Устройство и принцип работы HDD

При уменьшении размера ячеек пропорционально  уменьшается величина магнитного поля, которое необходимо приложить для  изменения намагниченности ячейки. Поэтому рано или поздно наступает критический момент, когда собственное размагничивающее поле отдельной битовой ячейки становится достаточным для перемагничивания ее самой. Именно это явление и называется суперпарамагнитным эффектом, поскольку в подобных условиях ферромагнитное вещество ведет себя практически как парамагнитное: при отсутствии внешнего магнитного поля частицы приобретают произвольный вектор намагниченности.

Минимальные размеры ячейки, при  которых она еще устойчива, если на нее не влияет внешнее магнитное поле, зависят от параметров магнитного покрытия, и главную роль тут играет его состав. Поэтому применение сплавов металлов, отличающихся большой коэрцитивной силой (то есть значением напряженности внешнего магнитного поля, которое надо приложить для полного размагничивания), дает возможность повысить линейную плотность записи.

Также важным фактором, влияющим на стабильность битовой ячейки, является температура. Под воздействием тепловой энергии  вектор намагниченности магнитных частиц испытывает некоторые флуктуации, способные привести к смене его ориентации вплоть до прямо противоположной. Но вероятность этого события очень сильно зависит от значения температуры и от размера частиц, причем понятно, что для более мелких зерен критический уровень температуры, при котором ячейка не может больше сохранять стабильность, ниже, чем для более крупных.

И это является еще одним серьезным  препятствием на пути увеличения линейной плотности записи. Таким образом, из-за температурной нестабильности магнитных носителей при уменьшении линейного размера бита и значительной величины размагничивающего поля ячейки дальнейшее наращивание линейной плотности записи практически невозможно, поэтому усилия разработчиков направлены в основном на повышение плотности расположения дорожек.

Если идеализировать процесс записи, то все кажется простым: головка  записи, зафиксированная над поверхностью диска и имеющая определенную ширину, оставляет на магнитном носителе дорожку точно такой же ширины. Но, к великому сожалению, эта простота относится именно к идеализированной модели ("сферическая лошадь в вакууме"), не более того. Во-первых, отклонения головки от концентрической траектории приводят к колебаниям ширины битов в пределах дорожки. Во-вторых, магнитное поле головки не равно по ширине размеру самой головки и зависит от величины протекающего через нее электрического тока, а также от высоты расположения головки над поверхностью пластины.

Уменьшение ширины дорожек и  повышение плотности их размещения на пластине жесткого диска достижимо только при повышении точности и стабильности позиционирования головок чтения / записи. 

 В процессе производства  чрезвычайно сложно выдержать  точность формы шпинделя, поэтому  практически всегда существует  эксцентриситет или дисбаланс массы, приводящий к биениям и возникновению ошибок позиционирования (головка может "промахнуться" и попасть на соседнюю дорожку). И хотя при изготовлении современных накопителей используется динамическое балансирование, позволяющее уменьшить дисбаланс, окончательно его устранить пока не удалось ни одному из разработчиков. Вибрация корпуса компьютера, внутри которого установлен жесткий диск, и вибрация накопителя на собственной резонансной частоте также вносят свой вклад в возникновение ошибок позиционирования.

Наконец, возможно появление сбоев  вследствие перепадов температуры  внутри гермокамеры накопителя. Кроме  того, на точность позиционирования оказывают  влияние и некоторые другие факторы: неточность записи серводанных при  производстве диска, собственные шумы головки, износ подшипника шпинделя и вала поворотного двигателя.

3.3.6.По проторенной  дорожке

Для корректного считывания данных увеличение плотности записи требует  соответствующего уменьшения так называемой магнитной толщины, численно равной произведению величины магнитного момента на толщину магнитного слоя. Традиционно до настоящего времени применялся все более тонкий магнитный слой, что означает сокращение в размерах отдельных магнитных доменов. Но мы уже выяснили, чем нам грозит дальнейшее уменьшение битовых ячеек. Еще раньше нас (вероятно, еще задолго до того, как Голубой гигант продал весь свой бизнес, связанный с производством жестких дисков, компании Hitachi) к аналогичным выводам пришли ученые из исследовательского центра компании IBM, предложившие иную технологию под названием AFC (Antiferromagnetically Coupled - антиферромагнитно сопряженные пары).

