Магнитное хранилище

Магнитное хранение или магнитная запись – это хранение данных на намагниченном носителе. Магнитное хранилище использует различные схемы намагничивания намагничивающегося материала для хранения данных и представляет собой форму энергонезависимой памяти . Доступ к информации осуществляется с помощью одной или нескольких головок чтения/записи .

Магнитные носители информации, в первую очередь жесткие диски , широко используются для хранения компьютерных данных, а также аудио- и видеосигналов . В области вычислений предпочтительным является термин «магнитное хранилище» , а в области аудио- и видеопроизводства термин «магнитная запись» чаще используется . Это различие не столько техническое, сколько вопрос предпочтений. Другие примеры магнитных носителей информации включают дискеты , магнитную ленту и магнитные полосы на кредитных картах. ^{[ нужна ссылка ]}

История [ править ]

Магнитное хранилище в форме проводной записи — аудиозаписи на проводе — было опубликовано Оберлином Смитом в выпуске журнала Electrical World от 8 сентября 1888 года . ^[1] Смит ранее подал заявку на патент в сентябре 1878 года, но не нашел возможности реализовать эту идею, поскольку его бизнесом были станки. Первый публично продемонстрированный (Парижская выставка 1900 года) магнитный регистратор был изобретен Вальдемаром Поульсеном в 1898 году. Устройство Поульсена записывало сигнал на проволоке, намотанной на барабан. В 1928 году Фриц Пфлеймер разработал первый магнитофон . Первые магнитные запоминающие устройства были предназначены для записи аналоговых аудиосигналов. Компьютеры, а теперь и большинство магнитных устройств хранения аудио и видео записывают цифровые данные . ^{[ нужна ссылка ]}

В компьютерах магнитное хранилище также использовалось в качестве первичного хранилища в форме магнитного барабана , или сердечниковой памяти , сердечниковой веревочной памяти , тонкопленочной памяти , твисторной памяти или пузырьковой памяти . В отличие от современных компьютеров, магнитная лента также часто использовалась для вторичного хранения данных. ^{[ нужна ссылка ]}

Дизайн [ править ]

Жесткие диски используют магнитную память для хранения гига- и терабайтов данных в компьютерах.

Информация записывается и считывается с носителя информации, когда она проходит мимо устройств, называемых головками чтения и записи , которые работают очень близко (часто в десятках нанометров) к магнитной поверхности. Головка чтения и записи используется для обнаружения и изменения намагниченности материала, находящегося непосредственно под ней. Существует две магнитные полярности, каждая из которых обозначает либо 0, либо 1. ^{[ нужна ссылка ]}

Магнитная поверхность концептуально разделена на множество небольших магнитных областей субмикронного размера , называемых магнитными доменами (хотя это не магнитные домены в строгом физическом смысле), каждая из которых имеет в основном однородную намагниченность. Из-за поликристаллической природы магнитного материала каждая из этих магнитных областей состоит из нескольких сотен магнитных зерен . Магнитные зерна обычно имеют размер 10 нм, и каждое из них образует один истинный магнитный домен . Каждая магнитная область в совокупности образует магнитный диполь , который генерирует магнитное поле . В старых конструкциях жестких дисков (HDD) области были ориентированы горизонтально и параллельно поверхности диска, но примерно с 2005 года ориентация была изменена на перпендикулярную , чтобы обеспечить более близкое расстояние между магнитными доменами. ^{[ нужна ссылка ]}

В старых жестких дисках использовался оксид железа(III) (Fe ₂ O ₃ в качестве магнитного материала ), но в современных дисках используется сплав на основе кобальта . ^[2]

Для надежного хранения данных записывающий материал должен противостоять саморазмагничиванию, которое происходит, когда магнитные домены отталкивают друг друга. Магнитные домены, записанные слишком близко друг к другу в слабо намагничивающемся материале, со временем деградируют из-за вращения магнитного момента одного или нескольких доменов, чтобы нейтрализовать эти силы. Домены вращаются вбок до половины положения, что ухудшает читаемость домена и снимает магнитные напряжения. ^{[ нужна ссылка ]}

