Магнитные запоминающие устройства

Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Поволжский государственный технический университет

Кафедра КиПР

Пояснительная записка к курсовой работе

«Магнитные запоминающие устройства»

по дисциплине "Физические основы микроэлектроники"

Выполнил: Витрук Д.Ф.

Контролировал: профессор Игумнов В.Н.

г. Йошкар-Ола 2012г.

Содержание

Введение

1. История развития устройств хранения данных на магнитных носителях

2. Запоминающие устройства на тонких магнитных пленках

2.1 Причины появления доменов

2.2 Цилиндрические магнитные домены

2.3 Перемещение доменов

2.4 Доменная структура тонких магнитных пленок

2.5 Принцип записи на тонких магнитных пленках

2.6 Запоминающие устройства на гребенчатых структурах

3. Запоминающие устройства на магнитных сердечниках

3.1 История использования запоминающие устройства на магнитных сердечниках

3.2 Принцип действия запоминающих устройств на магнитных сердечниках

4. Современные магнитные носители информации

4.1 Nanocubic -- магнитные носители нового поколения

4.2 Магнитная память «на беговой дорожке»

4.2.1 История создания

4.2.2 Принцип работы

4.2.3 Трехбитный сдвиговый регистр

4.2.4 Перспективы и проблемы

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Выпускаемые накопители информации представляют собой гамму запоминающих устройств с различным принципом действия физическими и технически эксплуатационными характеристиками. Основным свойством и назначением накопителей информации является ее хранение и воспроизведение. Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные - магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения воспроизведения/записи цифровой информации. Поэтому, в связи с видом и техническим исполнением носителя информации различают: электронные, дисковые и ленточные устройства.

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов. Как правило, магнитные запоминающие устройства состоят из собственно устройств чтения/записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые устройства и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей - дорожек, расположенных по всей плоскости круглого носителя. Ленточные носители имеют продольно расположенные поля - дорожки. Запись производится, как правило, в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение полярности напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

1. История развития устройств хранения данных на магнитных носителях

Долгое время основным устройством хранения данных в компьютерном мире были перфокарты. И только в 1949 году группа инженеров и исследователей компании IBM приступила к разработке нового устройства хранения данных. Именно это и стало точкой отсчета в истории развития устройств магнитного хранения данных, которые буквально взорвали компьютерный мир. 21 мая 1952 года IBM анонсировала модуль ленточного накопителя IBM 726 для вычислительной машины IBM 701. Четыре года спустя, 13 сентября 1956 года, небольшая команда разработчиков все той же IBM объявила о создании первой дисковой системы хранения данных -- 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Эта система могла хранить 5 млн. символов (5 Мбайт!) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см). В отличие от ленточных устройств хранения данных, в системе RAMAC запись осуществлялась с помощью головки в произвольное место поверхности диска. Такой способ заметно повысил производительность компьютера, поскольку данные записывались и извлекались намного быстрее, чем при использовании ленточных устройств.

Устройства магнитного хранения данных прошли путь от RAMAC до современных жестких дисков емкостью 75 Гбайт и размером 3,5 дюйма. Практически все устройства магнитного хранения данных были созданы в исследовательских центрах IBM; например, команда разработчиков под руководством Алана Шугарта (Alan Shugart) в 1971 году представила накопитель на гибких дисках диаметром 8 дюймов. Кроме того, IBM впервые разработала схемы кодирования данных MFM и RLL, головки накопителей -- тонкопленочные и семейство магниторезистивных, технологии накопителей -- PRML и S.M.A.R.T.

2. Запоминающие устройства на тонких магнитных пленках

2.1 Причины появления доменов

Основными взаимодействиями в ферромагнетике являются обменное и магнитодипольное. Важную роль также играет анизотропия ферромагнетиков. Обсудим современную точку зрения на роль указанных здесь факторов различной природы в формировании доменной структуры ферромагнетиков.

При отсутствии доменов, то есть в том случае, когда ферромагнетик намагничен однородно, минимальна сумма W_е + W_а (W_е - обменная энергия, W_а - энергией анизотропии). Конечно же, предполагается, что намагниченность направлена вдоль кристаллографической оси, отвечающей минимуму W_а. Но при этом должна быть максимальна энергия, связанная с возникновением вокруг образца магнитного поля W_m (W_m-энергией магнитодипольного взаимодействия). Эта энергия для однородного намагниченного образца пропорциональна его объему V : . При больших размерах образца W_m может принимать очень большие значения, а это говорит о том, что однородное намагничивание больших образцов является невыгодным.

Рассмотрим теперь другую крайнюю ситуацию, когда распределение намагниченности неоднородно по всему объему образца. В этом случае можно добиться того, чтобы была равна нулю энергия W_m. Расчет показывает, что в таком состоянии обменная энергия пропорциональна V^1/3. Казалось бы, здесь ситуация выгоднее, чем в предыдущем случае, где было . Однако при неоднородной намагниченности во всем объеме образца в существенной его части намагниченность отклонена от направлений, где минимальна энергия анизотропии, поэтому в данном случае W_а пропорциональна объему образца. Таким образом, в общем случае и состояние с полностью неоднородной намагниченностью не является выгодным. Отметим, что такое состояние, тем не менее бывает тогда, когда анизотропия ферромагнетика пренебрежимо мала, в частности у сердечников из магнитомягких материалов в трансформаторах.

Итак, видно, что условия минимальности энергий обмена, анизотропии и размагничивающих полей противоречивы. Как было показано в работе Ландау и Лифшица, на практике реализуется некоторая промежуточная между двумя рассмотренными выше ситуация с образованием доменной структуры. При этом в кристалле можно выделить однородно намагниченные домены, направление намагниченности в каждом из которых совпадает с одной из эквивалентных осей легкого намагничивания (это направления в ферромагнетике, в которых энергия анизотропии минимальна, их может быть несколько). Домены разделены доменными границами. Размеры и форма доменов определяются конкуренцией рассмотренных выше взаимодействий в доменах и доменных границах.

