1. Эффект размагничивания.
Смещение доменных границ отдельных магнитных ячеек при последовательной магнитной записи происходит во внешних магнитных полях с напряженностью Нсм, меньше величины коэрцитивной силы Нс. При уменьшении длины битовой ячейки величина напряженности магнитного поля Нсм еще более уменьшается по сравнению с коэрцитивной силой Нс. Поэтому устойчивость битовой ячейки к внешним магнитным полям снижается. Из этого следует, что ячейку можно уменьшать до некоторого минимального размера, при котором размагничивающиеся поля становятся настолько большими, что ячейка саморазмагничивается и исчезает. Происходит самопроизвольное стирание информации. Возникает явление суперпарамагнетизм - квазипарамагнитное поведение систем, состоящих из совокупности экстремально малых ферромагнитных частиц, которые при определенно малых размерах переходят в однодоменное состояние с однородной самопроизвольной намагниченностью по всему объему частицы.
Минимальные размеры ячейки, то есть размеры, при которых она еще устойчива при отсутствии внешнего магнитного поля, зависят от параметров магнитного покрытия носителя, и большую роль играет коэрцитивная сила (Нс).
Увеличение Нс снижает влияние эффекта саморазмагничивания и повышает устойчивость битовой ячейки к воздействию внешних магнитных полей. Поэтому применение сплавов металлов, имеющих большую коэрцитивную силу, приводит к возможности повышения линейной плотности записи информации.
2. Тепловая энергия частицы.
Важным фактором магнитной стабильности битовой ячейки является температура. Изменение температуры вызывает небольшие случайные флуктуации намагниченности частиц, аналогично тому, как она вызывает Броуновское движение небольших частиц.
Если общая энергия анизотропии однодоменной частицы KuV будет порядка температурной энергии KT, то намагниченность может самопроизвольно изменяться во времени.
Критический объем магнитной частицы (битовой ячейки), ниже которого наблюдается суперпарамагнитный эффект находят по формуле:
Здесь t - период наблюдения, f0 - частота Лармора (~109 Гц); Ku - константа плотности энергии анизотропии; K - константа Больцмана; T- абсолютная температура; V-объем магнитной частицы.
Для хранения данных на магнитных носителях желательно, чтобы информация надежно хранилась много лет. Для периода хранения в 100 лет, с точки зрения температурной стабильности отношение KuV/KT должно быть равно 43. В качестве примера, - для периода хранения данных на протяжении 5-ти лет, это отношение должно быть равным 40.
Поэтому в различной литературе отношение KuV/KT > 43 используется как условие стабильности магнитной ячейки.
На рис. 9,а показана теоретическая взаимосвязь между полной энергией Еполная и диаметром для магнитных зерен (однодоменные частицы) и битовых ячеек (многодоменные частицы). Пересечение кривых соответствует критическому диаметру Ds, при котором частица трансформируется из однодоменной в многодоменную. При небольших значениях полной энергии частица становится суперпарамагнетиком.
Рис.9. Графики взаимосвязи между полной энергией и диаметром частицы (а), и между внутренней коэрцитивностью и диаметром частицы (б)
На рис. 9,б приведена зависимость внутренней коэрцитивности Hc от диаметра частицы d. Максимум величины внутренней коэрцитивности расположен в районе критического диаметра Ds.
В реальных носителях ситуация несколько отличается от теоретических расчетов. Во-первых, магнитные зерна в битовой ячейке имеют различные размеры и формы, а не являются идеально круглыми. Во-вторых, зерна взаимодействуют друг с другом и с внешним магнитным полем. Эти факторы приводят к тому, что критический объем, ниже которого битовые ячейки становятся нестабильными, увеличивается по сравнению с рассчитанным по формуле. Современные оценки предсказывают, что суперпарамагнитный предел ограничивает плотность записи на уровне 150 Гбит/кв.дюйм. Следует отметить, что эта цифра постоянно корректируется в сторону увеличения и отражает лишь современный уровень развития технологий создания магнитных носителей. Так, еще в 1999 г. предполагалось, что увеличение плотности записи остановится на отметке в 40 Гбит/кв.дюйм, однако в жестких дисках выпуска середины 2003 г. массово применяются пластины с плотностью 65-70 Гбит/кв.дюйм. Тем не менее, суперпарамагнитный предел объективно существует, ограничивая максимальную линейную плотность продольной записи.
Таким образом, из-за проблем температурной нестабильности магнитных носителей при уменьшении линейного размера бита и значительной величины размагничивающего поля ячейки линейная плотность записи практически достигла своего предела, поэтому основные усилия разработчиков направлены на повышение плотности дорожек.
