8. Магнитные и оптические носители информации
Магнитная запись
Цифровая магнитная запись производится на магниточувствительные материалы, к которым относятся некоторые разновидности оксидов железа, никель, кобальт, соединения редкоземельных элементов с кобальтом, магнитопласты и магнитоэласты со связкой из пластмасс и резины, микропорошковые магнитные материалы [41]. В зависимости от содержания оксидов железа, цвет магнитного материал может иметь характерный темно-коричневый оттенок. Магнитное покрытие очень тонкое (несколько микрометров), причем чем оно тоньше, тем выше качество магнитной записи. Покрытие наносится на немагнитную основу, в качестве которой для магнитных лент и гибких дисков используются различные пластмассы, а для жестких дисков — алюминиевые или стеклянные круги. Размеры (форм-факторы) жестких дисков (называемых также винчестерами): 3,5 дюйма (рис. 1.9 слева), 2,5 дюйма (для ноутбуков, рис. 1.9 справа),), 1 дюйм (“микродрайв” – для фотоаппаратуры, карманных ПК, плейеров и т.д.).
Рис. 1.9. Винчестер формфактора 3.5 дюйма Sumsung SpinPoint T133 (400 Гбайт, 3 пластины, слева) и винчестер формфактора 2.5 дюйма Sumsung SpinPoint М60 (120 Гбайт, 1 пластина, справа)
Для повышения емкости винчестеров целесообразно не увеличивать число поверхностей и магнитных головок (это увеличивает шум при работе, нагрев и процент ошибок при записи и чтении данных), а уменьшать размер ферромагнитных частиц. Так фирма Samsung [42] разработала накопители емкостью 400 Гбайт (рис. 1.19 слева) для настольных ПК и серверов и емкостью 120 Гбайт для ноутбуков (рис. 1.19 справа), применив магнитные TMR-головки на основе технологии туннельного магниторезистивного эффекта (Tunneling Magneto Resistanse, TMR).
Покрытие дисков состоит из множества мельчайших магнитных доменов - однородно намагниченных областей, отделенных от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами). На рис. 1.10 представлено распределение векторов магнитной индукции атомов в доменах ферромагнетиков. При уменьшении размеров ферромагнетика тепловые колебания молекул приводят к самопроизвольной утрате ориентации доменов, для уменьшения этого эффекта используют антиферромагнитную подложку. В антиферромагнетике магнитные моменты соседних атомов направлены антипараллельно, так, что суммарный магнитный момент любой области равен нулю. Практический максимум емкости одной пластины (3,5 дюйма) при продольной ориентации доменов (рис. 1.11 слева) составляет 150-200 Гбайт.
Более высокую плотность записи обеспечивает поперечное расположение доменов (рис. 1.10 и 1.11 справа). Первые накопители на жестких дисках (винчестеры), использующие перпендикулярную запись, созданы в 2005 г. (рис. 1.22). Компания Hitachi Global Storage Technology планирует довести емкость 3,5-дюймовых дисков до 1 Тбайт (1терабайт=1000 Гбайт).
Рис. 1.10. Распределение векторов магнитной индукции в доменах ферромагнетиков
Рис. 1.11. Схема продольной (слева) и поперечной (справа) записи на магнитный диск: А – ферромагнитный слой, Б – антиферромагнитная подложка, В –электромагнитная головка. [43].
Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего поля на поверхности домена образуются зоны остаточной намагниченности - на диске сохраняется информация о действовавшем магнитном поле. Изменение направления тока записи вызывает соответствующее изменение направления магнитного потока в сердечнике головки, что приводит к появлению на поверхности носителя участков с противоположной намагниченностью (рис. 1.13).
|
Рис. 1.12. Винчестер Momentos 5400.3 (2.5 дюйма, 160 Гбайт, скорость вращения дисков 5400 об/мин) с перпендикулярной записью производства компании Seagate |
Рис. 1.13. Изменение направления магнитного потока в обмотке головки чтения/записи
Оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, такие участки наводят в ней при считывании электродвижущую силу (э.д.с.). Изменение направления э.д.с. в течение некоторого промежутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения — с нулем. Указанный промежуток времени называется битовым элементом.
Для правильной записи информации требуется предварительное форматирование - логическое разбиение диска на дорожки и секторы (рис. 1.14 слева) путем нанесения меток, помогающих находить необходимые позиции записи. Быстрый доступ к любой части поверхности гибкого или жесткого диска обеспечивается за счет его вращения и передвижения магнитной головки чтения/записи по радиусу диска (рис. 1.14 справа).
Дорожки
Секторы
Рис. 1.14. Дорожки и секторы магнитного диска (слева) и организация прямого доступа к информации (справа)
Благодаря быстрому вращению диска задержка при переходе от одной точки любой части окружности диска к другой невелика. Скорость вращения гибкого диска (дискеты) 300—360 об/мин, жестких дисков 5400 и 7200 об/мин.
Магнитные диски относятся к носителям информации с прямым доступом, так как можно непосредственно обратиться к любой части записанных данных (рис. 1.24). Поверхность диска разбивается на концентрические кольца - дорожки записи (рис. 1.24), начиная с внешнего края. В гибких магнитных дисках (3,5", 1,44 Мбайт) число дорожек равно 80, а в жестких дисках составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч. Дорожки идентифицируются номером (внешняя дорожка имеет нулевой номер). Кольцо дорожки разбивается на участки (обычно 17-18), называемые секторами (рис. 1.24). В качестве стандарта принят размер сектора 512 байт. Секторам на дорожке присваиваются номера, начиная с нуля. Сектор с нулевым номером на каждой дорожке резервируется для идентификации записываемой информации, а не для хранения данных. Наименьшим участком диска, которым оперирует операционная система при распределении места для записи файла, называется кластер. Он состоит из нескольких секторов. Жесткий диск (винчестер) обычно представляет собой пакет (сборку) из нескольких дисков (рис. 1.19 слева). Стороны дисков идентифицируются номерами, начиная с нуля (верхняя сторона). Все дорожки, одновременно находящиеся под головками чтения/записи, называются цилиндром. При этом дорожки на верхней стороне диска смещены к центру относительно дорожек на нижней стороне.
В 2002-2003 г. начался переход от параллельного дискового интерфейса EIDE, или АТА (РАТА) к последовательному (Serial ATA 1.0, SATA) и были выпущены первые накопители с этим интерфейсом, PCI-платы контроллеров и наборы микросхем со встроенными контроллерами SATA. С тех пор жесткие диски и оптические накопители с этим интерфейсом все быстрее вытесняют РАТА-устройства. В 2006 г. прогнозируется резкое снижение выпуска АТА-винчестеров. Следующее поколение последовательного дискового интерфейса Serial ATA II будет включать восемь новых возможностей, среди которых алгоритм оптимизации очереди команд Native Command Queuing (NCQ) и повышение скорости передачи информации до 3 Гбит/c (300 Мбайт/c), реализованные во многих выпускаемых моделях [44]. Примерами являются винчестеры Samsung SATA 3 Гбит/c, показанные на рис. 1.19, которые также выпускаются с параллельным интерфейсом Ultra ATA/100 для совместимости с ранее выпускавшимися компьютерами. По результатам тестирования журналом Hard и Soft [45] лучшие показатели в 2005 г. продемонстрировали винчестеры формфактора 3.5 дюйма Sumsung SpinPoint P120S (емкостью 250 и 200 Гбайт, 2 пластины) с интерфейсом SATA 3 Гбит/c и поддержкой технологии NCQ и стоимостью $0.5/Гбайт.
Оптическая запись
При записи информации на оптические диски на нем создаются чередующиеся участки (штрихи, pit) с различными отражающими свойствами. Двоичная единица представляется на диске в виде границы между хорошо и плохо отражающими свет участками, а двоичный нуль в виде участков с одинаковыми отражающими способностями. При освещении участков диска лучом полупроводникового лазера и регистрации отраженного света производится считывание информации. При кодировании 1 байта (8 бит) информации на диске записывается 14 бит плюс 3 бита слияния. Базовая информационная единица — кадр (Frame) содержит 24 кодированных байта или 588 бит (24·(14+3) + 180 бит для коррекции ошибок). Кадры на диске образуют секторы и блоки. Сектор содержит 3234 кодированных байта (2352 информационных байта и 882 байта коррекции ошибок и управления). Такая организация записи данных на СD-RОМ и использование алгоритмов коррекции ошибок позволяют обеспечить качественное чтение информации с вероятностью ошибки на бит 10-10. В соответствии с принятыми стандартами поверхность диска разделена на три области (рис. 1.15):
Входная директория (Lead in) — область в форме кольца шириной 4 мм, ближайшего к центру диска. Считывание информации с диска начинается именно со входной директории, где содержатся оглавление (Table Of Contents— ТОС), адреса записей, число заголовков, суммарное время записи (объем), название диска (Disk Label).
