Рис. 5.9. Конструкция блока комбинированных головок ЗУ на МЛ
тов LTO-8, LTO-9 и LTO-10 увеличит объем записи информации и скорость обмена данными соответственно до 12,8; 25 и 48 Тбайт и до 1180; 1770 и 2750 Мбайт/с.
§ 5.5. Жесткие магнитные диски
Магнитный диск (для ЭВМ) – машинный носитель данных, выполненный в виде плоской круглой пластины с намагничиваемым поверхностным слоем, на одной или обеих сторонах которой могут храниться данные.
Жесткий магнитный диск (ЖМД) – магнитный диск, основа которого выполнена из жесткого материала.
Накопитель на жестком магнитном диске – устройство вво-
да/вывода вычислительной машины, обеспечивающее вывод данных из ЭВМ, их преобразование, запись на ЖМД для длительного хранения, воспроизведение данных с магнитного диска и ввод их в ЭВМ.
Конструкция ЖМД включает в себя основу из алюминиевых сплавов, стекла или керамики, на которую вакуумными методами последовательно осаждаются:
– один или несколько подслоев, в том числе подслой из магнитомягкого материала, который используется для замыкания силовых линий магнитного поля при записи информации;
171
– рабочий магнитный слой толщиной 10…20 нм из высококоэрцитивного магнитотвердого материала (CoPt, CoPd, FePt и др.)*;
– защитный слой, предохраняющий рабочий слой от механических воздействий и окисления.
ЗУ на ЖМД (рис. 5.10) являются устройствами с произвольным доступом к записанной информации.
Рис. 5.10. Внешний вид накопителя на ЖМД
ЖМД располагаются на оси привода вращения. Положение блока головок зафиксировано за пределами ЖМД и сохраняется до установления постоянной скорости вращения (до 15 000 мин–1), что исключает его нештатный контакт с поверхностью дисков. Для управления движением блока головок в конструкцию привода перемещения головок входят постоянные магниты (см. гл. 3) из NdFeB. За- пись-воспроизведение информации осуществляется с обеих сторон ЖМД. В рабочем режиме конструкция узла крепления и воздействующий поток воздуха обеспечивают «всплывание» ЖМД на расстоянии несколько десятков нанометров от головок. При постоянных па-
* Использование кобальта объясняется его одноосной магнитной анизотропией. Добавление платины и палладия увеличивает константу магнитной анизотропии и, как следствие, коэрцитивную силу, а также повышает коррозионную стойкость.
172
раметрах головок записи/воспроизведения уменьшение расстояния между ними и ЖМД позволяет уменьшить геометрические размеры области, которую занимает логическая единица информации.
Запись/воспроизведение информации на ЖМД осуществляется при помощи комбинированной головки, в состав которой входят планарная катушка индуктивности, предназначенная для записи информации, и магниторезистивный датчик, служащий для воспроизведения информации.
Обмотка катушки изготовлена из меди, а сердечник, концентрирующий силовые линии магнитного поля, – из сплавов с высокой индукцией технического насыщения BS (например, CoFe – 2,4 Тл,
Ni32Fe68 – 2,0 Тл).
Воспроизведение информации с ЖМД производится при помощи датчиков, в чувствительных элементах которых используются эффекты гигантского магнетосопротивления (ГМС-эффект) или туннельного магнетосопротивления (ТМС-эффект)*, соответственно ГМС-датчиков или ТМС-датчиков**.
Магнетосопротивление – изменение электрического сопротивления материала при воздействии на него внешнего магнитного поля. Магнетосопротивление можно характеризовать относительным изменением удельного электрического сопротивления (δН), определяемым выражением
H |
R(Н ) R(0) |
, |
(5.2) |
|
R(0) |
||||
|
|
|
где R(0) – электрическое сопротивление образца в отсутствие магнитного поля; R(H) – электрическое сопротивление образца в магнитном поле с напряженностью H.
ГМС-эффект в тонкопленочной структуре, состоящей из двух или более намагниченных слоев ферромагнетиков, разделенных слоя-
*Эффекты гигантского и туннельного магнетосопротивления также называют гигантским и туннельным магниторезистивными эффектами соответственно (по аналогии с принятыми в английском языке терминами – Giant magnetoresistance, GMR и Tunnel magnetoresistance, TMR).
**ГМС-датчики и ТМС-датчики в научной и технической литературе часто называют ГМР- и ТМР-датчиками.
173
ми немагнитного металла (например, слоем Cu толщиной 1…2 нм), заключается в изменении ее электрического сопротивления при смене направления намагниченности в одном из слоев ферромагнетиков. Сопротивление структуры минимально при параллельном направлении намагниченности слоев*. Если вместо проводящего немагнитного слоя между слоями ферромагнетиков использовать диэлектрик (например, MgO или Al2O3) толщиной около 1 нм, то при протекании тока сопро-
тивление структуры повышается за счет проявления ТМС-эффекта**. На рис. 5.11 изображен ГМС-датчик комбинированной головки.
