Kietojo disko magnetinio įrašymo principas

Kaip informacija tampa magnetiniais ženklais

Kai pirmą kartą pažvelgiate į kietojo disko vidų, matote blizgančius diskus, kurie sukasi neįtikėtinu greičiu. Bet kaip ten, toje blizgančioje paviršiuje, įrašoma visa jūsų muzika, nuotraukos ir dokumentai? Atsakymas slypi magnetizmo pasaulyje – toje pačioje fizikoje, kuri kadaise leido mums įrašinėti muzikos kasetes.

Kietojo disko pagrindas yra labai paprastas principas: tam tikri metalai gali būti sumagnetinti ir išlaikyti tą magnetinę būseną ilgą laiką. Kiekvienas bitas – tas nulis ar vienetas – kompiuteryje yra užkoduojamas kaip mažytė magnetinė sritis disko paviršiuje. Galvutė, kuri juda virš disko, gali ne tik nuskaityti šias magnetines sritis, bet ir jas keisti, taip įrašydama naują informaciją.

Įdomu tai, kad šis principas beveik nepasikeitė nuo pat pirmųjų kietųjų diskų atsiradimo 1950-aisiais. Pasikeitė tik matas – dabar viename kvadratiniame centimetre galime sutalpinti milijonus kartų daugiau informacijos nei prieš penkiasdešimt metų.

Magnetinių domenų pasaulis

Kietojo disko paviršius nėra tiesiog metalas. Tai sudėtinga kelių sluoksnių struktūra, kur kiekvienas sluoksnis atlieka savo funkciją. Pats svarbiausias yra magnetinis sluoksnis – paprastai tai kobalto, chromo ir platinos lydinys, užneštas ant aliuminio ar stiklo pagrindo.

Šis magnetinis sluoksnis susideda iš mažyčių magnetinių dalelių, vadinamų domenais. Kiekvienas domenas veikia kaip mažytis magnetas su šiauriniu ir pietiniu poliu. Kai diskas yra nesumagnetintas, šie domenai orientuoti chaotiškai – vieni į vieną pusę, kiti į kitą. Bet kai magnetinė galvutė pravažiuoja virš tam tikros vietos, ji sugeba išlyginti šių domenų orientaciją viena kryptimi.

Būtent ši orientacija ir koduoja informaciją. Jei domenai orientuoti viena kryptimi, tai gali reikšti „1”, o jei priešinga – „0”. Arba informacija gali būti koduojama pagal magnetizacijos krypties pasikeitimus – kai kryptis pasikeičia, tai vienas bitas, kai lieka ta pati – kitas.

Rašymo galvutės stebuklai

Magnetinė galvutė – tai tikras inžinerijos šedevras. Ji turi būti pakankamai stipri, kad sumagnetintų disko paviršių, bet kartu pakankamai tiksli, kad dirbtų su mikroskopiniu tikslumu. Šiuolaikinėse galvutėse naudojamas elektromagnetas – ritė, per kurią leidžiamas elektros srovės impulsas.

Kai srovė teka viena kryptimi, galvutė sukuria magnetinį lauką, kuris orientuoja domenus viena kryptimi. Kai srovės kryptis pasikeičia, magnetinis laukas taip pat apsiverčia, ir domenai orientuojami priešinga kryptimi. Viskas vyksta neįtikėtinu greičiu – šiuolaikiniai diskai gali įrašyti šimtus megabaitų per sekundę.

Įdomu tai, kad galvutė niekada neliečia disko paviršiaus. Ji „skraido” virš jo plonutėlėje oro pagalvėje, kurios storis maždaug dešimt tūkstančių kartų mažesnis už žmogaus plauko storį. Jei diskas sukasi 7200 apsisukimų per minutę greičiu, galvutė juda virš paviršiaus greičiu, prilygiančiu lėktuvo skrydžiui. Todėl bet koks smūgis ar vibracijos gali būti katastrofiškos – galvutė gali „nukristi” ant disko ir jį subraižyti.

Skaitymo procesas ir signalų aiškinimas

Skaitymas yra šiek tiek paprastesnis nei rašymas, nors ir čia reikia neįtikėtino tikslumo. Kai galvutė juda virš sumagnetinto disko paviršiaus, magnetinis laukas iš tų mažyčių domenų indukuoja labai silpną elektros srovę galvutės ritėje. Šis signalas yra toks silpnas, kad jo stiprumas matuojamas mikrovoltais.

Šiuolaikiniuose disukuose naudojama GMR (Giant Magnetoresistance) arba TMR (Tunnel Magnetoresistance) technologija. Tai specialūs jutikliai, kurių elektrinė varža keičiasi priklausomai nuo magnetinio lauko stiprumo. Ši technologija yra tokia jautri, kad gali aptikti net mažiausias magnetizacijos pokyčius.

Nuskaitytas signalas keliauja į disko valdiklį, kur jis stiprinamas ir paverčiamas skaitmeniniais duomenimis. Čia įsijungia sudėtingi algoritmai, kurie atskiria tikrąjį signalą nuo triukšmo, taiso klaidas ir atkuria pradinę informaciją. Be šių algoritmų šiuolaikiniai didelės talpos diskai tiesiog neveiktų – signalai būtų per daug silpni ir per daug triukšmingi.

