Magnetischer Speicher - Magnetic storage

Längsaufzeichnung und senkrechte Aufzeichnung , zwei Arten von Schreibköpfen auf einer Festplatte.

Magnetspeicher oder Magnetaufzeichnung ist die Speicherung von Daten auf einem magnetisierten Medium. Magnetspeicher verwenden verschiedene Magnetisierungsmuster in einem magnetisierbaren Material, um Daten zu speichern, und sind eine Form eines nichtflüchtigen Speichers . Der Zugriff auf die Informationen erfolgt über einen oder mehrere Schreib-/Leseköpfe .

Magnetische Speichermedien, vor allem Festplatten , werden in großem Umfang zum Speichern verwenden Computerdaten sowie Audio- und Videosignalen. Im Bereich der Computertechnik wird der Begriff magnetischer Speicher bevorzugt und im Bereich der Audio- und Videoproduktion wird der Begriff magnetische Aufzeichnung häufiger verwendet. Die Unterscheidung ist weniger technisch und eher eine Frage der Präferenz. Andere Beispiele für magnetische Speichermedien umfassen Disketten , Magnetbänder und Magnetstreifen auf Kreditkarten.

Geschichte

Magnetspeicher in Form von Draht Aufnahme -Audio Aufzeichnung auf einem Draht wurde von publizierten Oberlin Smith in der 8. September 1888 Ausgabe von Electrical World . Smith hatte zuvor im September 1878 ein Patent angemeldet, fand jedoch keine Gelegenheit, die Idee zu verfolgen, da sein Geschäft Werkzeugmaschinen waren. Der erste öffentlich vorgeführte (Pariser Ausstellung von 1900) Magnetrecorder wurde 1898 von Valdemar Poulsen erfunden . Poulsens Gerät zeichnete ein Signal auf einem um eine Trommel gewickelten Draht auf. 1928 entwickelte Fritz Pfleumer das erste Magnetbandgerät . Frühe magnetische Speichergeräte wurden entwickelt, um analoge Audiosignale aufzuzeichnen . Computer und mittlerweile die meisten magnetischen Audio- und Videospeichergeräte zeichnen digitale Daten auf .

In alten Computern wurde Magnetspeicher auch als Primärspeicher in Form von Magnettrommeln oder Kernspeichern , Kernseilspeichern , Dünnfilmspeichern , Twistor-Speichern oder Blasenspeichern verwendet . Im Gegensatz zu modernen Computern wurde Magnetband auch häufig als Sekundärspeicher verwendet.

Design

Festplatten verwenden Magnetspeicher, um Giga- und Terabyte an Daten in Computern zu speichern.

Informationen werden auf das Speichermedium geschrieben und gelesen, während es sich an Geräten vorbeibewegt, die als Lese- und Schreibköpfe bezeichnet werden und sehr nahe (oft mehrere zehn Nanometer) über der magnetischen Oberfläche arbeiten. Der Schreib-Lesekopf dient dazu, die Magnetisierung des darunter befindlichen Materials zu erkennen und zu verändern. Es gibt zwei magnetische Polaritäten, von denen jede verwendet wird, um entweder 0 oder 1 darzustellen.

Die magnetische Fläche ist konzeptionell unterteilt in viele kleine Untermikrometer -groß magnetische Bereiche als magnetische Domänen bezeichnet, (obwohl diese nicht magnetischen Domänen in einem strengen physikalischen Sinn), von denen jede einen weitgehend gleichförmige Magnetisierung aufweist. Aufgrund der polykristallinen Natur des magnetischen Materials besteht jeder dieser magnetischen Bereiche aus einigen hundert magnetischen Körnern . Magnetkörner sind typischerweise 10 nm groß und bilden jeweils eine einzige echte magnetische Domäne . Jeder Magnetbereich bildet insgesamt einen magnetischen Dipol, der ein Magnetfeld erzeugt . Bei älteren Festplattendesigns (HDD) waren die Regionen horizontal und parallel zur Plattenoberfläche ausgerichtet, aber ab etwa 2005 wurde die Ausrichtung in eine senkrechte Richtung geändert, um einen engeren magnetischen Domänenabstand zu ermöglichen.

Ältere Festplattenlaufwerke verwendeten Eisen(III)-Oxid (Fe 2 O 3 ) als magnetisches Material, aber aktuelle Festplatten verwenden eine Legierung auf Kobaltbasis .

Für eine zuverlässige Datenspeicherung muss das Aufzeichnungsmaterial einer Selbstentmagnetisierung widerstehen, die auftritt, wenn sich die magnetischen Domänen gegenseitig abstoßen. Magnetische Domänen, die zu nahe beieinander in ein schwach magnetisierbares Material geschrieben sind, werden im Laufe der Zeit aufgrund der Drehung des magnetischen Moments einer oder mehrerer Domänen abgebaut , um diese Kräfte aufzuheben. Die Domänen drehen sich seitwärts in eine halbe Position, die die Lesbarkeit der Domäne schwächt und die magnetischen Spannungen entlastet.

Ein Schreibkopf magnetisiert einen Bereich, indem er ein starkes lokales Magnetfeld erzeugt, und ein Lesekopf erkennt die Magnetisierung der Bereiche. Frühe HDDs verwendeten einen Elektromagneten, um die Region sowohl zu magnetisieren als auch ihr Magnetfeld mithilfe elektromagnetischer Induktion auszulesen . Spätere Versionen von induktiven Köpfen umfassten Metal In Gap (MIG)-Köpfe und Dünnfilmköpfe . Als die Datendichte zunahm, kamen Leseköpfe mit Magnetowiderstand (MR) zum Einsatz; der elektrische Widerstand des Kopfes änderte sich entsprechend der Stärke des Magnetismus vom Plattenteller. Spätere Entwicklungen nutzten die Spintronik ; bei Leseköpfen war der magnetoresistive Effekt viel größer als bei früheren Typen und wurde als "Riesen"-Magnetowiderstand (GMR) bezeichnet. Bei den heutigen Köpfen sind die Lese- und Schreibelemente getrennt, aber in unmittelbarer Nähe, auf dem Kopfteil eines Betätigungsarms. Das Leseelement ist typischerweise magnetoresistiv, während das Schreibelement typischerweise dünnfilminduktiv ist.

Die Köpfe werden durch die extrem nahe am Plattenteller befindliche Luft daran gehindert, die Plattenoberfläche zu berühren; dass sich die Luft mit oder nahe der Plattengeschwindigkeit bewegt. Der Schallplatten- und der Wiedergabekopf sind auf einem sogenannten Slider montiert, und die Oberfläche neben dem Plattenteller ist so geformt, dass er kaum Kontakt hat. Dies bildet eine Art Luftlager .

Magnetische Aufnahmekurse

Analoge Aufnahme

Die analoge Aufzeichnung basiert auf der Tatsache, dass die Restmagnetisierung eines gegebenen Materials von der Stärke des angelegten Feldes abhängt. Das Magnetmaterial liegt normalerweise in Form eines Bandes vor, wobei das Band in seiner leeren Form zunächst entmagnetisiert wird. Bei der Aufnahme läuft das Band mit konstanter Geschwindigkeit. Der Schreibkopf magnetisiert das Band mit einem zum Signal proportionalen Strom. Entlang des Magnetbandes wird eine Magnetisierungsverteilung erreicht. Schließlich kann die Verteilung der Magnetisierung ausgelesen werden, wodurch das Originalsignal reproduziert wird. Das Magnetband wird typischerweise durch Einbetten magnetischer Partikel (ungefähr 0,5 Mikrometer groß) in ein Kunststoffbindemittel auf einem Polyesterfilmband hergestellt. Das am häufigsten verwendete war Eisenoxid, obwohl auch Chromdioxid, Kobalt und später reine Metallpartikel verwendet wurden. Die analoge Aufnahme war die beliebteste Methode der Audio- und Videoaufnahme. Seit Ende der 1990er Jahre hat die Tonbandaufzeichnung jedoch aufgrund der digitalen Aufzeichnung an Popularität verloren.

Digitale Aufnahme

Anstatt bei der analogen Aufzeichnung eine Magnetisierungsverteilung zu erzeugen, benötigt die digitale Aufzeichnung nur zwei stabile magnetische Zustände, die +Ms und -Ms auf der Hystereseschleife . Beispiele für digitale Aufzeichnungen sind Disketten und Festplattenlaufwerke (HDDs). Digitale Aufzeichnungen wurden auch auf Bändern durchgeführt. HDDs bieten jedoch überlegene Kapazitäten zu vernünftigen Preisen; Zum Zeitpunkt des Schreibens (2020) bieten Consumer-HDDs Datenspeicher für etwa 0,03 USD pro GB.

Aufzeichnungsmedien in HDDs verwenden einen Stapel dünner Filme zum Speichern von Informationen und einen Lese-/Schreibkopf zum Lesen und Schreiben von Informationen auf und von den Medien; Im Bereich der verwendeten Materialien wurden verschiedene Entwicklungen durchgeführt.

Magneto-optische Aufnahme

Magneto-optische Aufzeichnung schreibt/liest optisch. Beim Schreiben wird das magnetische Medium lokal durch einen Laser erhitzt , was eine schnelle Abnahme des Koerzitivfeldes induziert. Dann kann mit einem kleinen Magnetfeld die Magnetisierung umgeschaltet werden. Der Lesevorgang basiert auf dem magnetooptischen Kerr-Effekt . Das magnetische Medium ist typischerweise ein amorpher R-Fe-Co-Dünnfilm (wobei R ein Seltenerdelement ist). Magneto-optische Aufzeichnung ist nicht sehr beliebt. Ein berühmtes Beispiel ist die von Sony entwickelte Minidisc .

Domain-Propagation-Speicher

Der Domänenausbreitungsspeicher wird auch als Blasenspeicher bezeichnet . Die Grundidee besteht darin, die Bewegung der Domänenwand in einem magnetischen Medium zu kontrollieren, das frei von Mikrostrukturen ist. Blase bezieht sich auf eine stabile zylindrische Domäne. Die Daten werden dann durch das Vorhandensein/Fehlen einer Blasendomäne aufgezeichnet. Der Domänenausbreitungsspeicher weist eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Stößen und Vibrationen auf, sodass seine Anwendung normalerweise in der Raumfahrt und in der Luftfahrt liegt.

Technische Details

Zugriffsmethode

Magnetische Speichermedien können entweder als Speicher mit sequenziellem Zugriff oder Speicher mit wahlfreiem Zugriff klassifiziert werden , obwohl in einigen Fällen die Unterscheidung nicht ganz klar ist. Die Zugriffszeit kann als die durchschnittliche Zeit definiert werden, die benötigt wird, um Zugriff auf gespeicherte Datensätze zu erhalten. Bei einem Magnetdraht bedeckt der Schreib-/Lesekopf jeweils nur einen sehr kleinen Teil der Aufzeichnungsfläche. Um auf verschiedene Teile des Drahtes zuzugreifen, muss der Draht vorwärts oder rückwärts gewickelt werden, bis der interessierende Punkt gefunden ist. Die Zeit für den Zugang zu diesem Punkt hängt davon ab, wie weit er vom Ausgangspunkt entfernt ist. Der Fall von Ferritkernspeichern ist das Gegenteil. Jeder Kernstandort ist jederzeit sofort erreichbar.

Festplatten und moderne lineare Serpentinenbandlaufwerke passen nicht genau in beide Kategorien. Beide haben viele parallele Spuren über die Breite des Mediums und die Lese-/Schreibköpfe brauchen Zeit, um zwischen den Spuren umzuschalten und innerhalb der Spuren zu scannen. Der Zugriff auf verschiedene Stellen auf dem Speichermedium dauert unterschiedlich lange. Bei einer Festplatte beträgt diese Zeit typischerweise weniger als 10 ms, aber Bänder können bis zu 100 s dauern.

Kodierungsschemata

Magnetplattenköpfe und Magnetbandköpfe können keinen Gleichstrom (Gleichstrom) durchlassen. Daher sind die Codierungsschemata für Band- und Plattendaten darauf ausgelegt, den DC-Offset zu minimieren . Die meisten magnetischen Speichergeräte verwenden eine Fehlerkorrektur .

Viele Magnetplatten verwenden intern irgendeine Form von lauflängenbegrenzter Codierung und maximaler Wahrscheinlichkeit mit partieller Antwort .

Aktuelle Nutzung

Ab 2020 werden magnetische Speichermedien häufig für die Massenspeicherung von Computerdaten auf Festplatten und die Aufzeichnung von analogen Audio- und Videowerken auf analogem Band verwendet . Da sich ein Großteil der Audio- und Videoproduktion auf digitale Systeme verlagert, wird erwartet, dass die Verwendung von Festplatten auf Kosten von analogen Bändern zunehmen wird. Digitale Band- und Bandbibliotheken sind beliebt für die Datenspeicherung von Archiven und Backups mit hoher Kapazität. Disketten werden nur am Rande verwendet, insbesondere im Umgang mit älteren Computersystemen und Software. Magnetspeicher werden auch häufig in einigen spezifischen Anwendungen verwendet, wie z. B. bei Bankschecks ( MICR ) und Kredit-/Debitkarten ( Magnetstreifen ).

Zukunft

Ein neuer magnetischer Speichertyp, der als magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher oder MRAM bezeichnet wird, wird hergestellt, der Daten basierend auf dem Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR) in magnetischen Bits speichert . Sein Vorteil ist die Nichtflüchtigkeit, der geringe Stromverbrauch und die gute Stoßfestigkeit. Die entwickelte 1. Generation wurde von Everspin Technologies produziert und nutzte feldinduziertes Schreiben. Die 2. Generation wird durch zwei Ansätze entwickelt: Thermal-Assisted Switching (TAS), das derzeit von Crocus Technology entwickelt wird , und Spin-Transfer-Torque (STT), an dem Crocus , Hynix , IBM und mehrere andere Unternehmen arbeiten. Mit einer Speicherdichte und Kapazität, die um Größenordnungen kleiner als eine HDD ist , ist MRAM jedoch in Anwendungen nützlich, in denen mäßige Speichermengen mit sehr häufigen Aktualisierungen erforderlich sind, die Flash-Speicher aufgrund seiner begrenzten Schreibbeständigkeit nicht unterstützen können. Es wird auch ein Sechszustands-MRAM entwickelt, der vier Bit-Multilevel-Flash-Speicherzellen widerspiegelt, die sechs verschiedene Bits haben, im Gegensatz zu zwei .

Auch Aleksei Kimel von der Radboud University forscht an der Möglichkeit, Terahertz-Strahlung anstelle von Standard-Elektropulsen zum Schreiben von Daten auf magnetische Speichermedien zu verwenden. Durch die Verwendung von Terahertz-Strahlung kann die Schreibzeit erheblich verkürzt werden (50x schneller als bei Verwendung von Standard-Elektropulsen). Ein weiterer Vorteil ist, dass Terahertz-Strahlung nahezu keine Wärme erzeugt und somit der Kühlbedarf reduziert wird.

Siehe auch

Verweise

Externe Links