Магнитное хранилище или магнитная запись — это хранение данных на намагниченном носителе. Магнитное хранилище использует различные схемы намагничивания в намагничиваемом материале для хранения данных и является формой 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 термин «магнитное хранилище» является предпочтительным, а в области аудио- и видеопроизводства чаще используется термин «магнитная запись» . Различие менее техническое и больше зависит от предпочтений. Другие примеры магнитных носителей информации включают дискеты , магнитную ленту и магнитные полосы на кредитных картах. [ требуется цитата ]
Магнитное хранилище в форме записи на проволоку — аудиозапись на проволоку — было опубликовано Оберлином Смитом в выпуске Electrical World от 8 сентября 1888 года . [1] Смит ранее подал 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 рекордер был изобретен Вальдемаром Поульсеном в 1898 году. Устройство Поульсена записывало сигнал на проволоку, намотанную на барабан. В 1928 году Фриц Пфлеймер разработал первый магнитофон . Ранние магнитные запоминающие устройства были разработаны для записи аналоговых аудиосигналов. Компьютеры, а теперь и большинство аудио- и видеомагнитных запоминающих устройств записывают цифровые данные . [ необходима ссылка ]
В компьютерах магнитная память также использовалась для первичного хранения в форме магнитного барабана или памяти на сердечниках , памяти на сердечниках , памяти на тонких пленках , памяти твисторов или пузырьковой памяти . В отличие от современных компьютеров, магнитная лента также часто использовалась для вторичного хранения. [ необходима цитата ]
Информация записывается и считывается с носителя информации, когда он движется мимо устройств, называемых головками чтения и записи , которые работают очень близко (часто в десятках нанометров) над магнитной поверхностью. Головка чтения и записи используется для обнаружения и изменения намагниченности материала, находящегося непосредственно под ней. Существует две магнитные полярности, каждая из которых используется для представления либо 0, либо 1. [ необходима цитата ]
Магнитная поверхность концептуально разделена на множество небольших магнитных областей субмикрометрового размера , называемых магнитными доменами (хотя они не являются магнитными доменами 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 целом образует магнитный диполь , который генерирует магнитное поле . В старых конструкциях жестких дисков (HDD) области были ориентированы горизонтально и параллельно поверхности диска, но начиная примерно с 2005 года ориентация была изменена на перпендикулярную , чтобы обеспечить более близкое расстояние между магнитными доменами. [ необходима 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 отталкиваются друг от друга. Магнитные домены, записанные слишком близко друг к другу в слабо намагничиваемом материале, со временем будут деградировать из-за вращения магнитного момента одного или нескольких доменов, чтобы компенсировать эти силы. Домены поворачиваются вбок в положение на полпути, что ослабляет читаемость домена и снимает магнитные напряжения. [ необходима цитата ]
Пишущая головка намагничивает область, создавая сильное локальное магнитное поле, а считывающая головка обнаруживает намагниченность областей. Ранние жесткие диски использовали электромагнит как для намагничивания области, так и для последующего 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 магниторезистивность (MR); электрическое сопротивление головки изменялось в зависимости от силы магнетизма пластины. Более поздние разработки использовали спинтронику ; в считывающих головках магниторезистивный эффект был намного больше, чем в более ранних типах, и был назван «гигантским» магниторезистивным (GMR). В современных головках элементы чтения и записи разделены, но находятся в непосредственной близости на головной части рычага привода. Считывающий элемент, как правило, является магниторезистивным , а элемент записи, как правило, тонкопленочным индуктивным. [3]
Головки удерживаются от контакта с поверхностью пластины воздухом, который находится очень близко к пластине; этот воздух движется со скоростью пластины или близкой к ней. Головка записи и воспроизведения установлена на блоке, называемом слайдером, а поверхность рядом с пластиной имеет такую форму, чтобы она едва касалась ее. Это образует своего рода воздушный подшипник . [ требуется 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 изначально размагничена. При записи лента движется с постоянной скоростью. Пишущая головка намагничивает ленту током, пропорциональным сигналу. Распределение намагниченности достигается вдоль магнитной ленты. Наконец, распределение намагниченности можно считывать, воспроизводя исходный сигнал. Магнитная лента обычно изготавливается путем внедрения магнитных частиц (размером приблизительно 0,5 микрометра [4] ) в пластиковое связующее на полиэфирной пленочной ленте. Наиболее часто используемым из них был оксид железа, хотя также использовались диоксид хрома, кобальт, а позже и чистые металлические частицы. Аналоговая запись была самым популярным методом аудио- и видеозаписи. Однако с конца 1990-х годов популярность записи на ленту снизилась из-за цифровой записи. [5]
