Перпендикулярная магнитная запись

Перпендикулярная магнитная запись (англ. perpendicular magnetic recording, PMR), известная также как стандартная магнитная запись (англ. conventional magnetic recording, CMR), — это технология записи данных на магнитные носители, в частности на жёсткие диски. Её преимущества впервые были продемонстрированы в 1976 году профессором японского университета Тохоку Сюн-ити Ивасаки, а коммерческое внедрение состоялось в 2005 году. Первая демонстрация, соответствующая отраслевым стандартам, показавшая беспрецедентное преимущество перпендикулярной записи над продольной в наноизмеримых масштабах, была проведена в 1998 году в Исследовательском центре IBM Almaden в сотрудничестве с исследователями Центра систем хранения данных (англ. Data Storage Systems Center, DSSC)[1] – Инженерного исследовательского центра Национального научного фонда при университете Карнеги — Меллона[2].

Преимущества

Перпендикулярная запись может обеспечить более чем троекратное увеличение плотности хранения по сравнению с традиционной продольной записью[3]. В 1986 году компания Maxell анонсировала дискету с перпендикулярной записью, способную хранить 100 КБ на дюйм (39 КБ на сантиметр)[4]. Позднее перпендикулярная запись была использована компанией Toshiba для 3,5 дюймовых дискет в 1989 году для достижения ёмкости 2,88 МБ (ED или сверхвысокая плотность), но успеха на рынке они не получили. Примерно с 2005 года эта технология применяется в жёстких дисках. Технология жёстких дисков с продольной записью имеет предполагаемый предел в 100-200 гигабит на квадратный дюйм (16-31 Гбит/см2) из-за суперпарамагнитного эффекта, хотя эта оценка постоянно меняется. В 2007 году было предсказано, что перпендикулярная запись позволит достичь плотности информации до 1000 Гбит/дюйм2 (160 Гбит/см2)[5]. По состоянию на август 2010 года коммерчески доступны были диски с плотностью 667 Гбит/дюйм2 (103,4 Гбит/см2). В 2016 году коммерчески доступная плотность составляла не менее 1300 Гбит/дюйм2 (200 Гбит/см2)[6]. В конце 2021 года диском компании Seagate с самой высокой плотностью был 2,5-дюймовый диск BarraCuda. Он использовал плотность 1307 Гбит/дюйм2 (202,6 Гбит/см2)[7]. Другие диски от этого производителя использовали плотность 1155 Гбит/дюйм2 (179,0 Гбит/см2) и 1028 Гбит/дюйм2 (159,3 Гбит/см2).

Технология

Основная трудность при разработке магнитных носителей информации заключается в сохранении намагниченности материала, несмотря на тепловые флуктуации, связанные с суперпарамагнитным пределом. Если тепловая энергия слишком велика, может возникнуть достаточно энергии, чтобы участок носителя перемагнитился, что приведёт к потере хранящихся там данных. Энергия, необходимая для перемагничивания такого участка, определяется произведением его размера на константу одноосной анизотропии Ku, которая, в свою очередь, связана с коэрцитивной силой материала. Чем больше размер магнитного участка и выше коэрцитивная сила материала, тем стабильнее носитель. И наоборот, существует минимальный стабильный размер для магнитного участка при заданной температуре и коэрцитивной силе. Если размер меньше этого минимума, участок, скорее всего, самопроизвольно размагнитится под действием локальных тепловых флуктуаций. Перпендикулярная запись использует материалы с более высокой коэрцитивной силой, поскольку в такой геометрии поле записи головки более эффективно проникает в носитель.

Популярным объяснением преимущества перпендикулярной записи является достижение более высокой плотности хранения путём расположения полюсов магнитных элементов, представляющих биты, перпендикулярно поверхности диска, как показано на рисунке. В этом, не вполне точном объяснении, домены, расположенные таким образом, занимают меньшую поверхность, чем если бы они располагались горизонтально. Это значит, что ячейки могут быть расположены ближе друг к другу, что позволяет увеличить число магнитных элементов, записываемых на данную поверхность.

