Manyetik depolama - Magnetic storage

Boyuna kayıt ve dikey kayıt , sabit diskte iki tip yazı kafası.

Manyetik depolama veya manyetik kayıt depolanması olan veriler , bir ilgili mıknatıslı ortam. Manyetik depolama, verileri depolamak için manyetize edilebilir bir malzemede farklı manyetizasyon kalıpları kullanır ve bir tür kalıcı bellektir . Bilgiye bir veya daha fazla okuma/yazma kafası kullanılarak erişilir .

Manyetik depolama ortamları, özellikle sabit diskler , bilgisayar verilerinin yanı sıra ses ve video sinyallerini depolamak için yaygın olarak kullanılır . Bilgisayar alanında manyetik depolama terimi tercih edilirken, ses ve video üretimi alanında manyetik kayıt terimi daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrım daha az teknik ve daha çok bir tercih meselesidir. Manyetik depolama ortamının diğer örnekleri arasında disketler , manyetik bant ve kredi kartlarındaki manyetik şeritler yer alır.

Tarih

Tel kaydı biçimindeki manyetik depolama - bir tel üzerine ses kaydı - Oberlin Smith tarafından Electrical World'ün 8 Eylül 1888 sayısında yayınlandı . Smith daha önce Eylül 1878'de bir patent başvurusunda bulunmuştu, ancak işi takım tezgahları olduğu için bu fikri sürdürme fırsatı bulamamıştı. Halka açık ilk sergilenen (1900 Paris Fuarı) manyetik kaydedici 1898'de Valdemar Poulsen tarafından icat edildi . Poulsen'in cihazı , bir tamburun etrafına sarılmış bir tel üzerinde bir sinyal kaydetti . 1928'de Fritz Pfleumer ilk manyetik kayıt cihazını geliştirdi . Erken manyetik depolama cihazları, analog ses sinyallerini kaydetmek için tasarlandı . Bilgisayarlar ve şimdi çoğu ses ve video manyetik depolama aygıtı dijital verileri kaydeder .

Eski bilgisayarlarda, manyetik depolama, bir manyetik tambur veya çekirdek bellek , çekirdek ip bellek , ince film belleği , bükümlü bellek veya kabarcık belleği biçiminde birincil depolama için de kullanılıyordu . Modern bilgisayarların aksine, manyetik bant da genellikle ikincil depolama için kullanıldı.

Tasarım

Sabit sürücüler, bilgisayarlarda giga ve terabaytlarca veri depolamak için manyetik bellek kullanır.

Bilgi, manyetik yüzey üzerinde çok yakın (genellikle onlarca nanometre) çalışan okuma ve yazma kafaları adı verilen aygıtların yanından geçerken, depolama ortamına yazılır ve buradan okunur . Okuma ve yazma kafası, hemen altındaki malzemenin manyetizasyonunu algılamak ve değiştirmek için kullanılır. Her biri 0 veya 1'i temsil etmek için kullanılan iki manyetik polarite vardır.

Manyetik yüzey kavramsal olarak , her biri çoğunlukla tek biçimli bir manyetizasyona sahip olan, manyetik alanlar olarak adlandırılan birçok küçük mikrometre- altı boyutlu manyetik bölgeye bölünmüştür (bunlar kesin bir fiziksel anlamda manyetik alanlar olmasa da ). Manyetik malzemenin polikristal yapısı nedeniyle , bu manyetik bölgelerin her biri birkaç yüz manyetik taneden oluşur . Manyetik tanecikler tipik olarak 10 nm boyutundadır ve her biri tek bir gerçek manyetik alan oluşturur . Her manyetik bölge toplamda bir manyetik alan oluşturan bir manyetik dipol oluşturur . Daha eski sabit disk sürücüsü (HDD) tasarımlarında, bölgeler yatay ve disk yüzeyine paralel olarak yönlendirildi, ancak yaklaşık 2005'ten itibaren, daha yakın manyetik alan aralığına izin vermek için yön dikey olarak değiştirildi .

Daha eski sabit disk sürücüleri manyetik malzeme olarak demir(III) oksit (Fe 2 O 3 ) kullanıyordu, ancak mevcut diskler kobalt bazlı bir alaşım kullanıyor.

Verilerin güvenilir bir şekilde saklanması için, kayıt materyalinin, manyetik alanlar birbirini ittiğinde meydana gelen, kendi kendine demanyetizasyona direnmesi gerekir. Zayıf mıknatıslanabilir bir malzemede birbirine çok yakın yazılan manyetik alanlar, bu kuvvetleri iptal etmek için bir veya daha fazla alanın manyetik momentinin dönmesi nedeniyle zamanla bozulacaktır . Alanlar, alanın okunabilirliğini zayıflatan ve manyetik stresleri azaltan bir yarım konuma yana doğru döner.

