Глава 5. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

§5.1. Физические основы и характеристики устройств

смагнитной запоминающей средой

Магнитные материалы используются в запоминающих устройствах (ЗУ) краткосрочного или длительного хранения информационных массивов, включая запоминающую среду (ЗС) и устройства ее записи/воспроизведения.

Запоминающая среда – материал, обладающий физическими свойствами, позволяющими записывать, хранить и воспроизводить информацию.

В зависимости от предъявляемых требований (условия эксплуатации, объем и длительность хранения информации и др.) применяются различные типы ЗУ, в которых используются магнитные, полупроводниковые, оптоэлектронные и другие свойства ЗС. Тип ЗУ определяется по применяемому в нем носителю (записи) – физическому телу, используемому при записи для сохранения в нем или на его поверхности какой-либо информации.

Наиболее распространены ЗС на основе магнитных или полупроводниковых материалов. В ЗС на основе магнитных материалов производится магнитная запись, осуществляемая изменением магнитного состояния носителя записи или его отдельных частей в соответствии с сигналами записываемой информации под воздействием магнитного поля.

Магнитная запись по сравнению с записью, используемой в ЗС на основе полупроводниковых материалов, имеет следующие преимущества:

–технологичность процесса записи/воспроизведения и простота устройств для его осуществления;

–дешевизна носителя информации и возможность его многократного использования;

–возможность длительного хранения информации без ухудшения ее качества и при отсутствии питания;

–высокая плотность данных* при записи больших массивов.

*Плотность данных – это количество знаков данных, хранящихся на единице длины, площади или объема.

152

Несмотря на вышеперечисленные преимущества, большинство ЗУ с магнитной записью уступают аналогичным устройствам с ЗС на основе полупроводниковых материалов:

–по плотности записи данных (число бит, записанных на единицу длины или площади носителя данных);

–по скорости ввода/вывода информации;

–по энергопотреблению при записи, воспроизведении и стирании информации;

–по механической надежности*.

Для магнитной записи, воспроизведения и/или стирания информации используются:

головка записи – устройство, посредством которого сигналы информации воздействуют на ограниченную область носителя записи с целью записи информации;

головка воспроизведения – устройство, которое взаимодей-

ствует с ограниченной областью сигналограммы** или на которое воздействует эта область с целью воспроизведения информации;

головка стирания – устройство, взаимодействующее с ограниченной областью сигналограммы с целью стирания информации.

В ЗУ с магнитными ЗС используются комбинированные головки – устройства, одновременно выполняющие функции головок записи, головок воспроизведения и головок стирания или любой пары этих головок.

Физической основой магнитной записи является свойство магнитных материалов сохранять состояние остаточной намагниченности (индукции). Кроме того, доменная структура некоторых магнитных материалов под воздействием внешнего магнитного поля может приобретать регулярный характер (решетки либо цилиндрические, полосовые или кольцевые домены), что позволяет использовать элементы доменной структуры в качестве ячеек памяти ЗУ.

Эксплуатационные характеристики ЗУ зависят от свойств их ЗС, в частности:

*Механическая надежность характеризуется прочностью, жесткостью, устойчивостью и герметичностью.

**Сигналограмма – носитель записи, содержащий сигналы записанной информации.

153

– от намагниченности насыщения Ms, которая определяет амплитуду сигнала, наводимого в головке воспроизведения (увеличение Ms повышает достоверность считывания информации);

– от коэрцитивной силы НсВ, определяющей надежность хранения записанной информации и значение напряженности магнитного поля в головке записи (увеличение НсВ повышает надежность, но увеличивает расход энергии и усложняет конструкцию ЗУ).

§ 5.2. Магнитные материалы, используемые в качестве запоминающих сред

Развитие технологий записи информации, в которых применяются магнитные материалы, привело к устройствам, запоминающая среда которых представляет собой тонкие магнитные пленки (ТМП) или пленки на основе тонкодисперсных магнитных порошков, используемых в порошковых носителях магнитной записи.

Порошковый носитель магнитной записи – носитель с рабо-

чим слоем, содержащим ферроили ферримагнитный порошок, распределенный в немагнитном связующем.

ТМП различной структуры (аморфной, поликристаллической, монокристаллической) формируются вакуумными методами на диэлектрических, полупроводниковых или проводящих подложках.

В ЗУ применяются ТМП, имеющие толщину от долей нанометра до единиц микрометров. Несмотря на глубокую проработку основных положений теории записи информации в ТМП, ЗУ на их основе нашли практическое применение только после развития технологии эпитаксиального выращивания соответствующих магнитных материалов, что позволило массово производить слои, имеющие заданные свойства.

Основные свойства ТМП, обосновывающие их применение в ЗУ:

–большая скорость перемагничивания за счет вращения вектора намагниченности под действием внешнего магнитного поля;

–пренебрежимо малые потери на вихревые токи;

–большое отношение площади поверхности пленки к ее объему, обеспечивающее естественное охлаждение;

–использование распространенной и отработанной групповой технологии получения.

