Магнитная запись: выход в третье измерение

Новые технологии наиболее ярко выглядят на фоне решаемых с их помощью проблем. Поэтому прежде чем переходить к основной теме данной публикации -- технологии перпендикулярной записи на магнитные диски, -- кратко рассмотрим те трудности, которые преодолевала технология записи на магнитные диски по мере ее развития, и напомним основы общепринятой сегодня продольной записи и проблемы, которые возникают на пути повышения ее эффективности.

История создания накопителей на жестких дисках несколько необычна. В январе 1952 г. IBM поручила возглавить новую исследовательскую лабораторию Рейнольду Джонсону (Reynold Johnson), своему инженеру. При этом она дала ему карт-бланш в отношении выбора области исследований. К этому времени Рейнольд Джонсон работал в корпорации уже 18 лет и имел более 50 патентов. Одним из первых проектов, которому он отдал предпочтение, было устройство хранения с произвольным доступом. Результатом стал первый в мире накопитель на жестких дисках IBM 350 Disk File, в 1956 г. вошедший в систему RAMAC 350. Устройство содержало 50 дисков диаметром 24 дюйма, вмещало около 5 MB данных, скорость вращения шпинделя составляла 1200 об/мин, среднее время доступа -- 1 с, а поверхностная плотность -- 2 Kb на квадратный дюйм. При этом оно было размером с два холодильника, а стоимость 1 MB достигала 10 тыс. долл. (заметим, что цена 1 MB уже в 1997 г. снизилась до 10 центов).

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Используемые для дисков материалы обладают резко выраженной анизотропией магнитных свойств, проявляющейся в существовании направлений труднейшего и легчайшего намагничения (в последнем случае часто используют термин "легкая ось"). Жесткие диски для продольной записи изготовляют таким образом, что легкая ось магнитного носителя лежит в плоскости записывающего слоя. Данные на магнитном носителе записываются с помощью кольцевой головки (рис. 1), которая посредством краевого поля (рис. 2) намагничивает участок трека либо в положительном, либо в отрицательном направлении относительно выбранного способа его обхода. Чтение выполняется магниторезистивной головкой, определяющей, изменилось или сохранилось направление вектора намагничения на битовом переходе, что соответствует, скажем, значениям 0 и 1.

Обычная магнитная среда имеет гранулярную структуру, так что каждый бит состоит из нескольких магнитных гранул, или кластеров. Магнитные гранулы обычно располагаются нерегулярно и упаковываются случайным образом. Следовательно, структуры составляющих бит гранул и битовых переходов не совершенны (рис. 3), что в результате приводит к шумам при считывании. Последние можно снизить до приемлемого уровня посредством включения достаточно большого количества гранул в каждый бит. При увеличении поверхностной плотности данных размер гранул и размер бита уменьшаются. Сегодня типичный размер гранул составляет 5--15 нм.

Вообще, поверхностная плотность является наиболее значительным фактором для дисков, поскольку она определяет его основные параметры: физические размеры, емкость, производительность и стоимость одного мегабайта. В свою очередь, поверхностная плотность зависит от двух факторов: плотности треков, определяемой числом треков на дюйм (Track Per Inch -- TPI), и линейной плотности -- количеством бит на дюйм трека (Bit Per Inch -- BPI). Впрочем, часто для оценки поверхностной плотности используют такую интегральную характеристику, как количество бит на квадратный дюйм. Заметим, что поскольку треки -- концентрические окружности, не все они записываются с одинаковой линейной плотностью. Обе эти величины зависят от размера каждого бита, который представлен некоторой намагниченной площадью на поверхности диска. И здесь кардинальным является вопрос, насколько малой можно сделать эту площадь? Ведь ее значительное уменьшение приводит к нестабильности данных. Опишем вкратце суть проблемы.

