|
Назад к оглавлению |
Представление о расположении магнитных битов на магнитной поверхности дает рис.5. Поверхностную плотность записи информации на жестких дисках можно повышать двумя путями:
Линейная плотность записи определяет количество битовых ячеек на единицу длины дорожки жесткого диска и обычно измеряется в битах/дюйм (BPI - bytes per inch) [1 дюйм=25,4 мм].
Плотность дорожек зависит от ширины и шага дорожек и определяет их количество на пластине, измеряется в дорожках/дюйм (TPI - tracks per inch).
Если идеализировать процесс записи, то все кажется просто: головка записи, зафиксированная над поверхностью вращающегося диска и имеющая ширину В, оставляет на магнитном носителе дорожку шириной W, при этом B должно быть равно W. Однако в этой простой модели не учитывается ряд факторов, имеющих место в реальной ситуации. Во-первых, отклонения головок от концентрической траектории приводят к колебаниям ширины битов в пределах дорожки. Во-вторых, из-за невозможности мгновенного изменения магнитного поля рассеивания головки переходы между битами имеют некоторую отличную от нуля длину, которая определяется градиентом поля головки и полями размагничивания. В-третьих, магнитное поле рассеивания по ширине не равно ширине блока головок записи/чтения и зависит от величины электрического тока, протекающего через обмотку головки записи, а также от высоты полета головки над вращающейся поверхностью пластины.
Намагничивание участков носителя в процессе записи осуществляется магнитным полем рассеяния, возникающим под рабочим зазором индуктивной головки записи при протекании электрического тока через ее обмотку (рис. 6). В зазоре головки поле рассеяния можно рассматривать как двумерное плоскопараллельное. Поле рассеяния вне зазора содержит горизонтальную Нx и вертикальную Ну составляющие, распределение которых влияет на характеристики записи.
На рис. 7 показано соотношение между вертикальной Нx и горизонтальной Ну составляющими поля рассеяния головки в зависимости от удаления от головки. При удалении от поверхности головки вертикальная оставляющая уменьшается значительно быстрее, чем горизонтальная. Это показывает преимущество продольной записи по сравнению с поперечной.
На рис. 8,а схематически показан процесс взаимодействия головки записи/чтения с магнитным носителем. При переходе от одной магнитной ячейки к соседней происходит изменение направления намагниченности. Это изменение происходит не скачком, а постепенно в пределах некоторого намагниченного перехода определенной ширины. Этот переход называется доменной границей, и является важным фактором, ограничивающим плотность записи. Длина доменной границы а определяется по формуле [4]:
где Mr - остаточная намагниченность;
δ - толщина слоя;
d - расстояние головка-носитель;
Q - величина, связанная с градиентом поля индуктивной головки (0,75);
Нс - коэрцитивная сила носителя.
Для получения минимальной длины доменной границы величина коэрцитивной силы Нс должна иметь как можно большее значение по сравнению с произведением 4Mr
, а расстояние d головка-носитель - минимальное значение.
Линейная плотность
Для увеличения линейной плотности записи информации на поверхности пластин жесткого диска, необходимо не только стремиться уменьшать длину битовых ячеек, но сделать переходы между ними максимально резкими, что является сложной инженерно-технической задачей, связанной с фундаментальными проблемами теории магнетизма.
Битовые ячейки современных жестких дисков состоят из совокупности магнитных зерен, каждое из которых теоретически можно рассмотреть как однодоменную частицу. При перемагничивании носителя вектор намагниченности M каждой такой частицы изменяет свое направление только за счет вращения.
Линейная плотность записи информации, а значит, и геометрические размеры битовых ячеек зависят от множества факторов, но среди них выделим два наиболее важных.
1. Эффект размагничивания.
Смещение доменных границ отдельных магнитных ячеек при последовательной магнитной записи происходит во внешних магнитных полях с напряженностью Нсм, меньше величины коэрцитивной силы Нс. При уменьшении длины битовой ячейки величина напряженности магнитного поля Нсм еще более уменьшается по сравнению с коэрцитивной силой Нс. Поэтому устойчивость битовой ячейки к внешним магнитным полям снижается. Из этого следует, что ячейку можно уменьшать до некоторого минимального размера, при котором размагничивающиеся поля становятся настолько большими, что ячейка саморазмагничивается и исчезает. Происходит самопроизвольное стирание информации. Возникает явление суперпарамагнетизм [4] - квазипарамагнитное поведение систем, состоящих из совокупности экстремально малых ферромагнитных частиц, которые при определенно малых размерах переходят в однодоменное состояние с однородной самопроизвольной намагниченностью по всему объему частицы.