154

В табл. 5.1 приведены составы и свойства некоторых магнитных материалов, используемых в различных устройствах в качестве ЗС и для взаимодействия с ней.

Таблица 5.1

Магнитные материалы для записи, воспроизведения и хранения информации в электронных устройствах

Примечание. ЖМД – жесткий магнитный диск; ГМС-головка – магнитная головка воспроизведения, в которой используется эффект гигантского магнетосопротивления; МРЗУ – магниторезистивное запоминающее устройство; МЛ – магнитная лента

В ТМП коэффициенты размагничивания в плоскости пленки на порядки меньше, чем в направлении нормали к ней. Если материал пленки обладает невысокими значениями констант магнитной анизотропии, то ОЛН располагаются в плоскости пленки. В этом случае в ТМП формируются доменные структуры, одна из которых (полосовая доменная структура) показана на рис. 5.1, а (стрелками указано направление намагниченности в доменах). Ширина доменов (в зависимости от магнитного материала и толщины пленки) составляет от долей микрометра до единиц микрометров. Внешнее магнитное поле, направленное по ОТН, способно повернуть систему полосовых доменов на 90°.

155

ния монокристаллической пленки, ОЛН направлена перпендикулярно плоскости пленки – перпендикулярная магнитная анизотропия*.

В таких пленках возникает лабиринтная доменная структура (рис. 5.1, б). Приложение внешнего магнитного поля перпендикулярно плоскости пленки приводит к изменению доменной структуры по мере увеличения напряженности магнитного поля. Это изменение происходит в следующей последовательности:

–образование доменной структуры лабиринтного вида с уменьшенной площадью доменов, вектор намагниченности которых антипараллелен направлению магнитного поля (рис. 5.1, в);

–образование цилиндрических магнитных доменов (ЦМД)**

(рис. 5.1, г).

Когда напряженность магнитного поля превышает некоторое критическое значение (поле коллапса), пленка становится однородно намагниченной в направлении внешнего поля.

ЦМД могут образовываться в тонких монокристаллических пленках

–ортоферритов (RFeO3, где R – редкоземельный элемент

(Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Sm или Eu);

–феррит-гранатов (R3Fe5O12);

–гексаферритов ((МеО·6Fe2О3), где Ме – Ва, Sr или Pb),

атакже в аморфных пленках интерметаллических соединений редкоземельных и переходных металлов (Gd–Co и Gd–Fe) и др.

Наименьшие по размеру ЦМД образуются в аморфных пленках, в состав которых входит кобальт (диаметр ~ 0,08 мкм), наибольшие – в пластинах ортоферритов (диаметр – до 300 мкм).

На основе ЦМД можно создать запоминающую среду, в которой наличие или отсутствие ЦМД в выбранной точке пленки отождествляется с двоичными значениями бита информации «1» или «0».

*Перпендикулярная магнитная анизотропия может присутствовать в аморфных ТМП, она образуется в процессе их изготовления. Константа перпендикулярной магнитной анизотропии зависит от структурных неоднородностей столбчатого типа и внутренних напряжений.

**Цилиндрический магнитный домен – домен цилиндрической формы, намагниченность которого параллельна и противоположна направлению намагниченности окружающего магнитного материала.

157

Соседние ЦМД взаимно отталкиваются* за счет взаимодействия их магнитных полей рассеяния, поэтому для исключения ошибок при воспроизведении информации минимальное расстояние между ЦМД должно быть равно четырем их диаметрам. В связи с этим площадь ячейки памяти не может быть меньше 16d2, что ограничивает плотность записи носителя данных на ЦМД. По этой причине запоминающая среда на ЦМД неконкурентоспособна по сравнению со средой, в которой ячейка памяти представляет собой несколько десятков зерен магнитного материала (используется в МЛ и ЖМД).

Теоретические разработки, направленные на увеличение плотности данных в ЗУ на ТМП, рассматривали возможность использования в качестве ячеек памяти участков доменных границ (ДГ). В теории магнетизма рассматриваются два типа ДГ**: стенки Блоха и стенки Нееля. В блоховской ДГ разворот намагниченности происходит соответственно в плоскости границы (рис. 5.2, а). В области, соответствующей половине толщины ДГ (δгр/2), вектор намагниченности ориентирован перпендикулярно поверхности пленки. Для неелевской ДГ поворот вектора намагниченности происходит в плоскости пленки (рис. 5.2, б).

Рис. 5.2. Поворот вектора намагниченности

вграницах между доменами ТМП:

а– ДГ Блоха; б – ДГ Нееля

*Векторы намагниченности соседних ЦМД имеют одинаковое направление, что вызывает их взаимное отталкивание аналогично отталкиванию макроскопических магнитов.