Устойчивость данных к внешним воздействиям обеспечивается рядом параметров. Если говорить о температуре окружающей среды, проявляющейся в виде тепловых флуктуаций в записывающем слое, то основным стабилизирующим фактором здесь является энергетика магнитного анизотропного поля. Рассмотрим для простоты небольшую частицу, которая представляет собой постоянный магнит. Поскольку магнитная среда, как упоминалось выше, является анизотропной, то силы, действующие на магнит, заставляют его расположиться вдоль одного из направлений легкой оси. Энергия частицы пропорциональна , где -- угол между вектором намагничения и направлением легкой оси. При абсолютном нуле магнит занимает одно из двух состояний с наименьшей энергией (равен 0 или 180°). Если внешним воздействием магнит вывести из состояния равновесия, то он начнет колебаться с резонансной частотой (в типичном случае это несколько десятков гигагерц) и вернется в одно из вышеописанных состояний при затухании колебаний. Когда температура поднимается, то вектор намагничения испытывает случайные флуктуации, в результате которых он может изменить свое направление на противоположное. Вероятность этого события весьма сильно зависит от размера гранулы. Так, существуют порядки величин, когда уменьшение диаметра гранулы в два раза приводит к изменению среднего времени инверсии направления вектора намагничения со 100 лет до 100 наносекунд. В первом случае считается, что среда стабильна, тогда как во втором макроскопически мы наблюдаем ансамбль частиц, в котором отсутствует остаточная намагниченность и который имеет малую магнитную проницаемость, хотя в любой момент времени каждая частица полностью намагничена в некотором направлении. Такое состояние называется суперпарамагнетизмом, поскольку макроскопические свойства среды подобны таковым для парамагнитных материалов. Это явление известно как суперпарамагнитный эффект, или суперпарамагнитный предел, который препятствует уменьшению размеров бит. Конечно, реальная жизнь намного сложнее. Размеры частиц имеют какое-то распределение, сами частицы взаимодействуют друг с другом и с внешними магнитными полями, так что энергетический барьер суперпарамагнитного эффекта зависит от записываемой битовой структуры данных и от магнитного взаимодействия соседних частиц.

Многие исследовательские центры ищут пути преодоления суперпарамагнитного предела. Один из них -- перпендикулярная запись. Среди преимуществ этой технологии -- возможность получения более высокой амплитуды и более коротких импульсов записывающего поля, более толстый записывающий слой, отсутствие размагничивающих полей на битовых переходах, более высокая амплитуда сигнала при считывании. Некоторые из них мы и обсудим ниже.

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

На рис. 4, а схематично представлена система перпендикулярной записи. Прежде всего обратим внимание на то, что запись выполняется уже не кольцевой головкой для продольной записи, геометрические свойства которой ограничивают верхний предел намагничения величиной , где -- намагниченность насыщения материала головки. При перпендикулярной записи магнитное поле генерируется между срезом полюса и подслоем из магнитомягкого материала (Soft Underlayer -- SUL), расположенного ниже записывающего слоя (рис. 4, б). Такая геометрия повышает предел поля записи до , т. е. в два раза.

Одним из основных дестабилизирующих факторов при продольной записи является сильное размагничивающее поле на границе перехода бит. Его возникновение легко объяснить, если заметить, что два смежных бита имеют векторы намагничения, направленные друг к другу одинаковыми полюсами, что вносит существенный вклад в нестабильность данных. В то же время при перпендикулярной записи возникает более стабильная конфигурация (рис. 5). При этом эффект размагничивания уменьшается с увеличением толщины записывающего слоя, что к тому же способствует возрастанию теплоустойчивости. Это позволяет сделать зону перехода бит тоньше, и следовательно, повысить линейную плотность записи.

Однако наиболее сильным различием обсуждаемых технологий записи является форма считываемого сигнала. Рассмотрим схематическую диаграмму полей рассеяния, которые испускаются средой для продольной записи без подслоя (рис. 6, а) и средой для перпендикулярной записи с подслоем (рис. 6, б). Как можно заметить, в случае продольной записи поле рассеяния исходит только из зоны перехода и вектор напряженности магнитного поля в ее окрестности направлен перпендикулярно к плоскости диска. В противоположность этому при перпендикулярной записи поле рассеяния исходит от эффективных магнитных "зарядов", расположенных на верхней поверхности записывающей среды и, благодаря наличию SUL, на эффективной нижней поверхности, вектор напряженности вблизи зоны перехода бит направлен параллельно плоскости диска. Это значит, что если при продольной записи считываемый сигнал присутствует только в зоне перехода (рис. 7, а), то при перпендикулярной -- он считывается со всей зоны, на которой записан бит (рис. 7, б). Конечно, сигнал такой формы не годится для обработки посредством традиционных продольных цепей, однако он содержит больше информации. Это свойство можно использовать в будущих разработках цепей считывания.

Каковы же перспективы? Следует подчеркнуть, что перпендикулярная запись позволяет преодолеть суперпарамагнитный предел, характерный для продольной, однако он существует и для первой. Ряд факторов, таких, как более мощное магнитное поле записи, возможность использовать для записи более толстую среду, практически отсутствие размагничивающего поля в зонах переходов, способствует повышению термостабильности, что значительно увеличивает поверхностную плотность записи. Однако даже если принять во внимание все эти факторы, максимальная поверхностная плотность при перпендикулярной записи в существующих ныне схемах по многим оценкам составит 500--1000 гигабит на квадратный дюйм. После этого технология опять подойдет к суперпарамагнитному пределу. Но наука не стоит на месте, и уже сегодня ведутся исследования альтернативных методов записи.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365