Устройства хранения данных
DESCRIPTION
Устройства хранения данных. История:. Перфокарт ы Перфоленты. Шарманка Ткацкий станок Первая машина Бэббеджа (1833) Счетно-аналитические машины обрабатывали от 50 до 250 перфокарт в минуту, каждая из которых могла содержать 80-разрядные числа. Использовались более 50 лет. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Устройства хранения данных
История:
• Перфокарты
• Перфоленты
Шарманка
Ткацкий станок
Первая машина Бэббеджа (1833)
Счетно-аналитические машины обрабатывали от 50 до 250 перфокарт в минуту, каждая из которых могла содержать 80-разрядные числа. Использовались более 50 лет.
Плотность записи не выше 1 бит/мм2
Гибкие магнитные диски - на пластиковой (лавсановой) подложкеЖесткие магнитные диски - на стекле или алюминии
Принципы общие
На подложку наносится ферромагнитный слой на основе окислов железа с прямоугольной петлей гистерезиса
Магнитные диски
Головка записи-считывания
Факторы эффективности (с точки зрения плотности записи):расстояние от головки до магнитного слоя;зазор сердечника;толщина слоя;
Как можно меньше
магнитная индукция в слое и в сердечнике Как можно больше
коэрцитивная сила магнитного слоя Оптимальная
При записи и чтении - разные сигналы.Требуется усиление и декодирование.
Одна и та же головка для записи и считывания: при проходе над зонами смены знака магнитного поля в обмотке наводится ЭДС
Каждый бит кодируется некоторой последовательностью смензнака намагниченности
Основные технические детали: устройство головок и особенности магнитного слоя.
Индукционные головки
Исторически первые. На основе прессованного феррита. Масса и размеры велики, приходится их размещать далеко от диска.Стеклоферритовые головки: ферритовый сердечник заключен в керамический корпус.
Малая намагниченность насыщения: невозможность записи на носители с большой коэрцитивной силой;низкая чувствительность.
Ограниченная частотная характеристика.
Головки с металлом в зазоре.
В задней части сердечника делается зазор, заполненный металлом (магнитным сплавом).Индукция насыщения увеличивается.
Можно напылять металл и в передний зазор.
Ферритовые головки.
Изготавливаются по пленочной технологии (фотолитография, напыление). Напыляется сердечник из Fe-Ni сплава, индукция насыщения в 2 - 4 раза больше, чем у феррита.
Легкие, миниатюрные.
Размещаются на расстоянии 0.05 мм от диска. Малая высота головок: в тех же габаритах корпуса больше дисков.
80-е годы.
Тонкопленочные головки.
Считывание на основе магниторезистивного эффекта. Содержится дополнительный элемент, по которому протекает постоянный ток, а напряжение измеряется.
Магниторезистивные головки.
Головка реагирует не на смену знака, а на величину магнитного поля.
Функции считывания и записи разделены, поэтому их можно оптимизировать отдельно:Записывающий узел - обычная тонкопленочная головка. Ее делают шире (лучшее проникновение поля в слой носителя), считывающий узел узкий для увеличения разрешающей способности (меньше помех от соседних дорожек).Выходной сигнал в 4 раза выше, чем у индуктивной головки.
Необходимо тщательное экранирование;Усложнение конструкции: дополнительные провода для питания и сигналаДополнительные технологические операции (4 - 6 фотошаблонов)
0.5 мкм
Вид В
Магнитный слой носителя
А
Вид А
В
Движение головки
0.5 мкм
Головки на гигантском магниторезистивном эффекте
Обычно магнитосопротивление составляет проценты.
ГМР эффект был открыт в 1988 г.:Peter Grünberg, Jülich Research Centre;Albert Fert, University of Paris-Sud Нобелевская премия 2007 г.
Антиферромагнитная связь: ее знакосциллирует с изменением толщины NM и зависит от внешнего магнитного поля.
Спиновый клапан
Магнитный слой носителяДвижение головки
В
А
Вид А
Относительное изменение сопротивления при обычном и гигантском магниторезистивном эффекте
1 Gbit/in2 = 1.5 Mb/mm2
Рост поверхностной плотности записи на магнитных дисках
Рабочий магнитный слой диска
Оксидный рабочий слой – полимерное покрытие с наполнителем Fe2O3.