Основная область данных, или файловая система (кольцо шириной 33 мм).
Выходная директория (Lead out) c меткой конца диска.
Рис. 1.15. Организация данных на компакт-диске CD-ROM
Штрихи расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1,6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков/дюйм (625 витков/мм). Длина штрихов вдоль дорожки записи колеблется от 0,8 до 3,3 мкм, емкость диска формата 4,72” составляет 700 Мбайт. Более высокую плотность записи предусматривает формат DVD (Digital Versatle Disk), стандарт которого был принят в 1995 г. Параметры элементов рабочей поверхности дисков в форматах CD-ROM и DVD (Digital Versatle Disk) приведены на рис. 1.16. Существуют одно- и двухсторонние диски с одно- и двухслойной записью на каждой стороне, их емкость достигает 17 Гбайт.
Повысить емкость дисков можно, увеличивая число слоев (в скором времени до 4-х) и увеличивая плотность записи с записью и чтением данных лазерным лучом с более короткой длиной волны (не красным, а сине-фиолетовым излучением). В настоящее время завершается подготовка к массовому коммерческому производству дисков новых форматов: Blue-ray (синий луч из-за указанной цветовой особенности) фирмы Sony и HD DVD ( High Density DVD – “DVD высокой плотности” корпорации Toshiba. Различия между форматами касаются, в основном, способов защиты от несанкционированного копирования. Из-за усиленной защиты формата ”Синего луча” его поддерживают кинокомпании, не учитывающие его неудобства для потребителей. Формат HD DVD, наоборот, совместим с существующим форматом DVD. В конце 2005 г. были выпущены компьютерные приводы Blue-ray. Одна из первых моделей Pioneetr BDR-101A [45] умеет считывать и записывать однослойные диски BD-R (Blue-ray Disc Recordable) и BD-RE (Blue-ray Disc REwritable), емкостью 25 Гбайт (двуслойные – 50 Гбайт), а также читать однослойные и двуслойные диски BD-ROM. Кроме того, привод умеет читать и записывать диски DVD±R (в том числе двухслойные) и DVD±RW.
Рис. 1.16. Элементы рабочей поверхности дисков форматов CD-ROM и DVD
Компакт-диски изготавливают путем штамповки с помощью металлических матриц (что обеспечивают до 10000 циклов безошибочного считывания данных) и путем записи (прожига) лазером диска-заготовки CD-R, DVD-R (Recorable –записываемый) или диска CD-RW, DVD-RW (Rewritable – перезаписываемый). Диск CD-R покрыт специальным термочувствительным слоем с красителем, а также слоем золота. При записи информации на диск луч лазера разогревает слой золота и слой красителя и вызывает химическую реакцию, изменяющую цвет участка диска и снижающую его отражательную способность. Благодаря слою красителя и золотому отражающему слою под ним диски CD-R имеют зеленовато-золотистый цвет. Запись на диски CD-RW (более темного цвета) выполняется с помощью сочетания технологий CD-R и двойного изменения фазы вещества. Лазерный луч с высокой точностью расплавляет отдельные участки покрытия диска, при охлаждении они переходят либо в кристаллическое состояние (с более высокой отражательной способностью), либо в аморфное (с меньшей отражательной способностью). Это обеспечивает возможность по крайней мере 1000-кратной перезаписи.
Магнитооптическая запись
Еще одним типом физических носителей информации являются магнитооптические диски (МО), содержащие помещенный над отражающим алюминиевым (либо золотым) слоем магнитный слой, окруженный защитными диэлектрическими слоями [41]. В процессе записи на МО-диск (рис. 1.17) лазерный фокусируется на поверхности магнитного слоя в пятно микронного размера.