Bir yazma kafası, güçlü bir yerel manyetik alan oluşturarak bir bölgeyi manyetize eder ve bir okuma kafası, bölgelerin manyetizasyonunu algılar. Erken HDD bir kullanılmış elektromıknatıs iki bölge manyetize etmek ve daha sonra kullanarak manyetik alan okuma elektromanyetik indüksiyon . Endüktif kafaların sonraki sürümleri, Metal In Gap (MIG) kafaları ve ince film kafalarını içeriyordu . Veri yoğunluğu arttıkça magnetoresistance (MR) kullanan okuma kafaları kullanılmaya başlandı ; kafanın elektrik direnci, plakadan gelen manyetizmanın gücüne göre değişti. Daha sonraki gelişmeler spintronics'i kullandı ; okuma kafalarında, manyetodirenç etkisi önceki tiplerden çok daha büyüktü ve "dev" manyetodirenç (GMR) olarak adlandırıldı . Günümüzün kafalarında, okuma ve yazma öğeleri ayrıdır, ancak bir aktüatör kolunun baş kısmında birbirine yakındır. Okuma elemanı tipik olarak manyeto-dirençlidir , yazma elemanı ise tipik olarak ince film endüktiftir.

Kafaların, tablaya çok yakın olan hava tarafından tabla yüzeyine temas etmesi engellenir; bu hava plaka hızında veya yakınında hareket eder. Kayıt ve oynatma kafası, kaydırıcı adı verilen bir blok üzerine monte edilmiştir ve tabağın yanındaki yüzey, neredeyse temas etmeyecek şekilde şekillendirilmiştir. Bu bir tür hava yatağı oluşturur .

Manyetik kayıt sınıfları

Analog kayıt

Analog kayıt , belirli bir malzemenin kalıntı manyetizasyonunun uygulanan alanın büyüklüğüne bağlı olduğu gerçeğine dayanır. Manyetik malzeme normalde bant biçimindedir ve boş biçimindeki bant başlangıçta demanyetize edilir. Kayıt sırasında, bant sabit bir hızda çalışır. Yazı kafası, sinyalle orantılı akımla bandı manyetize eder. Manyetik bant boyunca bir manyetizasyon dağılımı elde edilir. Son olarak, orijinal sinyali yeniden üreterek manyetizasyonun dağılımı okunabilir. Manyetik bant tipik olarak, polyester film bant üzerindeki plastik bir bağlayıcıya manyetik parçacıkların (yaklaşık 0,5 mikrometre boyutunda) gömülmesiyle yapılır. Bunların en yaygın olarak kullanılanı demir oksitti, ancak krom dioksit, kobalt ve daha sonra saf metal parçacıkları da kullanıldı. Analog kayıt, en popüler ses ve video kayıt yöntemiydi. Bununla birlikte, 1990'ların sonlarından bu yana, dijital kayıt nedeniyle bant kaydının popülaritesi azaldı.

Dijital kayıt

Analog kayıtta bir manyetizasyon dağılımı oluşturmak yerine, dijital kayıt , histerezis döngüsündeki +Ms ve -Ms olmak üzere yalnızca iki sabit manyetik duruma ihtiyaç duyar . Dijital kayıt örnekleri, disketler ve sabit disk sürücüleridir (HDD'ler). Kasetlere dijital kayıt da yapılmıştır. Ancak HDD'ler makul fiyatlarla üstün kapasiteler sunar; Yazma sırasında (2020), tüketici sınıfı HDD'ler, GB başına yaklaşık 0,03 ABD doları değerinde veri depolama sunar.

HDD'lerdeki kayıt ortamı, bilgileri depolamak için bir dizi ince film ve ortama ve ortamdan bilgi okumak ve yazmak için bir okuma/yazma kafası kullanır; kullanılan malzemeler konusunda çeşitli gelişmeler gerçekleştirilmiştir.

Manyeto-optik kayıt

Manyeto-optik kayıt optik olarak yazar/okur. Yazarken, manyetik ortam bir lazer tarafından lokal olarak ısıtılır , bu da zorlayıcı alanın hızlı bir şekilde azalmasına neden olur. Ardından, manyetizasyonu değiştirmek için küçük bir manyetik alan kullanılabilir. Okuma işlemi manyeto-optik Kerr etkisine dayanmaktadır . Manyetik ortam tipik olarak amorf R-Fe-Co ince filmdir (R, bir nadir toprak elementidir). Manyeto-optik kayıt çok popüler değil. Ünlü bir örnek, Sony tarafından geliştirilen Minidisc'tir .

Etki alanı yayılma belleği

Etki alanı yayılım belleğine kabarcık belleği de denir . Temel fikir, mikro yapı içermeyen manyetik bir ortamda alan duvar hareketini kontrol etmektir. Kabarcık, kararlı bir silindirik alanı ifade eder. Veriler daha sonra bir kabarcık alanının varlığı/yokluğu ile kaydedilir. Etki alanı yayılma belleği, şok ve titreşime karşı yüksek duyarsızlığa sahiptir, bu nedenle uygulaması genellikle uzay ve havacılıkta yapılır.

Teknik detaylar

Erişim yöntemi

Manyetik depolama ortamı, sıralı erişimli bellek veya rastgele erişimli bellek olarak sınıflandırılabilir , ancak bazı durumlarda ayrım tam olarak net değildir. Erişim süresi, saklanan kayıtlara erişim sağlamak için gereken ortalama süre olarak tanımlanabilir. Manyetik tel durumunda, okuma/yazma kafası herhangi bir zamanda kayıt yüzeyinin yalnızca çok küçük bir bölümünü kaplar. Telin farklı kısımlarına erişim, ilgi noktası bulunana kadar teli ileri veya geri sarmayı içerir. Bu noktaya erişim süresi, başlangıç ​​noktasından ne kadar uzakta olduğuna bağlıdır. Ferrit çekirdekli bellek durumu bunun tam tersidir. Her çekirdek konuma herhangi bir zamanda anında erişilebilir.

Sabit diskler ve modern lineer serpantin teyp sürücüleri her iki kategoriye de tam olarak uymaz. Her ikisinin de medyanın genişliği boyunca birçok paralel izi vardır ve okuma/yazma kafalarının parçalar arasında geçiş yapması ve parçalar içinde tarama yapması zaman alır. Depolama ortamındaki farklı noktalara erişmek için farklı süreler gerekir. Bir sabit disk için bu süre tipik olarak 10 ms'den azdır, ancak teypler 100 s'ye kadar sürebilir.

Kodlama şemaları

Manyetik disk kafaları ve manyetik bant kafaları DC'yi (doğru akım) geçemez. Bu nedenle, hem teyp hem de disk verileri için kodlama şemaları, DC ofsetini en aza indirecek şekilde tasarlanmıştır . Çoğu manyetik depolama aygıtı hata düzeltme kullanır .

Birçok manyetik disk, dahili olarak, bir tür çalışma uzunluğu sınırlı kodlama ve kısmi yanıt maksimum olasılığı kullanır .

Mevcut kullanım

2020 itibariyle, manyetik depolama ortamının yaygın kullanımları, sabit disklerde bilgisayar verilerinin yığın olarak depolanması ve analog ses ve video çalışmalarının analog bant üzerine kaydedilmesi içindir . Ses ve video üretiminin çoğu dijital sistemlere taşındığından, analog bant pahasına sabit disk kullanımının artması bekleniyor. Dijital teyp ve teyp kitaplıkları , arşivlerin ve yedeklerin yüksek kapasiteli veri depolaması için popülerdir. Disketler , özellikle eski bilgisayar sistemleri ve yazılımlarıyla uğraşırken, bazı marjinal kullanım görür. Manyetik depolama, banka çekleri ( MICR ) ve kredi/banka kartları ( mag stripes ) gibi bazı özel uygulamalarda da yaygın olarak kullanılmaktadır .

Gelecek

Tünel manyetodirenci (TMR) etkisine dayalı olarak verileri manyetik bitlerde depolayan manyeto dirençli rastgele erişimli bellek veya MRAM adı verilen yeni bir manyetik depolama türü üretiliyor . Avantajı, uçucu olmaması, düşük güç kullanımı ve iyi şok sağlamlığıdır. Geliştirilen 1. nesil, Everspin Technologies tarafından üretildi ve alan kaynaklı yazı kullanıldı. 2. nesil iki yaklaşımla geliştiriliyor: şu anda Crocus Technology tarafından geliştirilmekte olan termal destekli anahtarlama (TAS) ve Crocus , Hynix , IBM ve diğer birkaç şirketin üzerinde çalıştığı spin-transfer torku (STT) . Bununla birlikte, bir HDD'den daha küçük depolama yoğunluğu ve kapasite siparişleri ile MRAM, sınırlı yazma dayanıklılığı nedeniyle flash belleğin destekleyemediği , çok sık güncellemeler gerektiren orta miktarda depolamanın gerekli olduğu uygulamalarda kullanışlıdır . Altı durumlu MRAM da geliştirilmekte olup, iki .

Radboud Üniversitesi'nden Aleksei Kimel tarafından manyetik depolama ortamına veri yazmak için standart elektropulslar kullanmak yerine terahertz radyasyonu kullanma olasılığına yönelik araştırmalar da yapılıyor. Terahertz radyasyon kullanarak, yazma süresi önemli ölçüde azaltılabilir (standart elektropuls kullanımına göre 50 kat daha hızlı). Diğer bir avantaj ise terahertz radyasyonunun neredeyse hiç ısı üretmemesi ve böylece soğutma gereksinimlerini azaltmasıdır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar