Главная страницаОбратная связьКарта сайта

Поверхностная плотность записи

Основной критерий оценки накопителей на жестких дисках — поверхностная плотность записи (рис. 8.11). 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 измеряется в Мбит/дюйм2 или Гбит/дюйм2. На основании этого значения можно сделать вывод об эффективности того или иного способа записи данных. В современных накопителях размером 3,5 дюйма величина этого параметра составляет 148 Гбит/дюйм2 (Hitachi 7K1000 емкостью 1 Тбайт), а в накопителях с формфактором 2,5 дюйма достигает 205 Гбит/дюйм2 (Hitachi 5K250 емкостью 250 Гбайт) и более. Существуют прототипы устройств, которые в ближайшие пару лет позволят вдвое повысить емкость дисковых устройств.


В накопителях данные записываются в виде дорожек; каждая дорожка, в свою очередь, состоит из секторов. На рис. 8.12 показан магнитный диск 5,25-дюймовой дискеты на 360 Кбайт, состоящий из 40 дорожек на каждой стороне, при этом каждая дорожка разделена на 9 секторов. В начале каждого сектора находится особая область, в которую записываются идентификационная и адресная информация. В области перед первым сектором записываются заголовки дорожки и сектора. Перед остальными секторами записываются лишь заголовки сектора. Область между заголовками предназначена непосредственно для записи данных.




Рис. 8.12. Схема магнитного носителя 5,25-дюймовой дискеты на 360 Кбайт

Обратите внимание, что сектор 9 длиннее всех остальных. Это сделано для того, чтобы компенсировать отличия в скорости вращения различных накопителей. Большая часть поверхности рассматриваемой дискеты не используется с целью уменьшения разницы в длине внешних и внутренних секторов.

Поверхностная плотность записи неуклонно увеличивается. При появлении первого устройства магнитного хранения данных IBM RAMAC в 1956 году рост поверхностной плотности записи достигал 25% в год, а с начала 1990-х годов — 60%. Разработка и внедрение магни-торезистивных (1991) и гигантских магниторезистивных (1997) головок, а также накопителей, использующих антиферромагнитные двойные слои (2001) (см. следующий раздел), еще больше ускорили увеличение поверхностной плотности записи, вплоть до 100% в год. За 50 лет, прошедших с момента появления первых устройств магнитного хранения данных, поверхностная плотность записи повысилась более чем в 17 млн. раз: с 2 Кбит/дюйм2 (RAMAC, 5 Мбайт на 50 пластинах диаметром 24 дюйма) до 205 Гбит/дюйм2 (Hitachi 5K250, 250 Гбайт на 2 пластинах диаметром 2,5 дюйма).

Современные устройства используют технологию перпендикулярной записи, взяв на вооружение то, что раньше считалось точкой, в которой возникает суперпарамагнитный эффект. Это эффект, при котором магнитные домены настолько малы, что становятся нестабильными при комнатной температуре. Технологии, подобные технологии перпендикулярной записи, в сочетании с носителями с предельно высокой коэрцитивностью способны обеспечить в недалеком будущем увеличение поверхностной плотности записи магнитных дисков до 1000 Гбит/дюйм2 и более. Кроме того, ученые и инженеры находятся в постоянном поиске новых технологий. Одной из таких технологий будущего являются диски, частицы в которых выстроены в битовый массив. Таким образом, домены можно будет расположить более плотно без их влияния друг на друга. Еще одной возможной технологией будущего можно назвать голографию; при этом данные в объемном кристалле будет записывать и считывать лазер.

На рис. 8.13 представлен график увеличения поверхностной плотности записи устройств магнитного хранения данных с момента их первого появления до настоящего времени.




Рис. 8.13. Эволюция поверхностной плотности записи устройств магнитного хранения данных
Дальнейшее повышение поверхностной плотности записи связано с созданием новых типов носителей (с использованием некристаллических стекловидных материалов) и конструкций головок, с применением метода псевдоконтактной записи, а также более совершенных методов обработки сигналов. Для достижения более высокого уровня поверхностной плотности необходимо создать такие головки и диски, которые могли бы функционировать при минимальном зазоре между ними.

