Магнитные носители: бесконечное хранение информации


Ученые и исследователи всего мира борются на каждый квадратный миллиметр жесткого диска, поддерживая огромную популярность этих носителей информации. И день ото дня плотность хранения информации неуклонно растет. Так, в апреле прошлого года исследователи магнитных способов хранения информации из Fujitsu Ltd. сообщили о том, что они добились плотности записи на магнитный диск в 8,7 Гбит на квадратный сантиметр. Тем самым они обогнали, на тот момент, своего основного конкурента IBM Corp. с их рекордом в 5,4 Гбит/кв. см, установленным 7 месяцев до этого — увеличив почти в два раза свой абсолютный рекорд 1999 года.

Следует отметить, что с каждым годом технологии жестких дисков стремительно развиваются. С 1997 года, после создания компанией IBM первого жесткого диска со считывающе-записывающими головками, использующими так называемый «гигантский магниторезистивный эффект», плотность хранения информации ежегодно удваивается, в то время как полупроводниковая память, повинуясь закону Мура (Moore's Law), имеет тенденцию к удвоению плотности записи каждые 18 месяцев. Аналитики из IBM вообще считают, что в ближайшие 10 лет на рынке не смогут появиться устройства, которые создадут ощутимую конкуренцию жестким дискам.

С 1977 года инженеры делают прогнозы о том, сколько информации можно поместить на стандартную пластину. И время от времени прогнозируемые пределы отодвигаются. И хотя инженеры из Fujitsu еще ломают голову, над тем, как внедрить достижения, полученные в лабораторных условиях в массовое производство, ясно одно — прогресс магнитных носителей продолжается.

На самом деле, Fujitsu не просто улучшила показатели плотности записи, а пересмотрела шестилетний подход и преодолела ограничения существующих технологий. Феномен, известный как «сверхпарамагнитный эффект», делает теоретически возможным уменьшение размеров участка-носителя единицы информации до размеров гранул, используемых в качестве рабочего магнитного слоя металла, способных удержать магнитное поле, не подвергаясь при этом спонтанному размагничиванию.

Размер таких гранул пока уточняется, но точно известен порядок — 10 нм. Исходя из этого, можно определить, что максимально достижимая плотность в таких условиях дисков на сверхпарамагнитном эффекте находится около величины в 6 Гбит/кв. см.

Теперь Fujitsu устанавливает новые горизонты в 50 Гбит/кв. см и планирует выпустить первый массовый вариант в первой половине 2001. IBM Microdrive

Стандартный для PC жесткий диск с одной пластиной диаметром 95 мм, построенный по новой технологии Fujitsu, будет иметь объем 78 ГБайт. Однако, как Fujitsu, так и IBM преследуют и еще одну цель, они работают над технологиями последнего поколения для небольших портативных устройств. Летом 2000 года IBM начала поставки новых 1 ГБайт дисков Microdrive, с размерами пластины в 27 мм и плотностью записи 2,4 Гбит/кв. см, и предназначенных для PDA (персональный цифровой помощник) и цифровых камер.

Новые диски Fujitsu будут иметь размеры, близкие к Microdrive — 36×43×5 мм, но, как предполагается, емкость будет больше 4,7 ГБайт — как DVD диск.

Вообще, рынок жестких дисков, предназначенных для работы в компьютерах, является доминирующим на рынках памяти. По данным аналитиков, в 1999 году по всему миру было продано дисков на сумму 32 млрд. долл., в то время как, например, чипов DRAM — только на 23 млрд. долл.

Естественно, что от такого лакомого пирога многие пытаются отломить себе кусок, предлагая свои новые технические и технологические подходы. Однако, как показывает практика, позиции жестких дисков непоколебимы, так, например, сильно ошибались те, кто в недавнем прошлом считал, что магнитооптические приводы легко вытеснят магнитные.

TeraStor Corp., одна из компаний, предложившая в 1995 году разработать технологию, названной «запись в ближнем поле» (near-field recording), сочетающую магнитный и оптический способы хранения информации. Первые опытные образцы имели плотность записи менее 10 Мбит/кв. см. Однако, после подключения к исследованиям AT&T Bell Laboratories, результаты стали сдвигаться с места и к 1998 году появились на свет 10 ГБайтные магнитооптические диски на 130 мм пластине, но все основные компании, такие как Seagate Technology и Quantum, уже поставляли 12 ГБайтные диски производителям компьютеров. И через некоторое время проект приостановили.

