§ 5.4. Магнитные ленты

вов данных с суммарной емкостью накопителей, входящих в ленточную библиотеку, от петабайта и более. МЛ представляет собой магнитный рабочий слой, нанесенный на немагнитную полимерную основу (полиэтилентерефталат, ацетилцеллюлоза, поливинилхлорид и др.). В большинстве случаев магнитный рабочий слой имеет толщину от 1 до 10…20 мкм и представляет собой магнитный лак, состоящий из однородного по размеру частиц магнитного порошка (однодоменных частиц), связующего вещества, растворителя и пластификатора. В процессе изготовления на МЛ воздействует магнитного поле, которое ориентирует ОЛН частиц порошка в направлении, соответствующем применяемому способу записи информации (см. далее). Ориентация намагниченности сохраняется после сушки ленты (например, термической обработкой).

В состав МЛ могут входить дополнительные немагнитные слои, обеспечивающие:

–защиту рабочего слоя от механического износа под действием сил трения;

–снятие статических электрических зарядов;

–увеличение адгезии рабочего слоя к немагнитной основе;

–улучшение физических свойств ленты, благодаря чему повышаются прочность, качество и плотность ее намотки в рулон, а также другие свойства.

Плотность данных на МЛ максимальна, если частицы порошка имеют минимальный размер, который зависит от двух основных факторов: суперпарамагнитного предела и чувствительности головки воспроизведения.

Суперпарамагнитный предел (в вычислительной технике) – пре-

дел плотности данных в магнитной среде, обусловленный переходом свойств магнитных частиц малых размеров (или ТМП малой толщины)

всостояние, соответствующее свойствам парамагнетиков. При уменьшении размеров магнитных частиц (толщины ТМП) ниже 10…30 нм (зависит от свойств магнитного материала) энергия анизотропии становится сравнимой с тепловой энергией, что вызывает тепловые флуктуации вектора намагниченности. Частицы становятся «суперпарамагнитными», их магнитные моменты равны произведению намагниченности насыщения материала на их объем. Отношение количества ча-

164

стиц в рабочем слое, перешедших в суперпарамагнитное состояние, к общему количеству частиц, предназначенных для хранения единицы логической информации, влияет на количество ошибок (соотношение «сигнал/шум») при воспроизведении данных.

Размер частицы порошка, при котором наблюдается переход вещества в суперпарамагнитное состояние, можно определить по формуле

= 10–9 с – характерная константа; tхр – время хранения информации; K – константа магнитной анизотропии.

Задача. ЗУ на МЛ должно обеспечить хранение записанной информации в течение 10 лет. Может ли использоваться в таком ЗУ порошок гамма-оксида железа со средним размером зерна 50 нм?

Решение. Считая, что K = 4,6·103 кДж/м3 и Т = 300 К, определим по (5.1) размер частицы порошка, при котором наблюдается переход в суперпарамагнитное состояние. После подстановки значений в (5.1) и проведения вычислений получим, что d = 33 нм.

Ответ: частицы гамма-оксида железа размером 50 нм могут использоваться при создании МЛ.

Рабочий слой МЛ может содержать один или несколько порошков следующих магнитотвердых материалов:

–гамма-оксида железа (γ-Fe2О3);

–гамма-оксида железа, модифицированного кобальтом

(γ-Fe2О3+Co);

–диоксида хрома (СrО2);

–железа и его сплавов;

–феррита бария (BaFe12O19).

Частицы перечисленных материалов (кроме феррита бария) имеют игольчатую форму. Частицы феррита бария имеют форму шестигранных пластин с ОЛН, перпендикулярной плоскости пластины*,

* Такая форма пластин и направление ОЛН позволяют применять феррит бария при использовании записи с перпендикулярным намагничиванием (см. далее).

165

и сохраняют ферримагнитное состояние при размерах порядка 10 нм за

счет высокого значения константы магнитной анизотропии*.

Запись информации в рабочий слой МЛ осуществляется головкой записи, которая составляет дорожку.

Дорожка – след, оставляемый головкой записи на носителе записи или его рабочем слое при записи, отображающей записанную информацию. Часть дорожки записи (воспроизведения, стирания), длина которой ограничена размерами носителя записи или конструктивными особенностями устройства записи, воспроизведения или записи/воспроизведения, называется строчкой записи. Запись информации, при которой дорожка записи разделена на строчки, называется строчной записью.

Дорожка может располагаться под углом или по направлению движения МЛ. В ЗУ на носителе записи одновременно образуется n-дорожек (строчек) записи (n-дорожечная запись).

В зависимости от взаимного расположения дорожки и головки записи различают:

–продольно-строчную запись – строчную запись, при которой строчки записи располагают вдоль направления движения носителя записи;

–наклонно-строчную запись – строчную запись, при которой строчки записи располагаются под углом к направлению движения носителя записи (данный метод широко применялся в видеоустройствах начиная со второй половины XX в.);

–поперечно-строчную запись – строчную запись, при которой строчки записи практически перпендикулярны направлению движе-

ния носителя записи**.

ВЗУ на МЛ используют два метода записи информации***:

*Связь критического размера частицы (dкр), при котором наблюдается ее переход в суперпарамагнитное состояние, с константой магнитной анизотропии K описывается

выражением dкр 236kBT K , где kB – постоянная Больцмана; Т – рабочая температура. Феррит бария имеет наибольшую среди применяемых в МЛ материалов константу магнитной анизотропии K = 3,3 · 105 Дж/м3, и, следовательно, его dкр имеет наименьшее значение.