Tankio didinimo iššūkiai

Per pastaruosius dešimtmečius inžinieriai nuolat kovojo su vienu iššūkiu – kaip sutalpinti daugiau informacijos tame pačiame plote. Kuo mažesni magnetiniai domenai, tuo daugiau jų telpa ir tuo daugiau informacijos galima įrašyti. Bet čia iškyla problema, vadinama superparamagnetizmu.

Kai magnetiniai domenai tampa per maži, jie pradeda elgtis nestabiliai. Kambario temperatūros šiluminė energija tampa pakankama, kad spontaniškai apverstų domenų magnetizaciją. Tai reiškia, kad duomenys tiesiog išnyksta patys savaime – ne dėl gedimo, o dėl fizikos dėsnių.

Sprendimas buvo rastas naudojant naujas medžiagas su didesniu magnetiniu koercityvumu – tai reiškia, kad reikia stipresnio magnetinio lauko, kad pakeistų jų magnetizaciją. Bet čia iškilo kita problema – įprastos galvutės nebegali sukurti pakankamai stipraus lauko, kad įrašytų duomenis į tokias medžiagas. Todėl buvo išrastas perpendikularusis įrašymas ir šiluminiu būdu padedamas magnetinis įrašymas.

Perpendikularusis įrašymas – proveržis į priekį

Tradiciškai magnetiniai domenai buvo orientuojami horizontaliai – lygiagrečiai disko paviršiui. Bet apie 2005 metus prasidėjo perėjimas prie perpendikularaus įrašymo, kai domenai orientuojami statmenai paviršiui, tarsi mažyčiai stulpeliai.

Ši technologija leido gerokai padidinti įrašymo tankį. Kodėl? Nes horizontaliai orientuoti domenai turi polinkį magnetiškai sąveikauti tarpusavyje – jų magnetiniai laukai vienas kitą veikia ir gali sukelti nestabilumą. Kai domenai stovi statmenai, jie gali būti išdėstyti tankiau be tokių problemų.

Be to, perpendikularaus įrašymo atveju magnetinis laukas yra stipresnis ir geriau sufokusuotas. Disko apačioje dedamas specialus minkštas magnetinis sluoksnis, kuris veikia kaip magnetinio lauko „veidrodis”, sustiprinantis ir fokusuojantis lauką būtent ten, kur reikia. Dėl to galima naudoti plonesnius magnetinius sluoksnius ir dar labiau padidinti tankį.

HAMR ir MAMR – ateities technologijos

Šiluminiu būdu padedamas magnetinis įrašymas (HAMR – Heat-Assisted Magnetic Recording) yra viena naujausių technologijų, kuri jau pradedama naudoti komerciniuose diskuose. Principas paprastas: prieš įrašant duomenis, disko paviršius trumpam pašildomas lazeriu iki kelių šimtų laipsnių Celzijaus.

Kai medžiaga įkaitinama, jos koercityvumas sumažėja – tampa lengviau pakeisti magnetizaciją. Galvutė įrašo duomenis, o tada medžiaga greitai atvėsta ir vėl tampa stabili. Tai leidžia naudoti medžiagas su itin aukštu koercityvumu, kurios normalėje temperatūroje būtų per „kietos” įrašymui, bet užtikrina puikų duomenų stabilumą.

MAMR (Microwave-Assisted Magnetic Recording) yra alternatyvi technologija, kur vietoj šildymo naudojamos mikrobangės. Specialus generatorius galvutėje sukuria aukšto dažnio magnetinį lauką, kuris „išjudina” domenus ir palengvina jų perjungimą. Abi šios technologijos žada diskus su 20-30 TB talpa artimiausioje ateityje.

Kodėl kietieji diskai vis dar gyvi ir sveikatingi

Daugelis prognozavo, kad SSD diskai visiškai išstums tradicinius kietuosius diskus. Bet realybė pasirodė kitokia. Taip, SSD yra greitesni ir patvaresni, bet kietieji diskai turi vieną milžinišką pranašumą – kainą už gigabaitą. Duomenų centrams, kuriems reikia saugoti petabaitus informacijos, šis skirtumas yra kritinis.

Be to, magnetinis įrašymas turi vieną įdomią savybę – duomenys gali būti saugomi dešimtmečius be elektros energijos. SSD atveju, jei diskas ilgai nėra įjungtas, duomenys gali pradėti „nutekėti” dėl įkrovos praradimo. Kietieji diskai idealiai tinka ilgalaikiam archyvavimui.

Šiuolaikiniai kietieji diskai taip pat tapo daug patikimesni. Naudojami pažangūs klaidų taisymo algoritmai, vibracijos kompensavimo sistemos, o kai kuriuose modeliuose net helio užpildas, kuris sumažina trinties jėgas ir leidžia sutalpinti daugiau diskų tame pačiame korpuse. Taip kad magnetinio įrašymo principas, atrastas prieš daugiau nei pusę amžiaus, vis dar puikiai tarnauja mums šiandien ir greičiausiai tarnaus dar ne vieną dešimtmetį į priekį.