Сколько головок чтения записи используется в дисководе
Он магнитный. Он электрический. Он фотонный. Нет, речь не о новом супергеройском трио из Вселенной Marvel. Это всё про наши с вами драгоценные цифровые данные. Нам нужно хранить их в надежном и постоянном месте, чтобы была возможность заполучить, либо изменить наши файлы в мгновение ока. Забудьте о Железном Человеке и Торе — сегодняшний рассказ о накопителях!
Это одна из частей цикла статьей по компьютерному железу (подраздел накопителей). Я начал с конца, далее будут HDD и SSD.
Для хранения данных не требуется магнетизм или электрический заряд. Можно воспользоваться светом, если быть точней то его отражением. Хорошо, давайте скажем еще детальнее — это делается с использованием интерференции инфракрасных и видимых электромагнитных волн. Но, давайте не будем сильно переживать об этом!
В отличие от жестких дисков (HDD) и твердотельных накопителей (SSD) данные на оптическом приводе отделены от него (привод не хранит данные, а лишь считывает их с дисков).
Впервые, идея об использовании света и его отражении для хранения цифровых данных была запатентована американским физиком Джеймсом Расселом в 1970 году. Хоть его система уже не похожа на то, чем мы пользуемся сегодня, общая концепция сохранена.
Крупные компании, Sony и Phillips приняли работу Рассела к сведению и спустя долгую череду пререканий они лицензировали данную концепцию. Таким образом появились LaserDisc (1978) и Compact Disc (1982).
Последний, более известный как CD был одноразовым в плане хранения данных. Нельзя было удалить содержимое с диска и записать на него что-то новое. Только в 1987 году на рынке появился первый полностью перезаписываемый компакт-диск.
Через 8 лет мы получили улучшенную версию данного диска — Digital Versatile Disc (DVD), 4 года спустя они также стали перезаписываемые. В 2003 году появилась современная, оптическая система хранения данных — Blu-ray Disc (BD), а в 2008 году вышел Blu-ray Recordable Erasable (BD-RE).
Всё это конечно прекрасно, но как это работает? Давайте взглянем на перезаписываемый DVD, ниже:
Основным материалом для изготовления двух дисков толщиной 0,024 дюйма (0,6 мм) служит полимер (ПММА). На нижний слой наносится сверхтонкий слой металла (серебро, золото и др.), а на другой материал с фазовым переходом.
Отражательная способность данного вещества зависит от фазы в которой он находится. А она переключается между двумя состояниями за счет маленького лазера. Он нагревает материал, заставляя его тем самым изменить фазу. Рисунок из питов и лендов расположен вдоль спиральной дорожки, прям как на виниловой пластинке.
Пит (англ. pit) — углубление в поликарбонатной основе.
Ленд (англ. land) — промежутки между питами.
Когда диск вращается, этот же лазер работая на другой мощности используется для сканирования дорожки. Там, где луч попадает на пятно из питов и лендов, количество отраженного света определяет в каком состоянии находятся сохраненные данные 0 или 1.
Чем длиннее спиральная дорожка и чем ближе питы расположены друг к другу, тем больше данных вы можете поместить на диск; однако, чем меньше дорожки и питы, тем «меньше» должен быть лазерный луч.
На рисунке показано сравнение CD, DVD, Blu-ray (игнорируем HD-DVD…).
Мы видим тип электромагнитных волн, используемых лазером, ленды в спиральной дорожке и общий рисунок. Если цифры кажутся бессмысленны, то учтите факт, что CD используют инфракрасный лазер, DVD — красный, а для Blu-ray цвет фиолетовый. Не голубой. Очевидно же.
Чтобы максимально увеличить емкость накопителя используются различные ухищрения в сочетании с использованием разных лазеров, так как у всех 3 типов дисков одинаковый размер (с точки зрения диаметра). Например, производители добавляют дорожки с двух сторон и располагают их близко друг к другу (двухслойные диски). Ах и вот еще, куда же без сжатия данных.
В настоящее время максимальный предел данных для каждого типа (при условии, что используется только одна сторона):
- CD — 0,84 Гб
- DVD — 4,7 Гб
- BR — 100 Гб
Потому как, мы сравниваем разные системы по хранению данных, эти значения справедливы лишь для перезаписываемых дисков. И да, они конечно же отличаются от того что можно хранить на HDD и SSD. Зенит славы оптических накопителей уже прошел. USB флешки стали очень дешевыми (128 Гб за менее чем 20 долларов), а цифровые потоковые сервисы в бешенном темпе заменяют нам физические носители для фильмов, музыки и прочему.
