Архітектура комп'ютерів

1. Зберігання даних на магнітних носіях

Практично в усіх персональних комп’ютерах інформація зберігається на носіях, які використовують принципи магнетизму або оптики. При використанні магнітних пристроїв зберігання - потік двійкових даних (нулі й одиниці) перетворюється на невеликі металеві намагнічені частинки, розташовані на плоскому диску або на стрічці у вигляді візерунка. Цей магнітний візерунок згодом може бути відновлений в початковий потік двійкових даних

2. Історія розвитку пристроїв зберігання даних на магнітних носіях

Довгий час основним пристроєм зберігання даних в комп’ютерному світі були перфокарти (картонні листи з отворами, відповідними певним символам або двійковим даними), введені ще в 1890 році Германом Холлеритом для лічильної машини Census. Хоча в комп’ютерному світі перфокарти віджили своє, вони в тому чи іншому вигляді продовжували використовуватися в різних старих системах підрахунку голосів.

Історія розвитку пристроїв зберігання даних на магнітних носіях повертає нас до червня 1949 року, коли група інженерів і дослідників компанії IBM приступила до розробки нового пристрою зберігання даних. Саме це і стало точкою відліку в історії розвитку магнітних пристроїв зберігання даних, які буквально підірвали комп’ютерний світ. 21 травня 1952 IBM анонсувала модуль стрічкового накопичувача IBM 726 для обчислювальної машини IBM 701.

Чотири роки по тому 13 вересня 1956 року, невелика команда розробників тієї ж IBM оголосила про створення першої дискової системи зберігання даних 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control метод довільного доступу для підрахунку та управління).

Ця система могла зберігати 5 млн. Символів (5 Мбайт) на 50 дисках діаметром 24 дюйма (близько 61 см). На відміну від стрічкових пристроїв зберігання даних, в системі RAMАС запис здійснювався за допомогою головки в довільне місце поверхні диска. Такий спосіб помітно підвищив продуктивність комп’ютера, оскільки дані записувалися і зчитувалися набагато швидше, ніж при використанні стрічкових пристроїв.

Магнітні пристрої зберігання даних пройшли півстолітній шлях від RAMAC до сучасних жорстких дисків ємністю 2 Тбайт і розміром 3,5 дюйма.

3. Як магнітне поле використовується для зберігання даних

В основі роботи магнітних носіїв - накопичувачів на жорстких і гнучких дисках - лежить таке явище, як електромагнетизм. Воно було відкрите датським фізиком Гансом Крістіаном Ерстедом в 1819 році. Суть його полягає в тому, що при пропущенні через провідник електричного струму навколо нього утворюється магнітне поле.

Ерстед виявив, що стрілка компаса відхиляється від напрямку на північ, коли компас знаходиться близько котушки проводів, в якій генерується електричний струм. Коли струм відключався, положення стрілки знову збігалося з лініями магнітного поля Землі і стрілка вказувала на північ.

Створюване поле впливає на феромагнітну речовину. При зміні напрямку струму полярність магнітного поля також змінюється. Явище електромагнетизму використовується в електродвигунах для генерації сил, що впливають на магніти, які встановлені на обертовому валу.

Однак існує й протилежний ефект: в провіднику, на який впливає змінне магнітне поле, виникає електричний струм. При зміні полярності магнітного поля змінюється і напрям електричного струму.

Головка читання/запису в будь-якому дисковому накопичувачі складається з U-подібної феромагнітної серцевини і намотаної на неї обмотки, по якій може протікати електричний струм. При пропущенні струму через обмотку в серцевині (магнітопроводі) головки створюється магнітне поле. При перемиканні напряму протікаючого струму полярність магнітного поля також змінюється. По суті, головки являють собою електромагніти, полярність яких можна дуже швидко змінити, переключивши напрям пропускаючого електричного струму

Гнучкі магнітні диски зазвичай виробляються на лавсановій, а жорсткі - на алюмінієвій або скляній підкладці, на яку наноситься шар феромагнітного матеріалу. Робочий шар в основному складається з окису заліза з різними добавками. Магнітні поля, які створюються окремими доменами на чистому диску, орієнтовані випадковим чином і взаємно компенсуються на деякій ділянці поверхні диска, тому його залишкова намагніченість дорівнює нулю. Магнітне поле в серцевині частково поширюється в навколишнє середовище завдяки зазору, «пропиленому» в основі U-подібної серцевини. Якщо поблизу зазору розташовується феромагнетик (робочий шар носія), то магнітне поле в ньому локалізується, оскільки подібні речовини мають менший магнітний опір, ніж повітря. Магнітний потік, що пересікає зазор, замикається через носій, що призводить до поляризації його магнітних частинок (доменів) у напрямі дії поля.

Магнітне поле, що генерується головкою читання/запису, «перескакує» зазор між кінцями U-подібної серцевини. Пройти по провіднику значно легше, ніж подолати повітряний прошарок, тому магнітне поле відхиляється від кінця серцевини, використовуючи поверхню довколишнього феромагнітного носія в якості найкоротшого шляху до іншого кінця магніту. При проходженні поля через робочий шар, що знаходиться безпосередньо під серцевиною, відбувається поляризація магнітних частинок, що призводить до їх орієнтації у напрямку дії магнітного поля. Полярність або напрямок поля, зокрема поля, яке індукується в середовищі магнітного носія, визначається напрямом електричного струму, що проходить через обмотку. Зміна напрямку електричного струму призводить до зміни полярності магнітного поля. Відстань між головкою читання/запису і поверхнею носія з розвитком магнітних запам’ятовуючих пристроїв постійно скорочувалася. Це дозволило значно зменшити величину зазору між кінцями осередка і розмір записуваного магнітного домена, а зменшення розміру домена, в свою чергу, дозволило підвищити щільність запису даних, що зберігаються на диску. При проходженні магнітного поля через носій частинки, що опинилися під зазором серцевини, орієнтуються по напрямку дії поля, яке індукується головкою читання/запису. Коли окремі магнітні домени частинок шикуються в певному напрямку, їх магнітні поля припиняють компенсувати один одного, що призводить до появи на цій ділянці виразного магнітного поля. Це локальне поле генерується безліччю магнітних частинок, які в даному випадку функціонують як одне ціле, створюючи загальне поле, що має єдиний напрямок.

Отже, в результаті протікання змінного струму імпульсної форми в обмотці головки читання/запису на обертовому диску утворюється послідовність ділянок з різною залишковою намагніченістю. Причому найбільш важливими в аспекті подальшого відтворення записаної інформації виявляються ті зони, в яких відбувається зміна напрямку залишкового магнітного поля або просто зони зміни знака.

Магнітна головка записує дані на диск, розміщуючи на ньому зони зміни знака. При запису кожного біта (або бітів) даних в спеціальних областях на диску розташовуються послідовності зон зміни знака. Ці області називаються бітовими комірками. Таким чином, бітова комірка - це спеціальна область на диску, в якій головка розміщує зони зміни знака. Геометричні розміри такої комірки залежать від тактової частоти сигналу запису і швидкості, з якою переміщаються відносно один одного головка і поверхня диска. Комірка переходу - це область на диску, в яку можна записати тільки одну зону зміни знака. При запису окремих бітів даних або їх груп в осередках формується характерний «узор» із зон зміни знака, що залежить від способу кодування інформації. Це пов’язано з тим, що в процесі перенесення даних на магнітний носій кожен біт (або група бітів) за допомогою спеціального кодувального пристрою перетвориться в серію електричних сигналів, які не є точною копією вихідної послідовності імпульсів.