Настоящая картина несколько сложнее. Перпендикулярная запись проникает глубже в магнитный носитель, что позволяет уменьшить расстояние между битами без потери объёма памяти[8]. Однако, главное преимущество достигается за счёт использования более «жёсткого» (с более высокой коэрцитивной силой) магнитного материала в качестве носителя.

Это становится возможным благодаря тому, что при перпендикулярном расположении магнитный поток направляется через магнитомягкий (и относительно толстый) подслой, расположенный под «жёстким» слоем для хранения данных (что значительно усложняет и утолщает общую структуру диска). Этот подслой можно рассматривать как замыкающую магнитную цепь часть записывающей головки. Большее проникновение магнитного потока в слой хранения данных повышает эффективность записывающей головки по сравнению с продольной записью, создаёт более сильный градиент поля записи и, таким образом, позволяет использовать магнитный носитель с более высокой коэрцитивной силой.

В начале 2000-х годов три ключевых фактора способствовали тому, что перпендикулярная запись превзошла возможности продольной и добилась коммерческого успеха[9]. Во-первых, это разработка носителей с межзерновым обменом, который разделял оксидные частицы[10]. Во-вторых, применение тонкого защитного слоя на носителе для регулирования степени обменного взаимодействия между зёрнами[11] и улучшения распространения перемагничивания по толщине носителя[12]. В-третьих, истечение в 2005 году срока действия патента на головку с хвостовым экранированием, изобретённую в 1985 году Майклом Маллари[13]. Эта головка обеспечивает более высокие градиенты магнитного поля и более выгодные углы поля по сравнению с обычной головкой с полюсом[14].

Реализации

Корпорация Vertimag Systems, основанная профессором Джеком Джуди из Университета Миннесоты[15], в 1984 году создала первые перпендикулярные дисководы, головки и диски[16][17] и продемонстрировал съёмные дисководы на 5 МБ в компьютерах IBM крупным производителям. Vertimag прекратила свою деятельность во время обвала рынка ПК в 1985 году.

В 2005 году компания Toshiba выпустила первый коммерчески доступный жёсткий диск размером 1,8 дюйма, созданный с применением этой технологии[18]. Вскоре после этого, в январе 2006 года, Seagate Technology начала поставки своего первого жёсткого диска для ноутбуков размером 2,5 дюйма (64 мм) с использованием технологии перпендикулярной записи — Seagate Momentus 5400.3[19]. Seagate также объявила тогда, что к концу 2006 года большинство её устройств хранения данных на жёстких дисках будут использовать новую технологию.

В апреле 2006 года Seagate начала поставку первого 3,5 дюймового диска с перпендикулярной записью, Cheetah 15K.5, ёмкостью до 300 ГБ со скоростью вращения 15000 об/мин. Компания утверждала, что диски имеют на 30% лучшую производительность, чем предшественники со скоростью передачи данных 73–125 MБ/с[20].

В апреле 2006 года Seagate анонсировала серию 3,5 дюймовых жёстких дисков Barracuda 7200.10, использующих перпендикулярную запись и имеющих максимальную ёмкость 750 ГБ. Диски начали поставляться в конце апреля 2006 года[21].

Hitachi анонсировала диск Microdrive ёмкостью 20 ГБ. Первый диск Hitachi для ноутбуков (2,5-дюймовый), использующий перпендикулярную запись, стал доступным в середине 2006 годов и имел ёмкость 160 ГБ[22].

В июне 2006 года Toshiba анонсировала 2,5 дюймовый жёсткий диск ёмкостью 200ГБ, массовое производство которого началось в августе, что подняло стандарт ёмкости мобильных хранилищ[23].

В июле 2006 года компания Western Digital анонсировала массовый выпуск 2,5 дюймового жёсткого диска WD Scorpio с использованием разработанной и произведённой компанией WD технологией перпендикулярной магнитной записи для достижения плотности записи 80 ГБ на пластину[24].

В августе 2006 года компания Fujitsu расширила свою линейку 2,5 дюймовых жёстких дисков, включив SATA модели, использующие перпендикулярную запись и имеющие ёмкость до 160 ГБ[25]

В декабря 2006 года компания Toshiba заявила, что её новый 100 ГБ двухдисковый HDD основан на технологии перпендикулярной магнитной записи и выполнен в компактном 1,8 дюймовом формате[26][27].