Суть ее заключается в следующем: магнитное покрытие имеет не один магнитный слой, как в обычных  накопителях, а два, и разделены  они слоем редкоземельного металла рутения толщиной в несколько атомов. Причем верхний и нижний магнитные слои имеют противоположную намагниченность ячеек. При такой структуре магнитного покрытия напряженность поля, измеряемого головкой чтения, уменьшается. Соответственно, уменьшается и эффективная магнитная толщина диска.

Однако при этом сохраняется  размер доменов верхнего слоя, достаточный  для того, чтобы энергия намагниченности  значительно превышала тепловую энергию частиц. Предполагается, что  использование данной технологии в перспективе позволит увеличить плотность записи до 100 Гбит на квадратный дюйм. Фактически AFC дает возможность выпускать диски на имеющихся мощностях после минимального переоборудования, что должно благотворно сказаться на цене конечных изделий, несмотря на применение дорогого материала (правда, его там очень мало).

Альтернативный способ увеличения плотности записи - использование  технологии перпендикулярной записи. Как следует из названия, основное его отличие от применяемого сегодня  способа продольной записи состоит в том, что векторы намагниченности битовых ячеек располагаются не в плоскости диска, а перпендикулярно его поверхности. Согласно результатам экспериментов, такой метод записи позволяет заметно увеличить плотность дорожек на диске с гарантированным различением соседних дорожек при считывании. Прежде всего, стоит обратить внимание на тот факт, что перпендикулярная запись выполняется не кольцевой головкой, а специальной G-образной, геометрические свойства которой в сочетании с наличием дополнительного слоя магнитомягкого материала повышают максимальное значение намагничивания в два раза.

 
Схема магнитной головки

Это новшество позволяет получить более высокую амплитуду и  более короткие импульсы записывающего  поля. Одним из основных дестабилизирующих факторов при продольной записи, как было сказано выше, является влияние сильного размагничивающего поля на границе битовых ячеек. Его возникновение легко объяснить: векторы намагничивания двух смежных битов направлены друг к другу одноименными полюсами. При перпендикулярной записи возникает более стабильная конфигурация, а эффект размагничивания уменьшается с увеличением толщины записывающего слоя, что также способствует возрастанию теплоустойчивости. Дополнительно уменьшается ширина переходных зон между ячейками, что позволяет увеличить линейную плотность записи. Помимо всего прочего, существенные изменения претерпевает форма считываемого сигнала.

 
Типичные формы сигналов при  продольной (а) и перпендикулярной (б) записи

При продольной записи сигнал фактически существует только в переходной зоне между ячейками, тогда как при перпендикулярной записи он считывается со всей зоны, на которой записан бит. Пожалуй, у новой технологии есть только один недостаток: она потребует значительных инвестиций в переоборудование производственных мощностей. Но, принимая во внимание то обстоятельство, что применение перпендикулярной записи отодвинет планку суперпарамагнитного предела до величин поверхностной плотности порядка 500 Гбит на квадратный дюйм, можно-таки создать новое оборудование, ибо оно еще не раз себя окупит, поскольку даст производителям возможность выпустить несколько новых поколений накопителей.

Magneto-resistive в действии

Увеличение плотности записи в  накопителях на жестких магнитных  дисках невозможно только за счет совершенствования магнитного материала, наносимого на поверхность дисков. За все время существования этого класса устройств производители совершенствовали головки чтения / записи не менее кропотливо, чем остальные компоненты.

Всего было разработано несколько  типов головок: электромагнитные, ферритовые, с металлом в зазоре, тонкопленочные и, наконец, используемые в современных  жестких дисках магниторезистивные (MR, magneto-resistive). Появились они на свет в самом начале 90-х годов благодаря усилиям инженеров компании IBM. Следует оговориться: собственно MR-сенсор используется исключительно для считывания данных, тогда как процесс записи по-прежнему осуществляется тонкопленочной кольцевой головкой.

Магниторезистивная головка представляет собой тонкую полоску магнитного материала, через которую постоянно пропускается электрический ток. Сущность магниторезистивного эффекта заключается в том, что электрическое сопротивление магнитного материала изменяется в зависимости от направления магнитного поля. Соответствующим образом меняется сила протекающего через головку тока.