Вместо создания распределения намагниченности в аналоговой записи, для цифровой записи требуется только два стабильных магнитных состояния, которые являются +Ms и −Ms на петле гистерезиса . Примерами цифровой записи являются дискеты , жесткие диски (HDD) и ленточные накопители . HDD предлагают большую емкость по разумным ценам; по состоянию на 2024 год [update], потребительские HDD предлагают хранение данных по цене около 15–20 долларов США за терабайт. [6]
Магнитооптическая запись записывает/считывает оптически. При записи магнитный носитель локально нагревается лазером , что вызывает быстрое уменьшение коэрцитивного поля. Затем можно использовать небольшое магнитное поле для переключения намагниченности. Процесс считывания основан на магнитооптическом эффекте Керра . Магнитный носитель обычно представляет собой аморфную тонкую пленку R-Fe-Co (R — редкоземельный элемент). Магнитооптическая запись не очень популярна. Одним из известных примеров является Minidisc, разработанный Sony . [ требуется цитата ]
Память распространения домена также называется пузырьковой памятью . Основная идея заключается в управлении движением доменной стенки в магнитной среде, свободной от микроструктуры. Пузырь относится к стабильному цилиндрическому домену. Затем данные записываются по наличию/отсутствию пузырькового домена. Память распространения домена имеет высокую нечувствительность к ударам и вибрации, поэтому ее применение обычно в космосе и аэронавтике. [ необходима 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 охватывает только очень небольшую часть поверхности записи в любой момент времени. Доступ к различным частям проволоки включает в себя наматывание проволоки вперед или назад до тех пор, пока не будет найдена интересующая точка. Время доступа к этой точке зависит от того, насколько далеко она находится от начальной точки. Случай памяти с ферритовым сердечником противоположен. Каждое место на сердечнике немедленно доступно в любой момент времени. [ необходима цитата ]
Жесткие диски и современные линейные змеевидные ленточные накопители не совсем подходят ни под одну из категорий. Оба имеют много параллельных дорожек по всей ширине носителя, и головкам чтения/записи требуется время для переключения между дорожками и сканирования внутри дорожек. Доступ к разным участкам носителя занимает разное время. Для жесткого диска это время обычно составляет менее 10 мс, но для лент может потребоваться до 100 с. [ необходима цитата ]
Головки магнитных дисков и головки магнитных лент не могут пропускать постоянный ток (DC), поэтому схемы кодирования данных как на ленте, так и на диске разработаны для минимизации смещения постоянного тока . Большинство магнитных запоминающих устройств используют коррекцию ошибок . [7]
Многие магнитные диски используют внутри себя некоторую форму кодирования с ограниченной длиной серии и максимального правдоподобия частичного ответа . [ необходима ссылка ]
По состоянию на 2021 год [update]магнитные носители информации 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 аналоговой ленты. Цифровые ленты и ленточные библиотеки популярны для хранения данных большой емкости в архивах и резервных копиях. Дискеты находят ограниченное применение, особенно при работе со старыми компьютерными системами и программным обеспечением. Магнитные носители информации также широко используются в некоторых конкретных приложениях, таких как банковские чеки ( MICR ) и кредитные/дебетовые карты ( магнитные полосы ). [ необходима цитата ]
Новый тип магнитного хранилища, называемый магниторезистивной памятью с произвольным доступом или MRAM, выпускается в настоящее время, который хранит данные в магнитных битах на основе эффекта туннельного магнитосопротивления (TMR). Его преимуществом является энергонезависимость, низкое энергопотребление и хорошая ударопрочность. Первое поколение, которое было разработано, было произведено Everspin Technologies и использовало запись, индуцированную полем. [8] Второе поколение разрабатывается с использованием двух подходов: переключение с термической помощью (TAS) [9] , которое в настоящее время разрабатывается Crocus Technology , и вращающий момент с передачей спина (STT), над которым работают Crocus , Hynix , IBM и несколько других компаний. [10] Однако с плотностью хранения и емкостью на порядки меньше, чем у HDD , MRAM полезна в приложениях, где требуются умеренные объемы хранения с необходимостью очень частых обновлений, которые флэш-память не может поддерживать из-за своей ограниченной выносливости записи. [ необходима цитата ] Также разрабатывается шестиуровневая MRAM, которая является аналогом четырехбитных многоуровневых ячеек флэш-памяти, имеющих шесть различных бит, а не два . [11]
Исследования также проводятся Алексеем Кимелем в Университете Радбуда в Нидерландах [12] в отношении возможности использования терагерцового излучения вместо стандартных электроимпульсов для записи данных на магнитные носители. Используя терагерцовое излучение, время записи может быть значительно сокращено (в 50 раз быстрее, чем при использовании стандартных электроимпульсов). Другим преимуществом является то, что терагерцовое излучение почти не генерирует тепла, что снижает требования к охлаждению. [13]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)