Магнитные диски жестких дисков: структура и принципы хранения данных

Введение

Круглый диск, на котором хранятся магнитные данные в жестком диске.

Диск жесткого диска (или просто жесткий диск) – это круглый магнитный диск, на котором хранятся цифровые данные в жестком диске. Твердая структура дисков и обуславливает их название (в отличие от гибких материалов, используемых для изготовления гибких дисков). Жесткие диски обычно содержат несколько дисков, установленных на одном шпинделе. На каждой стороне диска может храниться информация, что обычно требует двух головок записи/чтения на диск, по одной на каждую поверхность.

Дизайн

Магнитная поверхность каждого диска разделена на небольшие субмикрометровые магнитные области, каждая из которых используется для представления одной двоичной единицы информации. Типичная магнитная область на пластине жесткого диска (по состоянию на 2006 год) имеет ширину около 200–250 нанометров (в радиальном направлении пластины) и простирается примерно на 25–30 нанометров в направлении следа (окружном направлении пластины), что соответствует примерно 100 миллиардам битов на квадратный дюйм площади диска (15,5 Гбит/см2). Материал основного магнитного слоя обычно является сплавом на основе кобальта. В современных жестких дисках каждая из этих магнитных областей состоит из нескольких сотен магнитных зерен, которые являются базовым материалом, подвергающимся намагничиванию. В целом, каждая магнитная область обладает намагниченностью. Одной из причин использования магнитных зерен, а не сплошной магнитной среды, является уменьшение пространства, необходимого для магнитной области. В сплошных магнитных материалах склонны образовываться структуры, называемые спинами Неэля. Это области с противоположной намагниченностью, формирующиеся по той же причине, по которой стержневые магниты стремятся выстраиваться противоположными полюсами. Они создают проблемы, поскольку спины взаимно компенсируют магнитные поля, в результате чего переход от одной намагниченности к другой на границах областей происходит на протяжении длины спинов Неэля. Это называется шириной перехода. Многие пластины жестких дисков имеют слой смазки из аморфного углерода, например алмазоподобного углерода, называемый защитным покрытием, который наносится на диск методом распыления или химического осаждения из газовой фазы. В качестве защитных покрытий также использовались нитрид кремния, ПФПЭ и гидрированный углерод. Альтернативно, ПФПЭ может использоваться в качестве смазки поверх защитного покрытия. Ориентация гранулярной среды зависит от того, используется ли продольная или перпендикулярная магнитная запись. Упорядоченная гранулярная среда может обеспечивать более высокую плотность хранения, чем обычная гранулярная среда, а среда с битовым рисунком может превзойти упорядоченную гранулярную среду по плотности хранения. Зерна помогают решить эту проблему, поскольку каждое зерно в теории представляет собой единый магнитный домен (хотя не всегда на практике). Это означает, что магнитные домены не могут расти или сжиматься, образуя спины, и, следовательно, ширина перехода будет сопоставима с диаметром зерен. Таким образом, значительная часть развития жестких дисков была направлена на уменьшение размера зерен.

The magnetic surface of each platter is divided into small sub micrometer sized magnetic regions, each of which is used to represent a single binary unit of information. A typical magnetic region on a hard disk platter (as of 2006) is about 200–250 nanometers wide (in the radial direction of the platter) and extends about 25–30 nanometers in the down track direction (the circumferential direction on the platter), corresponding to about 100 billion bits per square inch of disk area (15.5 Gbit/cm2). The material of the main magnetic medium layer is usually a cobalt based alloy. In today's hard drives each of these magnetic regions is composed of a few hundred magnetic grains, which are the base material that gets magnetized. As a whole, each magnetic region will have a magnetization. One reason magnetic grains are used as opposed to a continuous magnetic medium is that they reduce the space needed for a magnetic region. In continuous magnetic materials, formations called Néel spikes tend to appear. These are spikes of opposite magnetization, and form for the same reason that bar magnets will tend to align themselves in opposite directions. These cause problems because the spikes cancel each other's magnetic field out, so that at region boundaries, the transition from one magnetization to the other will happen over the length of the Néel spikes. This is called the transition width. Many hard drive platters have a layer of lubricant made of amorphous carbon such as diamond like carbon, called an overcoat, which is deposited onto the disk using sputtering, or using chemical vapor deposition. Silicon Nitride, PFPE and hydrogenated carbon have also been used as overcoats. Alternatively PFPE can be used as a lubricant on top of the overcoat. Granular media is oriented based on whether longitudinal or perpendicular magnetic recording is used. Ordered granular media can allow for higher storage densities than conventional granular media, and bit patterned media can succeed ordered granular media in storage density. Grains help solve this problem because each grain is in theory a single magnetic domain (though not always in practice). This means that the magnetic domains cannot grow or shrink to form spikes, and therefore the transition width will be on the order of the diameter of the grains. Thus, much of the development in hard drives has been in reduction of grain size.