Но мы тут, чтобы покопаться во внутренностях данных устройств, так что давайте закончим. Откроем DVD привод со старого ноутбука. Не стоит беспокоиться о подключении, так как используются аналогичные SATA кабели, что и для жестких дисков и твердотельных накопителей.
Кстати, общая компоновка оптического накопителя похожа на то, что мы видели в HDD от Seagate. По центру шпиндельный моторчик вращающий диск, также рычаг привода с головкой для чтения/записи для доступа к данным. Перевернув дисковод, картина станет более ясной.
Если HDD используют электромагнетизм для перемещения рычагов, то оптические приводы применяют шаговый двигатель, прикрепленный к свинцовому винту. На рисунке они расположены в правом нижнем углу, большая часть данной системы скрыта под соединительной полосой медного цвета.
Это рабочий конец устройства.
Здесь мы можем обнаружить пластиковый корпус, в котором находится лазерная система. Рядом с ним находятся два комплекта катушек из медной проволоки, которые используются для создания магнитного поля, чтобы лазерный блок был над поверхностью диска. И поскольку он не такой плоский, как диск в HDD, оптические приводы нуждаются в «подвеске». Это позволяет лазеру оставаться на нужной высоте.
Лазерный диод и датчики для чтения, записи и удаления данных с диска скрыты под линзой. У нас нет микроскопа, чтобы рассмотреть поближе, поэтому вот видео в помощь:
Оптические диски лучше всего использовать по типу «записал один раз, воспроизводишь много раз», но перезаписываемые диски это аналог USB накопителей. Очень медленный аналог. Вот данные с CrystalDiskMark. В нем тестировался перезаписываемый DVD диск с 4-кратной скоростью (максимальная скорость, поддерживаемая диском).
Задержка в чтении действительно ужасна, но запись не так уж и плоха. Не то чтобы мы стали рекомендовать оптические диски в качестве простых и быстрых накопителей — лучше использовать действительно реальные «вещи».
Немного грустно наблюдать за тем, как эта технология перестает эксплуатироваться. В смысле, там же лазеры, ради всего святого! Однако у них все же есть несколько преимуществ перед жесткими дисками и твердотельными накопителями.
Если вы используете оптические диски для однократной записи, то эти данные навсегда заблокированы. Их нельзя отредактировать, будь то случайно или со злым умыслом. И если они хранятся в прохладном, темном месте, то такие диски прослужат вам столько же, сколько и SSD. Сами носители довольно дешевые: упаковка из пятидесяти 25-гигабайтных дисков Blu-ray обойдется вам всего в 30 долларов. Общая емкость хранилища — 1,25 Тб!
Конечно, если у вас несколько терабайт данных, которые нужно сохранить, то поиск места для сотен дисков Blu-ray того не стоит. Вспоминается Windows 95 и дискеты…
Мы еще не изучили 3 типа накопителей для хранения данных: жесткий диск, твердотельный накопитель и оптический. И не разобрали их, посмотрели как они работают и оставили после себя беспорядок, все как обычно. Как и о скромных блоках питания, так и о них забываются сразу, как только они попадают внутрь компьютера, но они гораздо более увлекательны!
Каждый из них ощетинился нанометровыми технологиями, прецизионной инженерией и крутыми фразами вроде «фазового металлического сплава» или «квантово-механического магнетосопротивления». Да, забудьте о Звездном Лорде и Ракете. Накопители — реальные стражи нашей галактики. Оставайтесь с нами для получения дополнительных уроков анатомии.
Головки чтения / записи диска - это небольшие части дисковода, которые перемещаются над диском и преобразуют магнитное поле диска в электрический ток (чтение диска) или, наоборот, преобразуют электрический ток в магнитное поле (записывают диск). [1] За прошедшие годы головы претерпели ряд изменений.
Микрофотография головки жесткого диска. Размер лицевой стороны около 0,3 мм. Одной из функциональных частей головки является круглая оранжевая структура посередине - литографически определенная медная катушка преобразователя записи . Также обратите внимание на электрические соединения с помощью проводов, прикрепленных к позолоченным контактным площадкам.
Головка чтения-записи жесткого диска емкостью 3 ТБ, изготовленного в 2013 году. Темный прямоугольный компонент представляет собой ползунок и имеет длину 1,25 мм. Катушки головки чтения / записи находятся слева от слайдера. Поверхность диска движется мимо головы справа налево.