Оказывается, что доменная структура ферромагнетика определяется в основном тремя факторами. Во-первых, она определяется геометрией образца, то есть его формой и ориентацией кристаллографических осей относительно поверхности. Во-вторых, энергией магнитной анизотропии, то есть наличием энергетически эквивалентных направлений намагниченности. В-третьих, в реальном образце доменная структура сильно зависит от наличия несовершенств или дефектов кристаллической структуры.

Рассмотрим доменную структуру идеальной (без дефектов) одноосной плоскопараллельной пластинки с поверхностью, перпендикулярной оси анизотропии (ось Z). Будем считать, что пластинка бесконечна вдоль осей X и Y, а ее толщина (размер вдоль оси Z) равна h. При отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность, при в < 0 может быть направлена либо вдоль оси Z, либо против нее. Очевидно, что при этом выгодно состояние, в котором будет существовать равное количество доменов с M_z = + M₀ и M_z =-M₀ , причем они должны чередоваться друг с другом (рис. 1, а). В таком состоянии полная энергия пластинки должна быть минимальна. Эта энергия складывается из энергии размагничивающего поля, которое в основном сосредоточено вблизи поверхности пластинки, и энергии доменных границ.

Рис. 1. Доменная структура ферромагнитной пластинки:

а - структура без замыкания магнитного потока;

б - структура с замыканием магнитного потока через призматические поверхностные замыкающие домены;

L - размер пластинки вдоль осей Y и X ;

h - высота пластинки вдоль оси z;

d - толщина домена.

В 1945 году Е.М. Лифшиц теоретически показал, что при большой толщине пластин может начаться ветвление доменов у поверхности образца. В каждом домене могут образовываться клиновидные домены с противоположным направлением намагниченности по сравнению с направлением намагниченности в основном домене. Их размер и количество зависят от толщины образца.

Рассмотренная доменная структура относится к классу доменных структур с незамкнутыми силовыми линиями магнитного поля внутри образца (незамкнутым магнитным потоком). Оказывается, что такая структура не всегда является энергетически выгодной. Как показали Ландау и Лифшиц, в случае одноосного ферромагнетика зачастую более выгодными являются доменные структуры с замкнутым магнитным потоком (рис. 1, б). Эта модель отличается от рассмотренной выше наличием треугольных замыкающих призматических областей. В результате магнитный поток оказывается замкнутым внутри кристалла. Магнитные полюсы на поверхности при этом исчезают, и вместе с этим обращается в нуль вклад магнитодипольной энергии. Но в то же время увеличивается энергия анизотропии, так как в замыкающих доменах намагниченность перпендикулярна направлению, в котором минимальна энергия анизотропии. Расчет показывает, что такая доменная структура будет выгодней по сравнению с предыдущей в том случае, если так называемый фактор качества образца

будет меньше единицы. В противном случае будет реализовываться доменная структура с незамкнутым магнитным потоком.

В кубических ферромагнетиках всегда наблюдаются доменные структуры с призматическими замыкающими доменами. В этом случае и энергия анизотропии (в кубических кристаллах перпендикулярное к выгодному направлению намагниченности также энергетически выгодно), и энергия магнитодипольного взаимодействия практически равны нулю и размеры доменов определяются величиной внутренних механических напряжений, возникающих в ферромагнетике при формировании доменной структуры.

2.2 Цилиндрические магнитные домены (ЦМД)

Проведенный анализ базировался на предположении о плоскопараллельной форме доменов. Такие структуры наблюдаются в тонких пленках и пластинках. Однако в реальных ферромагнитных образцах нередки и другие виды доменных структур. В одноосных кристаллах часто наблюдаются так называемые лабиринтные доменные структуры. Их возникновение объясняется тем, что направление доменных границ в плоскости пластины ничем не фиксировано (в плоскости пластины нет анизотропии). Изгиб доменных границ может быть обусловлен малыми неоднородностями пленки, случайностью в момент зарождения доменной структуры или эффектами тепловой хаотизации. Такая структура остается выгодной и при помещении в малое внешнее магнитное поле, перпендикулярное поверхности пленки.

При увеличении магнитного поля в такой ситуации возникает очень интересное явление. Очевидно, что при увеличении поля растут домены, в которых вектор параллелен вектору индукции магнитного поля и, наоборот, уменьшается размер доменов, в которых антипараллелен . Размер последних доменов при некотором значении B может стать порядка характерного размера l₀. При этом данный полосовой домен распадается на отдельные цилиндрические домены кругового сечения (рис. 2). Благодаря магнитодипольному взаимодействию они отходят друг от друга и равномерно распределяются по всей поверхности пластины, образуя, как правило, правильную гексагональную решетку. Плотность доменов зависит от величины индукции B. Интересно отметить, что при уменьшении B решетка цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) может сохраняться и в слабых полях, даже при B = 0.



Рис. 2. Цилиндрические магнитные домены

ЦМД обладают интересными, присущими только им свойствами. Если в пластинке с полосовой доменной структурой внутреннее магнитное поле должно быть равно нулю, то в образцах с ЦМД из-за наличия кривизны доменных границ это поле должно быть отлично от нуля. Иначе ЦМД не будут устойчивыми. Ситуация здесь аналогична поведению пузырька газа в жидкости. Для существования пузырька в жидкости необходимо, чтобы давление внутри пузырька отличалось от давления в жидкости. Также и в случае ЦМД: для их устойчивого существования необходимо наличие внутреннего магнитного поля, которое будет создавать дополнительное давление на искривленную доменную границу. Приведенная аналогия как раз объясняет английское название ЦМД - magnetic bubble (магнитный пузырек).

Очень интересно ведет себя ЦМД во внешнем магнитном поле (рис. 3). Предположим, что сначала в пластинке при B = 0 существует полосовой или лабиринтный домен или доменная структура. При увеличении магнитного поля до некоторого значения B₁, которое называется полем эллиптической неустойчивости ЦМД, лабиринтная структура только несколько деформируется. При B > B₁ происходит зарождение устойчивых ЦМД. Если же B = B₁, то круговая форма ЦМД становится неустойчивой относительно растяжения в некотором направлении. Отсюда и происходит переход в лабиринтную структуру. В интервале полей B₁< B < B₂ энергия ЦМД меньше энергии лабиринтной доменной структуры и однородного состояния, то есть в этом интервале существуют стабильные ЦМД. При B = B₂ энергии ЦМД и однородного состояния сравниваются, однако тем не менее в пластине могут существовать метастабильные ЦМД, так как на кривой зависимости энергии ЦМД от его радиуса имеется локальный минимум при некотором значении диаметра ЦМД d₀. Данное значение d₀, конечно же, зависит от величины магнитного поля. При увеличении B > B₂ величина d₀ уменьшается. После достижения d₀ значения, называемого критическим (d_cr), ЦМД скачком исчезает - коллапсирует. Значение магнитного поля, при котором происходит коллапс ЦМД, называется полем коллапса (B_kol). При B > B_kol выгодно однородное намагничивание пластинки, то есть ЦМД в этих полях отсутствуют.

Рис. 3. Зависимость энергии W ЦМД от его диаметра при различных значениях индукции магнитного поля B : (1) B₁< B < B₂; (2) B = B₂ ; (3) B₂ < B < B_kol ; (4) B = B_kol ; (5) B > B_kol.

d₀ - равновесный диаметр ЦМД, отвечающий минимуму энергии,

d_cr - критическое значение диаметра ЦМД

Рассмотрим более подробно изолированный ЦМД. Форма ЦМД сохраняется благодаря равновесию двух факторов: тенденции к уменьшению радиуса домена, ведущей к понижению энергии доменной стенки из-за уменьшения площади поверхности стенки, и тенденции к увеличению радиуса, ведущей к понижению энергии магнитодипольного взаимодействия. Увеличение радиуса ЦМД вызывает понижение магнитодипольной энергии из-за того, что размагничивающее поле внутри ЦМД ориентировано в направлении вектора намагниченности вне домена. Образующиеся на поверхности торцов ЦМД магнитные полюсы противоположны по знаку полюсам на поверхности области, граничащей с ЦМД. В результате уменьшаются суммарное размагничивающее магнитное поле и энергия магнитодипольного взаимодействия. Расчет показывает, что суммарное размагничивающее поле направлено против намагниченности вне домена и пропорционально (1-2N)M, где N=N(r) - так называемый размагничивающий фактор ЦМД, зависящий от его радиуса r. Кроме того, если поверхностная энергия доменной стенки равна , то магнитное поле, обусловленное давлением внутри ЦМД радиусом r, будет пропорционально (по аналогии с давлением внутри пузырька в жидкости, известным из школьного курса физики) . Знак минус означает, что этот эффект приводит к сжатию домена. Для того чтобы ЦМД находился в состоянии статического равновесия, необходимо, чтобы сумма указанных полей уравновешивалась внешним магнитным полем. Анализ полученного условия равновесия показывает, что существует такое значение радиуса ЦМД, которое как раз и соответствует устойчивому состоянию с ЦМД. В малых полях ЦМД становится неустойчивым относительно перехода в полосовой домен, а в больших полях радиус домена уменьшается и ЦМД исчезает (коллапсирует) - происходит переход к однородному состоянию без доменов.

2.3 Перемещение доменов

Практически реализованная система записи и считывания информации основана на перемещении ЦМД в магнитных плёнках при помощи тонких (0,3--1 мкм) аппликаций из магнитно-мягкого материала (пермаллоя) Т--I, Y--I или V-образной (шевронной) формы, накладываемых непосредственно на плёнку с ЦМД Аппликации намагничивают вращающимся в плоскости плёнки управляющим магнитным полем Н_упр (рис. 4) так, что в требуемом направлении возникает градиент поля, обеспечивающий перемещение ЦМД. Схемы управления перемещением ЦМД при помощи пермаллоевых аппликаций работают на частотах изменения управляющего поля около 1Мгц. Запись информации осуществляется с помощью генераторов ЦМД, работающих на принципе локального перемагничивания материала импульсным магнитным полем тока, пропускаемого по проводнику в форме шпильки. Одна из возможных схем генерации и перемещения ЦМД показана на рис. 5. Для считывания информации в запоминающих устройствах на ЦМД используют детекторы, работающие на магниторезистивном эффекте. Магниторезистивный детектор ЦМД представляет собой аппликацию специальной формы из проводящего материала (например, пермаллоя), сопротивление которого зависит от действующего на него магнитного поля. Проходя детектор, ЦМД своим полем изменяют его сопротивление, что можно зарегистрировать по изменению падения напряжения на детекторе. Запоминающие устройства на ЦМД обладают высокой надёжностью и низкой стоимостью хранения единицы информации. Применение ЦМД - один из возможных путей развития ЭВМ.

Рис. 4. Схемы перемещения цилиндрических магнитных доменов

(1) на пермаллоевых аппликациях (2) Т--I-oбразного (а), Y--I-oбразного(б) и шевронного(V-oбразного) (в) профилей. Н_упр -- управляющее магнитное поле.

Рис. 5. Схема генерирования и перемещения цилиндрических магнитных доменов

Слева -- генератор доменов, Н_упр -- управляющее магнитное поле. При повороте управляющего поля один из концов зародышевого домена постепенно втягивается в канал распространения, обособляется и под действием поля намагниченных аппликаций перемещается по каналу.

2.4 Доменная структура тонких магнитных пленок

Ферромагнитные образцы состоят из большого числа намагниченных до насыщения областей, векторы намагниченности в которых направлены в разные стороны. Если векторы намагниченности доменов ориентированы хаотически, то их векторная сумма будет равно нулю. Это состояние образца называется размагниченным. Такой ферромагнетик при отсутствии внешнего магнитного поля будет казаться ненамагниченным, хотя отдельные области самопроизвольной намагниченности сохраняются. При переходе от одного домена к соседнему происходит изменение направления намагниченности. Оно осуществляется не скачком, а постепенно, в пределах, в пределах некоторого промежуточного слоя определенной ширины. Слой между соседними доменами называется доменной границей (ДГ) или стенкой. В зависимости от толщины пленок в них встречаются разные типы ДГ. На рис.6 показано распределение векторов намагниченности в границах, которые наблюдаются в пленках толщиной более 100нм и массивных монокристаллах, где имеются антипараллельные домены. Такая модель границы была предложена Блохом. В блоховской границе происходит постепенный поворот векторов М в плоскостях, параллельных плоскости доменной границы, пока направление намагниченности не изменится на противоположное. При этом в доменной границе возникают отличные от нуля проекции M на нормаль к плоскости пленки (рис. 6).

Рис.6. Распределение векторов намагниченности в блоховской доменной границе

Стрелки изображают векторные проекции векторов M на плоскость, перпендикулярную ОЛН пленки.

В центральной части ДГ вектор M оказывается направленным перпендикулярно к поверхности пленки. В результате на пересечении ДГ с поверхностью пленки возникают магнитные поля.

При уменьшении толщины пленок энергия этих полей, а соответственно и полная энергия блоховских границ возрастает. Поэтому в тонких пленках существование блоховских доменных границ энергетически невыгодно. Неель показал, что в пленках толщиной ниже определенной энергетически выгодна ДГ, в которой поворот векторов M при переходе от одного домена к другому происходит в плоскости пленки. То есть перпендикулярная к поверхности пленки компонента намагниченности остается равной нулю. Доменная граница такого типа называется неелевской. Таким образом, для толстых пленок устойчивой является граница Блоха, а для тонких пленок, например толщиной менее 20 нм, - граница Нееля. При экспериментальном исследовании тонких пленок помимо рассмотренных двух типов доменных границ обнаружены ДГ, в которых чередуются элементы блоховских и неелевских границ. ДГ этого переходного типа получили название границ с перевязками. Границы с перевязками встречаются в интервале промежуточных толщин, где оба крайних случая энергетически эквивалентны. Этот интервал зависит от свойств пленок и приблизительно составляет 30-120 нм. Границы с перевязками иногда называют границами типа колючей проволоки.

2.5 Принцип записи на тонких магнитных пленках

Система магнитной записи состоит из носителя записи и взаимодействующих с ним магнитных головок. На рис. 7 показаны носитель и головка записи кольцевого типа. Головка состоит из сердечника с обмоткой. В сердечнике имеется зазор шириной 0,1-10 мкм. При включении в обмотку тока записи (входной сигнал) в области зазора возникает магнитное поле рассеяния (поле записи), которое воздействует на прилегающую к головке область рабочего слоя движущегося магнитного носителя, например магнитной ленты.



Рис. 7. Процесс магнитной записи:

1 - носитель записи,

2 - головка записи. Внизу показана последовательность участков с противоположным направлением намагниченности.

В цифровой магнитной записи, используемой в компьютерной технике, в магнитную головку поступает ток, при котором поле записи через определенные промежутки времени изменяет свое направление на противоположное. В результате под действием поля рассеяния магнитной головки происходят намагничивание и перемагничивание отдельных участков движущегося магнитного носителя. При периодическом изменении направления поля записи в рабочем слое носителя возникает цепочка чередующихся участков с противоположным направлением намагниченности, которые соприкасаются друг с другом одноименными полюсами (рис. 7). В итоге сигнал, поступающий в головку записи, оставляет на движущемся носителе след, то есть магнитную запись. Рассмотренный вид записи, когда участки рабочего слоя носителя перемагничиваются вдоль его движения, называется продольной записью. Носители магнитной записи с продольным намагничиванием - магнитные ленты, жесткие и гибкие магнитные диски - составляют основную массу используемых в мире накопителей информации. Они играют важнейшую роль в современной науке, технике и промышленности, являясь одним из функциональных элементов вычислительной техники.

Чередующиеся участки, возникшие в металлизированном рабочем слое (пленке), являются доменами. Чем меньше размер домена, тем выше плотность записи информации. Однако с уменьшением размера доменов возрастает величина их размагничивающих полей, направленных в сторону, противоположную намагниченности в доменах. Эти поля способствуют их перемагничиванию. В результате смещение доменных границ одиночных доменов происходит в полях H_см, меньших по величине коэрцитивной силы H_с. С уменьшением длины домена разница между H_см и H_с увеличивается. Понижается устойчивость домена к внешним полям. Из сказанного следует, что домен можно уменьшать до некоторого минимального размера. При меньших размерах доменов размагничивающие поля становятся настолько значительными, что домен перемагничивается и исчезает. Происходит стирание информации. Минимальные размеры домена, то есть размеры, при которых он еще устойчив при отсутствии внешнего магнитного поля, зависят от параметров пленки, в частности большую роль играет коэрцитивная сила пленки. Увеличение H_с снижает влияние эффекта саморазмагничивания и повышает устойчивость домена к действию внешних магнитных полей. Поэтому с возрастанием величины H_с минимальные размеры доменов становятся меньше.

Размер стабильного домена также зависит от толщины пленок d. С понижением d ослабляются размагничивающие поля доменов и происходит уменьшение их минимальных размеров при прежних значениях Нс. Поскольку в металлических пленках отсутствует немагнитная связывающая среда, то, как было отмечено выше, металлизированный рабочий слой носителя может иметь меньшую толщину, чем ферролаковый. Поэтому в пленках можно реализовать перемагниченные участки меньшего размера, а следовательно, обеспечить большую информационную плотность записи. Из сказанного следует, что магнитные пленки являются перспективным материалом и обладают достоинствами, ценными при их использовании в технике магнитной записи.

2.6 Запоминающие устройства на гребенчатых структурах

Рассмотрим кратко еще один способ записи информации, основанный на использовании структур стенок между доменами. По сравнению со способом сдвига стенок преимущества этого способа состоят в уменьшении потребляемой энергии, увеличении на порядок скорости передачи информации (20 Мбит/с) и увеличении на два порядка плотности записи (10⁴ бит/мм²). Все эти преимущества достигаются благодаря небольшим размерам структурных элементов стенок; в связи с этим предъявляются повышенные требования к технологии производства, которая, так же как и в случае ЗУ со сдвигом стенок, строится на базе освоенного изготовления тонких поликристаллических пленок. В отличие от способа записи на ЦМД, при записи на гребенчатых структурах, как и при записи со сдвигом стенок, ось анизотропии носителя ориентирована в плоскости слоя. Основное отличие способа гребенчатых структур от способа сдвига стенок состоит в том, что при записи и воспроизведении сдвигаются не сами магнитные структуры, а структуры стенок.

Структуры стенок образуются, когда в пределах одной стенки направление вектора намагниченности не везде одно и то же. Причиной возникновения структуры стенки является уменьшение магнитостатической энергии при существовании магнитных полюсов на границах слоя или стенок. На рис. 8 а) и б) показаны простейшие структуры стенок между доменами.



Рис. 8. Структура стенок в одноосных слоях;

а) - стелка Блоха;

б) - стенка Нееля,

в)- стенка Нееля с линиями Блоха и поперечной стенкой.

В зависимости от того, как повернут вектор намагниченности стенки - вдоль или поперек слоя, различают стенки Блоха и стенки Нееля. На рис.8 в) схематически показана стенка Нееля, содержащая сегменты с различным направлением поворота вектора намагниченности. Сегменты стенок разделены между собой попарно возникающими линиями Блоха и поперечными стенками. Стенки такого типа называются гребенчатыми (cross-tie wall). Они образуются преимущественно в слоях пермаллоя толщиной от 25 до 60 нм. В более тонких слоях энергетически благоприятной является стенка Нееля, в более толстых - стенка Блоха. Предложено несколько способов получения стабильных гребенчатых структур стенок, которые к тому же поддаются преобразованию в стенки Блоха.

В запоминающих устройствах на гребенчатых структурах записанная информация представлена наличием пар поперечных стенок и линии Блоха. Так же, как и при других способах магнитной записи со сдвигом доменов, стенка должна смещаться в направлении оси трудного намагничивания под действием неоднородных полей, создаваемых структурой проводников с током (рис. 9). Максимальная ширина полоски пермаллоя должна быть 100-25 мкм. Импульсы тока определенной последовательности сдвигают пары линий Блоха и поперечные стенки на один шаг. Напряженность поля сдвига примерно равна полю анизотропии и воздействует в течение нескольких наносекунд. Первый импульс поля сдвигает линию Блоха, более подвижную, чем поперечная стенка, из зауженной части полоски пермаллоя (фаза 1 - фаза 2). В фазе 3 линия Блоха передвигается дальше в результате магнитостатического отталкивания от дополнительно созданных пар линий Блоха и поперечных стенок. Следующий импульс поля уничтожает ту пару линий Блоха, у которой расстояние до поперечной стенки меньше. В результате магнитное состояние, соответствующее фазе 1, оказывается сдвинутым на один шаг.

Рис. 9. Фазы сдвига пар поперечных стенок и линий Блоха.

Были предложены и другие способы сдвига структур различного рода и способы возбуждения полей. Для воспроизведения информации можно применять систему (рис. 10), в которой используется магниторезистивный эффект. Зачерненными пятнами показаны три электрических контакта на поверхности пермаллоевого слоя. Сопротивление между контактами зависит от угла между направлениями намагниченности и токов. Если этот угол равен 0° (правая верхняя ветвь на рис. 10), то сопротивление участка цепи больше, чем при угле 90° (нижняя левая ветвь). Ожидается, что при прохождении пары линий Блоха мимо системы контактов перепад ЭДС будет достигать 1 мВ.

Рис. 10 Намагниченность слоя с окрестности гребенчатой стенки и принцип воспроизведения.

3. Запоминающие устройства на магнитных сердечниках

3.1 История использования запоминающие устройства на магнитных сердечниках

До недавних лет в блоках оперативной памяти ЭВМ применялись исключительно ЗУ на магнитных сердечниках. Такие ЗУ практически нечувствительны к разбросу параметров коммутационных цепей, компактны по конструкции и надежны в эксплуатации, но скорость их действия уже не удовлетворяет современным требованиям. Основной причиной вытеснения ЗУ на магнитных сердечниках твердотельными полупроводниковыми ЗУ являются экономические факторы, такие, например, как расход энергии, наличие сложных и, следовательно, дорогих логических коммутационных устройств, трудности автоматизации процессов изготовления пластин ЗУ (плетение шин в матрицах) и т. д. Что же касается теории и техники ЗУ на магнитных сердечниках, то, в отличие от теории и техники тонкопленочных устройств и даже устройств на магнитных лентах, ее можно рассматривать как законченную и освоенную.

