Способы записи информации на винчестер, головки чтения-записи

Курсовая работа

на тему:

" Способы записи информации на винчестер, головки чтения-записи"

Винчестер (Hard Disk Drive, HDD, накопитель на жестких магнитных дисках, НЖМД, жесткий диск, «винт», «хард») — это устройство, предназначенное для долговременного хранения операционных систем, программ и данных.

По способу записи и чтения информации винчестеры относятся к магнитным накопителям. Все файлы, размещенные на HDD, будут сохраняться без каких-либо потерь независимо от того, включен ПК или нет. Любые файлы могут быть скопированы, а программы проинсталлированы на HDD. Винчестер — самая важная вещь для Вас и вашей информации.

Относительно корпуса ПК различают внутренние и внешние винчестеры. Внутренние HDD — дешевле, но их максимальное количество ограничивается числом свободных отсеков корпуса, мощностью и количеством соответствующих разъемов блока питания. Установка и замена внутренних HDD требует выключения ПК. Внутренние HDD с возможностью «горячей» замены (Hot Swap) представляют собой те же винчестеры, но установленные в специальные кассеты с разъемами. Кассеты вставляются в специальные отсеки со стороны лицевой панели корпуса, конструкция позволяет вынимать и вставлять накопители при включенном питании. Для стандартных корпусов существуют недорогие приспособления (Mobile Rack), обеспечивающие оперативную съемность стандартных винчестеров.

Внешние HDD имеют собственные корпуса и блоки питания, их максимальное количество определяется возможностями интерфейса. Обслуживание внешних накопителей может производиться и при работающем ПК (критично для серверов), хотя и может требовать прекращения доступа к части дисков.

Для больших объемов хранимых данных применяются блоки внешних HDD — дисковые массивы и стойки — сложные устройства с собственными интеллектуальными контроллерами, обеспечивающими (кроме обычных режимов работы), диагностику и тестирование своих накопителей.

Самые сложные и надежные устройства хранения состоят из множества HDD и называются RAID-массивами.

Характеристики:

· Интерфейс:

Серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и Fibre Channel.

· Ёмкость:

Ёмкость современных жёстких дисков (с форм-фактором 3,5 дюйма) на сентябрь 2011 г. достигает 4000 ГБ (4 Терабайт) и близится к 5 Тб. В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГБ.

· Физический размер (форм-фактор):

Почти все современные (2001;2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма — под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

· Время произвольного доступа:

Среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения / записи на произвольный участок магнитного диска.

Диапазон этого параметра — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5 мс). Для сравнения, у SSD накопителей этот параметр меньше 1 мс.

· Скорость вращения шпинделя:

От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 5900, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

· Надёжность

· Потребление энергии

· Сопротивляемость ударам

· Скорость передачи данных при последовательном доступе:

внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;

внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Сведения из истории:

Жесткие диски почти так же сложны, как и микропроцессоры. Кроме того, за последние двадцать лет они достигли потрясающего прогресса в емкости, скорости и цене. Одни из первых винчестеров для персональных компьютеров имели объем порядка 5−10 Мб и цену порядка $ 100 за Мб. Современные накопители на жестких дисках имеют емкости, превышающие сотни гигабайт. А стоимость мегабайта информации уменьшилась до уровня менее одного цента за мегабайт! Это показывает улучшение данного показателя более чем на миллион процентов за последние 20 лет.

В начале 70-х годов фирмой IBM был разработан первый накопитель на жестких магнитных дисках (14-дюймовый).

Диск позволял записать 30 дорожек по 30 секторов в каждой из них (30/30) и мог хранить до 16 Кбайт информации. Вначале ему присвоили название 30/30, именно по этому жесткий диск получил название винчестер. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30−30» предложил назвать этот диск именно так.

В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990;х годах, в российском же компьютерном сленге название «винчестер» сохранилось, сократившись до слова «винт».

В 1973 году фирма IBM создала первый HDD с несколькими дисками емкостью 140Мб, который продавался по цене $ 8600.

Развитие HDD-технологий можно разбить на пять этапов:

· Первый (до 1979 года) — использование «классических» индуктивных головок записи / воспроизведения;

· Второй этап (1979;1991 гг.) — применение тонкопленочных головок;

· Третий (1991;1995 гг.) — применение магниторезисторных (MR, Magneto-Resistive) головок;

· Четвертый (1995;2000 гг.) — применение супермагниторезистивных головок (GMR, Giant Magneto-Resistive): уменьшение магнитного зазора в записывающей головке и повышение чувствительности головки чтения за счет использования материалов с аномально высоким коэфициэнтом магниточувствительности;

· Пятый (с 2000 года) — появление моделей с новым типом магнитного покрытия — с антиферромагнитной связью (AFC) при сохранении параметров магнитных головок;

Рассмотрим эти этапы несколько подробнее:

· 1956 год Выпущен жесткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC.

Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, а общий объем памяти 50 вращавшихся в нем покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм составлял около 5 миллионов 6-битных байт (3,5 Мб в пересчете на 8-битные байты). Производился до 1957 года.

· 1961 год

BM изобретает головку для жестких дисков, которая «летает» на воздушной подушке или на «воздушных подшипниках».

· 1963 год Первый съемный жесткий диск «1311» от IBM, оснащенный шестью 14-дюймовыми пластинами и 2.6 Мбайт.