При записі напруга додається до головки, і по мірі зміни його полярності полярність магнітного поля також змінюється. Зони зміни знака записуються (реєструються) в тих точках, в яких відбувається зміна полярності. Під час зчитування головка видає не зовсім той сигнал, який був записаний; замість цього вона генерує імпульс напруги, або викид, тільки в тих точках, в яких перетинає зону зміни знака. Коли знак змінюється з позитивного на негативний, генерується негативний викид; в іншому випадку - позитивний. Цей ефект є наслідком того, що струм, генерований в обмотці, пересікає лінії магнітного поля під кутом. Так як головка переміщається паралельно лініям магнітного поля, створеного нею на носії, в ній струм генерується тільки в тому випадку, якщо вона перетинає зону зміни знака.

По суті, під час зчитування інформації з диска головка поводиться подібно детектору зон зміни знака, видаючи імпульси напруги при кожному перетині такої зони. На тих ділянках, де не відбувається зміна знака, імпульси не генеруються (викиди відсутні).

Записувані дані являють собою хвильові імпульси прямокутної форми, відповідні позитивним чи негативним значенням напруги, які призводять до поляризації магнітного носія в тому чи іншому напрямку. Коли змінюється полярність напруги, залишкова намагніченість диска також змінює полярність.

Під час зчитування головка реєструє зони зміни знаку та видає відповідні імпульси. Іншими словами, сигнал відповідає нульовій напрузі, якщо не виявлені переходи від позитивного знака до негативного або навпаки. Імпульси з’являються тільки в тих випадках, коли головка перетинає зони зміни знака на магнітному носії. Знаючи тактову частоту, схема пристрою або контролера визначає, чи потрапляє імпульс в дану комірку переходу.

Амплітуда сигналу, що надходить з головки при зчитуванні, дуже мала, тому проблема шумів і перешкод є досить гострою. Для посилення сигналу по відношенню до шуму використовуються високочутливі пристрої. Після посилення сигнал надходить на декодуючі схеми, які призначені для відновлення потоку даних, теоретично ідентичного потоку, що надходить на накопичувач при виконанні запису.

Отже, запис і зчитування інформації з диска засновані на принципах електромагнетизму. При записі даних на диск електричний струм пропускається через електромагніт (головку пристрою), в результаті чого створюються зони намагніченості, які і зберігаються на диску. Дані зчитуються з диска при переміщенні головки над його поверхнею; при цьому головка реєструє зміни в зонах намагніченості і в результаті генерує слабкі електричні сигнали, що вказують на наявність або відсутність зон зміни знака в записаних сигналах.

Контрольні запитання

1. Що таке зберігання даних на магнітних носіях?

2. Опишіть історію розвитку пристроїв зберігання даних на магнітних носіях.

3. Як магнітне поле використовується для зберігання даних?

Тема. КОНСТРУКЦІЇ ГОЛОВОК ЧИТАННЯ/ЗАПИСУ

1. Конструкції головок читання/запису

Перші головки являли собою осередки з обмоткою (електромагніти). За сучасними мірками їх розміри були величезними, а щільність запису надзвичайно низькою. Конструкції головок пройшли довгий шлях розвитку від перших головок з феритовими осередками до сучасних типів.

Всього існувало шість типів головок:

■ феритові;

■ з металом в зазорі (MIG);

■ тонкоплівкові (TF);

■ магніторезистивні (MR);

■ гігантські магніторезистивні (GMR);

■ перпендикулярного магнітного запису (PMR).

До кінця 2005 року жорсткі диски, що використовують перпендикулярний магнітний запис, використовувалися тільки в портативних музичних плеєрах і ноутбуках. Жорсткі диски, що використовують цю технологію і призначені для настільних комп’ютерів, з’явилися на ринку тільки на початку 2006 року.

2. Феритові головки

Класичні феритові головки вперше були використані в накопичувачі Winchester 30-30 компанії IBM. Їх осередки виробляються на основі пресованого фериту (окису заліза). Магнітне поле в зазорі виникає при протіканні через обмотку електричного струму. При змінах напруги магнітного поля поблизу зазору в обмотці виникає електрорушійна сила. Таким чином, головка є універсальною, тобто може використовуватися як для запису, так і для зчитування. Розміри і маса феритових голівок більша, ніж аналогічні показники тонкоплівних головок; тому, щоб запобігти їх небажаний контакт з поверхнею дисків, доводиться збільшувати зазор.

Первісна (монолітна) конструкція феритових головок за час їх існування була значно вдосконалена. Були розроблені, так звані склоферитові (композитні) головки, слабкий феритовий осередок яких встановлений в керамічний корпус. Ширина осередка і магнітного зазору таких головок менша, що дозволяє підвищити щільність розміщення доріжок запису. Крім того, знижується їх чутливість до зовнішніх магнітних перешкод.

В 1980-х роках склоферитові головки широко використовувалися в дешевих накопичувачах. По мірі збільшення ємності накопичувачів феритові головки були повністю витіснені іншими різновидами. Головною перевагою феритових головок є їх дешевизна.

3. Головки з металом в зазорі

Головки з металом в зазорі (Metal-In-Gap - MIG) з’явилися в результаті удосконалення конструкції композитної феритової головки. В таких головках магнітний зазор, розташований в задній частині осередка і заповнений металом. Завдяки цьому суттєво зменшується схильність матеріалу осередка до магнітного насичення, що дозволяє підвищити магнітну індукцію в робочому зазорі тим самим виконати запис на диск з більшою щільністю. Головки з металом в зазорі бувають двох видів: одно- і двосторонні (тобто з одним і з двома металізованими зазорами). В односторонніх головках прошарок з магнітного сплаву розташований тільки в задньому (неробочому) зазорі, а в двосторонніх - в обох. Шар металу наноситься методом вакуумного напилення.

Індукція насичення магнітного сплаву приблизно вдвічі більша, ніж у фериту, що дозволяє здійснювати запис на носій з великою коерцитивною силою. Двосторонні головки в цьому відношенні краще односторонніх.

КОЕРЦИТИВНА СИЛА (від лат. coercitio – стримування) напруженість магнітного поля, що зменшує залишковий магнетизм феромагнетика до нуля.

Завдяки своїм перевагам в кінці 1980-х - початку 1990-х років у високоякісних накопичувачах головки з металом в зазорі повністю замінили традиційні феритові.

4. Тонкоплівкові головки

Тонкоплівкові (Thin Film - TF) головки здійснюються майже за тією ж технологією, що і інтегральні схеми, тобто шляхом фотолітографії. На одній підкладці можна «надрукувати2 відразу кілька тисяч головок, які виходять в результаті маленькими і легкими.

Робочий зазор в тонкоплівкових головках можна зробити гранично вузьким, причому його ширина регулюється в процесі виробництва шляхом нарощування додаткових шарів немагнітного алюмінієвого сплаву. Алюміній повністю заповнює робочий зазор і добре захищає його від ушкоджень (відколів країв) при випадкових контактах з диском. Власне осередок робиться зі сплаву заліза і нікелю, індукція насичення якого в 24 рази більше, ніж у фериту.

Формовані тонкоплівковими головками ділянки залишкової намагніченості на поверхні диска мають чітко виражені межі, що дозволяє домогтися дуже високої щільності запису. Завдяки невеликій вазі і малим розмірам головок можна значно зменшити просвіт між ними і поверхнею дисків у порівнянні з феритовими і MIG-головками; в деяких накопичувачах його величина не перевищує 0,05 мкм. В результаті, по-перше, підвищується залишкова намагніченість ділянок поверхні носія, а по-друге, збільшується амплітуда сигналу і поліпшується співвідношення «сигнал-шум» в режимі зчитування, що в підсумку позначається на достовірності запису і зчитуванні даних. При тих щільностях розташування доріжок і розміщення даних вздовж доріжки, які характерні для сучасних накопичувачів, сигнал відтворення із звичайної феритової головки просто «загубився» б в шумах і перешкодах. Завдяки невеликій висоті тонкоплівкових головок при тих же розмірах корпуса накопичувача вдається встановити більшу кількість дисків.

В момент появи на ринку тонкоплівкові головки були значно дорожчими раніше існуючих. Удосконалення технології виробництва і підвищення вимог до ємності накопичувачів привели, з одного боку, до зниження вартості тонкоплівкових головок, а з іншого – до їх більш широкого поширення.

У багатьох накопичувачах ємністю від 100 Мбайт до 2 Гбайт використовуються тонкоплівкові головки, особливо в накопичувачах малого формфактору. Тонкоплівкові головки прийшли на зміну головкам з металом в зазорі в накопичувачах найбільш популярних формфакторів, однак їм на зміну прийшли магніторезистивні головки.

5. Магніторезистивні головки

Магніторезистивні (Magneto-Resistive - MR) головки з’явилися порівняно недавно. Вони розроблені IBM і дозволяють добитися найвищих значень щільності запису і швидкодії накопичувачів. Вперше магніторезистивні головки були встановлені у накопичувачі на жорстких дисках ємністю 1 Гбайт компанії IBM в 1991 році.

Всі головки є детекторами, тобто реєструють зміни в зонах намагніченості і перетворять їх в електричні сигнали, які можуть бути інтерпретовані як дані. Однак при магнітному записі існує одна проблема: при зменшенні магнітних доменів носія знижується рівень сигналу головки і існує ймовірність прийняти шум за справжній сигнал. Для вирішення цієї проблеми необхідно мати ефективну головку читання, яка більш достовірно зможе визначити наявність сигналу.

Досить давно був відкритий ще один ефект магнетизму: при впливі на провідник зовнішнього магнітного поля його опір змінюється. При проходженні звичайної головки над зоною зміни знака на виходах обмотки формується імпульс напруги. Інша справа при зчитуванні даних за допомогою магніторезистивної головки. Значення її опору виявляються різними при проходженні над ділянками з різними значеннями залишкової (постійної) намагніченості. Це явище і було використано для створення компанією IBM нового типу зчитувальних головок.

Замість того щоб генерувати в голівці малий струм, який згодом потрібно фільтрувати, посилювати і розшифровувати, MR-головки реєструють зміну опору. Через головку протікає невеликий постійний вимірювальний струм, і при зміні опору падіння напруги на ній також змінюється. Цей механізм дозволяє отримати більш сильний і чистий сигнал і використовувати більш високу щільність запису.

В магніторезистивних головках використаний той факт, що опір в провіднику дещо змінюється при наявності зовнішнього магнітного поля. Замість того щоб реєструвати напругу, що виникає при проходженні головки над зоною зміни знака, як роблять звичайні головки, MR-головки у відповідь на зміну намагніченості відповідають зміною опору. Через головку протікає малий струм, який і дозволяє реєструвати ці зміни. Така конструкція головки дозволяє отримати при читанні приблизно втричі сильніший вихідний сигнал, ніж конструкція тонкоплівкової головки. Таким чином, MR-головки при операціях читання виступають скоріше як датчики, а не генератори.

Магніторезистивні головки дорожчі і складніші ніж головок інших типів, оскільки в їх конструкції є додаткові елементи, а технологічний процес включає декілька додаткових етапів:

* до них повинні бути підведені додаткові дроти для подачі вимірювального струму на резистивний датчик;

* в процесі виробництва використовується 4-6 додаткових масок (фотошаблонів);

* завдяки високій чутливості магніторезистивні головки більш сприйнятливі до зовнішніх магнітних полів, тому їх доводиться ретельно екранувати.

Пристрої, створені на основі магніторезистивного ефекту, дозволяють зчитувати дані, але не можуть бути використані для їх запису, тому Магніторезистивна головка в дійсності являє собою дві різні головки, об’єднані в одну конструкцію У цю конструкцію входять стандартна тонкоплівкова головка, використовувана для запису даних, і Магніторезистивна головка для їх читання. Оскільки дві різні головки вбудовані в один блок, кожна з них оптимізована відповідно до виконуваного завдання. Феритові і тонкоплівкові головки, а також головки з металом в зазорі називаються однозазорними головками, так як для читання і запису даних використовується один і той же зазор. В магніторезистивних головках для виконання кожної операції потрібен окремий зазор.

При розробці головок з одним робочим зазором доводиться йти на компроміс при виборі його ширини. Справа в тому, що для поліпшення параметрів головки в режимі зчитування потрібно зменшувати ширину зазору (для збільшення роздільної здатності), а при записі зазор повинен бути ширше, оскільки при цьому магнітний потік проникає в робочий шар на велику глибину («намагнічуючи» його по всій товщині). В магніторезистивних головках з двома зазорами кожен з них може мати оптимальну ширину. Ще одна особливість розглянутих головок полягає в тому, що їх записуюча (тонкоплівкова) частина формує на диску більш широкі доріжки, ніж це необхідно для роботи зчитувального магніторезистивного вузла. В даному випадку зчитувальна головка «збирає» з сусідніх доріжок менше магнітних перешкод.

Схема типової магніторезистивної головки IBM, тобто весь вузол головки разом з повзунком, показана на рис.. Зчитувальний елемент головки (магніторезистивний сенсор) складається з залізонікелевої плівки, відокремленої невеликим проміжком від магнітного шару. Опір цієї плівки змінюється в залежності від магнітного поля. Захисні шари оберігають сенсор зчитувального елемента від наведених магнітних полів.

Зчитувальний елемент, який являє собою магніторезистивний сенсор, складається з залізонікелевої (NiFe) плівки, розділеної на ділянки, проміжки між якими заповнені магнітно-м’яким шаром. Опір залізонікелевої плівки в магнітному полі змінюється. Зчитувальний елемент магніторезистивного сенсора захищається від руйнівного впливу сусіднього або випадкового магнітного поля екрануючим шаром. У багатьох конструкціях другий екрануючий шар виконує також роль одного з полюсів записуючого елементу, який називається об’єднаною магніторезистивною головкою.