3.2 Принцип действия запоминающих устройств на магнитных сердечниках

Способность запоминания информации у магнитного тороидального сердечника основана на гистерезисе процесса перемагничивания. Поясним это на примере сердечника, изображенного на рис. 11а. Чтобы записать один из двух сигналов двоичного кода (0 или 1) сердечнику придается одно из двух магнитно устойчивых состояний остаточной намагниченности +J_r,или -J_r (магнитная поляризация направленная по часовой стрелке или против). Таким образом, в одном сердечнике можно записать только 1 бит информации. Для перехода из одного состояния в другое необходимо преодолеть коэрцитивную силу сердечника H_с. Поскольку магнитная цепь сердечника замкнута, он малочувствителен к внешним мешающим влияниям. Процессы записи и воспроизведения осуществляются при взаимодействии сердечника с полем одного или нескольких проводников (шин) с током. Порядок размещения сердечников в матрице и последовательность их коммутации называются организацией ЗУ. Принцип устройства ЗУ на матрице из магнитных сердечников показан на рис. 11. Поле записи Н_т должно быть рассчитано так, чтобы при воздействии на сердечник с коэрцитивной силой H_c оно его перемагничивало, т.е. Н_т>Н_с. Кроме того, должно удовлетворяться условие Н_т/2< Н_с (поле напряженностью Н_т/2 не должно оказывать на сердечник никакого влияния). Множество сердечников п³ можно смонтировать в виде матрицы так, чтобы необходимое для перемагничивания каждого сердечника в отдельности общее число шин было равно только 2р.

Рис 11. Петля гистерезиса и устройство ячейки памяти на магнитном сердечнике (а) и матрица магнитных сердечников (б).

I_a -- ток записи; и_а -- ЭДС воспроизведения; Ф_r -- магнитный поток в сердечнике

Коммутация сердечников (т. е. выбор шин тока записи или воспроизведения) осуществляется с помощью электронного коммутатора. В матрице на рис. 11 по линиям х2 и у2 пропускается ток I_a/2, равный половине тока перемагничивания. В точках пересечения линий поля этих токов складываются, образуя поле перемагничивания Н_т. Намагниченность сердечника, расположенного в данной точке, определится направлением ноля перемагничивания. Если токи в обеих линиях положительны, то в сердечнике записывается 0, если отрицательны,-- 1. Остальные сердечники, находящиеся на линиях х2 и у2, возбуждаются только током I_a/2 и не перемагничиваются. Такой способ коммутации называется способом совпадения токов.

Для коммутации при воспроизведении записанной информации по линиям х2 и у2 пропускается импульс тока одного знака, а именно +I_a/2. В зависимости от знака намагниченности (0 или 1) данный сердечник перемагнитится этим током или не перемагнитится. Скачок потока, вызываемый переходом сердечника из состояния 1 в состояние 0, индуцирует в шине воспроизведения, которая проходит через все сердечники, импульс ЭДС.

4. Современные магнитные носители информации

4.1 Nanocubic -- магнитные носители нового поколения

Специалисты ведущих японских фирм, специализирующихся на производстве различных носителей для записи и воспроизведения информации, справедливо полагают, что резервы магнитной ленты далеко не исчерпаны и, несмотря на значительные достижения в области жестких и оптических дисков, магнитная лента сохранит свои позиции в будущем в качестве сопутствующего и дополняющего носителя записи. Например, фирма «Фудзи сясин фируму» разработала три технологии изготовления магнитной ленты с поливным рабочим слоем, позволяющим существенно увеличить плотность записи. Новые технологии под общим названием Nanocubic обеспечивают равномерный полив рабочего слоя толщиной всего в несколько десятков нанометров, получение игольчатых магнитных порошков с длиной частиц в несколько десятков нанометров и равномерное диспергирование этих магнитных частиц в специально созданном полимерном связующем.

По новым технологиям разработана экспериментальная лента из металлического порошка на базе железа с толщиной рабочего слоя 60 нм, которая позволяет шестикратно увеличить поверхностную плотность записи по сравнению с металлопорошковой лентой для видеомагнитофонов формата DVCPRO высокой четкости, достигнув уровня 1,6 Гбит/дюйм?. В результате дальнейшего усовершенствования этих технологий создана лента с рабочим слоем толщиной 60 нм из игольчатого порошка на базе железа с длиной частиц 60 нм и лента с рабочим слоем толщиной 90 нм из частиц феррита бария длиной 30 нм. Они имеют улучшенную равномерность поверхности и прочие показатели и позволяют еще в 1,2…2 раза увеличить поверхностную плотность записи до уровня 2,0…3,0 Гбит/дюйм?. Продолжаются исследования с целью доведения размеров магнитных частиц до 20 нм и менее и уменьшения толщины рабочего слоя до 20…30 нм при сохранении равномерности поверхности. Если эта трудная задача будет решена, то удастся достигнуть поверхностной плотности записи 20 Гбит/дюйм? и можно будет обеспечить емкость записи на одной кассете не менее 10 ТБ.

В конце 2003 года фирма Fujifilm приступила к серийному производству магнитных лент, изготовленных по технологии Nanocubic. Впервые новейшая магнитная лента будет использоваться в кассетах IBM TotalStorage Enterprise Tape Cartridge 3592. Емкость кассеты 3592 составляет 300 ГБ, скорость передачи данных 40 МБ/с, продолжительность хранения записанных данных достигает 30 лет. В перспективных планах фирмы Fujifilm предусматривается, что технология Nanocubic будет применяться для изготовления видеокассет емкостью 1 ТБ (для записи несжатого контента объемом, равнозначным 16 суткам просмотра фильмов DVD-качества) и гибких дисков емкостью до 3 ГБ.

Было замечено, что в 1999 году рынок магнитной ленты начал сокращаться и поэтому, несмотря на появление кассет с более высокой емкостью (например, с лентой типа DLТ), цена 1 ГБ осталась практически прежней, нет результата, полученного для дисковых носителей. Максимальная скорость переноса данных для современных магнитных лент составляет 64 Гбит/с (у дисковых носителей -- 80 Мбит/с). Недавно появился ленточный привод SAIT-1, который имеет скорость передачи данных 30 Мбит/с и емкость одной кассеты 4 ТБ. Этот носитель поступил в продажу в 2003 году. Возможно, новые магнитные носители будут совершенствоваться, согласно закону Мура, еще лет 7.

магнитный носитель запоминающий доменный

4.2 Магнитная память «на беговой дорожке»

4.2.1 История создания

Исследовательская группа под руководством Стюарта Паркина анонсировала первые результаты работ по созданию нового класса энергонезависимой памяти -- памяти «на беговой дорожке» (magnetic racetrack memory, MRM), или трековой памяти. Она соединит в себе быстроту оперативной памяти и дешевизну жестких дисков, превзойдет их по плотности записи и при этом будет потреблять в десятки раз меньше энергии. Вероятно, уже в следующем десятилетии MRM заменит энергозависимую оперативную память, что позволит избавиться от ожидания при загрузке компьютеров -- ведь операционная система и прикладные программы будут сохраняться в ОЗУ после их выключения.

В наши дни цифровая информация хранится на двух основных типах запоминающих устройств -- на жестких магнитные дисках (hard disk drive, HDD) и твердотельных накопителях (solid state drive, SSD). Поскольку в основе механизма HDD лежит вращающийся магнитный диск, это уменьшает надежность хранения данных и делает доступ к ним довольно медленным -- около 5 мс. У лишенных подвижных частей SSD-устройств (к ним относятся оперативные запоминающие устройства и флэш-память) время доступа к информации в миллион раз меньше -- до 5 нс, но зато стоимость хранения одного бита примерно в 100 раз выше, чем у HDD. При этом оба типа накопителей построены на двумерной геометрии, так что увеличение их емкости может происходить только за счет дальнейшей миниатюризации ячеек.

Принципиально новую технологию хранения данных разрабатывает группа Стюарта Паркина (Stuart Parkin) из Альмаденского исследовательского центра (Almaden Research Centre) компании IBM в Сан-Хосе (США). Эта технология базируется на открытых не так давно спинтронных эффектах, в частности на использовании спинового тока для перемещения наноразмерных магнитных объектов -- доменных стенок -- в пределах магнитных нанопроволок. Под действием такого тока доменные стенки бегут друг за другом по этой проволоке, словно бегуны по спринтерской дорожке (треку). Поэтому такая технология получила название «память на беговой дорожке» (magnetic racetrack memory, MRM), или «трековая память».

Подобный подход позволит создать твердотельную память, соперничающую с жесткими дисками по стоимости и вместимости, но превосходящую их по производительности и надежности. Всё это может произвести революцию в сфере доступа и управления информацией.

4.2.2 Принцип работы

Рассмотрим тонкую ферромагнитную проволоку, в которой создана такая намагниченность, как показана на рис. 12. Отдельные стрелочки («маленькие магнитики») показывают направление локальной намагниченности материала; области, где это направление одинаковое, называются магнитными доменами.

Рис. 12. Движение доменных стенок под действием спин-поляризованного электрического тока.

Домены разделены доменными стенками -- узкими областями, где намагниченность перестраивается с одного направления на другое. На рисунке показаны три домена, разделенные двумя доменными стенками противоположной полярности.

Теперь в дело включается спинтроника. Когда ток проходит сквозь намагниченный материал, он становится спин-поляризованным. Спин-поляризованный ток, в свою очередь, начинает разворачивать маленькие магнитики в ту или иную сторону. В результате такого разворота доменная стенка как бы сдвигается, причем направление сдвига одинаково для всех стенок.

Рис. 13. Схематичное изображение последовательности доменов, пробегающих вдоль вертикальной нанопроволоки под действием спин-поляризованного тока.

Если на проволоке имеется какая-то последовательность стенок, то все они будут под действием спин-поляризованного тока «бежать» вперед с одинаковой скоростью. Получается, что магнитные домены, ограниченные этими стенками, движутся, но сама проволока остается на месте. Теперь достаточно поместить туда записывающее и считывающее устройство, и прототип трековой памяти готов (см рис. 13).

Работа с этой проволочкой выглядит так. Вертикальная ячейка памяти (рис. 13) установлена на кремниевую подложку поверх индивидуальных считывающего и записывающего элементов. Считывающий элемент создается на основе магнитного туннельного перехода (МТП) -- одного из базовых элементов спинтроники. В нем есть два тонких магнитных слоя, разделенные изолятором. По законам классической теории электричества ток сквозь непроводящую прослойку течь не должен, но благодаря квантовому явлению туннелирования небольшой ток всё же течет.

Выберем одно из двух возможных направлений намагниченности и назовем его «ноль», тогда второе направление будет соответствовать «единице». Нужно также зафиксировать длину каждого бита, чтобы длинный домен без стенок соответствовал длинной цепочке одинаковых битов. Если теперь к беговой дорожке приложить последовательность импульсов спин-поляризованного тока, домены придут в движение, а по изменению сопротивления на считывающем элементе будет фиксироваться череда нулей и единиц.

Запись информации производится еще одной магнитной нанопроволокой, расположенной поперек беговой дорожки. Она тоже манипулирует намагниченностью доменов -- в нужные моменты времени импульсы тока в этом элементе порождают и сдвигают доменные стенки на беговой дорожке. Другими словами, записывающий элемент способен перестраивать доменную структуру так, как нам будет угодно.

4.2.3 Трехбитный сдвиговый регистр

В настоящее время Паркин и его коллеги научились создавать доменные стенки и гонять их по проволоке в любом направлении со скоростью свыше 100 м/с. Для проволоки длиной в несколько микрон это отвечает времени доступа в несколько десятков наносекунд - довольно быстро даже по современным меркам. Более того, авторам удалось создать и продемонстрировать в работе самый настоящий трехбитный сдвиговый регистр (рис. 14) -- возможно, на его основе через 6-7 лет будет построена полноценная память «на беговой дорожке».



Рис. 14. Трехбитный однонаправленный сдвиговый регистр на основе магнитных доменных стенок.

A -- изображение магнитной нанопроволоки («беговой дорожки»), соединенной с электрическими контактами, по которым подаются наносекундные импульсы для сдвига доменных стенок и измеряется сопротивление. Данные кодируются направлениями намагниченности для трех доменов -- B1, B2 и B3, находящихся между подводящими контактами. B -- изменение сопротивления дорожки в зависимости от серии импульсов, используемых для записи и сдвига вдоль регистра последовательности 010111. Значение сопротивления «чувствует» дискретную величину -- количество доменных стенок на проволоке между контактами. Светлые и затемненные области указывают на операции записи и сдвига соответственно. Таблица, расположенная под графиком, показывает соответствующую эволюцию состояний битов в течение операций. Выделенные цветом цифры показывают, как последовательность входных битов трансформируется в выходной сигнал после двух операций «запись-сдвиг». C -- пояснение к сдвиговой операции. Черные и белые прямоугольники представляют доменные стенки, образованные сходящимися и расходящимися направлениями векторов намагничивания соответственно. Черные стрелки указывают направление намагниченности в пределах одного домена. Синие и красные стрелки показывают направление движения электрического тока в записывающем контакте

Перед началом записи с помощью достаточно сильного магнитного поля вся дорожка намагничивается в одну сторону (то есть записана последовательность единиц). Затем при помощи импульсного генератора через поперечный контакт (рис. 14А, слева) пропускается ток длительностью 10 нс. В зависимости от его направления и намагниченности дорожки непосредственно под ним может образоваться или не образоваться новая доменная стенка. Второй такой импульс, длительностью уже 70 нс, протекая вдоль дорожки, смещает стенки на длину одного бита. Цикл «запись-сдвиг» повторяется, и в итоге возникает последовательность логических нолей и единиц, как показано на рис. 14 (B и C).

4.2.4 Перспективы и проблемы

Что обещает создание нового класса памяти? Во-первых, из-за отсутствия движущихся частей (и даже движущихся атомов) это будет быстрая, долговечная и в перспективе дешевая энергонезависимая память. Во-вторых, если на двумерной подложке создать «лес» вертикальных нанопроволочек (см. рис. 15) и на каждой записать не один, а много битов, то получится память с настоящим трехмерным хранением данных. Именно поэтому автор разработки считает, что эта технология вскоре превзойдет по плотности записи традиционные носители.

Рис. 15. Проект массива беговых дорожек для высокоплотной трехмерной записи информации

Если ожидаемая плотность хранения данных будет реализована в готовом продукте, это будет означать, что мобильные телефоны, КПК и универсальные медиапроигрыватели смогут вмещать на борту в сто раз больше памяти, чем это возможно сегодня. Другими словами, портативный mp3-плеер сможет хранить до 500 000 песен.

Конечно, на пути к этому предстоит еще преодолеть немало трудностей. Во-первых, надо научиться синхронно двигать десятки доменных стенок (пока что были эксперименты не более чем с тремя стенками). Во-вторых, надо найти способ уменьшить силу спин-поляризованного тока, движущего стенки (в экспериментах сила тока была такова, что проволочка расплавилась бы в доли секунды, если бы ток шел постоянно). В-третьих, надо попросту научиться выращивать «лес» из вертикальных нанопроволок, как на рис. 15.

Тем не менее Паркин полагает, что готовая к применению память «на беговой дорожке» появится примерно через 7 лет -- потребуется четыре года на производство прототипа и еще три года на его доработку для коммерческого использования.

Заключение

Использование магнитных доменов и магнитных свойств веществ позволяет создать запоминающие устройства с новыми возможностями и свойствами. Это высокая надежность, обусловленная отсутствием механических частей. Эти устройства не боятся воздействия радиации. Наконец, их информативная емкость уже достаточно велика, но еще может быть повышена в сотни и тысячи раз. Общими достоинствами запоминающих устройств на магнитных материалах являются их энергонезависимость, так как хранение информации не связано с затратами энергии, а также их малые размеры, что позволяет миниатюризировать элементы памяти.

Использование ЦМД-устройств при создании памяти имеет большие преимущества. В них, как и в магнитофоне, легко записывать и стирать информацию. Однако нередко возникает потребность в стационарной памяти (типа пластинки). Для таких систем весьма перспективен термомагнитный способ записи информации с использованием лазерного луча. Для хорошо сфокусированного лазерного луча удается получить объем записи информации Гбит/cм2.

Одним из перспективных способов записи информации считают запись на основе особого класса магнитных неоднородностей - блоховских линий. Эти неоднородности возникают в доменных границах. Как указывалось выше, в доменных границах происходит поворот намагниченности от одного вида легкого направления в домене к другому в соседнем домене. Оказывается, что этот разворот может происходить как по часовой стрелке, так и против нее. Если в доменной границе имеются оба разворота, то промежуточная область в доменной границе, которая отделяет два данных противоположных вращения намагниченности, и называется блоховской линией.

Блоховские линии имеют меньшие размеры, чем ЦМД, так как они находятся в доменных границах самих ЦМД. Поэтому использование блоховских линий в качестве носителей информации позволит резко повысить плотность записи информации. Однако для реализации такой теоретической возможности нужно решить много технологических задач.