42磁存儲(chǔ)解析課件

一磁記錄技術(shù)的發(fā)展磁記錄技術(shù)是指利用磁特性和磁效應(yīng)記錄、存儲(chǔ)和讀出各種聲音、圖像以及數(shù)據(jù)等信息的技術(shù)，其原理是：先將需要記錄和存儲(chǔ)的信息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)輸送到磁頭電路中，使寫(xiě)入磁頭中產(chǎn)生與輸入電信號(hào)相對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)，用該磁場(chǎng)作用于磁記錄介質(zhì)，使其從原來(lái)的退磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇呕癄顟B(tài)，需要輸出信息時(shí)，使用讀出磁頭作用于磁記錄介質(zhì)，使磁記錄介質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用于讀出磁頭，獲取之前寫(xiě)入的信息。

磁記錄技術(shù)的起源可以追溯到1857年使用鋼帶的錄音機(jī)雛形。1898年，丹麥人Valdemar

Poulson使用直徑為1

mm的碳鋼絲制作了世界上第一臺(tái)可供實(shí)用的磁錄音機(jī)。1928年，德國(guó)人Fritz

Pfleumer與AEG（伊萊克斯）合作制作了第一臺(tái)磁帶錄音機(jī)，被稱為是磁帶錄音機(jī)的鼻祖，從此磁帶錄音機(jī)進(jìn)入實(shí)用化。1947年，γ-Fe2O3的發(fā)明標(biāo)志著磁帶記錄技術(shù)與當(dāng)代的接軌，目前以這種材料為基礎(chǔ)的磁粉仍然被廣泛用于各種磁帶的制作。早期的計(jì)算機(jī)用磁存儲(chǔ)介質(zhì)仍然是磁盤，其標(biāo)志是1953年IBM726磁帶機(jī)的出現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于模擬信號(hào)的錄音、錄像技術(shù)由于其較低的保真度、還原度和信息存儲(chǔ)量，已經(jīng)越來(lái)越不能滿足人們的需要。這樣，基于二進(jìn)制的數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。在這種存儲(chǔ)技術(shù)中，磁化狀態(tài)代表1的信號(hào)，退磁狀態(tài)（未磁化）則代表0的信號(hào)，這樣，就實(shí)現(xiàn)了在更小的空間實(shí)現(xiàn)大量信息存儲(chǔ)的可能。由于這種存儲(chǔ)技術(shù)主要用于計(jì)算機(jī)技術(shù)中，因此基于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的磁盤存儲(chǔ)技術(shù)也就取代磁帶機(jī)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。這種技術(shù)的實(shí)用化始于1956年IBM公司制作的世界。上第一個(gè)固定式磁盤裝置IBM

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RAMAC，當(dāng)時(shí)引起轟動(dòng)的這臺(tái)重達(dá)一噸的龐然大物由50個(gè)24平方英寸的盤片構(gòu)成(圖1)，擁有“驚人”的5

MB的存儲(chǔ)量。五十多年過(guò)去，如今普通人花費(fèi)不到千元就可以輕易購(gòu)買到容量超過(guò)1

TB的商用硬盤，其容量已經(jīng)超過(guò)IBM

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RAMAC的20萬(wàn)倍之多，但是其體積卻大大減小，這離不開(kāi)幾種關(guān)鍵磁存儲(chǔ)技術(shù)，包括薄膜磁頭、MR（磁電阻）磁頭、GMR（巨磁電阻）、TMR（隧道磁電阻）和AFC（反鐵磁耦合）磁存儲(chǔ)介質(zhì)給磁存儲(chǔ)技術(shù)帶來(lái)的幾次飛躍式發(fā)展。