Пристрій прийому являє собою не магніторезистивний блок, а традиційну тонкоплівкову індуктивну головку.

Магніторезистивна головка, створена компанією IBM, включає в себе конструкцію Soft Adjacent Layer (SAL), що складається з магніторезистивної залізонікелевої плівки, розділеної на окремі шари, проміжки між якими заповнені магнітно-м’яким шаром, що має високий електричний опір. У цій конструкції при проходженні магнітного поля через магніторезистивний сенсор опір залізонікелевого шару змінюється.

З підвищенням щільності запису магніторезистивні елементи, що входять в головки читання/запису, ставали все менші і менші. В сучасних головках ширина плівки, що знаходиться між бічними контактами, становить півмікрона і навіть менше.

6. Гігантські магніторезистивні головки

У 1997 році IBM анонсувала новий тип магніторезистивних головок, що володіють набагато більшою чутливістю. Вони були названі гігантськими Магніторезистивний головками (Giant Magnetoresistive - GMR). Таку назву вони отримали в зв’язку з використовуваним ефектом, хоча за розміром були меншими ніж стандартні магніторезистивні головки. Їх конструкція досить проста –традиційна Магніторезистивний головка, в якій, крім залізонікелевого, використовується ще кілька додаткових шарів. В магніторезистивних головках при зміні знака потоку, що проходить через магнітний носій, змінюється опір залізонікелевої плівки. У гігантських магніторезистивних головках цю функцію виконують дві плівки, розділені надтонким мідним провідниковим шаром.

Ефект GMR був відкритий в 1988 році в кристалах, підданих впливу сильного магнітного поля (потужність якого була в тисячу разів вищою ніж потужності полів, що використовуються в накопичувачах на жорстких дисках). Вчені Петер Грюнберг (Німеччина) і Альберт Ферт (Франція) виявили, що в магнітному полі опір провідників, що складаються з надтонких шарів різних металів що чергуються, змінюється в досить широкому діапазоні. Основна конструкція, яка використовується в гігантських магніторезистивних головках, являє собою роздільний шар немагнітного матеріалу, розташований між двома шарами магнітних металів. Один з цих магнітних шарів є закріпленим, тобто має задану магнітну орієнтацію. Інший же вважається вільним, що означає можливість вільної зміни напрямку або орієнтації. Магнітні матеріали прагнуть вирівнятися в одному напрямку. Таким чином, якщо роздільний шар буде достатньо тонкий, вільний шар придбає ту ж орієнтацію, що й закріплений. Було виявлено, що орієнтація вільного шару періодично змінюється, то збігаючись з магнітною орієнтацією закріпленого шару, то набуваючи строго протилежного напрямку. Коли шари орієнтовані в одному напрямку, їх загальний опір має відносно низьку величину; при протилежній магнітній орієнтації загальний опір шарів значно зростає.

При проходженні слабкого магнітного поля (характерного, наприклад, для жорстких дисків) через гігантську Магніторезистивний головку відбувається зміна орієнтації частинок вільного магнітного шару по відношенню до магнітного напрямку закріпленого шару, що значно підвищує загальний опір. Подібне явище виникає в результаті ефекту GMR. Фізична природа перепадів опору обумовлена напрямом власного обертання електронів в різних шарах.

В грудні 1997 року IBM анонсувала 3,5-дюймовий накопичувач ємністю 16,8 Гбайт, в якому використовуються головки GMR. З тих пір головки GMR стали використовуватися в більшості пристроїв 3,5- і 2,5-дюймового формфакторів.

Контрольні запитання

1. Опишіть конструкцію головок читання/запису?

2. Що таке феритові головки?

3. Охарактеризуйте головки з металом в зазорі.

4. Опишіть тонкоплівкові головки.

5. Опишіть магніторезистивні головки.

6. Що таке гігантські магніторезистивні головки.

Тема. ПОВЗУНКИ

1. Повзунки

Повзунком називається деталь конструкції, завдяки якій головка підтримується в підвішеному положенні на потрібній відстані від поверхні диска. Сам повзунок при цьому також не стикається з поверхнею носія. У більшості випадків ця деталь за формою нагадує катамаран з двома бічними «поплавками» та центральною «рульовий рубкою» - магнітною головкою (рис).

Постійне зменшення розмірів накопичувачів призводить до того, що всі їх складові частини, у тому числі повзунки, також зменшуються. Наприклад, розмір стандартного мінівінчестера становить 4x3,2x0,86 мм. Більшість виробників головок вже перейшли на зменшені розміри повзунків: Micro, Nano, Pico і Femto. Використовувані сьогодні повзунки Femto гранично малі і мають розміри, порівнянні з розміром кульки стержня кулькової ручки. Повзунки Pico і Femto збираються за допомогою плівкового з’єднувального кабелю (FIC) і чіпа з технологією кераміки (СОС), що дозволило повністю автоматизувати процес.

В табл. представлені характеристики різних типів повзунків, використовуваних в накопичувачах на жорстких дисках.

Зменшення розмірів повзунка приводить до зниження маси всієї рухомої системи, яка складається з головки, повзунка й важеля переміщення головки. Це, в свою чергу, дозволяє переміщати їх з великим прискоренням, тобто зменшити час переходу з однієї доріжки на іншу і в результаті - зменшити час доступу до даних. Крім того, при цьому можна зменшити розміри зони «паркування» головок («посадкової смуги») та відповідно збільшити корисну площу дисків. Завдяки меншій площі контактної поверхні повзунка зменшується неминучий знос поверхні носія в процесі розкручування й зупинки дисків.

В новітніх конструкціях нижній стороні повзунків надається особлива форма, завдяки якій «висота польоту» головок над поверхнею диска (величина повітряного просвіту) підтримується приблизно однаковою при роботі як на зовнішніх, так і на внутрішніх циліндрах. При використанні звичайних повзунків просвіт між головкою і робочим шаром диска істотно змінюється при переході від зовнішніх доріжок до внутрішніх і назад. Це пов’язано з відмінностями в лінійних швидкостях різних ділянок поверхні диска відносно головок (лінійна швидкість залежить від радіуса обертання). Чим вище швидкість, тим більша величина просвіту. Такий ефект вкрай небажаний, особливо в нових накопичувачах із зонним записом, в яких лінійна щільність запису (уздовж доріжок) однакова на всіх циліндрах. В цьому випадку для нормального зчитування і запису величина повітряного просвіту між головкою і робочим шаром диска повинна залишатися постійною. Цю проблему можна вирішити, надавши поверхням повзунків спеціальну форму, що й робиться в накопичувачах із зонним записом.

Повзунок Femto складається з трьох основних областей складної форми, завдяки яким забезпечується постійна висота розміщення головки над поверхнею пластини і мінімальна зміна висоти в умовах низького тиску. Область дрібного травлення створює «поріг», що дозволяє створити позитивний тиск під аеростатичною поверхнею і тим самим змістити повзунок від поверхні диска. Область глибокого травлення створює негативний тиск з протилежного боку, що дозволяє змістити повзунок ближче до поверхні диска. Комбінація позитивного і негативного тиску дозволяє збалансувати тиск важеля на повзунок, що зміщує його до поверхні диска, завдяки чому повзунок розташовується на необхідній відстані від неї. Баланс позитивного і негативного тиску стабілізує положення повзунка і зменшує коливання головки, характерні для повзунків більш старих конструкцій. Першим диском, в якому використовувався повзунок Femto, був 2,5-дюймовий диск Hitachi 7К60, представлений в травні 2003 року.

