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 чаще используется термин «магнитная запись» . Это различие не столько техническое, сколько вопрос предпочтений. Другие примеры магнитных носителей информации включают дискеты , магнитную ленту и магнитные полосы на кредитных картах. [ нужна цитата ]
Магнитное хранилище в форме проводной записи — аудиозаписи на проводе — было опубликовано Оберлином Смитом в выпуске журнала Electrical World от 8 сентября 1888 года . [1] Ранее Смит 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 цитата ]
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 цитата ]
Информация записывается и считывается с носителя, 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 используется для обозначения 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 цитата ]
В старых жестких дисках в качестве магнитного материала использовался оксид железа(III) (Fe 2 O 3 ), 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 цитата ]
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 стали использоваться считывающие головки, использующие магнитосопротивление (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 поверхность рядом с диском имеет такую форму, чтобы он едва не соприкасался. Это образует своего рода воздушный подшипник . [ нужна цитата ]
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. Магнитную ленту обычно изготавливают путем внедрения магнитных частиц (размером примерно 0,5 микрометра [4] ) в пластиковый связующий материал на ленте из полиэфирной пленки. 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]
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 записывает/читает оптически. При записи магнитный носитель 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 цитата ]
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 цитата ]
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 цитата ]
Жесткие диски и современные линейные ленточные накопители не вписываются ни в одну категорию. Оба имеют множество параллельных дорожек по 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 цитата ]
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 цитата ]
По состоянию на 2021 год [update]магнитные носители обычно 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 цитата ]
Создается новый тип магнитной памяти, называемый магниторезистивным запоминающим устройством с произвольным доступом 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: термического переключения (TAS) [9] , которое в настоящее время разрабатывается Crocus Technology , и крутящего момента с передачей вращения (STT), на котором работают Crocus , Hynix , IBM и некоторые другие. другие компании 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 цитация ] Шестиуровневая MRAM также разрабатывается, повторяя четырехбитные многоуровневые ячейки флэш-памяти, которые имеют шесть разных битов, а не два . [11]
Алексей Кимель также проводит исследования в Университете Радбауд в Нидерландах [12] в отношении 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]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)