Головка записи намагничивает область, создавая сильное локальное магнитное поле, а головка чтения обнаруживает намагниченность областей. Ранние жесткие диски использовали электромагнит как для намагничивания области, так и для считывания ее магнитного поля с помощью электромагнитной индукции . Более поздние версии индуктивных головок включали головки Metal In Gap (MIG) и тонкопленочные головки. По мере увеличения плотности данных считывающие головки, использующие магнитосопротивление стали использоваться (MR); электрическое сопротивление головки менялось в зависимости от силы магнетизма пластины. Более поздние разработки использовали спинтронику ; в считывающих головках магниторезистивный эффект был намного сильнее, чем в более ранних типах, и получил название «гигантского» магнитосопротивления (ГМР). В современных головках элементы чтения и записи расположены отдельно, но расположены в непосредственной близости, на головной части рычага привода. Элемент чтения обычно является магниторезистивным , а элемент записи обычно является тонкопленочным индуктивным. ^[3]

Головки не соприкасаются с поверхностью диска благодаря воздуху, который находится очень близко к диску; что воздух движется со скоростью диска или близкой к ней. Головка записи и воспроизведения установлена на блоке, называемом слайдером, а форма поверхности рядом с диском практически не допускает его контакта. Это образует своего рода воздушный подшипник . ^{[ нужна ссылка ]}

Занятия магнитной записью [ править ]

Аналоговая запись [ править ]

Аналоговая запись основана на том факте, что остаточная намагниченность данного материала зависит от величины приложенного поля. Магнитный материал обычно имеет форму ленты, причем лента в чистом виде первоначально размагничивается. При записи лента движется с постоянной скоростью. Пишущая головка намагничивает ленту током, пропорциональным сигналу. Распределение намагниченности достигается вдоль магнитной ленты. Наконец, можно считывать распределение намагниченности, воспроизводя исходный сигнал. Магнитная лента обычно изготавливается путем внедрения магнитных частиц (приблизительно 0,5 микрометра). ^[4] по размеру) в пластиковом переплете на полиэфирной пленочной ленте. Наиболее часто используемым из них был оксид железа, хотя также использовались диоксид хрома, кобальт, а позже и частицы чистого металла. Аналоговая запись была самым популярным методом аудио- и видеозаписи. Однако с конца 1990-х годов популярность записи на магнитную ленту снизилась из-за цифровой записи. ^[5]

Цифровая запись [ править ]

Вместо создания распределения намагниченности при аналоговой записи, цифровая запись требует только двух стабильных магнитных состояний, а именно +Ms и −Ms в петле гистерезиса . Примерами цифровой записи являются дискеты , жесткие диски (HDD) и ленточные накопители . Жесткие диски предлагают большую емкость по разумным ценам; по состоянию на 2024 год ^[update]Жесткие диски потребительского класса предлагают хранение данных по цене около 15–20 долларов США за терабайт. ^[6]

Магнитооптическая запись [ править ]

Магнитооптическая запись записывает/читает оптически. При записи магнитная среда локально нагревается лазером , что вызывает быстрое уменьшение коэрцитивного поля. Затем для переключения намагниченности можно использовать небольшое магнитное поле. Процесс считывания основан на магнитооптическом эффекте Керра . Магнитная среда обычно представляет собой тонкую аморфную пленку R-Fe-Co (R - редкоземельный элемент). Магнитооптическая запись не пользуется большой популярностью. Одним из известных примеров является Minidisc, разработанный Sony . ^{[ нужна ссылка ]}

Память распространения домена [ править ]

Память распространения домена также называется пузырьковой памятью . Основная идея заключается в управлении движением доменной границы в магнитной среде, свободной от микроструктуры. Пузырь относится к стабильной цилиндрической области. Затем данные записываются по наличию/отсутствию пузырькового домена. Память с распространением доменов обладает высокой нечувствительностью к ударам и вибрации, поэтому ее обычно применяют в космосе и аэронавтике. ^{[ нужна ссылка ]}

Технические подробности [ править ]

Способ доступа [ править ]

Магнитные носители информации можно классифицировать как память с последовательным доступом или память с произвольным доступом , хотя в некоторых случаях различие не совсем ясно. Время доступа можно определить как среднее время, необходимое для получения доступа к сохраненным записям. В случае магнитной проволоки головка чтения/записи в любой момент времени покрывает лишь очень небольшую часть записывающей поверхности. Доступ к различным частям провода предполагает его намотку вперед или назад, пока не будет найдена интересующая точка. Время доступа к этой точке зависит от того, насколько далеко она находится от начальной точки. В случае памяти с ферритовым сердечником ситуация противоположная. Каждое основное местоположение доступно немедленно в любой момент времени. ^{[ нужна ссылка ]}