На поверхность вращающегося диска разбрызгивается суспензия. После полимеризации шлифуется.
Затем наносится слой чистого полимера, шлифуется и полируется.
Тонкопленочный слой имеет меньшую толщину, лучшее качество поверхности и более прочен.
Гальваническое наращивание: последовательно несколько металлических слоев. Рабочий слой из сплава Co 80 нм.
Вакуумное напыление: сначала NiP, затем сплав Co 30 - 50 нм, затем защитный слой SiC 25 нм.
Высокое качество поверхности позволяет располагать головку на расстоянии до 15 нм. Это примерно соответствует толщине клеточной мембраны (человеческий волос – 80 мкм, т.е. в 5000 раз толще).
Чем тоньше магнитный слой, тем меньше могут быть участки однородной намагниченности.
Двойной антиферромагнитный слой (AFCoupled – AFC)
Когда участки однородной намагниченности очень малы (~ домена), они влияют друг на друга и упорядоченная намагниченность неустойчива (суперпарамагнитный эффект).
Плотность записи 30 – 50 Гбит/дюйм2 ~ 40 - 70 Мбит/мм2
AFC позволяет ослабить это ограничение и уменьшить предельный размер участков примерно вдвое (плотность записи вчетверо).>100 Гбит/дюйм2 ~ 160 Мбит/мм2 Толщина слоя Ru – 3 атома.
Вертикальная (перпендикулярная) запись
Перспектива: до 1000 Гбит/дюйм2 ~ 1.6 Гбит/мм2
Организация диска
Ползунок
Магнитная головка
Головка, дорожка, цилиндр, сектор – это адрес ячейки.
Каждый бит кодируется некоторой последовательностью намагниченных участков (ячеек), расположенных вдоль дорожки.
Служебная информация: о размещении файлов, контрольные суммы, параметры диска
На гибких дисках все дорожки имеют одинаковое число секторов (18), поверхность используется неэффективно.
На жестких дисках – зонная запись: внешние дорожки содержат больше секторов (до 1000)
Пример: Hitachi Travelstar 7K60 содержит 54288 цилиндров, разделенных на 16 зон по 3393 цилиндра.В нулевой зоне 720 секторов, в 15-й – 360 по 512 байт.
Параметр значение 3.3·105
Расстояние от поверхности диска до головки
15 нм 5 мм
Ячейка данных 65 нм 2.2 см
Расстояние между дорожками 900 нм 30 см
Размеры ползунка1.2х1х0.3
мм3
400х320х100 м3
Линейная скорость вблизи средней дорожки диаметром 63 мм (скорость вращения 120 об/с)
24 м/с 9000 км/с
Число дорожек 27723
Среднее время позиционирования головки
8.5 мс
Некоторые размерные параметры диска Deskstar 75 GXP (75 Gb):
Необходима высочайшая точность:Гидродинамические подшипники (радиальные биения <0.01 мкдюйм 0.25 нм);Автоматическое слежение (сервокоды, специализированный диск)
135 tpi 0.19 мм на дорожку 25·103 tpi 10-3 мм на дорожку
4·105 bpi 65 нм на ячейку 8717 bpi 3 мкм на ячейку
~100 Гб/дюйм2~1 Мб/дюйм2
Особенности гибких дисков
80 дорожек До 105 дорожек
Гибкий диск Жесткий диск
300 – 360 об/мин До 15000 об/мин
1 цилиндр, 2 головки;Привод – шаговый двигатель, нет слежения за дорожками.Скорость вращения 300 – 360 об/мин;80 дорожек занимают около 16 мм при радиусе диска 1.77 in = 45 мм (большая часть диска не используется).
Головка сложная: кроме информационной две стирающие (подчистка краев дорожки, чтобы соседние дорожки не влияли друг на друга).
Головки находятся в постоянном контакте с диском. Поэтому диски покрываются специальными составами, а на головках образуется налет.