要了解磁盤存儲(chǔ)技術(shù)，首先我們需要了解計(jì)算機(jī)硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通常的硬盤其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由四部分組成：盤片（介質(zhì)）、磁頭（包括寫(xiě)入磁頭和讀出磁頭）、主軸電機(jī)和磁頭驅(qū)動(dòng)單元。對(duì)于磁存儲(chǔ)技術(shù)，我們重點(diǎn)關(guān)心的是磁記錄介質(zhì)和磁頭部分。

可以很容易想象，為了縮小硬盤的尺寸，我們必須提高磁存儲(chǔ)介質(zhì)（盤片）的存儲(chǔ)密度，也就是說(shuō)需要在相同的盤片面積上存儲(chǔ)更多的信息量。但在這種技術(shù)改進(jìn)的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)提高盤片的存儲(chǔ)密度在技術(shù)上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但如何將存儲(chǔ)在盤片上的數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，這反而成了最大的問(wèn)題。這是因?yàn)?，早期人們使用的是基于Farady感應(yīng)的電磁感性原理來(lái)寫(xiě)入和讀出信號(hào)，其讀出精度受到了很大的限制。1970年，日本出現(xiàn)了利用MR效應(yīng)檢測(cè)磁場(chǎng)的技術(shù)，1990年，在上述技術(shù)的基礎(chǔ)上，美國(guó)將薄膜磁阻磁頭的實(shí)用化給磁頭技術(shù)帶來(lái)了一個(gè)重大的變革，即寫(xiě)入磁頭和讀出磁頭的分離：人們?nèi)匀焕肍arady感應(yīng)，使用寫(xiě)入磁頭在磁盤介質(zhì)上寫(xiě)入信息，但使用的讀出磁頭產(chǎn)生了變化，即改為利用磁場(chǎng)帶來(lái)的薄膜磁頭磁阻的變化來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，其靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電磁感應(yīng)帶來(lái)的磁場(chǎng)變化再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)強(qiáng)度變化可以探測(cè)的靈敏度，這樣人們就輕易地獲取了比之前高得多的讀出精度。在薄膜磁阻技術(shù)的基礎(chǔ)上，GMR（巨磁電阻）磁頭和TMR（隧道結(jié)磁電阻）磁頭以及伴生的自旋閥GMR磁頭將普通磁頭技術(shù)乃至磁存儲(chǔ)技術(shù)推上了一個(gè)新的臺(tái)階。而德國(guó)人Peter

Grünberg和法國(guó)人Albert

Fert也因?yàn)榉謩e于1986年和1988年發(fā)現(xiàn)了GMR效應(yīng)而獲得了2007年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前市場(chǎng)上所生產(chǎn)的硬盤已經(jīng)全部裝配了TMR技術(shù)。

除了磁頭技術(shù)的發(fā)展，磁記錄介質(zhì)以及記錄方式的發(fā)展則是磁存儲(chǔ)技術(shù)改進(jìn)的另一個(gè)重要方面。人們一方面尋求具有更高磁各向異性的材料，以提高材料的矯頑力和信息存儲(chǔ)能力，而縱向磁記錄(Longitudinal

recording)向垂直磁記錄(Perpendicular

recording)這種記錄方式的變化則是改革的另一個(gè)重要層面。在縱向磁記錄方式下，當(dāng)記錄密度提高到一定程度時(shí)，磁記錄單元（稱為磁疇）之間可能產(chǎn)生一定的干擾，降低了讀取信號(hào)的精確性，甚至可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失；另一方面，隨著記錄密度的提高，磁疇尺寸不斷減小，這時(shí)會(huì)帶來(lái)一種被稱為超順磁效應(yīng)的現(xiàn)象。在這種情況下，由于記錄單元尺寸過(guò)小，其熱擾動(dòng)效應(yīng)已經(jīng)足以覆蓋其磁信號(hào)，這時(shí)磁記錄介質(zhì)將會(huì)在宏觀上失去磁性，帶來(lái)數(shù)據(jù)的不能正常讀取。