Плотность дорожек
Уменьшение ширины дорожек возможно только при повышении точности и стабильности позиционирования головок. Из-за конструктивных недостатков привода и воздействия ударов и вибраций в процессе работы накопителя головки могут отклоняться от необходимой дорожки и выполнять запись в междорожечный интервал, формируя зоны остаточной намагниченности на краях дорожки (т.н. краевой эффект) (рис. 10). В результате сильных ударов или тряски головки могут кратковременно отклоняться на несколько дорожек от номинального положения.
Рис.10. Фрагмент изображения участка поверхности пластины с зоной остаточной намагниченности на краях дорожки (увеличение 800х)
Все отклонения головок от требуемой траектории называются ошибками позиционирования. Помимо снижения производительности жесткого диска (на величину порядка 10%), ошибки позиционирования могут приводить к частичной потере информации в результате перезаписи информационных секторов на соседних дорожках.
MR- и GMR-технологии
Разработчики наметили простейший путь увеличения емкости жестких дисков - увеличение поверхностной плотности записи данных (areal density), которая указывает на то сколько бит данных может быть записано на единице площади поверхности дисковой пластины и измеряется в гигабитах на квадратный дюйм - Гбит/кв. дюйм. Плотность записи информации на поверхности на самом деле является производной величиной и вычисляется как произведение двух других показателей - линейной плотности (linear density, указывает на кол-во бит данных, которые могут быть размещены на участке трека в один дюйм , измеряется в Кбит/дюйм) и плотности треков (указывает на количество концентрических треков, которые могут быть размещены на радиальном участке длиной в один дюйм). Попытки увеличения чувствительности TFI-головок (наращивание количества витков обмотки) привели к возрастанию индуктивности, которая к сожалению ограничила возможности записи при помощи таких головок. Дальнейший поиск возможностей увеличения поверхностной плотности записи привел к появлению MR-головок (magnetoresistive,магниторезистивный). Чем плотнее упакованны данные, тем слабее сигнал для считывающей головки. MR-головки, изготовленные из железоникелевых сплавов, показали большую чувствительность к магнитным полям чем TFI-головки. Эти головки могут распознавать участки магнитного поля ослабленные плотной упаковкой и уменьшенным размером, вырабатывая при этом устойчивые сигналы чтения.
Значительный успех в борьбе за увеличение плотности записи был достигнут в 1991 году, когда компания IBM запустила в серийное производство первую в мире модель жесткого диска с MR-головками (magnetoresistive, магниторезистивный) емкостью 1 Гбайт и форм-фактором 3,5 дюйма. В 1994 году IBM продемонстрировала опытный образец диска с MR-головками и плотностью записи 3 Гбит/кв. дюйм, а в 1997 году начала серийное производство MR-головок с плотностью записи 3 Гбит/кв. дюйм. В 1996 году IBM изготовила экспериментальный экземпляр MR-головки с плотностью записи 5 Гбит/кв. дюйм. На сегодняшний день рекорд по плотности записи среди серийно выпускаемых IBM моделей с MR-головками принадлежит 2,5-дюймовым дискам для ноутбуков семейства IBM Travelstar 8GS емкостью 6,48 Гбайт и 8,10 Гбайт- 3,09 Гбит/кв. дюйм.
Как видно из приведенных данных, MR-технология еще не исчерпала своих возможностей, однако все ее достижения выглядят достаточно скромно на фоне фантастических перспектив развития новой GMR-технологии (giant magnetoresistive, гигантский магниторезистивный).
GMR-эффект был открыт сотрудниками одной из исследовательских лабораторий IBM в 1988 году во время изучения свойств образцов с четкой кристаллической структурой, помещенных в сильное магнитное поле (в 1000 раз сильнее, чем в современных жестких дисках). К 1991 году IBM изготовила многослойные поликристаллические GMR-образцы, полученные методом напыления. В том же году были разработаны образцы GMR-структур, чувствительных к слабым магнитным полям, которые создаются магнитной поверхностью жесткого диска. В 1994 году IBM объявила о создании первого в мире сенсорного элемента на основе GMR-эффекта, способного считывать данные с магнитной поверхности жесткого диска. В декабре 1997-го IBM начала серийное производство первых дисков с GMR-головкой - ими стали 3,5-дюймовые модели семейства Deskstar 16GP с плотностью записи 2,69 Гбит/кв. дюйм. В 1998-м IBM объявила о создании экспериментальной GMR-головки с плотностью записи 11,6 Гбит/кв. дюйм! Сегодня самая большая плотность записи среди серийных GMR-моделей - у 2,5-дюймовых дисков семейства IBM Travelstar 10GT (5,6 Гбит/кв. дюйм). А что же происходит с 3,5-дюймовыми GMR-моделями? Плотность записи у них существенно ниже: IBM Ultrastar 18ES - 3,03 Гбит/кв. дюйм,Deskstar 22GXP - 3,432 Гбит/кв. дюйм, IBM Deskstar 25GP - 3,74 Гбит/кв. дюйм. Совершенно очевидно, что в современных 3,5-дюймовых моделях пока не реализованы все достижения GMR-технологии. Подобное искусственное замедление темпа увеличения объема жестких дисков вызвано, скорее всего, маркетинговыми соображениями IBM.