· 1966 год

IBM представляет первый диск, использующий головку для записи из ферритовой катушки.

· 1973 год

IBM анонсирует 3340, первый современный «Винчестер», с герметичным монтажом, смазанными шпинделями, и малой массой головок.

· 1978 год Первый патент технологии RAID (избыточный массив независимых дисков).

· 1979 год

3370 от IBM использует семь 14-дюймовых пластин для хранения 571 Мбайт, первый диск использующий тонкопленочные головки.

· 1980 год

IBM представляет первый гигабайтный жесткий диск. Он размером с холодильник, весит около 550 фунтов, и стоит $ 40.000.

· 1983 год

Rodime выпускает первый 3,5 — дюймовый жесткий диск; RO352 включает в себя две пластины и хранилище в 10 Мбайт.

· 1984 год

Western Digital создает первую контроллерную плату жесткого диска для IBM PC / AT — и устанавливает стандартны.

· 1985 год

Control Data, Compaq Computer, и Western Digital начинают сотрудничество, чтобы разработать 40-пиновый IDE интерфейс (IDE = Intelligent Drive Electronics, более известный как Integrated Drive Electronics).

Western Digital выпускает первые контроллерные платы ESDI (Enhanced Small Device Interface), предоставляющие большие емкости и более быстрые жесткие диски для использования в персональных компьютерах.

· 1988 год

Prairie Tek выпускает «220», первый 2,5 — дюймовый жесткий диск предназначенный для растущего рынка ноутбуков, он использует две пластины для хранения 20 Mбайт.

· 1990 год

Western Digital представляет свой первый 3,5 — дюймовый жесткий диск Caviar IDE.

· 1991 год

IBM представляет 0663 Corsair, первый диск с тонко-пишущими магниторезистивными (MR) головками. Он включает в себя восемь 3,5 — дюймовых пластин и сохраняет 1 Гбайт.

· 1992 год

Seagate — первая компания на рынке, выпускающая 2.1 Гбайт жесткие диски (Barracuda с 7200-оборотами в минуту).

1994 год

· Western Digital разрабатывает Enhanced IDE, улучшеный интерфейс жесткого диска, который разбивает 528 MB/sec пропускной барьер.

· 1996 год

IBM сохраняет 1 миллиард бит на квадратный дюйм.

· 1997 год

IBM представляет первый диск, использующий гигантские магнито-резистивные (GMR) головки, 16.8 GB Deskstar 16GP Titan, в котором размещаются 16.8 Гбайт на пять 3,5 — дюймовых пластин.

· 2002 год Новые разработки Seagate обеспечивают перпендикулярную магнитную плотность записи в 100 Гбит на квадратный дюйм.

· 2003 год

Western Digital представляет первый 10 000-rpm жесткий диск SATA, 37 GB Raptor, предназначенный для предприятий. Правда, геймеры осваивают его также быстро.

· 2005 год

Toshiba представляет свой MK4007 GAL, который содержит 40 Гбайт на одной 1,8 — дюймовой плате, и использует технологию перпендикулярной магнитной записи.

· 2006 год Жесткий диск для ноутбуков Momentus 5400.3 от Seagate — первая 2,5 — дюймовая модель с использованием перпендикулярной магнитной записи (повышает его объем до 160 Гбайт).

Релиз Seagate Barracuda 7200.10, в 750 Гбайт — крупнейший жесткий диск на тот день.

· 2008 год

Western Digital, не смотря на провалы у конкурентов, успешно преодолевает очередной барьер и выпускает первый 3.5″ диск объемом 2 Тбайт

· 2009 год Официально опубликованы спецификации SATA 3.

· 2010 год

Western Digital снова первые — выпущены диски объемом 3 Тбайт.

· 2011 год Благодаря агрессивному маркетингу производителей дисков и чипсетов, SATA3 постепенно становится стандартом де-факто.

1. Твердотельный накопитель SSD

Перед тем как, рассматривать способы записи информации на винчестер и виды головок чтения записи, целесообразно было бы рассказать о другом устройстве хранения информации и сравнить его с HDD накопителями.

Этим устройством является Твердотельный накопитель (SSD, solid-state drive) — компьютерное запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Не содержит движущихся механических частей, Различают два вида твердотельных накопителей: SSD на основе памяти, подобной оперативной памяти компьютеров, и SSD на основе флеш-памяти.

В настоящее время твердотельные накопители используются в компактных устройствах: ноутбуках, нетбуках, коммуникаторах и смартфонах.

Проведем сравнение HDD и SDD в реальных рабочих условиях.

Запуск, выключение системы, а также уход и выход из спящего режима:

Посмотрим, сколько времени уходит на старты и выключения операционной системы на различных носителях. Так же на уход и выход из гибернации.

Для начала сравним, как тут стартовала чистая система.

При старте системы SSD значительно быстрее. SSD быстрее и в остальных дисциплинах, где-то существенно, где-то не очень, если считать, что на треть — это «не очень».

В борьбе дисков наконец-то немного вырвался вперед 7200.2. Как видите, с ним система будет запускаться и выходить из гибернации чуть-чуть быстрее. Причем преимущество стабильное, хоть и небольшое — вы сэкономите 2−4 секунды.

Посмотрим, что получится, если использовать рабочую систему.

Сразу оговорюсь, что значит «долго» — это больше двух с половиной минут. По ощущениям, в разных случаях это время составляло где-то от трех с половиной до пяти минут. Но на работу активность диска почти не влияет.