Контрольні запитання

1. Що називають повзунком?

2. Для чого використовуються повзунки?

3. Які є типи повзунків?

Тема. СПОСОБИ КОДУВАННЯ ДАНИХ

1. Способи кодування даних

Інформація на магнітному носії зберігається в аналоговому вигляді. У той же час самі дані представлені в цифровому вигляді, так як є послідовністю нулів та одиниць. При виконанні запису цифрова інформація, надходячи на магнітну головку, створює на диску магнітні домени відповідної полярності. Якщо під час запису на головку надходить позитивний сигнал, магнітні домени поляризуються в одному напрямку, а якщо негативний – у протилежному. Коли змінюється полярність записуваного сигналу, відбувається також зміна полярності магнітних доменів. Під час операції читання реєструються зони зміни знака поляризації магнітних доменів, в результаті чого генеруються позитивні і негативні імпульси, використовувані для реконструкції вихідних двійкових даних.

Щоб оптимальним чином розташувати імпульси в сигналі запису, необроблені вихідні дані пропускаються через спеціальний пристрій, який називається кодером/декодером (encoder/decoder). Це пристрій перетворює двійкові дані в електричні сигнали, оптимізовані в контексті розміщення зон зміни знака на доріжці запису. Під час зчитування кодер/декодер виконує зворотне перетворення: відновлює з сигналу послідовність двійкових даних. За минулі роки було розроблено кілька методів кодування даних, причому одні з них кращі та ефективніші за інших.

В деяких джерелах процес кодування даних може бути представлений значно простіше, але при цьому упускаються багато факторів, що визначають надійність жорсткого диска, зокрема синхронізація. Інженери і розробники постійно прагнули розмістити все більший і більший обсяг інформації на кожному квадратному дюймі носія, хоча на ньому мається обмежена кількість областей зміни полярності магнітного потоку (тобто перемагнічування). В результаті була отримана схема, в якій під час декодування інформації враховується не тільки зміна знака магнітного потоку, а й наявність сигналу синхронізації між зонами різної полярності. Чим вища точність синхронізації процесу реверсування магнітного потоку, тим більший обсяг інформації можна закодувати (або згодом декодувати) за допомогою даних синхронізації.

При роботі з цифровими даними особливого значення набуває синхронізація. Під час зчитування або запису дуже важливо точно визначити момент кожної зміни знака. Якщо синхронізація відсутня, то момент зміни знака може бути визначений неправильно, в результаті чого неминуча втрата або спотворення інформації. Щоб запобігти цьому, робота передавального і приймального пристроїв повинна бути строго синхронізована. Наприклад, якщо запис нульового біта виконується за допомогою магнітних доменів однієї полярності, створюваних на диску протягом певного часу, або комірки даних, то 10 нульових бітів, записаних в один рядок, будуть являти собою 10 однакових послідовно розташованих ділянок однієї полярності або 10 осередків, які не мають зон зміни знака.

Щоб уникнути появи помилок синхронізації при кодуванні / декодуванні, необхідно строго синхронізувати процеси читання і запису даних. Для цього слід синхронізувати роботу двох пристроїв, передаючи спеціальний сигнал синхронізації по окремому каналу. Можна також об’єднати сигнал даних з сигналом синхронізації, а потім передати їх по одному каналу. Подібне об’єднання сигналів використовується в більшості схем кодування даних.

Додавання сигналу синхронізації до переданих даними служить гарантією того, що пристрої зв’язку будуть точно інтерпретувати все окремі однобітові елементи. Кожен біт інформації обмежений двома комірками, що містять певні тактові переходи. При передачі синхронізуючих сигналів разом з даними синхронізація зберігається навіть у тому випадку, коли носій містить довгі ланцюжки абсолютно однакових нулів. На жаль, комірки переходів, необхідні тільки для синхронізації процесів, займають місце на диску, яке могло б використовуватися для запису даних. Оскільки кількість зон зміни знака, які можна записати на диску, обмежено можливостями технологій виробництва носіїв і головок, при розробці дискових накопичувачів винаходяться такі способи кодування даних, за допомогою яких можна було б «втиснути» якомога більше бітів даних в мінімальну кількість зон зміни знака . При цьому доводиться враховувати, що частина з них все одно буде використовуватися тільки для синхронізації.

Хоча розроблено безліч різноманітних методів, сьогодні реально використовуються тільки три з них:

■ частотна модуляція (FM);

■ модифікована частотна модуляція (MFM);

■ кодування з обмеженням довжини поля запису (RLL).

2. Частотна модуляція (FM)

Метод кодування FM (Frequency Modulation - частотна модуляція) був розроблений раніше інших і використовувався при записі на гнучкі диски так званої одинарної щільності в перших ПК. Ємність таких односторонніх дискет становила всього 80 Кбайт. В 1970-х роках запис по методу FM використовувалася в багатьох пристроях, але зараз від нього повністю відмовилися

3. Модифікована частотна модуляція (MFM)

Основною метою розробників методу MFM (Modified Frequency Modulation – модифікована частотна модуляція) було скорочення кількості зон зміни знака для запису того ж об’єму даних у порівнянні з FM-кодуванням і відповідно збільшення потенційної ємності носія. При цьому способі запису кількість зон зміни знака, що використовуються тільки для синхронізації, скорочується. Синхронізуючі переходи записуються тільки в початок осередків з нульовим бітом даних і тільки в тому випадку, якщо йому передує нульовий біт. У всіх інших випадках синхронізуюча зона зміни знака не формується. Завдяки такому зменшенню кількості зон зміни знака при тій же допустимій щільності їх розміщення на диску інформаційна ємність у порівнянні з записом по методу FM подвоюється.

Оскільки при розглянутому способі запису на одну і ту ж кількість зон зміни знака доводиться вдвічі більше «корисних» даних, ніж при FM-кодуванні, швидкість зчитування і запису інформації на носій також подвоюється.

Диски, записані за допомогою методу MFM, часто називають дисками подвійної щільності. Сьогодні цей метод кодування використовується практично у всіх приводах гнучких дисків; довгі роки він застосовувався і в жорстких дисках. Сьогодні майже всі жорсткі диски перейшли на одну з варіацій кодування RLL, що має більшу ефективність, ніж MFM.

4. Кодування з обмеженням довжини поля запису (RLL)

Сьогодні найбільш популярний метод кодування з обмеженням довжини поля запису (Run Length Limited - RLL). Він дозволяє розмістити на диску в півтора рази більше інформації, ніж при запису за методом MFM, і в три рази більше, ніж при FM-кодуванні. При використанні цього методу відбувається кодування не окремих бітів, а цілих груп, в результаті чого створюються певні послідовності зон зміни знака. Комбінування в ці послідовності сигналів даних і синхронізації дозволило підвищити частоту синхронізації, зберігши ту ж базову відстань між зонами зміни знака на магнітному носії.