В жестком диске головки «летают» над поверхностью диска с зазором всего 3 нанометра . « Высота полета » постоянно уменьшается, чтобы обеспечить более высокую плотность посадки . Высота полета головки регулируется конструкцией воздушного подшипника, вытравленного на обращенной к диску поверхности ползуна . Роль воздушного подшипника заключается в поддержании постоянной высоты полета при движении головки по поверхности диска. Воздушные подшипники тщательно спроектированы так, чтобы поддерживать одинаковую высоту по всему диску, несмотря на разную скорость относительно расстояния от центра диска. [2] Если головка ударится о поверхность диска, это может привести к катастрофическому повреждению головки .
Индуктивные головки используют один и тот же элемент как для чтения, так и для записи.
Традиционная голова
Сами головки начинались так же, как головки в магнитофонах - простые устройства, сделанные из крошечного С-образного кусочка очень намагничивающегося материала, такого как пермаллой или феррит, намотанного на катушку из тонкой проволоки. При записи катушка находится под напряжением, в зазоре C образуется сильное магнитное поле , и поверхность записи, прилегающая к зазору, намагничивается. При чтении намагниченного материала вращаетса мимо головок, то Ферритовый сердечник концентрирует поле, а ток генерируется в катушке. В промежутке поле очень сильное и довольно узкое. Этот зазор примерно равен толщине магнитного носителя на записывающей поверхности. Промежуток определяет минимальный размер записываемой области на диске. Ферритовые головки имеют большие размеры и записывают довольно крупные элементы. Их также нужно летать довольно далеко от поверхности, что требует более сильных полей и больших голов. [3]
Металлические зазоры (MIG) головки
Головки с металлическим зазором ( MIG ) представляют собой ферритовые головки с небольшим куском металла в зазоре головки, который концентрирует поле. Это позволяет читать и записывать более мелкие функции. Головки МИГ были заменены на тонкопленочные . Тонкопленочные головки были электронно подобны ферритовым головкам и использовали ту же физику , но они были изготовлены с использованием фотолитографических процессов и тонких пленок материала, которые позволяли создавать мелкие детали.
Тонкопленочные головки
Впервые представленная в 1979 году на дисководе IBM 3370 , тонкопленочная технология использовала фотолитографические методы, аналогичные тем, которые использовались в полупроводниковых устройствах, для изготовления головок жестких дисков меньшего размера и большей точности, чем используемые в то время конструкции на основе феррита. Тонкие слои магнитных (Ni – Fe), изоляционных и медных материалов для проводки катушек построены на керамических подложках, которые затем физически разделяются на отдельные головки чтения / записи, интегрированные с их воздушным подшипником, что значительно снижает стоимость производства на единицу. [4] Тонкопленочные головки были намного меньше, чем головки MIG, и поэтому позволяли использовать меньшие записанные элементы. В 1995 году тонкие пленочные головки позволили 3,5-дюймовым дискам достичь емкости хранения 4 ГБ. Геометрия зазора между головками была компромиссом между тем, что лучше всего подходит для чтения, и тем, что лучше всего подходит для записи. [3]
Следующим усовершенствованием конструкции головки было отделение пишущего элемента от считывающего, что позволило оптимизировать тонкопленочный элемент для записи и отдельный элемент головки для чтения. Отдельный считывающий элемент использует магниторезистивный (MR) эффект, который изменяет сопротивление материала в присутствии магнитного поля. Эти магнитно-резонансные головки могут надежно считывать очень мелкие магнитные элементы, но не могут использоваться для создания сильного поля, используемого для записи. Термин AMR (анизотропный MR) используется, чтобы отличить его от более позднего усовершенствования технологии MR, названного GMR ( гигантское магнитосопротивление ) и TMR (туннельное магнитосопротивление).
Переход к носителю с перпендикулярной магнитной записью ( PMR ) имеет серьезные последствия для процесса записи и элемента записи в структуре головки, но в меньшей степени для датчика чтения MR в структуре головки. [5]
Главы AMR
Внедрение головки AMR в 1990 г. компанией IBM [6] привело к периоду быстрого увеличения плотности площади около 100% в год.
Головки GMR
В 1997 году GMR начали заменять гигантские магниторезистивные головки. [6]
С 1990-х годов был проведен ряд исследований эффектов колоссального магнитосопротивления (CMR), которые могут способствовать еще большему увеличению плотности. Но пока это не привело к практическому применению, поскольку требует низких температур и большого размера оборудования. [7] [8]
Руководители TMR
В 2004 году Seagate [6] представила первые диски с туннельными головками MR ( TMR ), позволяющие использовать диски емкостью 400 ГБ с 3 пластинами. Компания Seagate представила головки TMR со встроенными микроскопическими змеевиками нагревателя для управления формой области преобразователя в головке во время работы. Нагреватель может быть активирован до начала операции записи, чтобы гарантировать близость полюса записи к диску / носителю. Это улучшает записанные магнитные переходы, гарантируя, что поле записи головки полностью насыщает магнитный диск. Тот же подход с тепловым срабатыванием можно использовать для временного уменьшения расстояния между дисковым носителем и датчиком считывания во время процесса считывания, тем самым улучшая мощность сигнала и разрешение. К середине 2006 года другие производители начали использовать аналогичные подходы в своих продуктах.
Головки чтения / записи диска - это небольшие части дисковода, которые перемещаются над диском и преобразуют магнитное поле диска в электрический ток (чтение диска) или, наоборот, преобразуют электрический ток в магнитное поле (записывают диск). [1] За прошедшие годы головы претерпели ряд изменений.
Микрофотография головки жесткого диска. Размер лицевой стороны около 0,3 мм. Одной из функциональных частей головки является круглая оранжевая структура посередине - литографически определенная медная катушка преобразователя записи . Также обратите внимание на электрические соединения с помощью проводов, прикрепленных к позолоченным контактным площадкам.
Головка чтения-записи жесткого диска емкостью 3 ТБ, изготовленного в 2013 году. Темный прямоугольный компонент представляет собой ползунок и имеет длину 1,25 мм. Катушки головки чтения / записи находятся слева от слайдера. Поверхность диска движется мимо головы справа налево.
В жестком диске головки «летают» над поверхностью диска с зазором всего 3 нанометра . « Высота полета » постоянно уменьшается, чтобы обеспечить более высокую плотность посадки . Высота полета головки регулируется конструкцией воздушного подшипника, вытравленного на обращенной к диску поверхности ползуна . Роль воздушного подшипника заключается в поддержании постоянной высоты полета при движении головки по поверхности диска. Воздушные подшипники тщательно спроектированы так, чтобы поддерживать одинаковую высоту по всему диску, несмотря на разную скорость относительно расстояния от центра диска. [2] Если головка ударится о поверхность диска, это может привести к катастрофическому повреждению головки .
Индуктивные головки используют один и тот же элемент как для чтения, так и для записи.
Традиционная голова
Сами головки начинались так же, как головки в магнитофонах - простые устройства, сделанные из крошечного С-образного кусочка очень намагничивающегося материала, такого как пермаллой или феррит, намотанного на катушку из тонкой проволоки. При записи катушка находится под напряжением, в зазоре C образуется сильное магнитное поле , и поверхность записи, прилегающая к зазору, намагничивается. При чтении намагниченного материала вращаетса мимо головок, то Ферритовый сердечник концентрирует поле, а ток генерируется в катушке. В промежутке поле очень сильное и довольно узкое. Этот зазор примерно равен толщине магнитного носителя на записывающей поверхности. Промежуток определяет минимальный размер записываемой области на диске. Ферритовые головки имеют большие размеры и записывают довольно крупные элементы. Их также нужно летать довольно далеко от поверхности, что требует более сильных полей и больших голов. [3]
Металлические зазоры (MIG) головки
Головки с металлическим зазором ( MIG ) представляют собой ферритовые головки с небольшим куском металла в зазоре головки, который концентрирует поле. Это позволяет читать и записывать более мелкие функции. Головки МИГ были заменены на тонкопленочные . Тонкопленочные головки были электронно подобны ферритовым головкам и использовали ту же физику , но они были изготовлены с использованием фотолитографических процессов и тонких пленок материала, которые позволяли создавать мелкие детали.