Жесткие диски идут очень близко, разницы в работе невозможно заметить. Вполне возможно, новый жесткий диск на 7200 оборотов даст чуть лучшие результаты, но насколько? Секунду? При этом разброс результатов достигал иногда 5−6 секунд. Т. е., как видите, на рабочей системе разница в производительности диска нивелируется. Возможно, она проявится в каких-то специфических задачах (говорят, в некоторых случаях кодирования видео диск очень важен), но при выполнении стандартных задач разница именно по цифрам незначительна.

SSD запускается быстро, в гибернацию уходит быстро (плюс, что немаловажно, в то время, когда система пишет данные для ухода в гибернет, ноутбук уже можно собирать в сумку, не надо ждать), выходит… по цифрам не намного быстрее, но мне все равно показалось, что с ним система работает пошустрее. Плюс, если жесткий диск крутится постоянно и аж слышен хруст от работы, то с SSD данные считывают порциями и с паузами. Выключение системы везде примерно одинаково, но я думаю, что этот процесс просто не настолько зависит от дисковой подсистемы.

Везде время увеличилось примерно вдвое. Причем именно вдвое — независимо от того, маленькая или большая исходная величина. Следовательно, если вы хотите получить максимально быструю систему, то надо не только апгрейдить накопители, но и уделять внимание оптимизации самой системы, а главное — отбирать приложения, которые будут работать. Это гораздо дешевле и также способно принести неплохие дивиденды.

Тесты на копирование файлов:

Ну что же, перейдем к самым, на мой взгляд, интересным тестам — тестам на копирование данных. Эти тесты нам интересны по двум причинам: во-первых, это именно тот случай, когда скорость дисковой подсистемы определяет затрачиваемое время, а во-вторых, по этим данным косвенно можно определить, как быстро будут запускаться приложения и открываться файлы: ведь это тоже операции чтения с диска. По ним можно оценить скорость работы дисков и SSD в ежедневном режиме, когда они, например, запускают приложение или открывают файл.

Напомню, файлы копировались с одной партии диска на другую, т. е. диск и читал, и писал данные.

Пометочки

*Это с D на C. C на D копируется за 3,45

**Это на C. На D разархивируется за 5,11.

*** проводник стирает все за секунду-две В целом, видно, что у всех накопителей скорость зависит от размера файлов, хотя у SSD разницы между фильмом и набором архивов почти нет (только проявилась странная зависимость от того, куда копируется). Чем ближе процесс чтения и записи к линейному, тем выше скорость. В абсолютных цифрах накопитель SSD лидирует с большим отрывом: речь идет чаще всего о трех-четырехкратном превосходстве. Все, что называется, «летает». В самой сложной категории, наборе документов, отрыв еще более значителен.

Кстати, раз уж речь зашла о сравнении, обратите внимание, что копирует большой объем 5400.6 сильно быстрее, чуть ли не на минуту. Да и разархивирование у него происходит в среднем быстрее (хотя при разархивировании время сильно скакало). В копировании файлов 7200.2 не удалось выйти вперед, хотя я на это рассчитывал.

Установка и запуск приложений:

Итак, посмотрим, насколько разница велика в повседневной работе, а именно, в таких задачах как установка и запуск программ. В принципе, я старался подобрать с одной стороны приложения, которые используются относительно часто, а с другой — большие пакеты, где разница во времени установки существенная, и которые требуют относительно много времени для завтрака.

Поскольку большая часть тестов на 5400.6 не запускалась, сравнение пойдет в основном между одним жестким диском и SSD. В целом, как мы видим, преимущество SSD — в два-три раза. Правда, есть некоторые исключения, например, Acronis поставился примерно за одно время, да и разница при установке Office не так уж велика. Либо при установке этих приложений работа именно с диском не играет существенной роли, либо приложение устанавливается так, что SSD работает неэффективно. Обратите внимание на игры. При установке Crysis Warhead разница невелика, более того, еще и очень странно распределились места среди жестких дисков. Зато HawX демонстрирует практически классическую схему.

Как видите, в большинстве случаев преимущество SSD сохранилось.

Выводы:

Скорость:

В подавляющем большинстве случаев SSD значительно быстрее традиционных жестких дисков. Преимущество составляет от двух до трех раз — это очень много, отрыв просто огромен. Таким образом, итоги синтетического тестирования в целом подтвердились, хотя там преимущество SSD было еще более значительным. Впрочем, это нормально: операционная система и много других факторов вносит свой вклад, сглаживая разницу в скорости работы различных типов накопителей.

Размер:

Что касается размера, то в абсолютных же цифрах SSD сильно проигрывает. На данный момент даже 128-гигабайтные модели стоят очень больших денег, к тому же, цена очень сильно зависит от емкости: чем больше места, тем дороже (и сильно дороже) накопитель. В то же время, 500-гигабайтный жесткий диск можно прикупить очень недорого.

Если речь идет о домашнем мультимедийном ноутбуке, да еще и единственном (т.е. без внешних носителей для архива), то SSD точно не подойдет: его емкости очень быстро перестанет хватать. В этом случае SSD принесет прирост скорости, но придется иметь дополнительный внешний жесткий диск для хранения данных.

