"Наноэлектронный" этап развития накопителей информации на магнитных дисках

Накопители информации на ферромагнитных дисках

В информатике ферромагнетики уже давно применяют в составе разнообразных сенсоров и устройств памяти. Устройства памяти на миниатюрных ферритовых кольцах в свое время были основным видом оперативной памяти вычислительных машин. Особенно успешными оказались накопители информации на жестких магнитных дисках. На долгом пути микроминиатюризации электронных устройств они почти всегда были лидерами. На графике роста плотности записи информации на магнитные диски на протяжении десятилетий ( рис. 10.4), начиная от первого такого накопителя (1956 г.), можно видеть, что указанная плотность за последние более чем 50 лет в среднем возрастала приблизительно вдвое за каждые 2 года. Однако происходило это не совсем равномерно.

В 1960 г. плотность записи составляла несколько десятков килобит/см², а в 1980 г. – уже порядка нескольких мегабит/см2. При переходе к "наноэлектронному" этапу развития элементной базы информатики наблюдалось некоторое замедление роста, что связано с изложенными ниже существенными проблемами. Чтобы объяснить их, рассмотрим детальнее всю организацию записи и считывания информации с магнитных дисков.

Информация на магнитных дисках сохраняется в форме двух альтернативных направлений намагниченности ("0" и "1") соответствующих областей магнитожесткой ферромагнитной пленки. Схема организации записи и считывания информации приведена на рис. 10.5. Диск (МД) с ферромагнитным покрытием закрепляется на шпинделе и начинает вращаться с большой скоростью ( рис. 10.5,а). Над ним "плавает" коромысло с установленной на нем крохотной магнитной головкой МГ. Коромысло легко вращается вокруг оси (ОК) с помощью сервопривода. Поверхность ферромагнитной пленки условно разбита на магнитные дорожки, концентрически расположенные относительно оси вращения диска. А каждая дорожка условно разделена на отдельные участки ("биты"). Их взаимное геометрическое расположение показано на рис. 10.5,б. Каждая дорожка имеет стандартную ширину (ШД – ширина дорожек) и отделена от соседних дорожек стандартными промежутками (ШП – ширина промежутков). Период расположения дорожек (ПРД) является одной из величин, определяющих плотность записи информации. Другой такой величиной является длина участков на дорожке, соответствующих отдельным битам.

Запись информации выполняется с помощью магнитной головки МГ ( рис. 10.5,в), полюса которой расположены непосредственно над поверхностью быстро движущейся (благодаря вращению диска) магнитной пленки. Магнитное поле МГ условно изображено силовыми линиями. В зависимости от направления тока в обмотке головки магнитное поле намагничивает область ферромагнетика, проходящую под ней, в том или ином направления. Это и предопределяет запись двоичных "0" или "1".

При считывании подвижный ферромагнетик под головкой создает между ее полюсами импульсное магнитное поле, в результате чего в обмотке МГ наводится ЭДС того или иного направления – в зависимости от направления намагниченности участка бита, проходящего в данный момент времени под полюсами головки.

Как видно из рис. 10.5,б, плотность записи информации на магнитном диске

где – период расположения магнитных дорожек, – длина участка на дорожке, которая выделена на каждый бит. Плотность записи информации принято выражать в единицах "бит/см²", хотя в англоязычной литературе по привычке чаще применяют "бит/дюйм²". Например, если период расположения магнитных дорожек = 0,1 см, а длина участка бита на дорожке = 0,05 см, то плотность записи информации составляет

Понятно, что ширина магнитной дорожки и участок каждого бита, не могут быть меньше размера "зерен" ферромагнетика. Поэтому с самого начала шел поиск таких технологий формирования и нанесения ферромагнитных слоев, которые бы обеспечивали их очень мелкозернистую структуру и оптимальную коэрцитивную силу. Последняя должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить надежное хранение информации даже в условиях воздействия на диск случайных внешних магнитных полей. А с другой стороны, от коэрцитивной силы зависит работа перемагничивания каждого бита и, следовательно, затраты энергии на запись информации и быстродействие записи. При плотности записи порядка 1 Мбит/см² оптимальная коэрцитивная сила оказалась равной 25-50 кА/м.

Проблемы, возникшие при переходе в нанометровый диапазон

Первым размером, перешедшим в нанометровый диапазон в процессе усовершенствования магнитных носителей информации, стала толщина ферромагнитных пленок. Вскоре в нанометровый диапазон удалось перевести и размеры зерен ферромагнетика в плоскости пленки.

Уменьшение размеров и зависело теперь от усовершенствования магнитных головок. Требовалось одновременно достигать:

а) уменьшения размеров магнитных полюсов головки; их ширина не должна превышать ширину магнитной дорожки, а расстояние между полюсами – длину участка отдельного бита;

б) уменьшения расстояния между полюсами и поверхностью ферромагнитной пленки; это расстояние должно быть меньше длины участка отдельного бита;

в) повышения точности позиционирования головок относительно магнитных дорожек; допустимое отклонение должно быть значительно меньше периода расположения дорожек;

г) повышения чувствительности считывания; ведь с уменьшением ширины и длины участка каждого бита уменьшается переменный магнитный поток при перемещении бита под головкой, а вместе с ним уменьшается и мощность магнитных сигналов;

д) повышения быстродействия электроники, обслуживающей запись и считывание; ведь при уменьшении размеров и сохранении скорости вращения магнитного диска количество актов записи и считывания в единицу времени возрастает.

Одновременное выполнение всех этих условий представляло на каждом шаге уменьшения размеров совсем не простую техническую проблему.