Таким образом, MR-головка формирует  высокоамплитудный сигнал с низким уровнем помех, что позволяет  значительно увеличить плотность  записи: благодаря гораздо более  высокой чувствительности уровень сигнала, поступающего от одной битовой ячейки, также растет. Сама MR-головка имеет меньшие габариты и массу по сравнению с тонкопленочной, и если ее размер будет меньше ширины дорожки записи, то требования к ее позиционированию станут менее жесткими, за счет чего увеличится скорость доступа к данным.

3.3.7.Гигантский, но магнитный

Дальнейшим развитием магниторезистивных головок стало использование  так называемого гигантского  магниторезистивного эффекта (giant magneto-resistive, GMR). В материале, обладающем магниторезистивными свойствами, например в железоникелевом сплаве, электроны проводимости перемещаются менее свободно, когда направление их движения совпадает с направлением намагниченности. В этом случае электрическое сопротивление материала растет. Сами электроны обладают спиновым моментом, который может иметь два устойчивых состояния. И если направление момента параллельно вектору намагниченности магнитного материала носителя, то такие электроны передвигаются свободнее, чем при противоположной ориентации магнитных моментов, поскольку во втором случае моменты взаимодействуют друг с другом, увеличивая сопротивление головки.

Поля рассеяния в  случае продольной (а) и перпендикулярной (б) записи

Компании IBM удалось разработать структуру, определяющую направление спинового момента. В ней имеется одна закрепленная магнитная пленка, создающая поле постоянной ориентации. Вторая магнитная пленка, играющая роль сенсора, может изменять направление магнитного момента. Эти пленки очень тонки и расположены весьма близко друг к другу, что позволяет электронам с различной ориентацией спиновых моментов свободно перемещаться между сенсорами.

Изменение направления намагниченности  носителя приводит к изменению ориентации магнитного момента сенсорной пленки и заставляет сопротивление головки в целом уменьшаться или увеличиваться. Поскольку сопротивление GMR-головки изменяется в куда больших пределах, чем сопротивление обычной MR-головки, существенно повышается ее чувствительность, а это дает возможность оперировать еще более высокими плотностями записи.

3.3.8.Почему именно винчестер?

История развития накопителей на жестких  магнитных дисках весьма интересна. За какие-то полвека их емкость выросла  в несколько десятков тысяч раз, скорость передачи данных увеличилась на величину примерно того же порядка. Но наиболее значительным изменениям подверглась плотность записи информации - этот параметр увеличился даже не в тысячи, а в несколько десятков миллионов раз!

Как уже упоминалось в основном тексте статьи, первый серийный накопитель на жестких магнитных дисках для компьютерных систем выпустила в 1956 году компания IBM. Этот монстр под названием RAMAC 305 (Random Access Method of Accounting and Control) имел 50 пластин диаметром 24 дюйма (почти 61 см), которые вращались со скоростью 1200 оборотов в минуту. При своих гигантских физических размерах накопитель вмещал лишь 5 Мбайт данных (впрочем, по тем временам это был довольно внушительный объем).Среднее время доступа к информации составляло порядка 1 с, а поверхностная плотность записи - около 2 кбит на квадратный дюйм.

С того времени научные разработки в области хранения данных пошли  полным ходом, и в 1973 году все та же IBM представила на суд общественности новую модель накопителя, ставшего прообразом всех современных жестких дисков. Речь идет о модели 3340 Winchester. Название свое это устройство получило не случайно. Дело в том, что внутри накопителя располагались два шпинделя, и суммарная емкость пластин на каждом из них составляла 30 Мбайт. В те времена в Америке была популярна одноименная винтовка тридцатого калибра. Так и появилось название, ставшее синонимом словосочетания "накопитель на жестких магнитных дисках".

В 1980 году новообразованная компания Seagate Technology представила свой первый накопитель для персональных компьютеров, имевший незамысловатое название ST506. Это был диск форм-фактора 5,25 дюйма, оснащенный шаговым двигателем и вмещавший 5 Мбайт данных. А в 1987 году эта же компания выпустила модель ST4053, позволявшую хранить целых 40 Мбайт (а по габаритам она не отличалась от ST506). Немногим раньше, в 1986 году позабытая теперь компания Conner создала жесткий диск, наиболее близкий по своим характеристикам к современным моделям. Это было устройство форм-фактора 3,5 дюйма, и в нем использовался индуктивный привод блока головок. Но еще в течение нескольких лет размер 5,25 дюйма был преобладающим.