Надежность:

Еще один огромный плюс SSD: повышенная надежность в повседневной работе. Ведь он нечувствителен к ударам и вибрации. Однако при этом у него есть определенные сроки службы связанные с количеством циклов перезаписи информации на него. В среднем оно измеряется от 10 000 до 100 000 циклов.

Цена:

Самый сложный аспект, ибо стоят современные быстрые SSD очень дорого. Примерно раза в 3−4 дороже жесткого диска, который еще и раза в три более емкий. Т. е. насколько быстрее, настолько меньше и настолько же дороже.

2. Способы записи информации на винчестер

Принцип продольной записи:

Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов.

Домен представляет собой макроскопическую область в магнитном кристалле, в которой ориентация вектора спонтанной однородной намагниченности или вектора антиферромагнетизма (при температуре ниже точки Кюри или Нееля соответственно) определенным образом повернута или сдвинута относительно направлений соответствующего вектора в соседних доменах.

При этом вектор намагниченности домена расположен продольно, то есть параллельно поверхности диска. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/смІ.

Принцип перпендикулярной записи:

При перпендикулярной записи на диск магнитные частицы располагаются под углом 90° к плоскости магнитного диска, что позволяет существенно снизить продольный размер магнитного домена (увеличив его высоту по сравнению с высотой домена при перпендикулярной записи) и тем самым увеличить плотность дорожек на диске с гарантированным различением соседних дорожек при считывании.

В этом случае домены, хранящие разные значения, меньше влияют друг на друга, потому что намагниченные частицы повернуты друг к другу разными полюсами, повышается их термальная стабильность, многократно увеличивается скорость чтения информации. Кроме того, данная технология обеспечивает возможность получения более высокой амплитуды и более коротких импульсов записывающего поля, отсутствие размагничивающих полей на битовых переходах, более высокой амплитуды сигнала при считывании.

Плотность записи у современных (на 2009 год) образцов — 400 Гбит на кв/дюйм (62 Гбит/смІ).

Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

Принцип тепловой магнитной записи:

Метод тепловой магнитной записи на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, плотность записи которых 150 Гбит/смІ. Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3?3,1 Тбит/смІ, а представители Seagate Technology плотность записи HAMR-носителей до 7,75 Тбит/смІ. Широкого распространения данной технологии следует ожидать в 2011;2012 годах.

Технология структурированного носителя:

Перспективная технология хранения данных на магнитном носителе, использующая для записи данных массив одинаковых магнитных ячеек, каждая из которых соответствует одному биту информации, в отличие от современных технологий магнитной записи, в которых бит информации записывается на нескольких магнитных доменах.

Технология структурированного носителя предлагает заменить магнитные домены одной крупной магнитной ячейкой. Достичь этого возможно с помощью соответствующего литографирования поверхности носителя, либо с помощью создания специальной структуры материала. Преимуществом такого подхода является уменьшения шумовых эффектов при переходе считывающей головки от одного магнитного домена к другому во время чтения данных, а также увеличение плотности записи. По оценке компании Toshiba, развитие технологий производства структурированных носителей позволят уменьшить размер каждой ячейки, хранящей один бит информации, до 10 нм.

3. Головки чтения-записи

По сути головка чтения / записи выступает в роли проводника между электронными компонентами жестких дисков и различными физическими магнитными материалами, хранящими данные.

На каждую поверхность каждого диска приходится своя головка. В тот момент, когда компьютер выключен, головки лежат на внешнем крае дисков, в той области, где нет никакой информации. С включением, головки поднимаются. Среднее рабочее расстояние от поверхности диска до головки в среднем примерно 0,1 мкм. Согласитесь, расстояние мизерное. Если учесть тот факт, что рабочее покрытие дисков очень хрупкое, а скорость вращения очень высокая (7200 об/мин и выше), то становятся понятны высокие требования фирм-производителей к аккуратности в пользовании жесткими дисками. Наиболее уязвим винчестер во время работы. В жестких дисках применяется множество систем и приемов, для продления срока службы. Вот хотя бы такой способ: головки во время работы не касаются дисков, но между ними возникает воздушная подушка, если головка надолго зависает над одной дорожкой в ожидании следующей команды, то через определенное время, автоматически, головки будут передвинуты на произвольно выбранную, но уже другую дорожку. Это делается во избежание износа поверхности диска из-за трения о воздух.

Существует несколько типов головок:

· Электромагнитные.

· Ферритовые.

· С металлом в зазоре.

· Тонкопленочные.

· Магниторезистивные.

Электромагнитные:

Этот тип головок применялся в первых жестких дисках. Головки представляли собой сердечники с обмоткой. С повышением требований к плотности записи такие головки утратили актуальность, да и размеры их оставляли желать лучшего. Но, не смотря ни на что, электромагнитные головки продержались довольно долго.

Ферритовые:

Ферритовые головки были самыми первыми головками чтения / записи, использовавшимися фирмой IBM в накопителях типа «винчестер». Эти головки имеют самую простую конструкцию и самый простой принцип работы. Сердечник головки выполнен из прессованного феррита, изготовленного на основе окиси железа, и имеет U-образную форму. Вокруг этого сердечника наматывается обмотка, в которой и создается ток записи или чтения. Фактически, ферритовая головка представляет собой классический электромагнит очень малых размеров. Таким образом, на концах U-образного магнита формируются магнитные полюса (южный и северный), создающие магнитное поле. При этом направление силовых линий данного магнитного поля определяется направлением тока в обмотке головки. Сердечник головки состоит из двух половинок, между которыми имеется зазор.