Согласно прогнозу IBM, к 2001 году плотность записи на поверхности серийно выпускаемых жестких дисков составит 10 Гбит/кв. дюйм, а к 2004 году - 40 Гбит/кв. дюйм, из чего несложно сделать вывод, что к 2001 году максимальный объем дисков будет не менее 75 Гбайт, а к 2004 году - не менее 200 Гбайт! Наряду с этим прогнозируется, что GMR-технология займет лидирующее положение и постепенно вытеснит MR-технологию.
В конце октября 1999 года IBM анонсировала новые модели в серии Ultrastar и в том числе накопитель емкостью 73GB (Гбайт). Пока это - абсолютный рекорд в индустрии... Также было заявлено о реальной возможности записывать до 35Gb (Гбит) на кв.дюйм. В середине ноября Fujitsu представила серию жестких дисков XV10, обеспечивающих хранение на одной пластине до10,2 Гбайт. Это было достигнуто благодаря применению GMR-головок и рекордной, для серийных моделей, плотности записи -- 7,8 Гбит на кв.дюйм...
Что же представляют собой MR- и GMR-головки? Как они устроены и на каких принципах устроена их работа?
Начать, наверное, нужно с того, что во всех современных жестких дисках считывающая и записывающая головки конструктивно объединены в одну сборку, которая и называется "головкой чтения/записи" (read/write head). Для того чтобы подчеркнуть двойственный характер такой конструкции, иногда употребляется так же термин merged head (сдвоенная головка, дословно - "объедененная, сдвоееная головка"). Головки чтения и записи могут быть также конструктивно выполнены и размещены в диске как два самостоятельных и независимых друг от друга элемента (separate read and write heads). Оба подхода имеют свои достоинства и недостатки. При раздельной конструкции рабочие параметры головки чтения могут быть оптимизированы независимо от рабочих параметров головки записи, и наоборот. Таким образом, каждая головка будет лучше справляться со своими функциями. Сдвоенную же головку легче разместить внутри жесткого диска, так как расстояние между ее считывающими и записывающими элементами меньше, чем между двумя независимыми головками. Кроме того, изготовление жестких дисков со сдвоенной головкой обходиться дешевле за счет сокращения количества выполняемых технологических операций во время производства. Последнее обстоятельство, скорее всего, стало главной причиной того, что к середине 90-х годов все производители перешли на выпуск сдвоенных головок.
Итак, современные MR- и GMR-головки - сдвоенные и имеют индуктивную записывающую головку (inductive write head) и считывающую головку, которую также называют "сенсором" (sensor). Конструкция записывающей головки у MR- и GMR-головок одинакова, а вот конструкция и, что более важно, принцип работы считывающего сенсора совершенно разные.
Как сдвоенная головка записывает и считывает данные ? При движении такой головки вдоль концентрических треков индуктивная магнитная головка намагничивает отдельные участки трека (поверхность дисковой пластины изготовлена из магнитного материала), каждый из которых представляет собой элементарную информационную "ячейку", соответсвующую одному биту информации. Сразу заметим, что намагничивание производится таким образом, что вектор магнитного поля, создаваемого каждой такой ячейкой, лежит в плоскости диска и направлен по касательной к окружности трека - а это значит, что он строго перпендикулярен (!) к продольной оси считывающего сенсора. Ячейки отличаются направлением магнитного поля, что позволяет интерпритировать записанное в них значение бита информации как 0 или 1. Например, если магнитное поле направлено влево, то считается, что значение ячейки равно нулю, а если вправо - то единице.
Считывание данных с дисков происходит следующим образом. При прохождении головки над поверхностью ячейки магнитное поле считывающего сенсора (считывающий элемент тоже имеет собственное магнитное поле, вектор которого направлен вдоль (!) продольной оси сенсора - а значит, перпендикулярно полю ячейки - и имеет постоянную величину ). Вследствие этого суммарное магнитное поле внутри сенсора изменяется, что, в свою очередь, приводит к изменению электрического сопротивления сенсора: в MR-головках это вызвано явлением магниторезистивности (от чего и произошло название "MR-головка"), а в GMR- головках "срабатывает" эффект "гигантской" магниторезистивности. Изменение сопротивления приводит к изменению напряжения на сенсоре, что регистрируется электроникой диска и в зависимости от направленности этого изменения интерпритируется как 0 или1.