Стирание Запись Чтение
Рис. 1.17. Технология записи информации на МО-диск и чтения с него
Поверхность магнетика в точке фокусировки разогревается, и его температура достигает точки Кюри (около 200 °С), сопротивление перемагничиванию (коэрцитивная сила) падает до нуля, и поле записывающей магнитной головки формирует запись. После охлаждения материала новая магнитная ориентация доменов в данной точке сохраняется. В зависимости от магнитной ориентации участка магнитного материала он интерпретируется как логический нуль или логическая единица. Считывание данных с диска происходит с помощью поляризованного лазерного луча пониженной мощности, которой недостаточно для разогрева рабочего слоя (мощность излучения лазера около 25% от номинальной). При попадании луча на упорядоченные магнитные частицы диска (ориентированные при записи данных) их магнитное поле незначительно изменяет поляризацию луча (эффект Керра). Хотя плоскость поляризации поворачивается всего на несколько градусов, это легко определяется, так же как изменение магнитного поля при считывании данных с жестких дисков.В отличие от компакт-диска, данные на магнитооптический диск теоретически можно записывать бесконечное количество раз, поскольку никаких необратимых процессов в материале носителя не происходит. Если нужно удалить старые данные, достаточно нагреть лазерным лучом соответствующие дорожки (секторы) и размагнитить их внешним магнитным полем. Многие фирмы-изготовители гарантируют миллион циклов перезаписи информации на МО-диск. Благодаря очень узким дорожкам емкость МО-дисков составляет от 230-640 Мбайт (для дисков формата 3,5”) до 4,6 Гбайт (для дисков формата 5,25”).
Голографическая запись
Возможность резкого повышения емкости оптической записи информации до 100-300 Гбайт дает голография – фотоспособ точной записи, воспроизведения и преобразования волновых полей [46] в виде голограммы, предложенный в 1948 г. Д.Габором (D.Gabor). Для записи данных в виде голограммы на специальный прозрачный носитель с фотополимерным слоем и их чтения используется монохроматичный луч лазера. При записи лазерный луч делится (рис. 1.28 слева) на два когерентных луча – опорный и сигнальный (отраженный от объекта или видоизмененный другим способом). В области их смешения происходит интерференция – образуется стоячая волна с усилением в одних точках пространства (пучности) и ослабление в других (узлы).
Рис. 1.18. Схема записи (слева) и чтения (справа) данных с помощью голографии
В слое светочувствительного материала - фотополимера (или других подобных сред – фототермопластиков, фотопластинок и фотопленок, фотохромных сред и др.) происходит фиксация стоячей волны в виде вариаций коэффициента отражения (сложные криволинейные зеркала) или поглощения либо диэлектрической проницаемости среды, являющихся оптическим эквивалентом объекта, изменившего сигнальный луч. Для чтения данных (рис. 1.18 справа) голограмму освещают опорным лучом. После прохождения через голограмму (например, отражения от сложных криволинейных зеркал) опорный луч становится неотличимым от сигнального луча. Восстановленное голограммой изображение объемно, при смещении точки зрения предмет можно увидеть с разных сторон. Поэтому считывание данных происходит не точечным светочувствительным элементом, как в CD- или DVD-дисководах, а специальным двумерным сенсором наподобие матрицы цифровых фотоаппаратов. Данные регистрируются в виде таблицы с фиксированными координатами по вертикал и горизонтали. Этим достигается обеспечение параллельного и более быстрого доступа к информации [47-49].
Разработкой голографических носителей в виде дисков и пленок занимается компания InPhase Technologies (США), созданная компанией Lucent Technologies, наследницей знаменитой Bell Laboratories, где был создан первый транзистор (рис. 1.1). Светочувствительные слои, разработанные фирмами Hitachi Maxell и Maxell Corporation of America позволяют осуществлять однократную запись наподобие CD-R и DVD-R. Планируется также разработка устройства для многократного стирания и записи данных. Конкурирующая компания Optiware (Япония) создает голографические карты памяти без движущихся частей. Сохранность данных гарантируется в течение 50 лет и более. В перспективе емкость хранимых данных планируется довести до 1-5 Тбайт.