При выполнении операции записи на диск, электрический ток, протекающий через обмотку головки, создает магнитное поле в зазоре между полюсами сердечника, в результате чего и происходит намагничивание поверхности дискового накопителя. Смена направления тока в обмотке головки приводит к изменению полярности магнитного поля, а, соответственно, и к изменению направления намагничивающей силы.

При чтении же, наоборот, намагниченная область диска, «пролетая» под головкой, создает в U-образном сердечнике изменяющееся магнитное поле, что, в свою очередь, приводит к появлению в обмотке электрического тока. Направление тока в обмотке зависит от полярности намагниченной области диска.

Таким образом, ферритовая головка является универсальной, т. е. может использоваться как для записи, так и для чтения информации с диска.

Ферритовые головки имели значительные габариты и были довольно громоздкими, в результате чего их размещали на достаточно большом расстоянии от дисковой поверхности. Это обстоятельство, в свою очередь, приводило к необходимости увеличивать массу и габариты магнитных доменов диска для того, чтобы они могли обеспечить значительную напряженность магнитного поля. Таким образом, с помощью ферритовых головок невозможно добиться высокой плотности записи, и их применение ограничивалось дисками, емкостью до 50 Мбайт.

Вскоре ферритовые головки были усовершенствованы путем помещения сердечника в керамический корпус, что позволило увеличить плотность записи. Такие головки широко использовались в накопителях до середины 80-х годов. Ферритовые головки непригодны для записи на носители с большой коэрцитивной силой.

С металлом в зазоре (MIG):

MIG — Metal-In-Gap (метал в зазоре) — это композитные головки, в которых нерабочий (обратный поверхности диска) зазор заполнен металлом.

Такая конструкция позволяет значительно уменьшать магнитное насыщение сердечника головки. Благодаря заполнению заднего технологического зазора, склонность материала сердечника к магнитному насыщению уменьшается, что позволяет увеличить магнитную индукцию (индукция насыщения магнитного сплава вдвое выше, чем самого ферритового сердечника головки) и записывать данные с большей плотностью за счет увеличения коэрцитивной силы. Технология MIG позволяет увеличить магнитную индукцию в зазоре между головкой и диском. MIG-головки формируют на поверхности диска намагниченные участки с более выраженными границами намагниченных зон, что позволяет использовать более тонкий магнитный слой. Сердечник MIG-головок имеет значительно меньшие размеры, по сравнению с сердечниками ферритовых головок, что приводит к уменьшению их массы, а, следовательно, и к уменьшению зазора между головкой и поверхностью диска.

Существовала также разновидность MIG-головок с напылением магнитного сплава и в рабочий зазор — так называемые, двухслойные MIG-головки. Такой подход позволял улучшить характеристики головок.

Так как MIG-головки, являются разновидностью ферритовых головок, то они являются универсальными головками чтения-записи.

Конструкция MIG-головок позволяла производить дисковые накопители с емкостью от 50 до 100 Мбайт.

Тонкопленочные (TF):

Первые тонкопленочные (Think Film — TF) головки получили практическое применение в 1979 году, хотя их конструкция разрабатывалась с 1960 года. В литературе можно встретить еще и такое название этих головок, как тонкопленочные индуктивные головки — Thin Film Inductive (TFI). Производились тонкопленочные головки путем фотолитографии, т. е. так же как и интегральные микросхемы. Данная технология производства позволяет резко уменьшить размер и массу головок.

Сердечник тонкопленочной головки получается следующим образом. На подложку головки по специальному шаблону наносится очень тонкий слой проводящего материала — железоникелевого сплава, величина индукции насыщения которого в 2−4 раза больше, чем у пермаллоя (ферромагнитного сплава). В результате, сердечник, на который наматывается обмотка, получается очень компактным. Малый вес и малые габариты TF-головок позволяют до 0,03 мкм уменьшить просвет между поверхностью диска и головкой. Небольшая высота TF-головок способствует тому, что в накопителе удается разместить большее количество магнитных дисков, без увеличения его высоты. Эти головки также имели хорошую остаточную намагниченность участков поверхности носителя.

Конструкция TF-головок позволяет изменять зазор между головкой и диском путем наращивания слоев алюминиевого сплава на рабочую поверхность головки. Уменьшение зазора дает увеличение остаточной намагниченности и повышается отношение «сигнал-шум», так как увеличивается амплитуда сигнала. Кроме этого, алюминиевый сплав предотвращает повреждения головки о поверхность диска. Большим преимуществом TF-головок является уменьшение магнитных доменов на дисковой поверхности, что позволяет увеличить плотность записи.

Временем «расцвета» технологии TF-головок можно считать конец восьмидесятых — середина девяностых годов 20 века. С использованием тонкопленочных головок производились накопители емкостью от 100 МБ до нескольких Гбайт.

Магниторезистивные (MR):

Во-первых, сразу стоит оговориться, что магниторезистивный эффект используется только для построения головки чтения. Таким образом, магниторезистивные головки, в отличие от рассмотренных выше типов головок, состоят уже из двух частей:

· головки записи;

· головки чтения.

Модель такой разделенной по функциям головки чтения / записи демонстрируется на рис. 8, где очень хорошо видно, что запись и чтение осуществляется разными элементами головками.