Производство

Плитки обычно изготавливаются с использованием алюминиевой, стеклянной или керамической подложки. По состоянию на 2015 год пластины жестких дисков для ноутбуков изготавливаются из стекла, в то время как алюминиевые пластины часто встречаются в настольных компьютерах. При производстве дисков тонкий слой наносится на обе стороны подложки, преимущественно методом вакуумного осаждения, называемым магнитронным распылением. Покрытие имеет сложную слоистую структуру, состоящую из различных металлических (в основном немагнитных) сплавов в качестве подслоев, оптимизированных для контроля кристаллографической ориентации и размера зерна фактического магнитного слоя среды, расположенного поверх них, то есть пленки, хранящей биты информации. Сверху в том же процессе распыления наносится защитный слой на основе углерода. Плитки обычно содержат несколько слоев материалов, таких как зародышевый слой, мягкие магнитные подслои (SUL), которые могут содержать кобальт и железо, изготовленные из таких материалов, как, антиферромагнитный (A FM) слой из оксида никеля, сплава никель-марганец или железо-марганец, промежуточный слой из рутения. Компания Toshiba последовала примеру с моделью MK1122FC в апреле 1991 года; их заводы смогли производить гораздо больше дисков, чем Areal, которая вскоре исчезла с рынка. Около 2000 года другие производители жестких дисков начали переход от алюминиевых к стеклянным пластинам, поскольку стеклянные пластины обладают рядом преимуществ перед алюминиевыми. В 2005–2006 годах произошел значительный сдвиг в технологии жестких дисков и магнитных носителей информации. Изначально для хранения битов использовались материалы с плоской магнитной ориентацией, но они были заменены перпендикулярной записью. Причиной этого перехода стала необходимость продолжения тенденции увеличения плотности хранения, при этом носители с перпендикулярной ориентацией обеспечивают более стабильное решение для уменьшения размера битов. Ориентация намагниченности перпендикулярно поверхности диска оказывает существенное влияние на структуру диска, выбор магнитных материалов, а также на некоторые другие компоненты жесткого диска (такие как головка и электронный канал).

Platters are typically made using an aluminium, glass or ceramic substrate. As of 2015, laptop hard drive platters are made from glass while aluminum platters are often found in desktop computers. In disk manufacturing, a thin coating is deposited on both sides of the substrate, mostly by a vacuum deposition process called magnetron sputtering. The coating has a complex layered structure consisting of various metallic (mostly non magnetic) alloys as underlayers, optimized for the control of the crystallographic orientation and the grain size of the actual magnetic media layer on top of them, i. e. the film storing the bits of information. On top of it a protective carbon based overcoat is deposited in the same sputtering process. Platters typically contain several layers of materials such as a seed layer, soft magnetic under layers (SULs) that may contain Cobalt and Iron made of materials such as , an antiferromagnetic (A FM) layer made of Nickel oxide, Nickel Manganese or Iron Manganese alloy, intermediate layer made of Ruthenium Toshiba followed suit with the MK1122FC in April 1991; their factories were able to produce many more drives than Areal, which soon disappeared from the market. Around 2000, other hard drive manufacturers started transitioning from aluminum to glass platters because glass platters have several advantages over aluminum platters. In 2005–06, a major shift in technology of hard disk drives and of magnetic disks/media began. Originally, in plane magnetized materials were used to store the bits, but this has now been replaced by perpendicular recording. The reason for this transition is the need to continue the trend of increasing storage densities, with perpendicularly oriented media offering a more stable solution for a decreasing bit size. Orienting the magnetization perpendicular to the disk surface has major implications for the disk's deposited structure and the choice of magnetic materials, as well as for some of the other components of the hard disk drive (such as the head and the electronic channel).