**Поперечно-строчная запись применялась при создании первого видеомагнитофона в 1956 г. (VR-1000, «Ampex» США) и использовалась в СССР до начала 1990-х гг.

***На практике при наименовании этих методов записи чаще всего используются термины «продольная запись» и «перпендикулярная запись».

166

–запись с продольным намагничиванием – магнитную запись,

при которой направление остаточной намагниченности носителя записи преимущественно параллельно направлению записи;

–запись с перпендикулярным намагничиванием – магнитную запись, при которой направление остаточной намагниченности носителя записи преимущественно перпендикулярно поверхности рабочего слоя носителя записи.

Максимальная плотность данных, достигнутая при записи с про-

дольным намагничиванием (23 Гбит/см2 – по состоянию на 2015 г.), близка к теоретическому суперпарамагнитному пределу, который для материалов, используемых в качестве рабочего слоя при продольной записи, принято считать не превышающим 31 Гбит/см2 (200 Гбит/дюйм2).

Более высокую плотность данных можно получить, используя запись с перпендикулярным намагничиванием. При такой записи ОЛН в зернах материала рабочего слоя располагается перпендикулярно плоскости МЛ или ЖМД. Такое расположение

–снижает продольный размер намагничиваемой области по сравнению с ее размером при записи информации с продольным намагничиванием;

–повышает температурную стабильность магнитного состояния рабочего слоя за счет его большей толщины;

–уменьшает влияние намагниченных частиц друг на друга по сравнению с продольным расположением намагниченных областей.

Метод записи с продольным намагничиванием показан на рис. 5.7, а. Головка записи представляет собой индуктивный элемент, ферромагнитный сердечник которого имеет немагнитный зазор. Ток, соответствующий записываемому сигналу, протекает в обмотке головки записи и создает в сердечнике магнитный поток, часть которого проходит через рабочий слой МЛ, перемещающейся с постоянной скоростью относительно головки записи. Магнитные домены, до этого имевшие произвольное направление намагничивания, намагничи-

ваются в направлении поля, создаваемого головкой записи*.

* В реальных условиях логическая единица информации записывается в области рабочего слоя, содержащей несколько десятков (70…100) зерен магнитотвердого материала.

167

Чтение информации осуществляется головкой воспроизведения, включающей в себя датчик магнитного поля (конструкции и принцип действия головок воспроизведения см. в § 5.5).

Отличие метода записи с перпендикулярным намагничиванием (рис. 5.7, б) состоит в том, что направление намагниченности магнитных доменов, соответствующее ОЛН, перпендикулярно плоскости рабочего слоя. Сердечник головки записи имеет G-образную форму. Такая форма обеспечивает в ограниченной области рабочего слоя носителя записи концентрацию силовых линий магнитного поля, выходящих перпендикулярно направлению движения рабочего слоя из основного полюса сердечника на вспомогательный. Для замыкания силовых линий магнитного поля служит подслой из магнитомягкого материала.

а

б

Рис. 5.7. Методы записи информации: а – с продольным намагничиванием; б – с перпендикулярным намагничиванием

168

К способу записи больших объемов информации предъявляются два основных требования:

–высокая плотность записи;

–высокая скорость обмена данными между носителем данных

иустройством воспроизведения.

Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяет запись, реализованная в двух стандартах ЗУ на МЛ: DLT (Digital Linear Tape – цифровая линейная запись) и LTO (Linear Tape Open – открытая линейная запись). Запись и воспроизведение производятся при перемещении ленты в обоих направлениях. Вид накопителя и картриджа* стандарта LTO приведен на рис. 5.8.

а

Рис. 5.8. Картридж и накопитель стандарта LTO:

а– конструкция накопителя; б – вид накопителя; в – вид картриджа

*Картридж – специальный сменный блок к какому-либо оборудованию.

169

Стандарт LTO разрабатывается консорциумом, включающим в себя компании «Quantum Corporation» (США), «Hewlett-Packard»

(США), «IBM» (США) и др. Сравнение характеристик различных поколений стандарта LTO приведено в табл. 5.2.

В качестве рабочего слоя в МЛ используется порошкообразный феррит бария (BaFe12O19), обеспечивающий наибольшую плотность данных, технологичность и низкую себестоимость носителей на его основе. Высокое значение коэрцитивной силы НсB ≈ 200 кА/м при средних размерах частиц 0,15 × 0,05 мкм (по сравнению с другими материалами, применяемыми в МЛ) обеспечивает длительное хранение записи без ухудшения ее качества.

Таблица 5.2

Сравнительные характеристики устройств,

в которых применяется стандарт LTO различных поколений

Взаимодействие с запоминающей средой МЛ осуществляется комбинированными головками, собранными в блоки. Блок головок может записывать (одновременно проверяя на наличие ошибок) и/или воспроизводить информацию при обоих направлениях движения МЛ. Комбинированная головка ЗУ на МЛ стандарта LTO (рис. 5.9) состоит из индуктивной головки записи с тонкопленочной катушкой и головки воспроизведения, использующей эффект гигантского магнетосопротивления (ГМС-головка, конструкция и принцип действия которой рассмотрены в § 5.5).

Стандарт LTO занимает около 80 % рынка накопителей на МЛ. Последовательное совершенствование технологии LTO до стандар-

170