Чтобы увеличить количество данных, которые можно поместить на жестком диске определенного размера, необходимо уменьшить расстояние между дорожками и повысить точность позиционирования головки чтения/записи по отношению к дорожкам носителя. Это означает также, что с увеличением емкости жесткого диска расстояние между головкой и поверхностью носителя во время операций чтения/записи должно уменьшаться. В некоторых накопителях зазор между головкой и поверхностью жесткого диска уже не превышает 10 нм (0,01 микрона), что примерно соответствует толщине клеточной мембраны. Для сравнения: толщина человеческого волоса в среднем равна 80 микрон, что в 8000 раз больше величины зазора между головкой чтения/записи и поверхностью носителя в некоторых накопителях. В перспективе дальнейшее повышение поверхностной плотности будущих накопителей возможно только при контактной (или почти контактной) записи данных.

Повышение плотности записи с помощью AFC

В 1990 году специалисты компании IBM обнаружили, что металлический рутений является наиболее эффективным немагнитным материалом, который может использоваться в качестве промежуточного слоя в различных устройствах, например в гигантских магниторези-стивных головках. Тем не менее прошло более 10 лет, прежде чем это открытие было исполь­зовано для повышения плотности размещения информации в дисковых накопителях, что позволило увеличить плотность записи жестких дисков.

В мае 2001 года компания IBM начала выпуск серии портативных компьютеров с 2,5-дюймовыми жесткими дисками Travelstar, созданными по технологии AFC. В ноябре 2001 года были представлены накопители Deskstar GXP емкостью 80 и 120 Гбайт, созданные по той же технологии.

Благодаря тончайшему (толщиной в три атома) слою рутения, который использовался для разделения магнитных слоев, находящихся с обеих сторон каждого жесткого диска, плотность записи данных повысилась до 25 Гбит/дюйм2. Жесткие диски, используемые в обычных накопителях, имеют только один магнитный слой. Носители, в которых используется слой металлического рутения, или, говоря техническом языком, носители с антиферромагнитными двойными слоями (AFC), получили шуточное название пыльца эльфов (pixie dust”). В настоящее время IBM использует носители AFC в накопителях портативных, настольных и серверных компьютеров. Помимо этого, лицензию на выпуск носителей AFC приобрели другие компании, выпускающие накопители и жесткие диски.

Разработка носителей AFC связана с тем, что дальнейшее повышение плотности информации в магнитных запоминающих устройствах возможно только при уменьшении размеров магнитных доменов жесткого диска. Тем не менее чрезмерное уменьшение размеров этих областей может вызвать так называемый суперпарамагнитного эффекта, который заключается в постепенном размагничивании магнитных областей.

Тонкий слой рутения, расположенный между двумя магнитными слоями, позволяет направить магнитные частицы этих слоев в противоположные по отношению друг к другу стороны. Трехслойная конструкция отличается от традиционного магнитного слоя большей физической толщиной, но несмотря на это противоположная магнитная ориентация слоев позволяет носителям функционировать как одинарный слой со значительно меньшей общей толщиной. В результате головки чтения/записи накопителей получают возможность записывать меньшие сигналы высокой плотности, тем самым увеличивая емкость запоминающих устройств данного размера без риска ухудшить сигнал. На рис. 8.14 показаны обычный однослойный носитель и жесткий диск, созданный по технологии AFC.

Увеличение плотности записи в гигантских магниторезистивных головках (GMR) достигается за счет использования двух магнитных слоев, разделенных тонким проводящим слоем. В носителях AFC используется тот же принцип. В сущности, носители этого типа представляют собой пример использования принципов, относящихся к магниторезистивным головкам чтения/записи, для развития записывающих слоев запоминающих устройств. Предполагается, что со временем емкость запоминающих устройств на носителях AFC увеличится в четыре раза, что позволит создать накопители с плотностью записи до 100 Гбит/дюйм2.

Перпендикулярная магнитная запись


Практически все жесткие диски и накопители на магнитных носителях записывают данные, применяя алгоритмы продольной записи; при этом магнитные домены располагаются вдоль поверхности носителя. Однако в случае перпендикулярной записи ситуация кардинально меняется: магнитные домены располагаются вертикально, т.е. перпендикулярно поверхности носителя. Благодаря этому становится возможным увеличение плотности записи, поскольку при вертикальной ориентации домены занимают гораздо меньшую поверхность, чем при горизонтальной (рис. 8.15). В настоящее время все ведущие производители жестких дисков занимаются разработкой продуктов с перпендикулярной записью, так как это позволяет увеличить плотность сигнала еще больше, чем при использовании носителей на основе пыльцы эльфов” AFC.