Высокая чувствительность MR-головки чтения требует обязательного наличия экранирующих элементов, предотвращающих воздействие на головку внешних магнитных полей.

Свою историю магниторезистивные головки (Magnitoresitive — MR) начинают с начала 90-х. Первые поколения этих головок являлись анизотропными магниторезистивными головками (Anisotropic Magnitoresistive — AMR), и именно термином AMR обозначали их в различной документации. Позже данный тип головок стали обозначать просто MR, но сейчас в некоторых случаях возникает путаница, связанная с тем, что термином MR называют иногда и следующее поколение головок GMR. Именно поэтому в современных публикациях зачастую опять возвращаются к термину AMR для обозначения магниторезистивных головок.

Применение магниторезистивных головок позволяет добиться чрезвычайно высокой плотности записи данных и высокого быстродействия накопителя. Принцип работы головки основан на том, что при считывании данных реактивное сопротивление обмотки MR-головки оказывается различным при прохождении над участками с разными значениями остаточной намагниченности. Таким образом, магниторезистивная головка регистрирует не на изменения намагниченности (как это было в головках рассмотренных выше), а на величину намагниченности рабочего слоя диска.

В составе магниторезистивной головки чтения имеется добавочная обмотка, в которой создается постоянный измерительный ток. В момент, когда головка проходит над зоной намагниченности, сопротивление этой обмотки изменяется, а соответственно изменяется величина измерительного тока. Контролируя величину этого тока, управляющая схема регистрирует наличие полезного сигнала на выходе головки чтения. Амплитуда выходного сигнала MR-головки в несколько раз больше, чем тонкопленочной. Фактически, главным отличием MR-головки является то, что она представляет собой резистивный датчик магнитного поля, а не генератор электродвижущей силы, как описанные ранее головки.

В ферритовых, MIG и TF головках рабочий зазор между головкой и поверхностью накопителя один — и для операций записи и для операций чтения — и это логично, ведь данные головки одновременно являются и головками чтения, и головками записи. А вот в MR-головке рабочих зазоров два — каждый для своей операции. В MR-головках у считывающего узла зазор должен быть меньшим (для увеличения разрешающей способности), а у записывающего — более широким (для более глубокого проникновения магнитного потока в рабочий слой носителя). Поэтому записывающая головка создает более широкие дорожки, чем это необходимо для считывающей MR-головки. Таким образом, при считывании не захватываются шумы с соседних дорожек, что, несомненно, повышает привлекательность использования MR-головок в накопителях.

Кроме того, стоит отметить, что между головками чтения и записи и поверхностью диска также получаются разные зазоры. Головка чтения оказывается на большем расстоянии от поверхности диска, чем головка записи, поэтому чувствительность MR-сенсора имеет весьма большое значение для уверенного приемам сигнала от магнитного домена. Разность зазоров чтения и записи обусловлена наклонным положением слайдера головки.

Магниторезистивная головка имеет сложную, многослойную структуру, а основой головки является железо-никелевый сплав (NiFe), который и является датчиком магнитного поля, на выходе которого формируется электрический сигнал при прохождении под головкой намагниченного участка.

В железо-никелевом сенсоре течет постоянный ток, но в момент прохождения под головкой магнитного домена, магнитное поле искажает траекторию электронов сенсора, что приводит к изменению сопротивления железо-никелевой пластины. В результате, величина тока в магнитном сенсоре возрастает, или, наоборот, уменьшается, в зависимости от направления магнитного поля.

MR-головки используются в большинстве накопителей емкость от 1 Гбайт до 30 Гбайт.

Гигантские магниторезистивные головки:

Гигантские магниторезистивные головки (Giant Magnitoresistive — GMR) начали применяться в накопителях в конце девяностых годов (например, IBM впервые выпустила диск с GMR-головкой в декабре 1997 года). Эти головки пришли на смену (A) MR-головкам, и имеют практически такой же основный принцип функционирования, однако в конструкции GMR-головок имеются некоторые изменения, значительно повышающие их чувствительность и уменьшающие габариты головок. Термин «гигантские» (Giant) относится не к размерам головок (их размеры, как раз, наоборот значительно уменьшились), а характеризует принцип, положенный в основу функционирования головки — гигантский магниторезистивный эффект, который был независимо открыт сразу двумя ученными: Питером Грюнбергом и Альбертом Фертом в конце 80-х годов двадцатого века. Суть их открытия заключается в том, что в тонких слоях самых различных материалов наблюдается очень большое изменение сопротивления, когда на эти вещества воздействует сильное магнитное поле.

· Free Layer (свободный слой) — это чувствительный слой, изготовленный из железо-никелевого сплава. Именно этот слой осуществляет непосредственное считывание информации с диска. Принцип функционирования этого слоя полностью аналогичен принципу работы MR-головки чтения, который был рассмотрен ранее. Однако в отличие от MR-сенсоров в слое Free Layer формируется импульс значительно большей амплитуды, т. е. GMR-сенсор является более чувствительным (этому способствует магнитное воздействие от Pinned Layer).

· Spacer (разделительный слой) — это изолирующий слой, предназначенный для разделения двух магнитных слоев: Free Layer и Pinned Layer, имеющих различную магнитную ориентацию. Обычно, для этого слоя используют такой немагнитный материал, как медь.

· Pinned Layer (укрепляющий слой, пин-слой) — это слой с фиксированной магнитной ориентацией, который изготавливается обычно из кобальта. Магнитная ориентация этого слоя «закрепляется» воздействием следующего слоя — Exchange Layer.

· Exchange Layer (передающий, обменный слой) — слой с фиксированной магнитной ориентацией, выполненный из антиферромагнитного материала, обычно из сплава железа и марганца (MnFe). Функцией этого слоя является укрепление и фиксация магнитной ориентации слоя Pinned Layer.

Принцип действия GMR-сенсора выглядит следующим образом. Через пин-слой протекает постоянный ток, и этому току GMR-сенсор создает некоторое сопротивление. Когда под головкой «пролетает» магнитный домен с поляризацией, условно обозначаемой как «1», электроны свободного слоя приобретают такой же спин, что и электроны пин-слоя. Это приводит к значительному уменьшению сопротивления пин-слоя и общему увеличению тока головки, т. е. формируется «положительный» импульс тока.

Когда же под головкой «пролетает» домен с обратной магнитной поляризацией, условно обозначаемой, как «0», электроны свободного слоя меняют свой спин на противоположный, т. е. теперь электроны пин-слоя и свободного слоя имеют разное направление. Это приводит к резкому увеличению сопротивления пин-слоя и уменьшению тока GMR-головки, т. е. приводит к формированию «отрицательного» импульса тока (рис. 17). Так как спин электронов свободного слоя изменяет свое направление, GMR-головки часто называют еще «головками с вращающимся спином» — Spin Valve или SV-GMR.

GMR-головки превосходят по своим параметрам MR-головки в несколько раз. Так, например, самые современные MR-головки изменяли свое сопротивление при переходе от одной магнитной поляризации к другой на 2%, в то время как GMR-головки изменяют свое сопротивление на величину порядка 5−8%. Это означает, что GMR-головки могут улавливать более слабые сигналы, что ведет к еще большему увеличению поверхностной плотности записи накопителя. Кроме того, GMR-головки меньше «шумят» и в меньшей степени подвержены эффектам интерференции. И, самое главное, обычная GMR-головка значительно меньше размером, чем обычная MR-головка.

GMR-головки использовались в накопителях с плотностью записи 10−15 Гигабит на квадратный дюйм и емкостью до 75 Гбайт. Последние поколения GMR-головок используются и в современных накопителях с поверхностными плотностями записи до 35 Гигабит на квадратный дюйм и емкостью до 200 Гигабайт.

На сегодняшний день, претерпев целый ряд модификаций и усовершенствований, GMR-головки являются, пожалуй, основным типом головок HDD-накопителей. GMR-головки, появившись в 1997 году, применялись в дисках с продольным методом записи, и эти головки обозначались как GMR CIP. Именно эта технология считается классической.

GMR-головки прошли долгий путь развития, который заключался в том, что постоянно совершенствовалась конструкция сенсора с целью повышения его чувствительности. Чувствительность сенсора увеличивалась за счет введения дополнительных слоев в классическую четырехслойную структуру.

GMR-головки для перпендикулярной записи:

Начиная с 2003 года, в накопителях стала применяться технология перпендикулярной записи (рис. 23), значительно увеличившая плотность записи за счет того, что магнитные области располагаются под углом 90° к плоскости магнитного диска. Головки для перпендикулярной записи, обозначаемые как GMR CPP, в принципе, имеют такое же построение, что и классические GMR CIP головки, только со значительно меньшими размерами. Основное отличие касается конструкции головки чтения, т. е. GMR-сенсора.

В головках для перпендикулярной записи в основном используются GMR-сенсор типа Bottom Type с синтетическим ферромагнетиком. В головке чтения GMR CPP также имеется четыре базовых слоя, однако для повышения чувствительности добавлен еще один дополнительный пин-слой отделенный от основного слоем рутения.

Также стоило бы сказать несколько слов о приводах головок. Головки чтения-записи крепятся на рычагах, которые в свою очередь приводятся в движение приводом.

Существует два типа привода:

· Пошаговый двигатель.

· Подвижная катушка.

Шаговый двигатель. Если взять в руки такой двигатель и покрутить его за ось, то можно ощутить щелчки. Это и есть шаги, то есть двигатель за один шаг (от щелчка до щелчка) поворачивается на заданный угол. Говоря умным языком, ротор шагового двигателя поворачивается ступенчато. При повороте привода на шаг, рычаг переносит головку от одной дорожки к другой.

Недостаток такого привода в том, что ротор двигателя может останавливаться только в фиксированных положениях. Но при нагреве диски увеличиваются, а значит, дорожки смещаются относительно своего первоначального положения. И вот тут начинаются проблемы, ведь шаговый двигатель может передвинуть головки только с дорожки на дорожку, а вот скомпенсировать тепловое расширение — нет. Сказать по правде, шаговые двигатели в приводе головок чтения / записи жестких дисков — это анахронизм. Такие диски теперь еще поискать надо.

Подвижная катушка. Здесь все предельно просто в плане передвижения: есть магниты, есть катушка. При подаче тока через катушку, она начинает передвигаться. К ней прикреплены рычаги с головками. Понятно, что фиксированных положений такой привод не имеет, а имеется система позиционирования, которая использует сигнал обратной связи от головки. Она то и задает нужный угол поворота или расстояние для перемещения.