Через фиксированный слой (сплав на основе Со) протекает постоянный ток, значение которого определяется сопротивлением ГМС-датчика. Направление намагниченности свободного слоя изменяется в соответствии с намагниченностью считываемого участка ЖМД. Параллельное или антипараллельное направление намагниченности в свободном (Мс) и фиксированном (Мф) слоях приводит к изменению длины свободного
пробега электронов в слоях ГМС-датчика***, что соответствует его низкому или высокому сопротивлению. Значение сопротивления отождествляется с соответствующим ему значением – «0» или «1». Обменный слой из антиферромагнитного материала служит для предотвращения изменения направления намагниченности в фиксированном слое.
В конструкции ГМС-датчиков с целью повышения их чувствительности вводят дополнительные слои (без увеличения суммарной толщины):
– дублирующие фиксированные подслои в составе фиксированного слоя, разделенные слоем рутения****;
* Значение ГМС-эффекта в структуре Co95Fe5/Cu может достигать 110 % при
комнатной температуре; значение ТМС-эффекта в структуре Fe/MgO/Fe достигает 600 %. Реальные выпускаемые датчики имеют значение ГМС-эффекта 13…16 % (ГМС-датчики фирмы «NVE Corporation», США) и ТМС – 80 % (STJ-030, «MicroMagnetics», Inc., США).
**ТМС-эффект – изменение вероятности туннелирования носителей заряда через слой диэлектрика в зависимости от направления их спиновых магнитных моментов и направления намагниченности ферромагнитных слоев.
***Суммарная толщина слоев ГМС-датчика не превышает 10 нм.
****Слой Ru предотвращает влияние на свободный слой фиксированного слоя, вследствие равенства нулю его полного магнитного момента, что обусловлено создаваемым рутением антиферромагнитным обменным взаимодействием между подслоями.
174
Рис. 5.11. Схематическое изображение ГМС-датчика комбинированной головки
– зеркальные слои (Au, Ag), внедряемые в фиксированный или закрывающий свободный слой для уменьшения рассеяния электронов (снижения сопротивления ГМС-датчика).
Наряду с ГМС-датчиками в комбинированных головках* используются ТМС-датчики, обладающие большей чувствительностью. Недостатком ТМС-датчиков по сравнению с ГМС-датчиками является более высокое электрическое сопротивление (обусловленное наличием слоя диэлектрика).
Выпускаемые комбинированные головки ЗУ на ЖМД обеспечивают соотношение «сигнал/шум» не хуже 30 дБ при ширине дорожки 30 нм.
Технология записи с перпендикулярным намагничиванием позволила достичь плотности данных порядка 100 Гбит/см2 (625 Гбит/дюйм2). Одно из направлений дальнейшего совершенствования ЖМД предложила компания «Seagate Technology» (США), применив технологию записи с частичным перекрытием до-
рожек (Shingled Magnetic Recording, SMR), благодаря чему их можно разместить на пластине в большем количестве.
Ширину дорожки определяет ширина сердечника индуктивной катушки, используемой при записи информации. Частичное перекрытие дорожек означает, что следующая дорожка записывается по-
* В этом случае они называются ТМС-головками.
175
верх части предыдущей, оставляя полосу меньшей ширины, что достаточно для магниторезистивного датчика, воспроизводящего информацию (считывающая часть головки более узкая, чем записывающая, рис. 5.12, а).
Необходимость перезаписи информации приводит к уничтожению данных, записанных на соседних дорожках, магнитным полем сердечника катушки индуктивности. В технологии с частичным перекрытием дорожек для уменьшения объема перезаписываемых данных (чтобы не перезаписывать весь ЖМД) дорожки группируются в полосы, между которыми перекрытие отсутствует (рис. 5.12, б). Благодаря этому перезаписывать приходится только дорожки в пределах одной полосы. При этом количество дорожек в расчете на полосу подбирается так, чтобы обеспечить оптимальную скорость записи.
По прогнозу компании «Seagate Technology» технология с частичным перекрытием дорожек позволит повысить плотность записи данных на 25 %, или на 1,25 Тбайт в расчете на пластину. Компания планирует выпустить жесткие диски емкостью 20 Тбайт к 2020 г.
Рис. 5.12. Расположение дорожек при записи:
а– с частичным перекрытием;
б– по технологии с частичным перекрытием дорожек
176