Гигантская магниторезистивная
Магнитные частицы на поверхности     головка чтения/записи обычного носителя
При использовании традиционных методов магнитной записи магнитные домены располагаются вдоль поверхности пластины. Это не только накладывает ограничения на плотность размещения доменов, но и приводит к проявлению так называемого суперпарамагнитного эффекта, при котором отдельные домены, будучи расположенными слишком близко один к другому, начинают оказывать влияние друг на друга; это приводит к возможному изменению полярности домена, а значит, и к нестабильности. Довольно давно исследователи пришли к выводу, что, если удастся расположить домены перпендикулярно поверхности носителя (так называемая вертикальная запись), можно будет не только увеличить плотность записи, но и значительно увеличить сопротивляемость” доменов суперпарамагнитному эффекту. И хотя основная концепция была разработана достаточно давно, практическая реализация оказалась крайне сложной задачей.

В отличие от головок GMR и носителей AFC (которые можно использовать и в рамках существующих технологий производства накопителей) перпендикулярная запись требует применения головок чтения/записи совершенно другой конструкции. Различие между перпендикулярной и продольной записью показано на рис. 8.15. Перпендикулярная запись позволяет увеличить плотность размещения доменов минимум в два раза.

При перпендикулярной записи головки конструируются таким образом, чтобы запись осуществлялась внутри” носителя. Для этого используется толстый внутренний магнитный слой, который как будто отражает” часть магнитного поля. Это позволяет доменам располагаться вертикально, а значит, увеличивается плотность их размещения без нежелательного взаимодействия.

Перпендикулярная запись была впервые продемонстрирована в конце XIX века датским ученым Вольдемаром Паульсеном, который, кроме всего прочего, продемонстрировал возможность магнитной записи звука. После этого в развитии перпендикулярной записи не было особого прогресса, пока в 1976 году профессор Шуничи Ивасаки не доказал преимущества перпендикулярной магнитной записи. Затем в 1978 году профессор Т. Фудзивара, выполнив немалый объем работ в рамках исследований, финансируемых компанией Toshiba Corporation, представил дискету, оптимизированную под перпендикулярную запись.

Единственным устройством, в котором использовалась эта технология, был недолговечный накопитель на 2,88-дюймовых гибких магнитных дисках, представленный компанией Toshiba в 1989 году. Начиная с 1991 года этот накопитель стал использоваться в системах IBM PS/2; целый ряд производителей начали выпуск подобных накопителей для IBM и других производителей ПК, в том числе Toshiba, Mitsubishi, Sony и Panasonic. Поскольку накопитель 2,88 MB ED способен работать с обычными 3,5-дюймовыми дискетами 1,44 MB HD (так как разработчики реализовали поддержку накопителей 2,88 MB в BIOS) и поддержка данных накопителей была реализована в DOS 5.0 и более поздних версиях операционной системы, переход к дискетам емкостью 2,88 Мбайт оказался довольно простой задачей. К сожалению, вследствие высокой стоимости накопителей и относительно небольшого увеличения емкости к тому моменту, как на смену классическим дискетам пришли компакт-диски, данные накопители не получили какого-либо серьезного распространения.

Несмотря на отсутствие коммерческого успеха накопителей 2,88 MB ED компания Toshiba, а также некоторые другие компании продолжали разработку алгоритмов перпендикулярной магнитной записи для других накопителей, особенно для жестких дисков. К сожалению, оказалось, что технология перпендикулярной записи опередила свое время в области жестких дисков, где прочно закрепились существующие технологии и увеличение плотности записи и так шло семимильными шагами. Потребовалось более двадцати лет, пока эти технологии не достигли предела 1 Гбит/дюйм2, за которым их безжалостно настигал эффект парамагнетизма, что и привело к возвращению на сцену технологии перпендикулярной записи.

В апреле 2002 года компания Read-Rite Corporation, основной производитель головок чтения/записи, сообщила о достижении плотности записи 130 Гбит/дюйм2 для прототипа накопителя на жестких магнитных дисках, созданного MMC Technology, подразделением компании Maxtor. В ноябре 2002 года компания Seagate Technology сообщила о достижении плотности записи свыше 100 Гбит/дюйм2 в прототипе накопителя на жестких магнитных дисках. В соответствии с результатами двух независимых исследований, опубликованных в 2000 году, при использовании перпендикулярной записи в будущем возможно достижение плотности записи до 500 или даже 1000 Гбит (1 Тбит) на квадратный дюйм.