Метод RLL був розроблений IBM і спочатку використовувався в дискових накопичувачах більших машин. Наприкінці 1980-х років його стали використовувати в накопичувачах на жорстких дисках ПК, а сьогодні він застосовується майже у всіх ПК.

Як вже зазначалося, при запису за методом RLL одночасно кодуються цілі групи бітів. Термін Run Length Limited («з обмеженням довжини пробігу») складений з назв двох основних параметрів, якими є мінімальна (довжина пробігу) і максимальна (межа пробігу) число осередків переходу, які можна розташувати між двома зонами зміни знака. Змінюючи ці параметри, можна отримувати різні методи кодування, але на практиці використовуються тільки два з них: RLL 2,7 і RLL 1,7.

Методи FM і MFM, по своїй суті, є окремими випадками RLL. Так, наприклад, FM-кодування можна було б назвати RLL 0,1, оскільки між двома зонами зміни знака може розташовуватися максимум однин і мінімум нуль осередків переходу. Метод MFM в цій термінології можна було б позначити RLL 1,3, так як в даному випадку між двома зонами зміни знака може розташовуватися від однієї до трьох осередків переходу. Однак при згадці цих методів зазвичай використовуються більш звичні назви FM і MFM.

До останнього часу найпопулярнішим був метод RLL 2,7, оскільки він дозволяв досягти високої щільності запису даних (в 1,5 рази більше в порівнянні з методом MFM) і достовірності (надійності) їх відтворення. При цьому співвідношення розмірів зон зміни знака і ділянок з постійною намагніченістю залишалося тим же, що і при методі MFM. Однак для накопичувачів дуже великої місткості метод RLL 2,7 виявився недостатньо надійним. У більшості сучасних жорстких дисків високої ємності використовується метод RLL 1,7, який дозволяє збільшити щільність запису в 1,27 рази порівняно з MFM при оптимальному співвідношенні між розмірами зон зміни знака і ділянок з постійною намагніченістю. За рахунок деякого зниження щільності запису (порівняно з RLL 2,7) вдалося істотно підвищити надійність зчитування даних. Це особливо важливо, оскільки в накопичувачах великої ємності носії та головки вже наближаються до межі можливостей сучасної технології.

Ще один, правда досить рідко використовуваний, варіант RLL - метод RLL 3,9. Іноді його називають вдосконаленим RLL або ARRL (Advanced RLL). З його допомогою можна досягти ще більшої щільності запису інформації, ніж при використанні методу RLL 2,7. Але, на жаль, надійність ARRL-кодування дуже невисока; його намагалися застосовувати в деяких контролерах, але їх випуск був незабаром припинений.

5. Порівняння способів кодування

На рис. показані діаграми сигналів, які формуються при запису на жорсткий диск ASCII – коду символу «X» для трьох різних способів кодування

У верхньому рядку кожної з цих діаграм показані окремі біти даних (01011000) в бітових осередках, межами яких є синхронізуючі сигнали, позначені точками. Під цим рядком зображений сам сигнал, який являє собою чергування позитивних і негативних значень напруги, причому в моменти зміни полярності напруги відбувається запис зони зміни знака. В нижньому рядку показані комірки переходу, причому Т позначає клітинку, яка містить зону зміни знака, а N - клітинку, в якій зони зміни знака немає.

Розібратися в FM-кодуванні дуже просто. У кожній бітовій комірці містяться два осередки переходу: одна – для синхронізуючого сигналу, інша – для самих даних. Всі осередки переходу, в яких записані сигнали синхронізації, містять зони зміни знака. У той же час осередки переходу, в яких записані дані, містять зону зміни знака тільки в тому випадку, якщо значення біта дорівнює логічній одиниці. При нульовому значенні біта зона зміни знака не формується.

Оскільки в нашому прикладі значення першого біта - 0, він буде записаний у вигляді комбінації TN. Значення наступного біта дорівнює 1, і йому відповідає комбінація ТТ. Третій біт - теж нульової (TN) і т.д. За допомогою наведеної вище діаграми FM-кодування легко простежити всю кодувальну комбінацію для розглянутого прикладу байта даних. Відзначимо, що при такому способі запису зони зміни знака можуть випливати безпосередньо одна за одною; в термінах RLL-кодування це означає, що мінімальний «пробіг» дорівнює нулю.

З іншого боку, максимально можлива кількість пропущених підряд зон зміни знака не може перевищувати одиниці - ось чому FM-кодування можна позначити як RLL 0,1.

При MFM-кодуванні в осередках для кожного біта даних також записуються синхросигнал і зона зміни знака. Але, як видно на схемі, комірки для запису синхросигналу містять зону зміни знака тільки в тому випадку, якщо значення і поточного, і попереднього бітів рівні нулю. Перший біт зліва - нульовий, значення ж попереднього біта в даному випадку невідомо, тому припустимо, що він теж дорівнює нулю. При цьому послідовність зон зміни знака буде виглядати як TN. Значення наступного біта дорівнює одиниці, якій завжди відповідає комбінація NT. Наступному нульовому біту передує одиничний, з цього йому відповідає послідовність NN. Аналогічним чином можна простежити процес формування сигналу запису до кінця байта. Легко помітити, що мінімальне і максимальне число осередків переходу між будьякими двома зонами зміни знака дорівнює 1 і 3 відповідно. Отже, MFMкодування в термінах RLL може бути названо методом RLL 1,3.

Найважче розібратися в діаграмі, що ілюструє метод RLL 2,7, оскільки в ньому кодуються не окремі біти, а їх групи. Перша група зліва, що збігається з однією з наведених у табл. 9.2 комбінацій, складається з трьох бітів: 010. Вона перетвориться в таку послідовність зон зміни знака: TNNTNN. Наступним двом бітам (11) відповідає комбінація TNNN, а останнім трьом (000) - NNNTNN. Як бачите, в даному прикладі для коректного завершення запису додаткові біти не знадобились.

Зверніть увагу на те, що в цьому прикладі мінімальне і максимальне число порожніх клітинок переходу між двома зонами зміни знака дорівнює 2 і 6 відповідно, хоча в іншому прикладі максимальна кількість порожніх клітинок переходу може бути рівним 7. Саме тому такий спосіб кодування називається RLL 2, 7. Оскільки в даному випадку записується ще менше зон зміни знака, ніж при MFM-кодуванні, частоту сигналу синхронізації можна збільшити в 3 рази в порівнянні з методом FM і в 1,5 рази в порівнянні з методом MFM. Це дозволяє на такому ж просторі диска записати більше даних. Але необхідно відзначити, що мінімальна і максимальна фізична відстань на поверхні диска між будь-якими двома зонами зміни знака однакова для всіх трьох згаданих методів кодування.

6. Декодери PRML

Останнім часом в накопичувачах замість традиційних підсилювачів зчитування з піковими детекторами стала використовуватися так звана технологія PRML (Partial-Response, Maximum). Це дозволяє підвищити щільність розташування зон зміни знака на диску в середньому на 40% і на стільки ж збільшити ємність носія.