Тонкопленочные головки
Впервые представленная в 1979 году на дисководе IBM 3370 , тонкопленочная технология использовала фотолитографические методы, аналогичные тем, которые использовались в полупроводниковых устройствах, для изготовления головок жестких дисков меньшего размера и большей точности, чем используемые в то время конструкции на основе феррита. Тонкие слои магнитных (Ni – Fe), изолирующих и медных материалов для проводки катушек построены на керамических подложках, которые затем физически разделяются на отдельные головки чтения / записи, интегрированные с их воздушным подшипником, что значительно снижает стоимость производства на единицу. [4] Тонкопленочные головки были намного меньше, чем головки MIG, и поэтому позволяли использовать меньшие записанные элементы. В 1995 году тонкие пленочные головки позволили 3,5-дюймовым дискам достичь емкости хранения 4 ГБ. Геометрия зазора головки была компромиссом между тем, что лучше всего подходит для чтения, и тем, что лучше всего подходит для записи. [3]
Следующим усовершенствованием конструкции головки было отделение пишущего элемента от считывающего, что позволило оптимизировать тонкопленочный элемент для записи и отдельный элемент головки для чтения. Отдельный считывающий элемент использует магниторезистивный (MR) эффект, который изменяет сопротивление материала в присутствии магнитного поля. Эти магнитно-резонансные головки могут надежно считывать очень мелкие магнитные элементы, но не могут использоваться для создания сильного поля, используемого для записи. Термин AMR (анизотропный MR) используется, чтобы отличить его от более позднего усовершенствования технологии MR, названного GMR ( гигантское магнитосопротивление ) и TMR (туннельное магнитосопротивление).
Переход к носителю с перпендикулярной магнитной записью ( PMR ) имеет серьезные последствия для процесса записи и элемента записи в структуре головки, но в меньшей степени для датчика чтения MR в структуре головки. [5]
Главы AMR
Внедрение головки AMR в 1990 г. компанией IBM [6] привело к периоду быстрого увеличения плотности площади около 100% в год.
Головки GMR
В 1997 году GMR начали заменять гигантские магниторезистивные головки. [6]
С 1990-х годов был проведен ряд исследований эффектов колоссального магнитосопротивления (CMR), которые могут способствовать еще большему увеличению плотности. Но пока это не привело к практическому применению, поскольку требует низких температур и большого размера оборудования. [7] [8]
Руководители TMR
В 2004 году Seagate [6] представила первые диски с туннельными головками MR ( TMR ), позволяющие использовать диски емкостью 400 ГБ с 3 пластинами. Компания Seagate представила головки TMR со встроенными микроскопическими змеевиками нагревателя для управления формой области преобразователя в головке во время работы. Нагреватель может быть активирован до начала операции записи, чтобы гарантировать близость полюса записи к диску / носителю. Это улучшает записанные магнитные переходы, гарантируя, что поле записи головки полностью насыщает магнитный диск. Тот же подход с тепловым срабатыванием можно использовать для временного уменьшения расстояния между дисковым носителем и датчиком считывания во время процесса считывания, тем самым улучшая мощность сигнала и разрешение. К середине 2006 года другие производители начали использовать аналогичные подходы в своих продуктах.
Головки чтения / записи диска - это небольшие части дисковода, которые перемещаются над диском и преобразуют магнитное поле диска в электрический ток (чтение диска) или, наоборот, преобразуют электрический ток в магнитное поле (записывают диск). [1] За прошедшие годы головы претерпели ряд изменений.
Микрофотография головки жесткого диска. Размер лицевой стороны около 0,3 мм. Одной из функциональных частей головки является круглая оранжевая структура посередине - литографически определенная медная катушка преобразователя записи . Также обратите внимание на электрические соединения с помощью проводов, прикрепленных к позолоченным контактным площадкам.
Головка чтения-записи жесткого диска емкостью 3 ТБ, изготовленного в 2013 году. Темный прямоугольный компонент представляет собой ползунок и имеет длину 1,25 мм. Катушки головки чтения / записи находятся слева от слайдера. Поверхность диска движется мимо головы справа налево.
В жестком диске головки «летают» над поверхностью диска с зазором всего 3 нанометра . « Высота полета » постоянно уменьшается, чтобы обеспечить более высокую плотность посадки . Высота полета головки регулируется конструкцией воздушного подшипника, вытравленного на обращенной к диску поверхности ползуна . Роль воздушного подшипника заключается в поддержании постоянной высоты полета при движении головки по поверхности диска. Если головка ударится о поверхность диска, это может привести к катастрофическому повреждению головки .
Индуктивные головки используют один и тот же элемент как для чтения, так и для записи.
