Магнитная память или магнитная запись — это способ хранения данных на магнитном носителе. Магнитная память использует различные схемы намагничивания в способных к намагничиванию материалах для сохранения данных, что делает её видом энергонезависимой памяти. Доступ к информации осуществляется с помощью одной или более головок чтения-записи.
Магнитные носители информации, в первую очередь жёсткие диски, широко используются для хранения компьютерных данных, а также аудио- и видеосигналов. В компьютерной области предпочитают термин «магнитная память», а в аудио- и видеопродукции чаще используется термин «магнитная запись». Различие скорее стилистическое, а не техническое. Другими примерами магнитных носителей служат дискеты, магнитные ленты и магнитные полосы на кредитных картах.
История
Магнитное хранение в виде записи аудио на было представлено в номере журнала Electrical World (Мир Электричества) от 8 сентября 1888. Смит подал патентную заявку ещё в сентябре 1878 года, но не смог развить эту идею из-за занятости в своём бизнесе по производству станков. Первый публично продемонстрированный магнитный рекордер был изобретён Вальдемаром Поульсеном в 1898 году и представлен на Парижской выставке 1900 года. Устройство Поульсена записывало сигнал на проволоку, намотанную на барабан. В 1928 году разработал первый магнитофон. Изначально магнитные накопители предназначались для записи аналоговых аудиосигналов. В настоящее время компьютеры, а также большинство аудио- и видеомагнитных накопителей записывают цифровые данные.
В компьютерах магнитные носители также использовались в качестве основной памяти в виде магнитных барабанов или памяти на магнитных сердечниках, , , или пузырьковой памяти. В отличие от современных компьютеров магнитные ленты часто применялись и для вторичного хранения данных.
Дизайн
Данные записываются на носитель информации и считываются с него по мере его перемещения мимо устройств, называемых головками чтения-записи, которые работают на очень малом расстоянии (часто десятки нанометров) от магнитной поверхности. Головка чтения-записи используется для обнаружения и изменения намагниченности материала, находящегося непосредственно под ней. Существует две магнитные полярности, каждая из которых используется для представления либо 0, либо 1.
Магнитная поверхность условно разделена на множество мелких магнитных областей размером менее микрометра, называемых магнитными доменами (хотя это и не домены в строгом физическом смысле), каждая из которых обладает в основном однородной намагниченностью. Из-за поликристаллической структуры магнитного материала каждая из этих магнитных областей состоит из нескольких сотен магнитных зёрен. Магнитные зёрна обычно имеют размер 10 нм, и каждое из них образует один истинный магнитный домен. Каждая магнитная область в целом формирует магнитный диполь, который образует магнитное поле. В старых конструкциях жёстких дисков области были ориентированы горизонтально и параллельно поверхности диска, но в более новых дисках ориентация была изменена на перпендикулярную, чтобы обеспечить более плотное расположение магнитных доменов.
Старые жёсткие диски использовали оксид железа (Fe2O3) в качестве магнитного материала, но современные диски используют сплав на основе кобальта.
Для надёжного хранения данных материал записи должен противостоять самопроизвольному размагничиванию, которое происходит из-за отталкивания магнитных доменов друг от друга. Магнитные домены, записанные слишком близко друг к другу в слабо намагничиваемом материале, со временем деградируют из-за поворота магнитного момента одного или нескольких доменов, чтобы компенсировать эти силы. Домены поворачиваются в боковом направлении в промежуточное положение, что ухудшает читаемость домена и снимает магнитные напряжения.
Записывающая головка намагничивает область, создавая сильное локальное магнитное поле, а считывающая головка определяет намагниченность этих областей. В ранних жёстких дисках использовался электромагнит как для намагничивания области, так и для последующего считывания её магнитного поля посредством электромагнитной индукции. Более поздние версии индуктивных головок включали головки с металлическим зазором (, MIG) и тонкоплёночные головки. По мере увеличения плотности записи стали использоваться головки, основанные на магниторезистивном эффекте (, MR), где электрическое сопротивление головки изменялось в зависимости от силы магнитного поля диска. Дальнейшее развитие привело к использованию спинтроники. В считывающих головках магниторезистивный эффект был значительно сильнее, чем в более ранних типах, и получил название «гигантского» магнетосопротивления (, GMR). В современных головках элементы записи и чтения разделены, но расположены близко друг к другу на части головки, закреплённой на рычаге привода. Элемент чтения обычно является магниторезистивным, а элемент записи — тонкоплёночным индуктивным.
Головки удерживаются от контакта с поверхностью диска благодаря воздуху, который находится очень близко к диску и движется со скоростью, близкой к скорости диска. Головки записи и воспроизведения закреплены на блоке, называемом ползунком, а поверхность рядом с диском имеет форму, которая позволяет ей едва не касаться поверхности. Это образует своего рода .
Классы магнитной записи Аналоговая запись основана на том, что остаточная намагниченность материала зависит от силы приложенного поля. Магнитный материал обычно представляет собой ленту, которая в исходном, чистом состоянии предварительно размагничена. Во время записи лента движется с постоянной скоростью. Записывающая головка намагничивает ленту током, пропорциональным сигналу. Вдоль магнитной ленты формируется распределение намагниченности. Впоследствии это распределение намагниченности можно считать, воспроизводя исходный сигнал. Магнитная лента обычно изготавливается путем встраивания магнитных частиц (размером около 0,5 микрометра) в пластичный связующий слой на полиэфирной плёнке. Наиболее часто использовался оксид железа, хотя также применялись диоксид хрома, кобальт и, позднее, частицы чистого металла. Аналоговая запись была самым популярным методом записи звука и видео. Однако с конца 1990-х годов запись на магнитную ленту утратила свою популярность из-за развития цифровой записи.
Цифровая запись В отличие от аналоговой записи, где создается распределение намагниченности, цифровая запись требует всего двух устойчивых магнитных состояний, соответствующих верхнему и нижнему значениям на петле гистерезиса. Примерами цифровой записи являются дискеты, жёсткие диски и ленточные накопители. Жёстки диски обеспечивают большую ёмкость при разумной цене — на 2024 год жёсткие диски потребительского класса предлагали хранение данных примерно по цене 5–20 долларов США за терабайт.
Магнитооптическая запись Магнитооптическая запись осуществляется с помощью света. При записи магнитный носитель локально нагревается лазером, что вызывает резкое снижение коэрцитивного поля. Затем небольшое магнитное поле используется для переключения намагниченности. Процесс чтения основан на магнитооптическом эффекте Керра. В качестве магнитного носителя обычно используются тонкие плёнки аморфных сплавов редкоземельных элементов с железом и кобальтом. Магнитооптическая запись не получила широкого распространения. Одним из известных примеров является формат MiniDisc, разработанный компанией Sony.
Память на цилиндрических магнитных доменах Память на цилиндрических магнитных доменах () называется также пузырьковой памятью. Основной принцип заключается в управлении движением доменных стенок в магнитной среде, свободной от микроструктуры. Пузырьком называют стабильный цилиндрический домен. Данные записываются наличием или отсутствием такого доменного пузырька. Память на цилиндрических магнитных доменах обладает высокой устойчивостью к ударам и вибрациям, поэтому обычно применяется в космической и авиационной технике.
Технические детали Метод доступа Магнитные носители информации делятся на устройства с и произвольным доступом, хотя иногда это различие не так очевидно. Время доступа можно определить как среднее время, необходимое для получения доступа к сохранённым данным. В случае магнитной проволоки головка записи/считывания охватывает лишь небольшую часть поверхности записи в любой момент времени. Для доступа к разным участкам проволоки требуется перемотка вперед или назад до нужной точки. Время доступа к этой точке зависит от её удалённости от начальной позиции. В случае ферритовой памяти ситуация обратная – каждая ячейка памяти доступна мгновенно в любой момент времени.
Жёсткие диски и современные линейные ленточные накопители с серпантинным движением не совсем подходят ни под одну из этих категорий. Оба имеют множество параллельных дорожек по ширине носителя, а головкам чтения/записи требуется время для переключения между дорожками и сканирования внутри них. Доступ к разным участкам носителя информации занимает разное время. Для жёсткого диска это время обычно составляет менее 10 миллисекунд, тогда как для лент оно может достигать 100 секунд.
Схемы кодирования Головки магнитных дисков и лент не могут работать при наличии постоянной составляющей тока,так что для обоих типов разработаны схемы кодирования, минимизирующие постоянную составляющую тока через головки. Большинство магнитных накопителей используют контроль ошибок.
Многие магнитные диски внутренне используют некоторую форму кодирования с ограничением длины пробега (см. История) и .
Использование По состоянию на 2021 год магнитные носители обычно используются для массового хранения компьютерных данных на жёстких дисках, а также для записи аналоговых аудио- и видеоматериалов на аналоговую ленту. Поскольку большая часть производства аудио- и видеоконтента переходит на цифровые системы, ожидается, что использование жёстких дисков будет расти за счёт аналоговой ленты. Цифровые ленты и ленточные библиотеки популярны для высокоёмкого хранения архивных данных и резервных копий. Дискеты находят некоторое ограниченное применение, особенно при работе со старыми компьютерными системами и программным обеспечением. Магнитное хранение также широко используется в некоторых специфических приложениях, таких как банковские чеки (MICR) и кредитные/дебетовые карты (магнитная полоса).
Будущее Производится новый тип магнитного накопителя под названием магниторезистивная оперативная память (, MRAM), который сохраняет информацию в магнитных битах, основанных на эффекте туннельного магнитосопротивления (, TMR). Его преимуществами являются энергонезависимость, низкое энергопотребление и высокая надёжность. Первое поколение, разработанное компанией Everspin Technologies, использовало запись с помощью магнитного поля Everspin Technologies. Второе поколение разрабатывается двумя способами: с помощью : (, TAS), над которым работает , и передачи спинового момента (, STT) над которым работают , SK Hynix, IBM и ряд других компаний. Однако, поскольку плотность и ёмкость хранения MRAM на порядки меньше, чем у жёсткого диска, она находит применение в тех случаях, когда требуется умеренный объём хранения с необходимостью очень частых обновлений, что флэш-память не может обеспечить из-за ограниченного ресурса записи. Также разрабатывается шестиуровневая MRAM, аналогичная многоуровневым флэш-памяти ячейкам с четырьмя битами, которые имеют шесть различных состояний, в отличие от двух.
Алексей Кимель из университета Радбода в Нидерландах также проводит исследования, направленные на использование терагерцевого излучения вместо стандартных электроимпульсов для записи данных на магнитные носители. Применение терагерцового излучения позволяет значительно сократить время записи (в 50 раз быстрее, чем при использовании стандартных электроимпульсов). Ещё одним преимуществом является то, что терагерцовое излучение практически не генерирует тепла, что снижает потребность в охлажденииKijk magazine, 12, 2019.
См.также Digital Audio Tape Digital Data Storage Дисковый накопитель