Збільшення щільності запису призводить до того, що пікові значення напруги при зчитуванні даних можуть накладатися один на одного. При використанні методу PRML контролер аналізує потік даних з головки за допомогою фільтрації, обробки та алгоритму визначення, а потім передбачає послідовність бітів, які цей потік даних виявляє найкращим чином (елемент максимального правдоподібності). Технологія RPML має і аналогову, хвильову форму, яка дозволяє точно зчитувати сигнал з сильно зашумленного джерела.

Практичність методів зчитування інформації визначається точністю розпізнавання даних на бітовому рівні. Завдяки використанню фільтрів обробки цифрового сигналу з’явилася можливість значно знизити рівень шуму, тим самим підвищивши щільність розміщення зон зміни полярності на жорсткому диску. Це, в свою чергу, дозволило підвищити щільність запису даних. Технологія PRML з успіхом використовується в схемах кодування / декодування, що застосовуваних в накопичувачах ємністю 2 Гбайт і вище.

Контрольні запитання

1. Що таке способи кодування даних?

2. Що таке частотна модуляція (FM)?

3. Що таке модифікована частотна модуляція (MFM)?

4. Охарактеризуйте кодування з обмеженням довжини поля запису (RLL).

5. Який спосіб кодування кращий?

6. Що таке декодери PRML?

Тема. ВИМІРЮВАННЯ ЄМНОСТІ НАКОПИЧУВАЧА. ПОВЕРХНЕВА ЩІЛЬНІСТЬ ЗАПИСУ. ПЕРПЕНДИКУЛЯРНИЙ МАГНІТНИЙ ЗАПИС

1. Вимірювання ємності накопичувача

У грудні 1998 року Міжнародна електротехнічна комісія (МЕК), що займається стандартизацією в області електротехніки, представила в якості офіційного стандарту систему назв і символів одиниць виміру для використання в області обробки і передачі даних. Донедавна при одночасному використанні десяткової і двійкової систем вимірювання один мегабайт міг бути рівний як 1000000 байт (106 ), так і 1048576 байт (2 20).

Відповідно до нового стандарту 1 MiB (мебібайт) містить 2 20 (1048576) байт, а 1 Мбайт (мегабайт) - 106 (1000000) байт. Не існує загальноприйнятого способу відрізняти двійкові кратні одиниці вимірювання від десяткових. Іншими словами, абревіатура MB (або М) може позначати як мільйони байтів, так і мегабайти. Як правило, обсяг пам’яті вимірюється в двійкових одиницях, але ємність накопичувачів – і в десяткових, і в двійкових, що часто призводить до непорозумінь. Зауважте також, що позначення бітів і байтів відрізняються регістром першої букви. Наприклад, при позначенні мільйонів бітів використовується мала буква «b», в результаті чого одиниця виміру мільйон бітів в секунду позначається Mbps, в той час як MBps означає мільйон байтів в секунду.

2. Поверхнева щільність запису

Основний критерій оцінки накопичувачів на жорстких дисках – поверхнева щільність запису. Вона визначається як добуток лінійної щільності запису уздовж доріжки, яка виражається в бітах на дюйм (Bits Per Inch - BPI), і кількості доріжок на дюйм (Tracks Per Inch - TPI). В результаті поверхнева щільність запису вимірюється в Мбіт/дюйм або Гбіт/дюйм2 . На підставі цього значення можна зробити висновок про ефективність того чи іншого способу запису даних. У сучасних накопичувачах розміром 3,5 дюйма величина цього параметра становить 400 Гбіт/дюйм2 .

В накопичувачах дані записуються у вигляді доріжок; кожна доріжка, в свою чергу, складається з секторів. (Рис. показаний магнітний диск 5,25-дюймової дискети на 360 Кбайт, що складається з 40 доріжок на кожній стороні, при цьому кожна доріжка розділена на 9 секторів.)

На початку кожного сектора знаходиться особлива область, в яку записуються ідентифікаційна та адресна інформація. В області перед першим сектором записуються заголовки доріжки і сектора. Перед іншими секторами записуються лише заголовки сектора. Область між заголовками призначена безпосередньо для запису даних.

Зверніть увагу на те, що сектор 9 довший всіх інших. Це зроблено для того, щоб компенсувати відмінності в швидкості обертання різних накопичувачів. Велика частина поверхні розглянутої дискети не використовується з метою зменшення різниці в довжині зовнішніх і внутрішніх секторів.

Поверхнева щільність запису неухильно збільшується. При появі першого пристрою магнітного зберігання даних IBM RAMAC в 1956 році зростання поверхневої щільності запису сягало 25% на рік, а з початку 1990-х років – 60%. Розробка та впровадження магніторезистивних (1991) і гігантських магніторезистивних (1997) головок, а також накопичувачів, що використовують антиферомагнітні подвійні шари (2001), ще більше прискорили збільшення поверхневої щільності запису, аж до 100% на рік. За п’ятдесят років, що минули з моменту появи перших пристроїв магнітного зберігання даних, поверхнева щільність запису підвищилася більш ніж в 200 млн. Разів: з 2 Кбіт / дюйм (RAMАС, 5 Мбайт на 50 пластинах діаметром 24 дюйми) до 400 Гбіт / дюйм у накопичувачів об’ємом 2 Тбайт, представлених в 2009 році.

Сучасні пристрої використовують технологію перпендикулярного запису, взявши на озброєння те, що раніше вважалося точкою, в якій виникає суперпарамагнітний ефект. Це ефект, при якому магнітні домени настільки малі, що стають нестабільними при кімнатній температурі. Технології, подібні технологіям перпендикулярного запису, в поєднанні з носіями з гранично високою коерцітивністю здатні забезпечити в недалекому майбутньому збільшення поверхневої щільності запису магнітних дисків до 1000 Гбіт/дюйм2 і більше. Крім того, вчені та інженери знаходяться в постійному пошуку нових технологій. Однією з таких технологій майбутнього є диски, частинки в яких побудовані в бітовий масив. Таким чином, домени можна буде розташувати більш щільно без їх впливу один на одного. Ще однією можливою технологією майбутнього можна назвати голографію; при цьому дані в об’ємному кристалі буде записувати і зчитувати лазер.

Подальше підвищення поверхневої щільності запису пов’язано зі створенням нових типів носіїв (з використанням некристалічних склоподібних матеріалів) та конструкцій головок, із застосуванням методу псевдоконтактного запису, а також більш досконалих методів обробки сигналів. Для досягнення більш високого рівня поверхневої щільності необхідно створити такі головки і диски, які могли б функціонувати при мінімальному зазорі між ними.

Щоб збільшити кількість даних, які можна помістити на жорсткому диску певного розміру, необхідно зменшити відстань між доріжками і підвищити точність позиціонування головки читання/запису по відношенню до доріжок носія. Це означає також, що із збільшенням ємності жорсткого диска відстань між головкою і поверхнею носія під час операцій читання/запису має зменшуватися. В деяких накопичувачах зазор між головкою і поверхнею жорсткого диска вже не перевищує 10 нм (0,01 мкм), що приблизно відповідає товщині клітинної мембрани. (Для порівняння: товщина людської волосини в середньому дорівнює 80 мкм, що в 8000 разів більше величини зазору між головкою читання/запису і поверхнею носія в деяких накопичувачах.) У перспективі подальше підвищення поверхневої щільності майбутніх накопичувачів можливо тільки при контактному запису даних.