Жесткие диски и современные линейные ленточные накопители не вписываются ни в одну категорию. Оба имеют множество параллельных дорожек по всей ширине носителя, и головкам чтения/записи требуется время для переключения между дорожками и сканирования внутри дорожек. Для доступа к разным местам на носителе информации требуется разное количество времени. Для жесткого диска это время обычно составляет менее 10 мс, но для записи на ленту может потребоваться до 100 с. ^{[ нужна ссылка ]}

Схемы кодирования [ править ]

Головки магнитных дисков и головки магнитных лент не могут пропускать постоянный ток (постоянный ток), поэтому схемы кодирования данных как на ленте, так и на диске разработаны так, чтобы минимизировать смещение постоянного тока . Большинство магнитных запоминающих устройств используют коррекцию ошибок . ^[7]

Многие магнитные диски внутренне используют ту или иную форму кодирования с ограниченной длиной серии и максимальное правдоподобие с частичным ответом . ^{[ нужна ссылка ]}

Текущее использование [ править ]

По состоянию на 2021 год ^[update]Обычно магнитные носители информации используются для массового хранения компьютерных данных на жестких дисках и записи аналоговых аудио- и видеоработ на аналоговую ленту . Поскольку большая часть аудио- и видеопроизводства переходит на цифровые системы, ожидается, что использование жестких дисков увеличится за счет аналоговых лент. Цифровые ленты и ленточные библиотеки популярны для хранения данных большой емкости в виде архивов и резервных копий. Дискеты используются незначительно, особенно при работе со старыми компьютерными системами и программным обеспечением. Магнитное хранилище также широко используется в некоторых конкретных приложениях, таких как банковские чеки ( MICR ) и кредитные / дебетовые карты ( магнитные полосы ). ^{[ нужна ссылка ]}

Будущее [ править ]

новый тип магнитной памяти, называемый магниторезистивным запоминающим устройством с произвольным доступом Создается или MRAM, который хранит данные в магнитных битах на основе эффекта туннельного магнитосопротивления (TMR). Его преимуществом является энергонезависимость, низкое энергопотребление и хорошая ударопрочность. Разработанное первое поколение было произведено Everspin Technologies и использовало письмо, индуцированное полем. ^[8] Второе поколение разрабатывается с использованием двух подходов: термическое переключение (TAS). ^[9] который в настоящее время разрабатывается компанией Crocus Technology , и крутящий момент с передачей вращения (STT), над которым Crocus , Hynix , IBM и ряд других компаний. работают ^[10] Однако, поскольку плотность хранения и емкость на несколько порядков меньше, чем у жесткого диска , MRAM полезна в приложениях, где требуются умеренные объемы памяти с необходимостью очень частых обновлений, которые флэш-память не может поддерживать из-за ее ограниченного ресурса записи. ^{[ нужна ссылка ]} Также разрабатывается шестиуровневая MRAM, повторяющая четырехбитные многоуровневые ячейки флэш-памяти, которые имеют шесть разных битов вместо двух . ^[11]

Исследования также проводит Алексей Кимель из Университета Радбауд в Нидерландах. ^[12] к возможности использования терагерцового излучения вместо использования стандартных электроимпульсов для записи данных на магнитные носители информации. Используя терагерцовое излучение, можно значительно сократить время записи (в 50 раз быстрее, чем при использовании стандартных электроимпульсов). Еще одним преимуществом является то, что терагерцовое излучение практически не выделяет тепла, что снижает требования к охлаждению. ^[13]

См. также [ править ]

Цифровая аудиокассета
Хранение цифровых данных
Дисковое хранилище
Карлквистский разрыв
Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM)
Методы магнитной записи:
- Магнитная запись с использованием тепла (HAMR)
- Продольная магнитная запись (ЛМР)
- Перпендикулярная магнитная запись (PMR), также известная как обычная магнитная запись (CMR).
- Магнитная запись с черепицей (SMR)
Марвин Камрас (1916–1995), американский инженер-электрик и изобретатель, крупный разработчик технологии магнитной записи.