В декабре 2006 года компания Fujitsu анонсировала серию MHX2300BT 2,5 дюймовых жёстких дисков с ёмкостью 250 и 300 ГБ[28].

В январе 2007 года компания Hitachi анонсировала первый 1-терабайтный жёсткий диск[29], использующий эту технологию, выпуск начался в апреле 2007 года[30].

В июле 2008 года компания Seagate Technology анонсировала 1,5 терабайтный SATA жёсткий диск с технологией перпендикулярной записи[31].

В январе 2009 года компания Western Digital анонсировала первый 2,0 терабайтный SATA жёсткий диск с технологией перпендикулярной записи[32].

В феврале 2009 года компания Seagate Technology анонсировала первый 2,0 терабайтный SATA жёсткий диск со скоростью вращения 7200 об/мин, использующий технологию перпендикулярной записи, с выбором интерфейса SATA 2 или SAS 2.0[33].

См. также

Примечания

  1. ↑ DSSC - Data Storage Systems Center - College of Engineering - Carnegie Mellon University. www.dssc.ece.cmu.edu. Дата обращения: 23 марта 2025.
  2. ↑ Khizroev, Kryder etc, 1999, с. 2544–6.
  3. ↑ Merritt, 2005.
  4. ↑ Bateman, 1986, с. 23.
  5. ↑ Hitachi News Release – Hitachi achieves nanotechnology milestone for quadrupling terabyte hard drive (15 октября 2007). Дата обращения: 20 февраля 2008. Архивировано 28 апреля 2017 года.
  6. ↑ Seagate Barracuda Compute SATA 2.5" Product Manual, October 2016. Дата обращения: 9 мая 2021.
  7. ↑ BarraCuda 4TB, 5TB (2.5) Product Manual (30 сентября 2020). Дата обращения: 29 октября 2021.
  8. ↑ 1 2 Wood, 2009, с. 555–561.
  9. ↑ 2005: Perpendicular Magnetic Recording arrives. Computer History Museum, Data Storage Milestone. Дата обращения: 10 марта 2024.
  10. ↑ "Magnetic Recording Media", 1.5.3 Encyclopedia of Physical Science and Technology (Third Edition), 2003
  11. ↑ Sonobe, Tham etc, 2006, с. 292–295.
  12. ↑ Victora, Shen, 2005, с. 2828–2833.
  13. ↑ Mallary, Michael L. & Shyam C. Das, "Vertical magnetic recording arrangement", USRE33949E, issued 1992-06-02
    Patent Number: 4,541,026 HYBRID READ-WRITE HEAD FOR PERPENDICULAR RECORDING MEDIA
  14. ↑ "Perpendicular Magnetic Recording Technology" white paper, HGST Nov 2007
  15. ↑ About Arcnano. Дата обращения: 18 января 2026.
  16. ↑ Electronics, 1983.
  17. ↑ Batemab, 1984.
  18. ↑ First Perpendicular Recording HDD – Toshiba Press Release. Дата обращения: 16 апреля 2008. Архивировано 14 апреля 2009 года.
  19. ↑ Алекс Карабуто. Seagate Momentus 5400.3 160 Гбайт (3 августа 2006). Дата обращения: 18 января 2026.
  20. ↑ Выпущен 3,5-дюймовый HDD с перпендикулярной записью данных (18 апреля 2006). Дата обращения: 18 января 2026.
  21. ↑ Линейка Seagate Barracuda 7200.10 представлена официально - 20 моделей (27 апреля 2006). Дата обращения: 18 января 2026.
  22. ↑ Hitachi Travelstar 5K160 HTS541616J9SA00 (24 авг 2006). — «Еще один 160-гигабайтник для ноутбуков с перпендикулярной магнитной записью». Дата обращения: 18 января 2026.
  23. ↑ 200 Гб в 2,5 дюймах - Toshiba MK2035GSS (5 июня 2006). Дата обращения: 18 января 2026.
  24. ↑ Алекс Карабуто. Жесткий диск WD Scorpio ML80 WD1600BEVS (2 апреля 2007). Дата обращения: 18 января 2026.
  25. ↑ Андрей Кузнецов. Обзор двух жестких дисков 2.5" форм-фактора компании Fujitsu емкостью 160 и 200 Гб (4 января 2007). Дата обращения: 18 января 2026.
  26. ↑ Briefly: Foxconn to build 1.5m MBPs; 100GB iPod drive. AppleInsider. Дата обращения: 6 декабря 2006. Архивировано 8 декабря 2006 года.
  27. ↑ Toshiba 1,8″ HDD 100GB (5 декабря 2006). Дата обращения: 18 января 2026.
  28. ↑ Наука и техника. Японцы создали первый 300-гигабайтный жесткий диск для ноутбуков (12 декабря 2006). Дата обращения: 18 января 2026.
  29. ↑ Hitachi Introduces 1-Terabyte Hard Drive. PC World. Дата обращения: 10 января 2007. Архивировано 12 января 2007 года.
  30. ↑ Hitachi gets its one terabyte Deskstar 7K1000 drives out the door. Engadget (25 апреля 2007). Дата обращения: 8 сентября 2017. Архивировано 17 сентября 2017 года.
  31. ↑ alizar. Первый винчестер на 1,5 ТБ (14 июл 2008). Дата обращения: 18 января 2026.
  32. ↑ Craig Simms. Western Digital releases 2TB hard drive (Jan. 26, 200).
  33. ↑ Seagate introduces Constellation: All-Star Enterprise Hard Drives with the World's Highest Capacity and Power Efficiency (2 февраля 2009).