3. Перпендикулярний магнітний запис

Практично всі жорсткі диски і накопичувачі на магнітних носіях записують дані, застосовуючи алгоритми поздовжнього запису; при цьому магнітні домени розташовуються вздовж поверхні носія. Однак у випадку перпендикулярного запису ситуація кардинально змінюється: магнітні домени розташовуються вертикально, тобто перпендикулярно поверхні носія. Завдяки цьому стає можливим збільшення щільності запису, оскільки при вертикальній орієнтації домени займають набагато меншу поверхню, ніж при горизонтальній. В даний час всі провідні виробники жорстких дисків займаються розробкою продуктів з перпендикулярним записом, так як це дозволяє збільшити щільність сигналу ще більше, ніж при використанні носіїв на основі «пилку ельфів» AFC.

При використанні традиційних методів магнітного запису магнітні домени розташовуються уздовж поверхні пластини. Це не тільки накладає обмеження на щільність розміщення доменів, а й призводить до прояву так званого суперпарамагнітного ефекту, при якому окремі домени, будучи розташованими занадто близько один до іншого, починають чинити вплив один на одного; це призводить до можливої зміни полярності домену, а значить, і до нестабільності. Досить давно дослідники дійшли висновку, що, якщо вдасться розташувати домени перпендикулярно поверхні носія (так званий вертикальний запис), можна буде не тільки збільшити щільність запису, але і значно збільшити «опірність» доменів суперпарамагнітного ефекту. І хоча основна концепція була розроблена досить давно, практична реалізація виявилася вкрай складним завданням.

На відміну від головок GMR і носіїв AFC (які можна використовувати і в рамках існуючих технологій виробництва накопичувачів) перпендикулярний запис вимагає застосування головок читання/запису абсолютно іншої конструкції. (Різниця між перпендикулярним і поздовжнім записом показано на рис.). Перпендикулярний запис дозволяє збільшити щільність розміщення доменів мінімум в два рази

При перпендикулярному запису головки конструюються таким чином, щоб запис здійснювався «всередині» носія. Для цього використовується товстий внутрішній магнітний шар, який наче «відображає» частину магнітного поля. Це дозволяє доменам розташовуватися вертикально, а значить, збільшується щільність їх розміщення без небажаної взаємодії. Перпендикулярний запис був вперше продемонстрована в кінці XIX століття датським вченим Вольдемаром Паульсеном, який, крім усього іншого, продемонстрував можливість магнітного запису звуку. Після цього у розвитку перпендикулярного запису не було особливого прогресу, поки в 1976 році професор Шунічі Івасакі не довів переваги перпендикулярного магнітного запису. Потім в 1978 році професор Т. Фудзівара, виконавши чималий обсяг робіт у рамках досліджень, фінансованих компанією Toshiba Corporation, представив дискету, оптимізовану під перпендикулярну запис.

Єдиним пристроєм, в якому використовувалася ця технологія, був недовговічний накопичувач на 2,88-дюймових гнучких магнітних дисках, представлений компанією Toshiba в 1989 році. Починаючи з 1991 року цей накопичувач став використовуватися в системах IBM PS/2; цілий ряд виробників почали випуск подібних накопичувачів для IBM та інших виробників ПК, в тому числі Toshiba, Mitsubishi, Sony і Panasonic. Оскільки накопичувач 2,88 MB ED здатний працювати з звичайними 3,5-дюймовими дискетами 1,44 MB HD (так як розробники реалізували підтримку накопичувачів 2,88 MB в BIOS) і підтримка даних накопичувачів була реалізована в DOS 5.0 і пізніших версіях операційної системи, перехід до дискет ємністю 2,88 Мбайт виявився досить простим завданням. На жаль, внаслідок високої вартості накопичувачів і відносно невеликому збільшенню ємності до того моменту, як на зміну класичним дискетам прийшли компакт-диски, дані накопичувачі не отримали якогось серйозного розповсюдження.

Незважаючи на відсутність комерційного успіху накопичувачів 2,88 MB ED компанія Toshiba, а також деякі інші компанії продовжували розробку алгоритмів перпендикулярного магнітного запису для інших накопичувачів, особливо для жорстких дисків. Та виявилося, що технологія перпендикулярного запису випередила свій час в області жорстких дисків, де міцно закріпилися існуючі технології і збільшення щільності запису і так йшло семимильними кроками. Знадобилося понад двадцять років, поки ці технології не досягли межі 1 Гбіт/дюйм2 , за яким їх безжально наздоганяв ефект парамагнетизму, що і призвело до повернення на сцену технології перпендикулярного запису.

Перпендикулярний запис був вперше представлений в комерційно доступних продуктах (накопичувачах на жорстких магнітних дисках) 16 серпня 2005 року, коли підрозділ Storage Device Division компанії Toshiba анонсував початок поставок першого в світі жорсткого диска з перпендикулярної записом. Подібні накопичувачі у формфакторі 1,8 дюйма знайшли застосування переважно в портативних пристроях, таких як мультимедійні плеєри Apple iPod, проте використовувалися вони і в мініатюрних портативних комп’ютерах, наприклад в серії Toshiba Libretto. Першими накопичувачами у формфакторі 1,8 дюйма з використанням перпендикулярного запису виявилися диски ємністю 8 40 і 80 Гбайт (вони містили відповідно одну і дві пластини). Дані накопичувачі характеризувалися найвищим на той момент значенням поверхневої щільності запису - 133 Гбіт / дюйм (206 Мбіт / мм).

У червні 2006 року компанія Toshiba представила диск ємністю 250 Гбайт у формфакторі 2,5 дюйма товщиною 9,5 мм і вагою всього 98 грамів. Це стало найвищим досягненням за всю історію 2,5-дюймових жорстких дисків. До того ж цей диск досяг найвищої щільності запису серед дисків масової серії - 178,8 Гбіт / дюйм2. До жовтня 2006 року Toshiba випустила вже близько мільйона пристроїв, що використовують технологію перпендикулярного запису.

У квітні 2006 року Seagate представила диск Barracuda 7200.10, який одночасно став першим диском ємністю 750 Гбайт і першим диском у формфакторі 3,5 дюйма, що використовує технологію перпендикулярного запису. Компанія Seagate також продемонструвала щільність запису 245 Гбіт / дюйм при швидкості передачі даних 480 Мбіт / с і оголосила, що в найближчому майбутньому планує досягти вдвічі більшої щільності запису і відповідно вп’ятеро більшої ємності своїх дисків. Так, при поверхневій щільності запису 500 Гбіт/дюйм2 диск у формфакторі 3,5 дюйма зможе зберігати 2 Тбайт даних, а диск у формфакторі 2,5 дюйма, призначений для ноутбуків, 500 Гбайт; при цьому однодюймовий диск Microdrive зможе зберігати 50 Гбайт даних.

Очікується, що в майбутньому всі виробники жорстких дисків перейдуть на технологію перпендикулярного запису, що продовжить тенденцію до підвищення ємності жорстких дисків.

Контрольні запитання

1. Що означає вимірювання ємності накопичувача?

2. Що таке поверхнева щільність запису

3. Охарактеризуйте перпендикулярний магнітний запис.