Подвижные катушки бывают двух типов: линейные и поворотные. В линейной катушке головки движутся вдоль радиуса дисков по прямой. Недостаток таких приводов заключается в том, что он довольно громоздок и тяжел. Достоинства: нет необходимости учитывать азимут (угол между плоскостью рабочего зазора и направлением дорожки записи). А вот в поворотной катушке рычаги перемещаются вдоль диска на заданный угол. Так как угол между головками и дорожками на диске постоянно меняется, то его необходимо постоянно учитывать. А это уже недостаток. Зато такой привод легче и быстрее. Почти все современные жесткие диски используют привод с поворотной катушкой.

Постоим таблицу в которой будет указана плотность записи различными головками чтения-записи.

Разбор:

Рассмотрим подробнее причины возникновения новых технологий записи информации на винчестеры.

Продольная технология хранения данных за полвека все же успела себя исчерпать, рост плотности записи приостановился.

Суперпарамагнитный предел:

Плотность записи определяется произведением двух параметров: линейной плотности (плотность на один дюйм дорожки) на количество дорожек, приходящихся на каждый дюйм диаметра. Для повышения емкостей носителей нужно увеличивать либо площадь рабочей поверхности (читай — диаметр и число дисков), либо плотность записи. Первый путь приводит к усложнению накопителей, а значит, к снижению надежности и повышению их цены, второй же упирается в суперпарамагнитный предел.

Проблема в том, что при увеличении плотности записи рано или поздно начинает существенно уменьшаться устойчивость записанных данных к внешним воздействиям. Так, повышенная температура окружающей среды может привести к возникновению тепловых флуктуаций (случайных отклонений от состояния равновесия) в записывающем слое.

Для простоты понимая опишем ситуацию для одного магнита:

В магнитном поле магнит выстраивается вдоль силовых линий поля. Выведенный же из состояния равновесия, он начинает колебаться и при затухании колебаний возвращается в исходное состояние в соответствии с направлением силовых линий поля. При повышении температуры микроскопический магнит может испытать случайные тепловые флуктуации и после затухания колебаний вернуться в положение вдоль силовых линий поля, но уже в противоположном направлении.

Вероятность этого напрямую зависит от размера магнита: чем меньше магнит, тем меньше нужно энергии, чтобы он смог изменить направление. Уменьшение физических размеров магнита (или домена) вдвое может привести к увеличению вероятности смены направления на десять и более порядков.

При дальнейшем уменьшении доменов вероятность изменения состояния резко возрастает, пропадает остаточная намагниченность и существенно падает магнитная проницаемость среды.

Проще говоря, магниты начинают хаотично изменять направление, отчего ослабевает поле, нарушается порядок доменов, их суммарный магнитный момент становится ничтожно малым. Записанную информацию прочесть уже не удается, она теряется.

Этот эффект и называется суперпарамагнетизмом. Суперпарамагнитный предел сдерживает уменьшение количества доменов, используемых для хранения одного бита информации.

Для преодоления суперпарамагнитного предела был разработан способ перпендикулярной записи информации. В отличие от классических методов записи, когда магнитное поле генерируется записывающей головкой, парящей над диском с магнитным слоем, и частично проникает в записывающий слой, в устройствах с перпендикулярной записью магнитное поле генерируется между срезом полюса и подслоем из магнитомягкого материала. Этот подслой расположен ниже записывающего материала и фактически является частью диска. Такой подход позволяет намагничивать домены, легкая ось которых направлена перпендикулярно поверхности диска.

Как следствие, исчезает один из основных дестабилизирующих факторов продольной записи — размагничивание на границах битов (чтобы понять механизм этой проблемы, достаточно вспомнить, как ведут себя два магнита, которые мы пытаемся соединить, прикладывая их одноименными полюсами). При перпендикулярной записи конфигурация доменов оказывается более стабильной, к тому же эффект размагничивания проявляет себя еще слабее при увеличении толщины записывающего слоя, что попутно способствует теплоустойчивости. Зона перехода бит становится тоньше, а значит, увеличивается линейная плотность записи.

Вторым преимуществом перпендикулярной записи оказывается форма считываемого сигнала. Если рассмотреть диаграммы полей рассеивания, испускаемые средами для продольной записи и для перпендикулярной с подслоем, можно заметить, что для продольной записи сигнал исходит только из зон переходов, для перпендикулярной же записи поле исходит из эффективных магнитных зарядов, то есть сигнал присутствует во всей области чтения, а не только в зонах переходов.

Благодаря перпендикулярной записи разработчикам удалось несколько отодвинуть суперпарамагнитный предел. Мощное магнитное поле, возможность использования для записи толстой среды и ничтожно малое размагничивающее поле в зонах переходов позволяют повысить плотность записи еще на порядок. Далее суперпарамагнитный предел будет достигнут и для перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи позволяет не преодолеть полностью суперперемагнитный предел, а лишь отодвинуть его. Эксперты полагают, что вплоть до 2010 года перпендикулярная запись не исчерпает своих возможностей. К этому времени должны достичь готовности для коммерческого использования ряд перспективных технологий хранения информации. Такие как принцип тепловой магнитной записи и технология структурированного носителя которые мы описали выше.

Источники литературы

1. http://www.mirpu.ru

2. http://www.ixbt.com

3. http://ru.wikipedia.org

4. http://www.upspecial.ru/zhestkie-diski-seagate-s-perpendikulyarnoj-zapisyu.html

твердотельный винчестер суперпарамагнитный память