**В литературе также используется название «доменные стенки».

158

Тип ДГ (Блоха или Нееля) зависит от толщины, состава и способа изготовления ТМП. В ТМП, имеющих различную толщину, вклады отдельных видов энергии (обменной энергии, энергии анизотропии и энергии размагничивания) в энергию доменной границы различны. Например, для пленок Ni–Fe (пермаллоя), полученных вакуумным осаждением, при их толщинах менее 40 нм (рис. 5.3) энергия размагничивания превышает обменную энергию, что приводит к формированию ДГ Нееля.

Рис. 5.3. Зависимость удельной энергии ДГ от толщины ТМП пермаллоя

В ряде магнитных материалов (например, в феррит-гранатовых пленках, в которых поле анизотропии превышает размагничивающее поле) энергии ДГ Блоха и Нееля становятся практически одинаковыми. В результате ДГ может разбиваться на чередующиеся участки с противоположным направлением намагниченности, разделенные переходной областью – блоховской линией.

Блоховская линия (БЛ) – переходная область, представляющая собой участок ДГ неелевского типа, разделяющий два блоховских участка ДГ с противоположным направлением разворота вектора намагниченности. БЛ, перпендикулярная плоскости пленки, называется вертикальной блоховской линией (ВБЛ), а параллельная – горизонтальной блоховской линией (ГБЛ). Схематичное изображение ВБЛ и ГБЛ приведено на рис. 5.4, направления магнитных моментов атомов обозначены стрелками.

159

суемой области памяти данных, т. е. ячейки памяти (при этом +Br и −Br отождествляются соответственно со значениями двоичного ко-

да «1» и «0»).

Для создания ЗУ кольца объединяются в матрицу (рис. 5.5, б). Через каждое кольцо пропускаются координатные провода (для выбора, записи и воспроизведения информации) в горизонтальном (I, II, III, IV…) и вертикальном (1, 2, 3, 4, …) направлениях, а также провод воспроизведения в диагональном направлении.

Рис. 5.5. Принцип работы ЗУ на основе феррита с ППГ:

а – петля гистерезиса; б – схематическое изображение ячеек памяти, собранных в матрицу

Перед записью все кольца переводятся в состояние намагниченности, соответствующее значению двоичного кода «0». При записи через выбранные вертикальные и горизонтальные провода одновременно пропускается такой ток, что создаваемая им напряженность магнитного поля только одного из проводов, проходящих через кольцо, не в состоянии его перемагнитить (например, H = +Hm/2, рис. 5.5, а). Если ток проходит через два пропущенных кольца провода (одновременно через горизонтальный и вертикальный), то напряженность магнитного поля становится достаточной для того, чтобы его перемагнитить [2(+Hm/2) = Hm].

Для записи в выбранную ячейку памяти (кольцо) логической единицы необходимо по каждому из соответствующих ей координатных проводов пропустить ток, создающий в ячейке поле напря-

161

женностью +Hm/2. При записи логического нуля импульсы тока по соответствующим координатным проводам пропускают неодновременно. Результирующее поле в этом случае не будет превышать +Hm/2, и перемагничивания сердечника не произойдет.

При воспроизведении записанной информации необходимо через соответствующие заданному кольцу координатные провода пропустить импульсы тока, создающие поле напряженностью −Hm/2. Тогда кольцо с индукцией (+Br), что соответствует хранению логической единицы, перемагничивается в состояние с индукцией (−Br), и на проводе воспроизведения наводится ЭДС, создающая в нем электрический ток. Наличие тока в проводе воспроизведения регистрируется узлом воспроизведения как логическая единица. Такой метод воспроизведения разрушает ранее записанную информацию. Для сохранения ранее записанной информации необходимо после ее воспроизведения провести операцию восстановления.

Кольцо с индукцией (−Br), что соответствует хранению логического нуля, не перемагничивается, и соответственно ЭДС на проводе воспроизведения не наводится, что регистрируется узлом воспроизведения как логический ноль.

Быстродействие (скорость ввода/вывода информации) в значительной степени определяется коэффициентом переключения (Sw) материала сердечника. В качестве такового предлагалось использо-

вать Li–Na-, Mg–Mn-, Mg–Mn–Zn–Ca- и Li–Mg–Mn-ферриты (Sw

30…50 (А ∙ мкс)/м), а также пермаллой – ленту марок 50НП, 34НКМП, 68НМП (Sw 80…95 (А ∙ мкс)/м). При этом быстродействие ЗУ составляет единицы или доли микросекунд.

В выпускавшихся ЗУ использовались более дешевые и технологичные ферритовые кольца (рис. 5.6). Минимальный внешний диаметр ферритовых колец составлял 0,3 мм, что обусловливалось технологическими особенностями их производства (обязательностью обеспечения однородности и точности размеров) и необходимостью пропускания сквозь них не менее трех проводов. Для увеличения объема хранимых данных в ЭВМ матрицы объединялись в «кубы памяти».

162