Магниторезистивный эффект (магнетосопротивление) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением.
Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает этот эффект и вещество переходит в нормальное состояние, в котором наблюдается сопротивление. В нормальных металлах эффект магнетосопротивления выражен слабее. В полупроводниках относительное изменение сопротивления может быть в 100—10 000 раз больше, чем в металлах, и может достигать сотен тысяч процентов.
Магнетосопротивление вещества зависит и от ориентации образца относительно магнитного поля. Это связано с тем, что магнитное поле не изменяет проекцию скорости частиц на направление магнитного поля, но благодаря силе Лоренца закручивает траектории в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Это объясняет, почему поперечное поле действует сильнее продольного. На основе магниторезистивного эффекта создают датчики магнитного поля.
Качественно понять это явление можно, если рассмотреть траектории положительно заряженных частиц (например, дырок) в магнитном поле. Пусть через образец проходит ток j вдоль оси X. Частицы обладают тепловой скоростью или, если дырочный газ вырожден, то средняя скорость частиц равна фермиевской скорости (скорости частиц на уровне Ферми), которые должны быть много больше скорости их направленного движения (дрейфа). Без магнитного поля носители заряда движутся прямолинейно между двумя столкновениями.
Во внешнем магнитном поле B (перпендикулярном току) траектория будет представлять собой в неограниченном образце участок циклоиды длиной l (длина свободного пробега), и за время свободного пробега (время между двумя столкновениями) вдоль поля E частица пройдет путь меньший, чем l.
Поскольку за время свободного пробега τ частица проходит меньший путь вдоль поля E, то это равносильно уменьшению дрейфовой скорости, или подвижности, а тем самым и проводимости дырочного газа, то есть сопротивление должно возрастать. Разницу между сопротивлением при конечном магнитном поле и сопротивлением в отсутствие магнитного поля принято называть магнетосопротивлением.
Современные магнитные считывающие головки
Магнитные считывающие головки на своем входе всегда имеют дело с сигналами, информацией, закодированными в виде переменного магнитного поля на поверхности носителя.
В течение длительного времени в считывающих головках, как и в записывающих, применяли принцип магнитной индукции, и головки были индуктивными. Но, начиная с 90-х годов ХХ ст., для считывания все шире применяют магниторезистивные головки, которые стали меньше, чувствительнее, надёжней.
На рисунке показаны изображения современной магнитной считывающей головки, созданной японской фирмой NEC на основе так называемого «гигантского магниторезистивного эффекта» (ЭМР) для сверхбыстрой и сверхбольшой магнитной памяти. Изображения получены при помощи сканирующего электронного микроскопа: слева – вид головки сверху, справа – вид под углом 30°. Размер головки, изготовленной с применением нанолитографии, – около 200 нм.
Магнитное поле измеряется в головке 4-зондовым методом. На 2 зонда, контактирующих с поверхностью полупроводникового магниторезистора, подается напряжение, а с двух других снимается электрический ток. На снимках хорошо видны золотые электроды 1, 2, 3, 4, ведущие к зондам. Чувствительность головки составляет порядка 150 Ом/Тл. Она может обеспечивать считывание информации, записанной с плотностью выше 100 Гб/дюйм2. Разработчики указывают на возможность достижения плотности записи даже свыше 1015 бит/дюйм2.
Метод перпендикулярной записи
Метод перпендикулярной записи — это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита.
При поперечной магнитной записи векторы намагниченности ориентируются поперек дорожки записи. Преимущества такой записи перед продольной:
- получение чрезвычайно узкой, субмикронной ширины дорожки;
- получение высокой поперечной плотности записи информации;
- распределение намагниченности в рабочем слое чрезвычайно стабильно, что обусловлено довольно слабым размагничивающим полем;
поперечная запись
Правда, поскольку возникающий при записи в области перемагничивания магнитный поток замыкается преимущественно в рабочем слое носителя, в пространстве, окружающем переход намагниченности, возникает чрезвычайно слабый магнитный поток поля рассеяния. А это, естественно, затрудняет регистрацию перехода при воспроизведении информации.
Метод продольной записи
продольная запись
На рисунке схематично изображена работа записывающей и считывающей головок в системе продольной записи. Запись производится индуктивным путем подачей токового импульса в обмотку записи за счет рассеянного поля в зазоре якоря головки. Считывание происходит за счет рассеянного поля на границе битов. При этом используется либо магниторезистивный эффект (MR), либо эффект гигантского магнитного сопротивления (GMR). Влияние рассеянного поля соседних битов и внешних помех ослабляется магнитным экраном.
Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. При этом вектор намагниченности домена расположен продольно, т.е. параллельно поверхности диска. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.
В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.
Поверхностная плотность записи
Она определяется как произведение линейной плотности записи вдоль дорожки, выражаемой в битах на дюйм (Bits Per Inch — BPI), и количества дорожек на дюйм (Tracks Per Inch — TPI). В результате поверхностная плотность записи выражается в Мбит/дюйм2 или Гбит/дюйм2.
После появления первого устройства магнитного хранения данных (IBM RAMAC) рост поверхностной плотности записи достигал 25 % в год, а с начала 1990-х — 60 процентов.
Разработка и внедрение магниторезистивных (1991 года ) и гигантских магниторезистивных (1997 года) головок еще больше ускорили увеличение поверхностной плотности записи. За 45 лет, прошедших с момента появления первых устройств магнитного хранения данных, поверхностная плотность записи выросла более чем в 5 миллионов раз.
Плотность записи. Данные на осень 2010 года
В 2010 году Samsung выпускает жесткий диск с пластинами, у которых плотность записи — 667 Гб на одной пластине. Это дает возможность собрать 2-ТБ диск на трех пластинах или 3-ТБ диск на пяти.
Вполне логично было использовать пластины не только в простых быстрых дисках, но и в зеленых, где рост плотности записи на пластины позволил уменьшить их число до трех. Четырехпластиный дизайн – это хорошо, но три пластины меньше греются, проще балансируются, меньше стоят.
В дисках используются 4-кБ физические сектора, с эмуляцией 512-байтных секторов. То есть перед нами аналог технологии Advaanced Format компании Western Digital. Кроме того, 667-ГБ пластины есть и у быстрого 320-ГБ диска, но у него никаких таких 4-кБ секторов не заявлено.
Samsung Ecogreen F4: HD204UI – 2 ТБ
Позже появятся и еще более вместительные устройства, информационная емкость которых будет увеличена еще на 30% — до 1 Тб на одну магнитную пластину.
Однако и это еще не все. Спустя всего лишь двенадцать месяцев прогнозируется освоение очередного значительного рубежа – записи информации с плотностью до 1,2 Тбит на квадратный дюйм. Ориентировочно произойдет это на рубеже 2011 и 2012 годов, а затем появятся еще более емкие устройства, позволяющие записывать уже до 2,4 Тбит на квадратный дюйм.
Столь впечатляющие успехи разработчики добьются при работе в следующих направлениях: улучшение характеристики самих магнитных пластин, усовершенствование магнитных головок чтения/записи данных, усовершенствование технологии контроля магнитных головок. В качестве основных направлений развития винчестеров указываются: переход на новую технологию магнитной записи с использованием местного нагрева, технологии записи информации с применением микроволнового излучения; планируется также осуществление перехода на использование нового типа головок чтения/записи данных.
Проблемы и перспективы развития магнитной памяти. Конкуренты. Достоинства и недостатки
Перспективы развития новых методов записи и предполагаемые физические ограничения отражены на рисунке. Видно, что физические ограничения перпендикулярной записи ожидаются уже через два-три года и на смену этому типу записи должны прийти структурированные носители и термоассистируемая магнитная память. Следует отметить, что на приведенном рисунке не отражены перспективы развития альтернативных методов хранения данных (флэш, голографическая), которые в обозримое время (5-10 лет) могут составить серьезную конкуренцию магнитным носителям для огромного круга устройств вычислительной техники.
Анализируя текущее состояние технологий перпендикулярной записи на магнитные диски, некоторые производители приходят к выводу, что срок развития отрасли в этом направлении может быть увеличен на пять лет по сравнению с приведенными выше оценками. Пересмотр прогнозов, в первую очередь, связывается с совершенствованием характеристик магнитных поверхностей.
Таким образом, как предполагается теперь, производители жестких дисков получат возможность отсрочить сложный и дорогостоящий переход к альтернативным технологиям записи до 2015 года. Если год-два назад предполагалось, что пределом для технологии перпендикулярной записи станет плотность около 500 Гбит на квадратный дюйм, то сейчас ведущие производители, включая Seagate, Western Digital и Hitachi, высказываются за то, что, вероятно, по мере совершенствования магнитных поверхностей получится довести плотность записи до 1 Тбит на квадратный дюйм.
Говоря о современных жестких дисках, нельзя не коснуться вопроса о конкуренции магнитных носителей и флэш-памяти (которая уже сегодня наблюдается в ряде продуктовых сегментов, например, среди MP3-плееров). Производители жестких дисков всячески открещиваются от конкуренции, говоря, скорее, о сосуществовании и даже об интеграции обеих технологий в так называемых гибридных винчестерах. Подобные устройства используют магнитную технологию для хранения больших массивов информации, а флэш-память применяется для наиболее часто используемых данных (в частности, модулей операционной системы).
По всей видимости, через несколько лет «чистых» жестких дисков практически не останется — их место займут «гибридные» накопители. Было бы наивно полагать, что в ближайшем будущем удельная стоимость флэш-памяти приблизится к показателям магнитных носителей. Вместе с тем возникает вопрос — а требуются ли конечным пользователям те объемы информации, которые способны хранить будущие винчестеры? Конечно, количество и качество цифрового контента растет, но ведь растут и скорости доступа в Интернет. Сейчас нетрудно представить ситуацию, когда весь контент будет расположен в централизованных интернет-хранилищах, а конечные пользователи станут пользоваться им оттуда, даже не скачивая. И далеко не факт, что этим пользователям понадобится винчестер, ведь с функциями загрузки системы и редактирования личных данных вполне справится более производительная и экономичная флэш-память. Такое положение вещей можно наблюдать уже сегодня в так называемых домовых сетях.
Подобные тезисы можно услышать и от руководителей ведущих IT-компаний. Например, во время своего визита в Москву руководитель Microsoft Билл Гейтс рассказывал о перспективах создания дешевого универсального устройства, предназначенного, прежде всего, для активной работы в Сети. Похожий проект есть и у компании AMD — Personal Internet Communicator. Такие устройства вряд ли будут обладать большим объемом дисковой памяти просто потому, что они в ней совершенно не нуждаются. Впрочем, даже если IT-отрасль пойдет по этому пути развития, винчестеры все равно останутся — они будут присутствовать хотя бы в тех самых централизованных хранилищах контента. Здесь у жестких дисков пока нет разумной альтернативы: флэш-память не обеспечивает должного объема, а лента, соответственно — скорости.
Заключение
Таким образом, наиболее вероятно то, что в ближайшие несколько лет в индустрии жестких дисков ожидаются более существенные технологические изменения, чем за весь пятидесятилетний период ее существования. Сейчас трудно сказать, насколько точными окажутся прогнозы, однако совершенно ясно другое — технологические изменения неизбежно приведут к изменениям рыночной ситуации.
Более подробная информация по данной теме:
www.intuit.ru/department/hardware/intsensors/12/2.html
ru.wikipedia.org/wiki/Магнетосопротивление
www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/hdd/29827
danp.sinp.msu.ru/MagNanoS/L14.pdf
citforum.ru/hardware/data/hdd_industry/