Традиционная голова
Сами головки начинались так же, как головки в магнитофонах - простые устройства, сделанные из крошечного С-образного кусочка очень намагничивающегося материала, такого как пермаллой или феррит, намотанного на катушку из тонкой проволоки. При записи катушка находится под напряжением, в зазоре C образуется сильное магнитное поле , и поверхность записи, прилегающая к зазору, намагничивается. При чтении намагниченного материала вращаетса мимо головок, то Ферритовый сердечник концентрирует поле, а ток генерируется в катушке. В промежутке поле очень сильное и довольно узкое. Этот зазор примерно равен толщине магнитного носителя на записывающей поверхности. Промежуток определяет минимальный размер записываемой области на диске. Ферритовые головки имеют большие размеры и записывают довольно крупные элементы. Их также нужно летать довольно далеко от поверхности, что требует более сильных полей и больших голов. [2]
Головки с металлическим зазором (MIG)
Головки с металлическим зазором ( MIG ) представляют собой ферритовые головки с небольшим куском металла в зазоре головки, который концентрирует поле. Это позволяет читать и записывать более мелкие функции. Головки МИГ были заменены на тонкопленочные . Тонкопленочные головки были электронно подобны ферритовым головкам и использовали ту же физику , но они были изготовлены с использованием фотолитографических процессов и тонких пленок материала, которые позволяли создавать мелкие детали.
Тонкопленочные головки
Впервые представленная в 1979 году на дисководе IBM 3370 , тонкопленочная технология использовала фотолитографические методы, аналогичные тем, которые использовались в полупроводниковых устройствах, для изготовления головок жестких дисков меньшего размера и большей точности, чем используемые в то время конструкции на основе феррита. Тонкие слои магнитных (Ni – Fe), изолирующих и медных материалов для проводки катушек построены на керамических подложках, которые затем физически разделяются на отдельные головки чтения / записи, интегрированные с их воздушным подшипником, что значительно снижает стоимость производства на единицу. [3] Тонкопленочные головки были намного меньше, чем головки MIG, и поэтому позволяли использовать меньшие записанные элементы. В 1995 году тонкие пленочные головки позволили 3,5-дюймовым дискам достичь емкости хранения 4 ГБ. Геометрия зазора головки была компромиссом между тем, что лучше всего подходит для чтения, и тем, что лучше всего подходит для записи. [2]
Следующим усовершенствованием конструкции головки было отделение пишущего элемента от считывающего, что позволило оптимизировать тонкопленочный элемент для записи и отдельный элемент головки для чтения. Отдельный считывающий элемент использует магниторезистивный (MR) эффект, который изменяет сопротивление материала в присутствии магнитного поля. Эти магнитно-резонансные головки могут надежно считывать очень мелкие магнитные элементы, но не могут использоваться для создания сильного поля, используемого для записи. Термин AMR (анизотропный MR) используется, чтобы отличить его от более позднего усовершенствования технологии MR, названного GMR ( гигантское магнитосопротивление ) и TMR (туннельное магнитосопротивление).
Переход к носителю с перпендикулярной магнитной записью ( PMR ) имеет серьезные последствия для процесса записи и элемента записи в структуре головки, но в меньшей степени для датчика чтения MR в структуре головки. [4]
Главы AMR
Внедрение головки AMR в 1990 г. компанией IBM [5] привело к периоду быстрого увеличения плотности площади около 100% в год.
Головки GMR
В 1997 году GMR начали заменять гигантские магниторезистивные головки. [5]
С 1990-х годов был проведен ряд исследований эффектов колоссального магнитосопротивления (CMR), которые могут способствовать еще большему увеличению плотности. Но пока это не привело к практическому применению, поскольку требует низких температур и большого размера оборудования. [6] [7]
Руководители TMR
В 2004 году Seagate [5] представила первые диски с туннельными головками MR ( TMR ), позволяющие использовать диски емкостью 400 ГБ с 3 пластинами. Компания Seagate представила головки TMR со встроенными микроскопическими змеевиками нагревателя для управления формой области преобразователя в головке во время работы. Нагреватель может быть активирован до начала операции записи, чтобы гарантировать близость полюса записи к диску / носителю. Это улучшает записанные магнитные переходы, гарантируя, что поле записи головки полностью насыщает магнитный диск. Тот же подход с тепловым срабатыванием можно использовать для временного уменьшения расстояния между дисковым носителем и датчиком считывания во время процесса считывания, тем самым улучшая мощность сигнала и разрешение. К середине 2006 года другие производители начали использовать аналогичные подходы в своих продуктах.
