Магнитные запоминающие устройства

История развития устройств хранения данных на магнитных носителях. Причины появления доменов, а также запоминающие устройства на тонких магнитных пленках. Доменная структура тонких магнитных пленок. Запоминающие устройства на гребенчатых структурах.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Магнитные запоминающие устройства

Введение

магнитный пленка домен гребенчатый

Выпускаемые накопители информации представляют собой гамму запоминающих устройств с различным принципом действия физическими и технически эксплуатационными характеристиками. Основным свойством и назначением накопителей информации является ее хранение и воспроизведение. Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные - магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения воспроизведения / записи цифровой информации. Поэтому, в связи с видом и техническим исполнением носителя информации различают: электронные, дисковые и ленточные устройства.

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов. Как правило, магнитные запоминающие устройства состоят из собственно устройств чтения / записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые устройства и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей - дорожек, расположенных по всей плоскости круглого носителя. Ленточные носители имеют продольно расположенные поля - дорожки. Запись производится, как правило, в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения / записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение полярности напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

1. История развития устройств хранения данных на магнитных носителях

Долгое время основным устройством хранения данных в компьютерном мире были перфокарты. И только в 1949 году группа инженеров и исследователей компании IBM приступила к разработке нового устройства хранения данных. Именно это и стало точкой отсчета в истории развития устройств магнитного хранения данных, которые буквально взорвали компьютерный мир. 21 мая 1952 года IBM анонсировала модуль ленточного накопителя IBM 726 для вычислительной машины IBM 701. Четыре года спустя, 13 сентября 1956 года, небольшая команда разработчиков все той же IBM объявила о создании первой дисковой системы хранения данных - 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Эта система могла хранить 5 млн. символов (5 Мбайт!) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см). В отличие от ленточных устройств хранения данных, в системе RAMAC запись осуществлялась с помощью головки в произвольное место поверхности диска. Такой способ заметно повысил производительность компьютера, поскольку данные записывались и извлекались намного быстрее, чем при использовании ленточных устройств.

Устройства магнитного хранения данных прошли путь от RAMAC до современных жестких дисков емкостью 75 Гбайт и размером 3,5 дюйма. Практически все устройства магнитного хранения данных были созданы в исследовательских центрах IBM; например, команда разработчиков под руководством Алана Шугарта (Alan Shugart) в 1971 году представила накопитель на гибких дисках диаметром 8 дюймов. Кроме того, IBM впервые разработала схемы кодирования данных MFM (Modified Frequency Modulation) и RLL (Run Length Limited), головки накопителей - тонкопленочные и семейство магниторезистивных, технологии накопителей - PRML (Partial Response Maximum Likelihood) и S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology).

2. Запоминающие устройства на тонких магнитных пленках

2.1 Причины появления доменов

Основными взаимодействиями в ферромагнетике являются обменное и магнито-дипольное. Важную роль также играет анизотропия ферромагнетиков. Обсудим современную точку зрения на роль указанных здесь факторов различной природы в формировании доменной структуры ферромагнетиков.

При отсутствии доменов, то есть в том случае, когда ферромагнетик намагничен однородно, минимальна сумма W_е + W_а (W_е - обменная энергия, W_а - энергией анизотропии). Конечно же, предполагается, что намагниченность направлена вдоль кристаллографической оси, отвечающей минимуму W_а. Но при этом должна быть максимальна энергия, связанная с возникновением вокруг образца магнитного поля W_m (W_m-энергией магнито-дипольного взаимодействия). Эта энергия для однородного намагниченного образца пропорциональна его объему V: . При больших размерах образца W_m может принимать очень большие значения, а это говорит о том, что однородное намагничивание больших образцов является невыгодным.

Рассмотрим теперь другую крайнюю ситуацию, когда распределение намагниченности неоднородно по всему объему образца. В этом случае можно добиться того, чтобы была равна нулю энергия W_m. Расчет показывает, что в таком состоянии обменная энергия пропорциональна V^1/3. Казалось бы, здесь ситуация выгоднее, чем в предыдущем случае, где было . Однако при неоднородной намагниченности во всем объеме образца в существенной его части намагниченность отклонена от направлений, где минимальна энергия анизотропии, поэтому в данном случае W_а пропорциональна объему образца. Таким образом, в общем случае и состояние с полностью неоднородной намагниченностью не является выгодным. Отметим, что такое состояние, тем не менее бывает тогда, когда анизотропия ферромагнетика пренебрежимо мала, в частности у сердечников из магнито-мягких материалов в трансформаторах.

Итак, видно, что условия минимальности энергий обмена, анизотропии и размагничивающих полей противоречивы. Как было показано в работе Ландау и Лифшица, на практике реализуется некоторая промежуточная между двумя рассмотренными выше ситуация с образованием доменной структуры. При этом в кристалле можно выделить однородно намагниченные домены, направление намагниченности в каждом из которых совпадает с одной из эквивалентных осей легкого намагничивания (это направления в ферромагнетике, в которых энергия анизотропии минимальна, их может быть несколько). Домены разделены доменными границами. Размеры и форма доменов определяются конкуренцией рассмотренных выше взаимодействий в доменах и доменных границах.

Оказывается, что доменная структура ферромагнетика определяется в основном тремя факторами. Во-первых, она определяется геометрией образца, то есть его формой и ориентацией кристаллографических осей относительно поверхности. Во-вторых, энергией магнитной анизотропии, то есть наличием энергетически эквивалентных направлений намагниченности. В-третьих, в реальном образце доменная структура сильно зависит от наличия несовершенств или дефектов кристаллической структуры.

Рассмотрим доменную структуру идеальной (без дефектов) одноосной плоскопараллельной пластинки с поверхностью, перпендикулярной оси анизотропии (ось Z). Будем считать, что пластинка бесконечна вдоль осей X и Y, а ее толщина (размер вдоль оси Z) равна h. При отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность, при в < 0 может быть направлена либо вдоль оси Z, либо против нее. Очевидно, что при этом выгодно состояние, в котором будет существовать равное количество доменов с M_z = + M₀ и M_z =-M₀, причем они должны чередоваться друг с другом (рис. 1, а). В таком состоянии полная энергия пластинки должна быть минимальна. Эта энергия складывается из энергии размагничивающего поля, которое в основном сосредоточено вблизи поверхности пластинки, и энергии доменных границ.

Рис. 1. Доменная структура ферромагнитной пластинки: а - структура без замыкания магнитного потока; б - структура с замыканием магнитного потока через призматические поверхностные замыкающие домены; L - размер пластинки вдоль осей Y и X; h - высота пластинки вдоль оси z; d - толщина домена

В 1945 году Е.М. Лифшиц теоретически показал, что при большой толщине пластин может начаться ветвление доменов у поверхности образца. В каждом домене могут образовываться клиновидные домены с противоположным направлением намагниченности по сравнению с направлением намагниченности в основном домене. Их размер и количество зависят от толщины образца.

Рассмотренная доменная структура относится к классу доменных структур с незамкнутыми силовыми линиями магнитного поля внутри образца (незамкнутым магнитным потоком). Оказывается, что такая структура не всегда является энергетически выгодной. Как показали Ландау и Лифшиц, в случае одноосного ферромагнетика зачастую более выгодными являются доменные структуры с замкнутым магнитным потоком (рис. 1, б). Эта модель отличается от рассмотренной выше...