Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Запись данных на намагничиваемом носителе
Recording of data on a magnetizable medium
Магнитное хранение или магнитная запись – это сохранение данных на намагниченном носителе. Магнитное хранение использует различные схемы намагничивания в намагничиваемом материале для хранения данных и является типом энергонезависимой памяти. Доступ к информации осуществляется с помощью одной или нескольких головок чтения/записи. Магнитные носители информации, в основном жесткие диски, широко используются для хранения компьютерных данных, а также аудио- и видеосигналов. В сфере вычислительной техники предпочтительнее термин «магнитное хранение», а в сфере производства аудио- и видеоматериалов – термин «магнитная запись». Это различие скорее стилистическое, чем техническое. Другие примеры магнитных носителей информации включают дискеты, магнитную ленту и магнитные полосы на кредитных картах.
Magnetic storage or magnetic recording is the storage of data on a magnetized medium. Magnetic storage uses different patterns of magnetisation in a magnetizable material to store data and is a form of non volatile memory. The information is accessed using one or more read/write heads. Magnetic storage media, primarily hard disks, are widely used to store computer data as well as audio and video signals. In the field of computing, the term magnetic storage is preferred and in the field of audio and video production, the term magnetic recording is more commonly used. The distinction is less technical and more a matter of preference. Other examples of magnetic storage media include floppy disks, magnetic tape, and magnetic stripes on credit cards.
История
Магнитное хранение в форме записи на проволоке – аудиозапись на проволоке – было представлено публике Оберлином Смитом в выпуске журнала Electrical World от 8 сентября 1888 года. Смит ранее подал патент в сентябре 1878 года, но не смог реализовать эту идею, так как его бизнес был связан со станками. Первый публично продемонстрированный магнитный диктофон (на Парижской выставке 1900 года) был изобретен Вальдемаром Пульсеном в 1898 году. Устройство Пульсена записывало сигнал на проволоку, намотанную на барабан. В 1928 году Фриц Пфлюмер разработал первый магнитофон на магнитной ленте. Первые устройства магнитного хранения были предназначены для записи аналоговых аудиосигналов. Компьютеры и большинство современных аудио- и видеоустройств для магнитного хранения записывают цифровые данные. В компьютерах магнитное хранение также использовалось для основной памяти в виде магнитных барабанов, памяти на ферритовых сердечниках, памяти на ферритовых тросах, тонкоплёночной памяти, памяти на твисторах или пузырьковой памяти. В отличие от современных компьютеров, магнитная лента также часто использовалась для внешней памяти.
Magnetic storage in the form of wire recording—audio recording on a wire—was publicized by Oberlin Smith in the Sept 8, 1888 issue of Electrical World. Smith had previously filed a patent in September, 1878 but found no opportunity to pursue the idea as his business was machine tools. The first publicly demonstrated (Paris Exposition of 1900) magnetic recorder was invented by Valdemar Poulsen in 1898. Poulsen's device recorded a signal on a wire wrapped around a drum. In 1928, Fritz Pfleumer developed the first magnetic tape recorder. Early magnetic storage devices were designed to record analog audio signals. Computers and now most audio and video magnetic storage devices record digital data. In computers, magnetic storage was also used for primary storage in a form of magnetic drum, or core memory, core rope memory, thin film memory, twistor memory or bubble memory. Unlike modern computers, magnetic tape was also often used for secondary storage.
Дизайн
Информация записывается и считывается с носителя информации по мере его движения мимо устройств, называемых головками чтения и записи, которые работают на очень близком расстоянии (часто в пределах нескольких десятков нанометров) от магнитной поверхности. Головка чтения и записи используется для обнаружения и изменения намагниченности материала непосредственно под ней. Существует две магнитные полярности, каждая из которых используется для представления либо 0, либо 1. Магнитная поверхность концептуально разделена на множество небольших магнитных областей размером менее одного микрометра, называемых магнитными доменами (хотя это и не магнитные домены в строгом физическом смысле), каждая из которых имеет преимущественно однородную намагниченность. В силу поликристаллической структуры магнитного материала, каждая из этих магнитных областей состоит из нескольких сотен магнитных гранул. Магнитные гранулы обычно имеют размер около 10 нм и каждая из них формирует единый настоящий магнитный домен. Каждая магнитная область в целом образует магнитный диполь, генерирующий магнитное поле. В более ранних конструкциях жестких дисков (HDD) области были ориентированы горизонтально и параллельно поверхности диска, но начиная примерно с 2005 года ориентация была изменена на перпендикулярную для обеспечения более плотного расположения магнитных доменов. В старых жестких дисках в качестве магнитного материала использовался оксид железа(III) (Fe2O3), а в современных дисках – сплав на основе кобальта.
Information is written to and read from the storage medium as it moves past devices called read and write heads that operate very close (often tens of nanometers) over the magnetic surface. The read and write head is used to detect and modify the magnetisation of the material immediately under it. There are two magnetic polarities, each of which is used to represent either 0 or 1. The magnetic surface is conceptually divided into many small sub micrometer sized magnetic regions, referred to as magnetic domains, (although these are not magnetic domains in a rigorous physical sense), each of which has a mostly uniform magnetisation. Due to the polycrystalline nature of the magnetic material, each of these magnetic regions is composed of a few hundred magnetic grains. Magnetic grains are typically 10 nm in size and each form a single true magnetic domain. Each magnetic region in total forms a magnetic dipole which generates a magnetic field. In older hard disk drive (HDD) designs the regions were oriented horizontally and parallel to the disk surface, but beginning about 2005, the orientation was changed to perpendicular to allow for closer magnetic domain spacing. Older hard disk drives used iron(III) oxide (Fe2O3) as the magnetic material, but current disks use a cobalt based alloy.
Магнитооптическая запись
Магнитно-оптическая запись производит запись/чтение оптическим способом. При записи магнитная среда локально нагревается лазером, что приводит к резкому снижению коэрцитивной силы. Затем небольшое магнитное поле может быть использовано для изменения намагниченности. Процесс чтения основан на магнитооптическом эффекте Керра. В качестве магнитной среды обычно используются аморфные тонкие пленки RFeCo (где R – редкоземельный элемент). Магнитно-оптическая запись не получила широкого распространения. Одним из известных примеров является MiniDisc, разработанный компанией Sony.
Magneto optical recording writes/reads optically. When writing, the magnetic medium is heated locally by a laser, which induces a rapid decrease of coercive field. Then, a small magnetic field can be used to switch the magnetisation. The reading process is based on magneto optical Kerr effect. The magnetic medium are typically amorphous R Fe Co thin film (R being a rare earth element). Magneto optical recording is not very popular. One famous example is Minidisc developed by Sony.
Память распространения домена
Память распространения доменов также называется пузырьковой памятью. Основная идея заключается в управлении движением границ доменов в магнитной среде, не имеющей микроструктуры. Пузырь – это стабильный цилиндрический домен. Данные записываются посредством наличия или отсутствия пузырькового домена. Память распространения доменов обладает высокой устойчивостью к ударам и вибрациям, поэтому её применение обычно связано с космической и авиационной отраслями.
Domain propagation memory is also called bubble memory. The basic idea is to control domain wall motion in a magnetic medium that is free of microstructure. Bubble refers to a stable cylindrical domain. Data is then recorded by the presence/absence of a bubble domain. Domain propagation memory has high insensitivity to shock and vibration, so its application is usually in space and aeronautics.
Способ доступа
Магнитные носители информации могут быть классифицированы как устройства с последовательным или произвольным доступом, хотя в некоторых случаях эта граница не вполне четкая. Время доступа можно определить как среднее время, необходимое для получения доступа к сохраненным данным. В случае магнитной ленты считывающая/записывающая головка в любой момент времени охватывает лишь небольшую часть записывающей поверхности. Доступ к различным участкам ленты требует ее перемотки вперед или назад до нужной точки. Время доступа к этой точке зависит от расстояния до нее от начальной точки. В случае ферритовой памяти ситуация обратная: каждый элемент памяти доступен немедленно. Жесткие диски и современные линейные ленточные накопители не полностью соответствуют ни одной из этих категорий. Оба типа имеют множество параллельных дорожек по ширине носителя, и считывающим/записывающим головкам требуется время для переключения между дорожками и поиска внутри дорожек. Доступ к разным участкам носителя информации занимает разное время. Для жесткого диска это время обычно составляет менее 10 мс, а для ленты может достигать 100 с.
