Часть 1: Принципы магнитной записи на жесткий диск

Закон одного из основателей корпорации Intel Гордона Мура гласит: "плотность транзисторов в интегральных микросхемах удваивается каждый год". На наш взгляд, аналогичная тенденция прослеживается и в технологии изготовления жестких дисков - ежегодно происходит удвоение максимально возможной емкости накопителей. За последнее десятилетие произошло увеличение емкости накопителей на жестких дисках в 210 - примерно в 1000 раз. В то же время ширина и длина алюминиевого корпуса, т.н. шасси жесткого диска, остались прежними. Изменения в основном коснулись магнитного материала пластин и конструкции головок считывания/записи информации, т.е. увеличение емкости жесткого диска напрямую связано с увеличением плотности записи. Можно конечно пойти по второму, более легкому пути - увеличить количество пластин в камере жесткого диска, но это приведет к увеличению числа головок считывания/записи, и как результат, к росту габаритных размеров и массы накопителя. Таким образом, второй путь, начиная с определенного этапа, становится тупиковым в развитии накопителей на жестких дисках, и единственно возможным направлением развития НЖМД является увеличение плотности записи информации на пластину жесткого диска, по которому и идут все производители.

Уже на сегодняшний день в современных накопителях поверхностная плотность записи составляет 65-70 Гбит/кв. дюйм, а в лабораторных условиях на опытных образцах НЖМД получена величина 130 Гбит/кв.дюйм.

Жесткий диск, пожалуй, самый сложный элемент компьютера, так как является электронно-механическим изделием, работающим при больших физических нагрузках. Для достижения высокой плотности записи необходимо совершенствовать характеристики всех составляющих накопителя. Каждое десятилетие появлялась новая веха в технологиях, которая приводила к очередному витку в развитии накопителей на жестких дисках:

• В 1970-х гг. использовалась ферритовая головка и гранулярный оксидный носитель с коэрцитивной силой Нс = 28кА/м, расстояние между головкой и носителем было 430 нм.

• В 1980-х гг. использовалась тонкопленочная головка и металлизированный носитель (Нс = 56кА/м), расстояние между головкой и носителем было 200 нм.

• С 1990 г. использовалась комбинированная головка записи/считывания (магниторезистивная для считывания, индуктивная для записи) и напыленный носитель (Нс = 120кА/м), расстояние между головкой и носителем было 100 нм.

• С 2000г. используется GMR-головка записи/чтения и напыленный носитель со слоем Co-Ru-Co (Нс = 200кА/м), расстояние между головкой и носителем лежит в пределах 40 нм.

Появление новых техпроцессов в производстве головок записи/чтения, исследование новых ранее неизвестных свойств тонкопленочных магнитных покрытий позволили значительно повысить плотность записи. На фоне существенного роста плотности записи происходит постепенное уменьшение величины шага дорожки, длины битовой ячейки, причем последние годы ширина дорожки уменьшается намного быстрее длины бита. Диаграмма, приведенная на рис.1, дает представление об эволюции накопителей за последние пять лет.

Принцип магнитной записи электрических сигналов на движущийся магнитный носитель основан на явлении остаточного намагничивания магнитных материалов. Запись и хранение информации на магнитном носителе производится путем преобразования электрических сигналов в соответствующие им изменения магнитного поля, воздействия его на магнитный носитель и сохранения следов этих воздействий в магнитном материале длительное время, благодаря явлению остаточного магнетизма. Воспроизведение электрических сигналов производится путем обратного преобразования [1].

Система магнитной записи состоит из носителя записи и взаимодействующих с ним магнитных головок (рис.2).

При цифровой магнитной записи в магнитную головку поступает ток, при котором поле записи через определенные промежутки времени изменяет свое направление на противоположное. В результате под действием поля рассеяния магнитной головки происходят намагничивание или перемагничивание отдельных участков движущегося магнитного носителя.

При периодическом изменении направления поля записи в рабочем слое носителя возникает цепочка участков с противоположным направлением намагниченности, которые соприкасаются друг с другом одноименными полюсами. Рассмотренный вид записи, когда участки рабочего слоя носителя перемагничиваются вдоль его движения, называется продольной записью [2] (рис.3).

Чередующиеся участки с различным направлением намагниченности, возникшие в магнитном покрытии, являются магнитными доменами (битовыми ячейками). Чем меньше размер ячейки, тем выше плотность записи информации. Однако с уменьшением размера ячейки возрастает взаимное влияние их размагничивающих полей (см. рисунок), направленных в сторону, противоположную намагниченности в ячейках, что при уменьшении битовой ячейки ниже критического значения приводит к самопроизвольному размагничиванию.

Для магнитной записи используются носители в виде магнитных пластин (дисков). Пластины изготавливаются процессом напыления множественных металлических пленок и защитного слоя покрытия на очень плоскую, бездефектную стеклянную или алюминиевую подложку. Информация размещается в виде концентрических окружностей, называемых дорожками (рис.4). В современных НЖМД плотность дорожек достигает значений 4,3*104 дорожек на один сантиметр радиуса пластины.