Минимальные размеры ячейки, то есть размеры, при которых она еще устойчива при отсутствии внешнего магнитного поля, зависят от параметров магнитного покрытия носителя, и большую роль играет коэрцитивная сила (Нс).
Увеличение Нс снижает влияние эффекта саморазмагничивания и повышает устойчивость битовой ячейки к воздействию внешних магнитных полей. Поэтому применение сплавов металлов, имеющих большую коэрцитивную силу, приводит к возможности повышения линейной плотности записи информации.
2. Тепловая энергия частицы.
Важным фактором магнитной стабильности битовой ячейки является температура. Изменение температуры вызывает небольшие случайные флуктуации намагниченности частиц, аналогично тому, как она вызывает Броуновское движение небольших частиц.
Если общая энергия анизотропии однодоменной частицы KuV будет порядка температурной энергии KT, то намагниченность может самопроизвольно изменяться во времени.
Критический объем магнитной частицы (битовой ячейки), ниже которого наблюдается суперпарамагнитный эффект находят по формуле [3]:
Здесь t - период наблюдения,
f0 - частота Лармора (~109 Гц) ;
Ku - константа плотности энергии анизотропии;
K - константа Больцмана;
T- абсолютная температура;
V-объем магнитной частицы.
Для хранения данных на магнитных носителях желательно, чтобы информация надежно хранилась много лет. Для периода хранения в 100 лет, с точки зрения температурной стабильности отношение KuV/KT должно быть равно 43. В качестве примера, - для периода хранения данных на протяжении 5-ти лет, это отношение должно быть равным 40.
Поэтому в различной литературе отношение KuV/KT > 43 используется как условие стабильности магнитной ячейки.
На рис. 9,а показана теоретическая взаимосвязь между полной энергией Еполная и диаметром для магнитных зерен (однодоменные частицы) и битовых ячеек (многодоменные частицы). Пересечение кривых соответствует критическому диаметру Ds, при котором частица трансформируется из однодоменной в многодоменную. При небольших значениях полной энергии частица становится суперпарамагнетиком.
На рис. 9,б приведена зависимость внутренней коэрцитивности Hc от диаметра частицы d. Максимум величины внутренней коэрцитивности расположен в районе критического диаметра Ds.
В реальных носителях ситуация несколько отличается от теоретических расчетов. Во-первых, магнитные зерна в битовой ячейке имеют различные размеры и формы, а не являются идеально круглыми. Во-вторых, зерна взаимодействуют друг с другом и с внешним магнитным полем. Эти факторы приводят к тому, что критический объем, ниже которого битовые ячейки становятся нестабильными, увеличивается по сравнению с рассчитанным по формуле. Современные оценки предсказывают, что суперпарамагнитный предел ограничивает плотность записи на уровне 150 Гбит/кв.дюйм. Следует отметить, что эта цифра постоянно корректируется в сторону увеличения и отражает лишь современный уровень развития технологий создания магнитных носителей. Так, еще в 1999 г. предполагалось, что увеличение плотности записи остановится на отметке в 40 Гбит/кв.дюйм, однако в жестких дисках выпуска середины 2003 г. массово применяются пластины с плотностью 65-70 Гбит/кв.дюйм. Тем не менее, суперпарамагнитный предел объективно существует, ограничивая максимальную линейную плотность продольной записи.
Таким образом, из-за проблем температурной нестабильности магнитных носителей при уменьшении линейного размера бита и значительной величины размагничивающего поля ячейки линейная плотность записи практически достигла своего предела, поэтому основные усилия разработчиков направлены на повышение плотности дорожек.
Плотность дорожек
Уменьшение ширины дорожек возможно только при повышении точности и стабильности позиционирования головок. Из-за конструктивных недостатков привода и воздействия ударов и вибраций в процессе работы накопителя головки могут отклоняться от необходимой дорожки и выполнять запись в междорожечный интервал, формируя зоны остаточной намагниченности на краях дорожки (т.н. краевой эффект) (рис. 10). В результате сильных ударов или тряски головки могут кратковременно отклоняться на несколько дорожек от номинального положения.