Magnetic storage media can be classified as either sequential access memory or random access memory, although in some cases the distinction is not perfectly clear. The access time can be defined as the average time needed to gain access to stored records. In the case of magnetic wire, the read/write head only covers a very small part of the recording surface at any given time. Accessing different parts of the wire involves winding the wire forward or backward until the point of interest is found. The time to access this point depends on how far away it is from the starting point. The case of ferrite core memory is the opposite. Every core location is immediately accessible at any given time. Hard disks and modern linear serpentine tape drives do not precisely fit into either category. Both have many parallel tracks across the width of the media and the read/write heads take time to switch between tracks and to scan within tracks. Different spots on the storage media take different amounts of time to access. For a hard disk this time is typically less than 10 ms, but tapes might take as much as 100 s.
Кодирование
Магнитные головки дисков и магнитных лент не пропускают постоянный ток, поэтому схемы кодирования данных как для лент, так и для дисков разрабатываются с целью минимизации составляющей постоянного тока. Большинство устройств магнитного хранения используют коррекцию ошибок. Многие магнитные диски внутри используют кодирование с ограничением длины серии и метод максимального правдоподобия с частичным откликом.
Magnetic disk heads and magnetic tape heads cannot pass DC (direct current), so the coding schemes for both tape and disk data are designed to minimize the DC offset. Most magnetic storage devices use error correction. Many magnetic disks internally use some form of run length limited coding and partial response maximum likelihood.
Текущее использование
С 2021 года магнитные носители информации обычно используются для массового хранения компьютерных данных на жестких дисках и для записи аналогового аудио и видео на магнитную ленту. Поскольку значительная часть производства аудио и видео переходит на цифровые системы, ожидается увеличение использования жестких дисков и сокращение использования магнитной ленты. Цифровые ленты и ленточные библиотеки популярны для хранения больших объемов данных в архивах и для создания резервных копий. Дискеты все еще применяются в ограниченном объеме, особенно при работе со старыми компьютерными системами и программным обеспечением. Магнитное хранение также широко используется в некоторых специализированных областях, таких как банковские чеки (MICR) и кредитные/дебетовые карты (магнитные полосы).
as of 2021, common uses of magnetic storage media are for computer data mass storage on hard disks and the recording of analog audio and video works on analog tape. Since much of audio and video production is moving to digital systems, the usage of hard disks is expected to increase at the expense of analog tape. Digital tape and tape libraries are popular for the high capacity data storage of archives and backups. Floppy disks see some marginal usage, particularly in dealing with older computer systems and software. Magnetic storage is also widely used in some specific applications, such as bank cheques (MICR) and credit/debit cards (mag stripes).
Будущее
Создается новый тип магнитного хранилища, называемый магниторезистивной памятью с произвольным доступом или MRAM, который хранит данные в магнитных битах, основанных на эффекте туннельного магнитосопротивления (TMR). Его преимуществами являются энергонезависимость, низкое энергопотребление и высокая устойчивость к ударам. Первое поколение, которое было разработано, было выпущено компанией Everspin Technologies и использовало запись, индуцированную магнитным полем. Алексей Кимель из Университета Радбуда в Нидерландах также проводит исследования, направленные на возможность использования терагерцового излучения вместо стандартных электроимпульсов для записи данных на магнитные носители информации. Использование терагерцового излучения позволяет значительно сократить время записи (в 50 раз быстрее, чем при использовании стандартных электроимпульсов). Дополнительным преимуществом является то, что терагерцовое излучение практически не выделяет тепло, что снижает требования к охлаждению.
A new type of magnetic storage, called magnetoresistive random access memory or MRAM, is being produced that stores data in magnetic bits based on the tunnel magnetoresistance (TMR) effect. Its advantage is non volatility, low power usage, and good shock robustness. The 1st generation that was developed was produced by Everspin Technologies, and utilized field induced writing. Research is also being done by Aleksei Kimel at Radboud University in the Netherlands towards the possibility of using terahertz radiation rather than using standard electropulses for writing data on magnetic storage media. By using terahertz radiation, writing time can be reduced considerably (50x faster than when using standard electropulses). Another advantage is that terahertz radiation generates almost no heat, thus reducing cooling requirements.