Литература

  • S. Khizroev, M. Kryder, Y. Ikeda, K. Rubin, P. Arnett, M. Best, D. A. Thompson. Recording heads with trackwidths suitable for 100 Gbit/in2 density // IEEE Trans. Magn.. — 1999. — № 35 (5).
  • Rick Merritt. Hard drives go perpendicular. — 2005. — Сентябрь. Архивировано 5 апреля 2023 года.
  • Selby Bateman. The Future of Mass Storage // COMPUTE!. — COMPUTE! Publications, 1986. — Март (вып. 70).
  • Roger Wood. Future hard disk drive systems // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 2009. — Март (т. 321, вып. 6). — P. 555–561. — doi:10.1016/j.jmmm.2008.07.027. — Bibcode:2009JMMM..321..555W.
  • Sonobe Y., Tham K.K., Umezawa T., Takasu C., Dumaya J.A., Leo P.Y. Effect of continuous layer in CGC perpendicular recording media // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 2006. — Т. 303, вып. 2. — doi:10.1016/j.jmmm.2006.01.164. — Bibcode:2006JMMM..303..292S.</ref>
  • Victora R.H., Shen X. Exchange coupled composite media for perpendicular magnetic recording // IEEE Transactions on Magnetics. — 2005. — Т. 41, вып. 10. — doi:10.1109/TMAG.2005.855263. — Bibcode:2005ITM....41.2828V.
  • Johnson goes home to jobas president of Vertimag // Electronics. — 1983. — Апрель.
    Цитата: «Компания Vertimag, опираясь на инженеров, прошедших обучение у Джуди, рассчитывает занять лидирующие позиции в области так называемой перпендикулярной магнитной записи. Планируется начать производство 5,25-дюймовых дисководов на основе этой технологии в следующем году.»
  • Selby Batemab. Modern Memory: The Future Of Storage Devices. Vertical Recording Devices // Compute!. — 1984. — Март (т. 6, вып. 46, № 3).
    Цитата: «Одной из ведущих компаний в области вертикальной записи является базирующаяся в Миннесоте фирма Vertimag Systems. Позднее в этом году компания планирует вывести на рынок систему вертикальной записи объемом более шести с половиной мегабайт на 5,25-дюймовый диск.»

Ссылки

  • "Get Perpendicular" A Flash animation and song explaining perpendicular recording from Hitachi Research
  • Perpendicular Magnetic Recording (Hardcover) by Sakhrat Khizroev, Dmitri Litvinov: ISBN 1-4020-2662-5
Эта статья взята у (из) Википедия. Текст лицензируется по Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0. К медиа файлам могут применятся дополнительные условия.