1980年，日本的巖崎俊一等人研制出了基于單極頭磁頭和CoCr垂直磁記錄介質(zhì)的世界上第一套垂直磁記錄系統(tǒng)。但之后這種技術(shù)的發(fā)展遇到了一定的困難。直到2004年，東芝垂直記錄微硬盤(MK4007GAL

133G/in2)的面世才標(biāo)志著這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了真正的實(shí)用化。相比于縱向磁記錄技術(shù)，這種技術(shù)有著諸多的優(yōu)點(diǎn)：(1)

柱形結(jié)構(gòu)/軟襯底的這種配置可以提供相當(dāng)于傳統(tǒng)環(huán)形磁頭2倍的磁場(chǎng)（雙倍寫(xiě)入能力），高的磁頭磁場(chǎng)可以使用比傳統(tǒng)更高矯頑力Hc和各向異性能Ku的介質(zhì)，這使得更小的顆粒尺寸（交換單位）支持更高磁記錄的密度成為可能；(2)

尖銳的過(guò)渡區(qū)需要更高的介質(zhì)層厚度，對(duì)單位體積來(lái)說(shuō)，容納了更多的顆粒（交換單位），提高了磁記錄的密度，柱狀結(jié)構(gòu)降低了垂直于膜面方向的退磁能，提高了磁滯回線的矩形比；(3)

有效的限制了寫(xiě)入過(guò)程中的邊界效應(yīng)，提高了磁記錄的密度和信號(hào)的分辨率；(4)

由于交換單位體積的減小，可以在讀寫(xiě)過(guò)程中使用更短的波長(zhǎng)，提高了硬盤讀寫(xiě)的速度；(5)

垂直磁記錄介質(zhì)擁有強(qiáng)的單軸各向異性，這導(dǎo)致了窄的交換場(chǎng)分布和尖銳的寫(xiě)入過(guò)渡區(qū)，從而提高了讀寫(xiě)過(guò)程中的信噪比；(6)

水平磁記錄密度的提高依賴于顆粒尺寸的減小，而這又受超順磁馳豫的制約，垂直磁記錄尖銳的過(guò)渡區(qū)可以允許使用比水平磁記錄更大的顆粒尺寸來(lái)達(dá)到相同的記錄密度，從而提高了記錄密度的上限。目前，這種技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于商業(yè)PC硬盤中。

二磁存儲(chǔ)過(guò)程和原理1.磁存儲(chǔ)過(guò)程磁存儲(chǔ)的模式主要可以分為三種：水平存儲(chǔ)模式，垂直存儲(chǔ)模式和雜化存儲(chǔ)模式。磁存儲(chǔ)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)基本單元：存儲(chǔ)介質(zhì)，換能器，傳送介質(zhì)裝置以及匹配的電子線路。磁存儲(chǔ)介質(zhì)是含有高矯頑力磁性材料的薄膜，磁性材料既可以是連續(xù)的薄膜，也可以是埋在膠粘劑中的磁性粒子。這種磁化的磁介質(zhì)（如磁帶）以恒定的速度沿著一個(gè)環(huán)形電磁鐵相切的方向運(yùn)動(dòng)。工作縫隙對(duì)著介質(zhì)，存儲(chǔ)信號(hào)時(shí)，在磁頭線圈中通入信號(hào)電流，就會(huì)在縫隙產(chǎn)生磁場(chǎng)溢出，如果磁帶與磁頭的相對(duì)速度保持不變，則剩磁沿

著介質(zhì)長(zhǎng)度方向上的變化規(guī)律完全反映信號(hào)的變化規(guī)律，這就是存儲(chǔ)信號(hào)的基本過(guò)程。記錄磁頭能夠在介質(zhì)中感生與饋入電流成比例的磁化強(qiáng)度。電流隨著時(shí)間的變化轉(zhuǎn)化成磁化強(qiáng)度隨距離的變化而被存儲(chǔ)在磁帶上。磁化的這種變化在磁帶附近產(chǎn)生磁場(chǎng)。如磁帶（已存儲(chǔ)信息的介質(zhì)）重新接近一重放磁頭，通過(guò)拾波線圈感生出磁通磁通大小與磁帶中磁化強(qiáng)度成比例。可見(jiàn)，磁頭實(shí)際是一種換能器。利用磁存儲(chǔ)方法有很多不同類型的信號(hào)。應(yīng)用最早最廣泛的是記錄音頻信號(hào)。由于其頻率低，所以介質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度慢。音頻記錄的主要要求是線性度好和信躁比高。數(shù)字磁存儲(chǔ)也普遍采用了磁帶和磁盤。硬盤驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)頻率高，轉(zhuǎn)速也快，因此要求高的隨機(jī)存取速度和高的可靠性。視頻記錄主要是記錄圖像，其記錄通常使用調(diào)頻信號(hào)，采用旋轉(zhuǎn)磁頭，這樣可以提高磁頭與介質(zhì)之間的相對(duì)速度。從原理上講，所有的記錄都是可以用數(shù)字式磁存儲(chǔ)方式實(shí)現(xiàn)。2.磁存儲(chǔ)原理磁介質(zhì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在密封于潔凈的硬盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)腔的若干個(gè)磁盤片上。這些盤片一般是在以鋁為主要成分的片基表面涂上磁性介質(zhì)所形成，在磁盤片的每一面上，以轉(zhuǎn)動(dòng)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔的若干個(gè)同心圓就被劃分成磁道（track），每個(gè)磁道又被劃分為若干個(gè)扇區(qū)（sector），數(shù)據(jù)就按扇區(qū)存放在硬盤上。在每一面上都相應(yīng)地有一個(gè)讀寫(xiě)磁頭（head），所以不同磁頭的所有相同位置的磁道就構(gòu)成了所謂的柱面（cylinder）。傳統(tǒng)的硬盤讀寫(xiě)都是以柱面、磁頭、扇區(qū)為尋址方式的（CHS尋址）。硬盤在上電后保持高速旋轉(zhuǎn)，位于磁頭臂上的磁頭懸浮在磁盤表面，可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)在不同柱面之間移動(dòng)，對(duì)不同的柱面進(jìn)行讀寫(xiě)。

現(xiàn)代硬盤的工作原理現(xiàn)在的硬盤,無(wú)論是IDE還是SCSI,采用的都是“溫徹思特“技術(shù),都有以下特點(diǎn)：1.磁頭，盤片及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封。2.固定并高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤片表面平整光滑。3.磁頭沿盤片徑向移動(dòng)。4.磁頭對(duì)盤片接觸式啟停，但工作時(shí)呈飛行狀態(tài)不與盤片直接接觸。盤片：硬盤盤片是將磁粉附著在鋁合金（新材料也有用玻璃）圓盤片的表面上.這些磁粉被劃分成稱為磁道的若干個(gè)同心圓，在每個(gè)同心圓的磁道上就好像有無(wú)數(shù)的任意排列的小磁鐵，它們分別代表著0和1的狀態(tài)。當(dāng)這些小磁鐵受到來(lái)自磁頭的磁力影響時(shí)，其排列的方向會(huì)隨之改變。利用磁頭的磁力控制指定的一些小磁鐵方向，使每個(gè)小磁鐵都可以用來(lái)儲(chǔ)存信息。盤體：硬盤的盤體由多個(gè)盤片組成，這些盤片重疊在一起放在一個(gè)密封的盒中，它們?cè)谥鬏S電機(jī)的帶動(dòng)下以很高的速度旋轉(zhuǎn)，其每分鐘轉(zhuǎn)速達(dá)3600，4500，5400，7200甚至以上。磁頭：硬盤的磁頭用來(lái)讀取或者修改盤片上磁性物質(zhì)的狀態(tài)，一般說(shuō)來(lái)，每一個(gè)磁面都會(huì)有一個(gè)磁頭，從最上面開(kāi)始，從0開(kāi)始編號(hào)。磁頭在停止工作時(shí)，與磁盤是接觸的，但是在工作時(shí)呈飛行狀態(tài)。磁頭采取在盤片的著陸區(qū)接觸式啟停的方式，著陸區(qū)不存放任何數(shù)據(jù)，磁頭在此區(qū)域啟停，不存在損傷任何數(shù)據(jù)的問(wèn)題。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，盤片高速旋轉(zhuǎn)，由于對(duì)磁頭運(yùn)動(dòng)采取了精巧的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，此時(shí)磁頭處于離盤面數(shù)據(jù)區(qū)0.2---0.5微米高度的”飛行狀態(tài)“。既不與盤面接觸造成磨損，又能可靠的讀取數(shù)據(jù)。電機(jī)：硬盤內(nèi)的電機(jī)都為無(wú)刷電機(jī)，在高速軸承支撐下機(jī)械磨損很小，可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。高速旋轉(zhuǎn)的盤體產(chǎn)生了明顯的陀螺效應(yīng)，所以工作中的硬盤不宜運(yùn)動(dòng)，否則將加重軸承的工作負(fù)荷。三磁存儲(chǔ)材料磁記錄材料是磁記錄技術(shù)所用的磁性材料，包括磁記錄介質(zhì)材料和磁記錄頭材料(簡(jiǎn)稱磁頭材料)。在磁記錄(稱為寫(xiě)入)過(guò)程中，首先將聲音、圖像、數(shù)字等信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過(guò)記錄磁頭轉(zhuǎn)變?yōu)榇判盘?hào)，磁記錄介質(zhì)便將磁信號(hào)保存(記錄)在磁記錄介質(zhì)材料中。在需要取出記錄在磁記錄介質(zhì)材料中的信息時(shí)，只要經(jīng)過(guò)同磁記錄(寫(xiě)入)過(guò)程相反的過(guò)程(稱為讀出過(guò)程)，即將磁記錄介質(zhì)材料中的磁信號(hào)通過(guò)讀出磁頭，將磁信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槁曇?類似電話)、圖像(類似電視)或數(shù)字(類似計(jì)算機(jī))。對(duì)磁記錄介質(zhì)材料的磁特性要求主要是：(1)適當(dāng)高的矯頑力Hc，(2)高的飽和磁化強(qiáng)度Ms，(3)高的剩磁比，(4)高的穩(wěn)定性。目前應(yīng)用的磁記錄介質(zhì)材料主要有：(1)鐵氧體磁記錄材料，如γ型三氧化二鐵(γ-Fe2O3)等。(2)金屬磁膜磁記錄材料，如鐵-鈷(Fe-Co)合金膜等。(3)鋇鐵氧體(BaFe12O19)系垂直磁記錄材料等。對(duì)磁記錄頭材料的磁特性要求主要是：(1)高的磁導(dǎo)率μ，(2)高的飽和磁化強(qiáng)度Ms，(3)低的矯頑力Hc，(4)高的磁穩(wěn)定性。目前應(yīng)用的磁記錄頭材料主要有：(1)鐵氧體磁頭材料，如錳-鋅-鐵氧體(Mn，Zn)Fe2O4系統(tǒng)等，(2)高硬度磁性金屬磁頭材料，如鐵-鎳-鈮(Fe-Ni-Nb)系磁性合金等。(3)非晶磁頭材料，如鐵-鎳-硼(Fe-Ni-B)系非晶合金等。磁存儲(chǔ)材料是電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器所用的磁性材料。較早應(yīng)用的是磁滯回線接近矩形的矩磁材料，利用其兩個(gè)剩磁態(tài)+Br和-Br表示計(jì)算機(jī)中的“1”和“0”狀態(tài)，再利用兩個(gè)電流重合便可以“寫(xiě)入”(Wx，Wy)和“讀出”