Перпендикулярная запись была впервые представлена в коммерчески доступных продуктах (накопителях на жестких магнитных дисках) 16 августа 2005 года, когда подразделение Storage Device Division компании Toshiba анонсировало начало поставок первого в мире жесткого диска с перпендикулярной записью. Подобные накопители в формфакторе 1,8 дюйма нашли применение преимущественно в портативных устройствах, таких как мультимедийные плееры Apple iPod, однако использовались они и в миниатюрных портативных компьютерах, например в серии Toshiba Libretto. Первыми накопителями в формфакторе 1,8 дюйма с использованием перпендикулярной записи оказались диски емкостью 40 и 80 Гбайт (они содержали соответственно одну и две пластины). Данные накопители характеризовались высочайшим на тот момент значением поверхностной плотности записи — 133 Гбит/дюйм2 (206 Мбит/мм2).

В июне 2006 года компания Toshiba представила диск емкостью 250 Гбайт в формфакторе 2,5 дюйма толщиной 9,5 мм и весом всего 98 граммов. Это стало наивысшим достижением за всю историю 2,5-дюймовых жестких дисков. К тому же этот диск достиг наивысшей плотности записи среди дисков массовой серии — 178,8 Гбит/дюйм2. К октябрю 2006 года Toshiba выпустила уже около миллиона устройств, использующих технологию перпендикулярной записи.

Компания Seagate представила свой первый жесткий диск с перпендикулярной записью Momentus 5400.3 в формфакторе 2,5 дюйма емкостью 160 Гбайт, предназначенный для ноутбуков. Хотя компания Seagate анонсировала его еще в июне 2005 года, реально доступным он стал в первом квартале 2006 года. В апреле 2006 года Seagate представила диск Barracuda 7200.10, который одновременно стал первым диском емкостью 750 Гбайт и первым диском в формфакторе 3,5 дюйма, использующим технологию перпендикулярной записи. Компания Seagate также продемонстрировала плотность записи 245 Гбит/дюйм2 при скорости передачи данных 480 Мбит/с и объявила, что в ближайшем будущем планирует достичь вдвое большей плотности записи и, соответственно, впятеро большей емкости своих дисков. Так, при поверхностной плотности записи 500 Гбит/дюйм2 диск в формфакторе 3,5 дюйма сможет хранить 2 Тбайт данных, а диск в формфакторе 2,5 дюйма, предназначенный для ноутбуков, — 500 Гбайт; при этом однодюймовый диск Microdrive сможет хранить 50 Гбайт данных.

Другие производители также заняты разработкой накопителей с перпендикулярной записью. В апреле 2005 года компания Hitachi продемонстрировала перпендикулярную запись с плотностью 230 Гбит/дюйм2, что, по мнению компании, позволит ей к 2007 году выпустить накопитель Microdrive емкостью 20 Гбайт. Замечу, что накопители Microdrive используются преимущественно в портативных плеерах, таких как Apple iPod Mini, а также Muvo и Zen Micro компании Creative. В январе 2007 года компания Hitachi заметила, что за первые 35 лет существования индустрии дисков на магнитных носителях удалось пройти путь от 5 Мбайт до 1 Гбайт (1956–1991), за следующие 14 лет — достичь 500 Гбайт (1991–2005) и только два года потребовалось, чтобы удвоить последний результат (1 Тбайт в 2007 году). Эта статистика еще раз подтвердила правильность закона Мура, на этот раз в области магнитных носителей. Позже, в июне 2007 года, компания Hitachi представила 2,5-дюймовый диск 5K250 с невероятной поверхностной плотностью записи — 205 Гбит/дюйм2.

Ожидается, что в будущем все производители жестких дисков перейдут на технологию перпендикулярной записи, что продолжит тендекцию к повышению емкости жестких дисков.



Обсудить статью на форуме


Если прочитаная статья из нашей обширной энциклопедия компьютера - "Поверхностная плотность записи", оказалась полезной или интересной, Вы можете поставить закладку в социальной сети или в своём блоге на данную страницу:

Так же Вы можете задать вопрос по статье через форму обратной связи, в сообщение обязательно указывайте название или ссылку на статью!
   


Copyright © 2008 - 2017 Дискета.info