Конкурентные технологии не могут догнать традиционные не только по плотности записи, но и по стоимости. За последние годы, при удвоении плотности записи на жесткие диски происходило и снижение относительной стоимости примерно в два раза, и сейчас 1 МБайт дискового пространства стоит около 1 цента.

Новые горизонты

Для создания существующих магнитных дисков применяются технологии, при которых на пластину напыляется один слой магнитного материала — носителя информации, (как на верхнем рисунке).

Традиционный способ записи на магнитную пластину (вверху). При уменьшении размеров единичных ячеек с горизонтальной намагниченностью резко увеличивается вероятность их спонтанного размагничивания. Новый способ, предложенный Fujitsu (внизу). Использование дополнительного подслоя и вертикального намагничивания позволяет достичь в восемь раз большей плотности записи.

Fujitsu предложила сначала нанести кобальт-рутений-кобальтовой слой, являющийся сложным ферромагнетиком, который оказывает физическое влияние на магнитный записываемый слой (нижняя часть рисунка). Суть этого влияния состоит в повышении стабильности магнитных полей записываемого слоя и предотвращение спонтанного размагничивания, и следовательно, потери информации. Причем это явление учеными пока еще до конца не изучено.

Тем не менее, такая технология позволяет применить перпендикулярную запись и повысить плотность записи до 50 Гбит/кв. см. И данной технологией заинтересовались многие производители жестких дисков, в том числе и Quantum, слившийся в октябре с Maxtor. Теперь, по словам представителей Quantum, перпендикулярная запись — наиболее популярная тема исследований полных энтузиазма инженеров и ученых отраслевых лабораторий.

Для создания все более совершенных жестких дисков недостаточно просто увеличения плотности записи. При сжатии области записи происходит еще и уменьшение силы магнитного поля, которое может удержать ячейка.

При традиционной технологии, если металлические гранулы имеют размеры менее 10 нм, они могут спонтанно терять свою намагниченность. Для сохранения записанной информации необходимо, чтобы в единичной ячейке содержалось много одинаково поляризованных гранул. Справа показана типичная дорожка с записанными на ней 1 — темные полоски и 0 — светлые. Длина ячейки (справа) составляет 100-200 нм.

Следовательно, необходимо увеличивать чувствительность считывающей головки, чтобы улавливать меньшие поля.

В 1997 году IBM создала магнитные головки, применив гигантский магниторезистивный эффект, сделав тем самым большой скачок в области детектирования слабых полей. Уменьшение размеров единицы информации на диске приводит к уменьшению ширины дорожек и расстояний между соседними. Сейчас ширина дорожки составляет 1 мкм, а расстояние между соседними дорожками — 0,5 мкм. Ширина же дорожек новых дисков от Fujitsu будет менее 0,5 мкм.

Еще одно требование, которое придется удовлетворить — это увеличение точности позиционирования головок. Любое непредвиденное движение диска (например из-за вибрации) может привести к потери считывающей головкой положения и, следовательно, к ошибкам чтения.

Для предотвращения этого IBM, Fujitsu, Quantum и другие подумывают над тем, чтобы использовать стеклянные и кремниевые пластины из-за их большей жесткости, чем у традиционных алюминиевых, что позволит избежать также и увеличения их веса. Также компании стремятся уменьшить размеры пластин — чем меньше пластина, тем меньше вибрация — вводя новые 27 мм микро-стандарты, как IBM.

И все-таки индустрия продолжает искать альтернативу магнитным дискам. Среди таких инноваций — органические магнитные пленки и структуры с нанесенными ячейками. Прогнозы компаний, ведущих исследования в этих направлениях, впечатляющие, плотность записи информации в скором будущем составит 700 Гбит/кв. см. И они искренне полагают, что новые технологии потеснят магнитные носители.




Дополнительно

iXBT Brand 2018

"iXBT Brand 2018" - Выбор читателей в номинации "Процессоры (CPU)":
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.