймовые двухсторонние диски имеют емкость 12 Гбайт. Предполагается, что в ближайшее время циф­ра возрастет до 20 Гбайт даже для 5,25-дюймового дис­ка (при двухсторонней записи).

Для осуществления записи необходимо выполне­ние ряда магнитных, термомагнитных и магнитоопти­ческих требований: направление магнитного момента домена должно быть перпендикулярно плоскости плен­ки; распределение намагниченности по пленке должно быть устойчиво к воздействию размагничивающих по­лей и малых температурных колебаний; в материале должна существовать регулярная и воспроизводимая доменная структура с размером домена около 1 мкм: возможность уменьшения коэрцитивной силы по ве­личине приблизительно на порядок при нагревании; отсутствие изменений в соседних доменах при нагреве (сравнительно плохая теплопроводность); достаточная (для считывания) величина полярного эффекта Керра: максимально возможное отношение сигнала к шуму (более 25 дБ) во всем рабочем интервате температур и т.д.[10]