Ссылки [ править ]

^ Лей, Вилли (август 1965 г.). «Галактические гиганты» . Довожу до вашего сведения. Галактическая научная фантастика . стр. 130–142.
^ Канеллос, Майкл (24 августа 2006 г.). «Разногласия по поводу будущего жестких дисков» . CNETNews.com . Проверено 24 июня 2010 г.
^ «IBM OEM MR Head | Технологии | Эпоха гигантских магниторезистивных головок» . Hitachigst.com. 27 августа 2001 г. Архивировано из оригинала 05 января 2015 г. Проверено 4 сентября 2010 г.
^ «Запись на магнитную ленту» . HyperPhysics.phy-astr.gsu.edu . Проверено 28 января 2014 г.
^ Э. дю Тремолет де Лашессери, Д. Жиньу и М. Шленкер (редакторы), Магнетизм: основы, Springer, 2005 г.
^ «Цены на диски (США)» . ООО «Лигитэйт Дата Компани» . Проверено 10 марта 2024 г. Цены на бывшие в употреблении/восстановленные приводы ниже.
^ Аллен Ллойд. Полное руководство по электронным СМИ . 2004. с. 22.
^ «Атрибуты технологии MRAM» . Архивировано из оригинала 10 июня 2009 года.
^ Появление практической MRAM «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2011 г. Проверено 20 июля 2009 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
^ «Tower инвестирует в «Крокус» и предлагает сделку с литейным заводом MRAM» . ЭЭ Таймс . Архивировано из оригинала 19 января 2012 г. Проверено 28 января 2014 г.
^ «Исследователи разработали магнитную память с шестью состояниями» . физ.орг . Проверено 23 мая 2016 г.
^ «Проф. Кимель А.В. (Алексей) | Университет Радбауд» . www.ru.nl.
↑ Смотреть журнал, 12, 2019.

Внешние ссылки [ править ]

История магнитной записи (BBC/H2G2)
Избранная история магнитной записи
Оберлин Смит и изобретение магнитной звукозаписи
История магнитной записи на веб-сайте Калифорнийского университета в Сан-Диего (CMRR).
Хронология . магнитной записи
[1] «Научный репортер», ISSN 0036-8512 ТОМ 43 НОМЕР 7 ИЮЛЯ 2006 ГОДА «Магнитная запись — революционная технология»
«Знайте свои цифровые носители информации: руководство по наиболее распространенным типам цифровых носителей информации, встречающихся в архивах» . США: Техасский университет в Сан-Антонио.

[ley196508-1] Лей, Вилли (август 1965 г.). «Галактические гиганты» . Довожу до вашего сведения. Галактическая научная фантастика . стр. 130–142.

[AutoMK-13-2] Канеллос, Майкл (24 августа 2006 г.). «Разногласия по поводу будущего жестких дисков» . CNETNews.com . Проверено 24 июня 2010 г.

[AutoMK-14-3] «IBM OEM MR Head | Технологии | Эпоха гигантских магниторезистивных головок» . Hitachigst.com. 27 августа 2001 г. Архивировано из оригинала 05 января 2015 г. Проверено 4 сентября 2010 г.

[AutoLQ-1-4] «Запись на магнитную ленту» . HyperPhysics.phy-astr.gsu.edu . Проверено 28 января 2014 г.

[AutoLQ-2-5] Э. дю Тремолет де Лашессери, Д. Жиньу и М. Шленкер (редакторы), Магнетизм: основы, Springer, 2005 г.

[6] «Цены на диски (США)» . ООО «Лигитэйт Дата Компани» . Проверено 10 марта 2024 г. Цены на бывшие в употреблении/восстановленные приводы ниже.

[7] Аллен Ллойд. Полное руководство по электронным СМИ . 2004. с. 22.

[AutoLQ-3-8] «Атрибуты технологии MRAM» . Архивировано из оригинала 10 июня 2009 года.

[AutoLQ-4-9] Появление практической MRAM «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2011 г. Проверено 20 июля 2009 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )

[AutoLQ-5-10] «Tower инвестирует в «Крокус» и предлагает сделку с литейным заводом MRAM» . ЭЭ Таймс . Архивировано из оригинала 19 января 2012 г. Проверено 28 января 2014 г.

[11] «Исследователи разработали магнитную память с шестью состояниями» . физ.орг . Проверено 23 мая 2016 г.

[12] «Проф. Кимель А.В. (Алексей) | Университет Радбауд» . www.ru.nl.

[13] Смотреть журнал, 12, 2019.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]