Главное функциональное отличие MR- и GMR-сенсоров заключается в их чувствительности к изменению магнитного поля, то есть к тому, насколько сильно изменяется сопротивление сенсора при изменении магнитного поля внутри него. Cовременные GMR-сенсоры более чем в два раза чувствительнее своих MR-конкурентов.
В состав MR- и GMR-сенсоров входит несколько тонкопленочных элементов. В обоих сенсорах есть чувствительный слой (sensing layer), который реагирует на изменение внешнего магнитного поля. При отсутствии внешнего магнитного поля чувствительный слой спонтанно намагничивает себя таким образом, что его магнитное поле оказывается направленным вдоль собственной продольной оси, то есть параллельно поверхности диска и перпендикулярно направлению магнитного поля ячеек на треке диска. Помимо этого к чувствительному слою дополнительно прикладывается создаваемая специальными подмагничивающими тонкопленочными элементами (hard bias) постоянное внешнее магнитное поле, которое направлено так же, как и собсвенное магнитное поле чувствительного слоя. Такое подмагничивание нужно для того, чтобы создать внутри чувствительного слоя стабильную однодоменную магнитную структуру (single magnetic domain) с постоянным магнитным полем, что, с одной стороны, минимизирует доменный шум (domain noise), а с другой стороны - обеспечивает "непротиворечивость" чтения данных, так как при отсутствии внешнего стабилизирующего магнитного поля магнитная структура чувствительного слоя и создаваемое им собственное магнитное поле изменялись бы под действием внешнего магнитного поля поверхнлости диска совершенно случайным образом и по изменению сопротивления чувствительного слоя (при таких условиях также случайного) было бы невозможно однозначно определить величину и направление магнитного поля ячек трека на диске.
При движении в магниторезистивной среде - например в железоникелевом сплаве - свободные электроны будут бысрее всего двигаться в том случае, когда направление их движения будет перпендикулярно направлению магнитного поля внутри среды (столкновение электронов с атомами среды происходят редко; низкое сопротивление), и медленнее всего - когда оно будет параллельно (частые столкновения электронов с атомами среды; высокое сопротивление). Это явление называется эффектом магниторезистивности.Тогда, если магниторезистивный проводник поместить в магнитное поле и пропустить через него электрический ток, его сопротивление будет максимальным в том случае, если направление тока перпендикулярно направлению магнитного поля, и минимальным, когда они параллельны. Именно на этом принципе построена работа MR-сенсора. В отсутствие внешнего магнитного поля - за исключением, конечно, стабилизирующего поля от подмагничивающих тонкопленочных элементов - направления магнитного поля и электрического тока внутри чувствительного слоя параллельны друг другу (оба направлены вдоль продольной оси слоя), а значит, сопротивление сенсора максимально. При наложении внешнего магнитного поля от ячейки трека, которое перпендикулярно продольной оси чувствительного слоя, у суммарного магнитного поля внутри этого слоя появляется перпендикулярная составляющая (опять же по отношению к продольной оси слоя), вследствие чего электрическое сопротивление чувствительного слоя уменьшается.
Однако здесь есть небольшая тонкость: если изначально направления тока и магнитного поля внутри чувствительного слоя параллельны друг другу и продольной оси слоя, то попеременное наложение двух внешних магнитных полей, перпендикулярных продольной оси слоя, с одинаковой величиной и противоположными направлениями (прохождение MR-головки над ячейками трека диска, соответсвующими 0 и 1) приведет к одинаковому уменьшению сопротивления чувствительного слоя. В этом случае будет невозможным различить, в какой ячейке записан 0, а в какой - 1. Чтобы решить эту проблему, к чувствительному слою дополнительно прикладывают постоянное "смещающее" магнитное поле, которое перпендикулярно продольной оси чувствительного слоя и создается специальным регулирующим слоем Soft Adjacent Layer (SAL).Величина смещающего магнитного поля и магнитного поля ячеек на поверхности диска подбирается таким образом, чтобы направление перпендикулярной составляющей суммарного магнитного поля внутри чувствительного слоя всегда оставалось постоянным: как при считывании ячеек со значением 0, так и со значением 1. Тогда по изменению сопротивления чувствиельного слоя можно однозначно определить, что хранится в ячейке: 0 или1.