Все отклонения головок от требуемой траектории называются ошибками позиционирования. Помимо снижения производительности жесткого диска (на величину порядка 10%), ошибки позиционирования могут приводить к частичной потере информации в результате перезаписи информационных секторов на соседних дорожках.
Основные причины возникновения ошибок позиционирования
1. Внешние ударные воздействия.
При ударах в радиальном направлении блок головок может смещаться на 10 мкм и более от номинального положения, что при плотности дорожек, равной 100000 дорожек/дюйм, соответствует величине, равной 37-38 дорожкам. Это может приводить к потере информации, если ударное воздействие происходит во время записи, или к снижению производительности НЖМД при считывании. Ударные воздействия вызывают также радиальные сдвиги пластин, причем в жестких дисках с несколькими пластинами каждая из них может иметь свой собственный сдвиг.
Для решения этой проблемы производители идут на усиление конструкции накопителя. Тем не менее, усиление конструкции не всегда приводит к желаемому результату. В жестких дисках форм-фактора 2,5" и менее пластины имеют уменьшенную толщину, поэтому при их жестком закреплении в пакете возможно их перекашивание и изгибание, что вызывает эффект "дрожания диска". Колебания пластин в вертикальной плоскости приводят к снижению соотношения сигнал/шум при записи и считывании из-за колебания расстояния головка-поверхность и, кроме того, к потере точности позиционирования порядка 0,5 мкм (2 дорожки).
2. Эксцентриситет шпинделя.
Для жестких дисков настольных систем (форм-фактор 3,5") основными источниками ошибок позиционирования являются эксцентриситет шпинделя и вибрации накопителя.
В процессе производства чрезвычайно сложно выдержать точность формы шпинделя, поэтому практически всегда существует эксцентриситет или дисбаланс массы, приводящие к биениям и возникновению ошибок позиционирования величиной порядка 1 дорожки. При производстве шпиндельных двигателей для современных жестких дисков используется динамическое балансирование, которое позволяет уменьшить дисбаланс, но окончательно устранить его не может.
Вибрация корпуса компьютера и вибрация накопителя на собственной резонансной частоте также вносит свой вклад в возникновение ошибок позиционирования. Причем, если в корпусе установлено несколько жестких дисков, вибрации могут возникать и на комбинационных частотах. Хотя наибольшую роль в ошибки позиционирования вносят механические воздействия (вибрации и дисбалансы), для 3,5" накопителей характерно также появление ошибок позиционирования вследствие перепадов температуры внутри гермокамеры.
3. Точность записи серводанных и др.
Независимо от области применения и форм-фактора на точность позиционирования оказывают влияние следующие факторы: неточность записи серводанных при производстве накопителей на жестких магнитных дисках, дрожание пластины, шумы головки и электронные шумы в процессе записи серводанных, дефекты и износ подшипника шпинделя и вала поворотного двигателя.
В некоторых случаях, например, ремонта накопителя с вскрытием гермокамеры и разборкой пакета дисков, оказывается необходимым перезаписать существующие серводанные. В процессе сборки-разборки пакета дисков невозможно абсолютно точно установить пластины в исходное положение. Поэтому после включения отремонтированного таким образом жесткого диска он отказывается функционировать, поскольку записанная в контроллере привода информация о положении серворазметки не совпадает с действительным положением. Восстановить нормальное функционирование жесткого диска можно лишь посредством перезаписи сервоинформации.
Каждый производитель жестких дисков имеет собственные форматы кодирования и записи сервометок, причем они могут отличаться в различных моделях жестких дисков. Информация о конкретных реализациях серворайтеров, особенно касающаяся кодеров серводанных, представляет коммерческую тайну.
В зависимости от причин возникновения, ошибки позиционирования принято разделять на повторяющиеся и однократные. К повторяющимся ошибкам позиционирования относят ошибки, возникающие в результате эксцентриситета шпинделя, случайных ошибок позиционирования и дрожанию пластины в процессе записи сервоинформации, ограниченной точности устройства записи серводанных и шума головка-носитель в процессе записи сервоинформации.