Моя предыдущая статья была посвящена внутреннему устройству чипа от Nvidia, да и, пожалуй, внутреннему устройству любого современного процессора. В этой статье мы перейдём к средствам хранения информации, и я расскажу, что представляют собой CD и HDD диски на микроуровне.
Начнём с CD диска. Наш подопытный — простой CD-R от Verbatim. Обычный диск с записанной (а точнее, напечатанной) информацией состоит из 3 основных слоёв. Слой А – поликарбонатный диск, который отвечает сразу за несколько функций. Первое – основа диска, которая выдерживает огромные скорости вращения внутри дисковода.
Так в общих чертах можно представить строение CD диска [1]
Поликарбонатный диск, как оказалось, дополнительно покрывают специальным лаком, который защищает от легких механических повреждений внешнюю поверхность диска.
Слой лака выделен красным цветом, под ним «начинается» поликарбонат
Под пучком электронного микроскопа, слой защитного лака чувствует себя не очень хорошо
Второе – именно на поликарбонате, в прямом смысле этого слова, печатается информация с матрицы — будь то фильм, музыка или программы. Как сообщает нам Вики, поликарбонатная основа имеет толщину 1,2 мм и весит всего-навсего 15-20 грамм [1].
Естественно, что поликарбонат и лак прозрачны для лазерного излучения, поэтому «напечатанную» информацию для лазера необходимо сделать «видимой», для чего поверхность покрывают тонким слоем алюминия (слой B). Стоит отметить, что CD-ROM с «напечатанной» информацией, CD-R и CD-RW имеют незначительные отличия. В двух последних случаях, добавляется промежуточный слой между поликарбонатом и алюминием, который может изменять свои свойства под действием лазерного излучения определённой длины волны, а на поликарбонате печатаются пустые дорожки. Это могут быть либо красители в случае CD-R (что-то похожее на фоторезист), либо металлические сплавы в случае CD-RW. Именно поэтому перезаписываемые диски не рекомендуется подвергать действию прямых солнечных лучей и перегреву, который также может спровоцировать изменение оптических свойств.
Давайте сравним диск и алюминиевый слой, оторванный от него. Видно, что на поликарбонате есть «канавки» (питы), а на слое алюминия наоборот возвышения, которые полностью соответствуют канавкам:
Привычные углубления на поверхности поликарбоната (АСМ-изображение)
На защитном алюминиевом слое видны питы-«наоборот»: не канавки, а выступы (АСМ-изображение)
Далее полученный «пирог» покрывают специальным защитным слоем С, чья основная обязанность – защитить «нежный» алюминиевый отражающий слой. Далее на этот слой можно что-то наклеивать, писать маркером, наносить специальные дополнительные слои для печати и т.д. и т.п.
В данном видео представлены все технологические этапы производства CD дисков:
Запись на CD диске подобная записи на виниловой пластинке, т.е. дорожка с информацией идёт по спирали. Он берёт своё начало в центре диска и заканчивается у внешнего края. А вот прямо посреди диска «стыкуются» пустые участки и дорожки с записанной информацией:
Вот была запись, а вот её и нет. Сравнение пустых дорожек и дорожек с записанной информацией (СЭМ-микрофотографии)
Принципиальных отличий на микроуровне CD от DVD и, наверное, Blu-Ray нет. Разве что питы будут меньших размеров. В нашем случае размеры 1 минимального углубления составляют 330 нм в ширину и 680 нм в длину, при этом расстояние между дорожками ~930 нм.
N.B. Если у вас есть исцарапанный CD диск, который не читается ни в одном приводе, попробуйте его заполировать. Для этого подойдёт практически любая прозрачная полироль. Она заполнит углубления, которые мешают чтению информации, и Вы хотя бы сможете скопировать информацию с диска.
Как же всё-таки иногда причудливо изгибается слой алюминия (практически произведение искусства – чёрное и белое):
Чёрные и белые полосы нашей жизни. CD (СЭМ-микрофотография)
И напоследок ещё пара изображений CD, полученных с помощью оптического микроскопа:
Оптическая микроскопия: слева — алюминиевый отражающий слой, справа — слой Al (более светлая область) на поликарбонатном диске (более тёмная область)
Приступим теперь к жёсткому диску. Для меня всегда, ещё со времён дискет и VHS оставалось загадкой, как же всё-таки устроена магнитная память?! Перед написанием статьи, я попытался найти хоть какие-то видео и медиа материалы, которые демонстрировали бы, как в предыдущем ролике, основные этапы производства жёстких дисков, и был неприятно обрадован Вики: «Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения составляют коммерческую тайну» [2]. Пришлось смириться и не искать правды от производителей HDD (разве что, Seagate слегка приоткрыл свои секреты), тем более что с приходом эры SSD конкуренция на рынке ещё больше усилилась.
Сами пластины изготавливаются из немагнитных металлических сплавов. Основу этих сплавов составляют алюминий и магний, как самые лёгкие конструкционные материалы. Далее на них наносится тонкий, опять таки согласно Вики, 10-20 нм слой магнитного – тут, пожалуй, слово нанокристаллический будет уместно – материала, который затем покрывается небольшим слоем углерода для защиты. Так как диск NoName, и выполнен он по древней технологии параллельной записи информации, то я позволю себе привести здесь состав материала по данным EDX (рентгеноспектральный микроанализ): Co – 1,1 атомных %, Y – 1,53 ат. %, Cr – 2,38 ат. %, Ni – 45,81 ат. %. Содержание углерода 36,54 %. Откуда-то взялись Si и P, содержание которых составляет 0,46 ат. % и 12,25 ат. %, соответственно. Происхождение кремния – по всей видимости, в следовых количествах остался на поверхности после работы микротома и моей полировки, а фосфор – просто заляпал образец.
Честно, я пытался найти слой магнитного материала толщиной «10-20 нм», но безуспешно. Если исходить из того, что увидел я, то поверхностный слой имеет толщину примерно 12 микрометров:
Тот сам «тоненький» слой, который хранит информацию в наших жёстких дисках
Сама поверхность диска очень и очень гладкая, перепад высот лежит в пределах 10 нм, что сравнимо с шероховатостью поверхности монокристаллического кремния. А вот и изображения в режиме фазового контраста, которые соответствуют распределению магнитных доменов на поверхности, т.е. мы видим фактически отдельные биты информации:
АСМ-изображения поверхности жёсткого диска. Справа представлены изображения в фазовом контрасте
Немножко о фазовом контрасте: сначала игла АСМ-микроскопа «ощупывает» рельеф, затем зная рельеф и повторяя его форму игла делает второй проход на расстоянии 100 нм от образца, чтобы «заглушить» действие Ван-дер-Ваальсовых сил и «выделить» действие магнитных сил. Флешку о том, как это происходит можно посмотреть тут.
Кстати, заметили, что единичные магнитные домены вытянуты вдоль плоскости диска и параллельны ему?! Позволю себе пару слов о методах записи. На данный момент диски с перпендикулярным методом записи информации (т.е. такие у которых магнитные домены ориентированы перпендикулярно плоскости диска), появившиеся в 2005 году, практически полностью вытеснили диски с параллельной записью. Преимущество перпендикулярной записи очевидно – выше плотность записи, но тут есть один тонкий момент в связи с данными Вики о толщине магнитного слоя. Этот нюанс называется – суперпарамагнитный предел. Т.е. существует некоторый критический размер частицы, после которого ферромагнетик уже при комнатной температуре переходит в парамагнитное состояние. Т.е. тепловой энергии хватает, что проворачивать, переориентировать такой маленький магнитик. В случае магнитной записи часто поступают следующим образом: делают один из размеров «магнитика» больше, чем два остальных (это хорошо видно на картинке с распределением магнитных доменов), тогда в этом большем направлении магнитный момент сохраняется. Так вот, если в случае параллельной записи я ещё могу поверить, что слой магнетика десятки нанометров при размерах 1 бита в несколько микрометров, то в случае перпендикулярной записи – этого просто не может быть. Толщина такой намагничиваемой области при минимальных размерах в плоскости диска, просто обязана быть минимум несколько микрометров. Так что, возможно, Вики немножко подвирает. Либо наносят магнетик в виде наночастиц диаметром 10-20 нм, а уже потом каким-то «хитрым» образом разбивают диск на области, которые и отвечают за хранение информации. К сожалению, я не полностью удовлетворил своё любопытство и ответил на вопросы о магнитной записи информации, может быть кто-нибудь поможет?!
Сравнение параллельного и перпендикулярного методов записи информации на жётских дисках [2]
Хотел бы также поделиться тремя видео, которые нашлись на просторах Интернета и связаны с жёсткими дисками. Первое посвящено принципам работы HDD (How does it work?):
Читайте также: