Informatikai eszközök zikai alapjai Ha jlékony- és merevlemez, spinszelepek
Udvarhelyi Péter Fizikus MSc 2015.05.20.
Tartalomjegyzék
1. Hajlékonylemez 1.1. A lemez és meghajtó szerkezete . . . . . . . . . . 1.2. Történeti áttekintés . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1. A 8 inch-es lemez . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Az 5 14 inch-es lemez . . . . . . . . . . . . . 1.2.3. A 3, 5 inch-es lemez . . . . . . . . . . . . . 1.3. A tárterület felépítése . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Kódolás és dekódolás . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1. Frekvencia modulálás (FM) és módosított modulálás (MFM) . . . . . . . . . . . . . 1.4.2. Group Code Recording (GCR) . . . . . . . 2. Merevlemez 2.1. Szerkezet . . . . . . . . . 2.2. Történeti áttekintés . . . 2.2.1. Fej, slider és kar . 2.2.2. Fej pozícionáló . 2.2.3. HDD lemez . . . 2.2.4. HDD motor . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
3. Óriás mágneses ellenállás és spinszelepek 3.1. Mágneses ellenállás . . . . . . . . . . . . . 3.2. Anizotróp mágneses ellenállás . . . . . . . 3.3. Óriás mágneses ellenállás . . . . . . . . . . 3.4. Spinszelep . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . frekvencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . .
2 2 3 3 4 4 4 5
. .
5 6
. . . . . .
7 7 8 9 10 11 12
. . . .
14 14 14 15 18
1. Ha jlékonylemez
A hajlékonylemez egészen a '90-es évekig az egyszer¶, gyors és nagy kapacitású adattárolás, valamint adatmegosztás legelterjedtebb eszköze volt. Hanyatlását az optikai adattárolók és a helyi hálózatok elterjedése indította, majd elt¶nését az internet és a ashdrive-ok okozták. 1.1. A lemez és meghajtó szerkezete
A oppy lemez és meghajtó szerkezete az 1. ábrán látható. A hajlékonylemez szerkezete története során fokozatosan fejl®dött. Az ábra bal oldalán ennek végtermékét, egy 3, 5 inch-es lemezt láthatunk. A mágnesezhet® korong közepén a meghajtó orsójához illeszked® agy található. A lemezt kemény borítás védi a sérülésekt®l. A portalanítás végett a korong és a borítás közé szövet törl®ket helyeztek. Az olvasónyílást egy rugós blende zárja le. A borításba ütött lyukak a lemez típusának és írásvédettségének megállapítását szolgálják. Ezeket a meghajtó fotodiódái érzékelik. A meghajtó felépítése a merevlemez meghajtó egyszer¶bb mása. Részletesebben a következ® fejezetben ismerhetjük meg összetev®it. Most f®bb összetev®it felsorolás szintjén említjük meg. A lemez forgatását elektromotor végzi. Az adatok olvasása és írása a fej segítségével történik, aminek nom pozícionálását az aktuátor, nagyobb mérték¶ elmozdítását a léptet®motor végzi.
1. ábra. Hajlékonylemez és meghajtójának szerkezete
2
1.2. Történeti áttekintés
A hajlékonylemez története során az egyes fejlesztések legjobban a lemez mérete szerint különíthet®k el. A legjelent®sebb méreteket a 8, 5 14 és a 3, 5 inch-es átmér®j¶ lemezek képviselték. Ezek a 2. ábrán láthatók.
2. ábra. A legjelent®sebb oppy formátumok
1.2.1. A 8 inch-es lemez A hajlékonylemezt 1967-ben, az IBM-nél tervezték. 8 inch-es átmér®j¶ hajlékony m¶anyag lemezre vittek fel mágnesezhet® réteget. A lemezt az IBM a System/370 gépéhez tervezte. Ennek Initial Control Program Load rendszere használta el®ször, a használt mikrokódok betöltése a lemezr®l történt. A kés®bbi szoftverfrissítések terjesztését is hajlékonylemezzel végezték. Kereskedelmi forgalomba 1971-ben került a Shugart által. Ez egy 80 kB-os lemez volt, a tartósság növelése érdekében számos fejlesztést alkalmaztak: a lemezt hajlékony m¶anyag borítás védte megjelenésekor, majd kés®bb szövet törl®bélést alkalmaztak portalanítás céljából. A lemez és a szövet kés®bb te onborítást kapott a sérülések, karcolások elkerülése végett. A kezdeti céloknak megfelel®en a lemez csak olvasható volt. Az els® írható FD a 175 kB-os Memorex 650, 1972-ben jelent meg. A 8 inch-es lemez jelent®s technikai el®relépést jelentett a '70-es években. A korábbi mágneses adattárolóknál tartósabb, a lyukkártyás rendszereket leváltó adathordozó volt. Mivel a korszak legmodernebb, nagysebesség¶ tárolója volt, ezért igen sokba került, a korabeli számítógépek árával vetekedett egy FDD ára. Emiatt a mágnesszalaggal nem tudott versenyezni a piacon a 8 inch-es oppy.
3
1.2.2. Az 5 41 inch-es lemez 1976-ban megtervezték az 5 14 inch-es lemezt, mivel a számítógépekbe túl nagy egy 8-inch-es FDD. Ezek tömeggyártását az IBM és az Apple kezdte. El®ször 90 kB-os hard sectored, majd 110 kB-os soft sectored technológiával (lsd. 1.3.). 1978-ban jelent meg az els® kétoldalú FDD. A lemezeknek korábban is lehetett mindkét oldalát használni, viszont a meghajtó csak egyik oldalról tudott olvasni. A lemezek manuális megfordításával a tárterületet kétszeresére lehetett növelni, viszont ez a módszer a hard sectored lemezeken újabb sector lyuk fúrását igényelte és a gyártók sem támogatták. Innen kapta a ippy disc nevet a hajlékonylemez. A kétoldalú lemezekkel elérhet® legnagyobb kapacitás 360 kB volt. Az 5 14 inch-es lemez elterjedését az MS-DOS kiterjedt támogatása biztosította: az 1981-es v1.0 egyoldalú lemezeket támogatott 160 kB-ig, de hamar megjelent (1983) a v2.0 kétoldalú lemez támogatásával 360 kB kapacitásig.
1.2.3. A 3, 5 inch-es lemez A legelterjedtebb és legnépszer¶bb oppy méret. Az eredeti tervet 1982-ben a Sony alkotta meg, amit a Micro oppy Industrí Committee szabványosított. Az új lemez még tartósabb volt, amit a kemény m¶anyag borítás és az olvasónyílás eltakarása biztosított. 1983 és '85 között megjelenik az Apple, Atari, Commodore gépekben, a korábbi formátummal megegyez® 360 kB-os tárhellyel. 1988-tól a legnépszer¶bb oppy lesz. Legelterjedtebb formátuma az 1989-ben megjelent high-density oppy volt, 14,44 MB tárkapacitással. 1.3. A tárterület felépítése
A hajlékonylemez felületén megkülönbözetetünk track-eket (3. ábra narancs), valamint sector-okat (3. ábra kék). A léptet®motor a fejet az adott track-re állítja, amit az aktuátor pontosít. A lemezt a motor állandó szögsebességgel pörgeti. A meghajtó az index lyuk alapján állapítja meg a track elejét. Ezután forgás közben olvassa az egyes szektorokat. Ezek kezdetét a hard-sectoring eljárásban mindig egy lyuk jelezte. Ezt kés®bb felváltotta a soft sectoring eljárás, ahol a track pozíció és a forgási sebesség alapján történt a szektorok beazonosítása. Íráskor ügyelni kellett arra, hogy a sectorok között megfelel® távolság legyen, hogy az esetleges fordulatszám ingadozások miatt ne írjuk felül a másik szektort. Ezt nevezik low level formated eljárásnak.
4
3. ábra. Hajlékonylemez szektorfelosztása A különböz® oppy formátumok egyik besorolási szempontja az elérhet® adats¶r¶ség. Ezek szerint megkülönböztetünk • double density (720 kB): 2 µm vas-oxid (Hc ≈ 300 OE) • high density (1,44 MB): 1,2 µm kobalttal szennyezett vas-oxid (Hc ≈ 600 OE) • extended density (2,88 MB): 3,8 µm bárium-ferrit (Hc ≈ 750 OE)
fromátumokat, ahol a zárójeles kapaciás a 3, 5 inches lemezre vonatkozik. 1.4. Kódolás és dekódolás
Az adathordozó mágneses rétegében az adattárolás az egyes domének mágnesezettségének beállításával történik. Ehhez kihasználjuk az anyag egytengely¶ anizotrópiáját és a mágnesezettség hiszterézishurkát. Az adatrögzítés tehát a domének átmágnesezésével történik. Az olvasás közben az egyes domének elhaladnak az olvasófej tekercse el®tt. Ha az egymás után következ® domének mágnesezettsége ellentétes, a uxusváltozás áramot indukál az olvasó tekercsben. Ebben a fejezetben a legelterjedtebb eljárásokat mutatom be a digitális jelek uxusváltozássá való alakítására (kódolás) és azok olvasására (dekódolás).
1.4.1. Frekvencia modulálás (FM) és módosított frekvencia modulálás (MFM) A kódolás legegyszer¶bb megvalósítása a frekvencia modulálás. A uxusreverzálást jelölje R, a nem-reverzálást N. Ekkor a kódolás: 0 → RN, 1 → RR. 5
Ekkor minden bit egy clock-nak nevezett reverzálással kezd®dik. A frekvenciamoduláció nevét onnan kapta, hogy az 1-es bit kétszerakkora frekvenciájú uxusváltozást kelt, mint a 0-ás. A módszer meglehet®sen pazarlóan bánik a rendelkezésre álló doménekkel, ugyanis felesleges clock reverzálásokat tartalmaz. Nem veszi gyelembe az egymás után következ® biteket. Ezen módosít az MFM. Az egymás utáni 1-es bitek közé felesleges reverzálást tenni, akárcsak az 1-0 esetben. Egyedül az egymás utáni nullákat szükséges szeparálni clock-al, különben itt nem történik indukció. Ezzel a módszerrel az átlagos bitenkénti reverzálást felére lehet csökkenteni, vagyis a clock órajelet, és ezzel a bitrátát kétszeresére növelni. Ez a bits¶r¶ségben átlagosan kétszeres növekedést jelent. Az ilyen eljárással készült lemezeket ezért double density formátumúnak nevezik (az FM single density). A oppy esetében a formátum elnevezése kett®s, utalhat a zikai megvalósítás, valamint a kódolási módszer alapján elért adats¶r¶ségre is. A két módszer összehasonlítását egy példa bitsorozatra a 4. ábra mutatja.
4. ábra. FM és MFM kódolás összehasonlítása
1.4.2. Group Code Recording (GCR) Ahogy azt az el®z® kódolások esetén láttuk, a sok egymás utáni egyes vagy nulla költséges. Ezt csökkenti a group code recording, amelynél minden byte két darab négybites nibble-re bomlik. Az egyes nibble-ökhöz az alábbi táblázat szerint rendelünk egy ötbites kódot, a group code-ot. Ezzel ugyan a nyolcbites adatstruktúrát tízbitesre növeltük, ami nehezebben kezelhet®, viszont az így megvalósított kódolással minden tízbites egység legfeljebb nyolc egymás utáni 1-es, valamint legfeljebb két egymás utáni 0-ás bitet tartalmaz. Belátható, hogy átlagosan nagyobb bits¶r¶séget ér el, mint az MFM eljárás. Elterjedését a bonyolultsága gátolta, a meghajtóba külön kódoló/dekódoló egységet kell beszerelni hozzá. 6
Nibble 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
Code 01010 01011 10010 10011 01110 01111 10110 10111
Nibble 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
Code 01001 11001 11010 11011 01101 11101 11110 10101
1. táblázat. GCR kódtábla
2. Merevlemez
A merevlemez meghajtó (HDD) hasonló elven m¶ködik, mint az FDD. A legnagyobb különbség a felhasználásban mutatkozik, ugyanis a oppy esetében a lemezek a meghajtóból kivehet®k és adattárolás mellett adathordozóként is m¶ködnek. A HDD merev szubsztrátot tartalmazó lemezei ezzel szemben a meghajtó részét képezik. Adathordozóként csak a napjainkban elért méretcsökkenés (akár 1 inch átmér®) elérese miatt használhatók. Egyéb mágneses adattárolókkal szembeni el®nyei a nagy tárkapacitása és gyorsasága. A legelterjedtebb számítógépes adattároló, amely története során hatalmas fejl®dést ért el a bits¶r¶ség növelése és az elérési id® csökkentése területén. Egyre népszer¶bb (és egyre gazdaságosabb) ellenfele az SSD. 2.1. Szerkezet
A HDD szerkezetét a 5. ábrán láthatjuk. Felépítése szinte teljesen megegyezik az FDD-vel. A bels® szerkezeti elemek felépítését és m¶ködését a történeti áttekintés keretében tárgyaljuk, mivel az egyes részek fejl®dése id®rendben egymás után következett be. A csatlakozókról és interface-ekr®l a továbbiakban nem lesz szó, ezért ezek rövid áttekintését itt adjuk meg. A tápellátás csatlakozóján keresztül kap megfelel® áramellátást a lemezeket forgató orsó, valamint a kar pozícionáló. A jumper nev¶ csatlakozókon keresztül tudja a számítógép a lemezek felpörgetését vezérelni. Több HDD egy tápegységre való csatlakozása esetén a felpörgetéskor keletkez® nagy és hirtelen teljesítményfelvétel úgynevezett power peak-et eredményezne, ami a HDD és a tápegység m¶ködését is veszélyeztetné. A jumper felel®s ezek elkerüléséért a felpörgetések aszinkronizálásával. Az adat interface-ek közül a legelterjedtebb a SATA és az SCSI. Utóbbi jobb min®ség¶, külön vezérl® pocesszort 7
tartalmazó interface. A kezdetben párhuzamos adattovábbítást ma mindkét esetben sorosra cserélték (a kezdeti ATA vagy IDE interface SATA-ra változott, az SCSI soros változata a SAS). A gyorsabb adattovábbítást és nagyobb pörgési sebességeket támogató SCSI a "high-end" számítógépekben és szerverekben használatos, míg az átlagos PC-k a SATA, eSATA, FireWire interface-eket használnak.
5. ábra. Merevlemez meghajtó felépítése
2.2. Történeti áttekintés
A merevlemez meghajtó 1953-as feltalálása is az IBM nevéhez f¶z®dik. Céljuk a korábbi kezdetleges nagykapacitású adattárolók, mint a dobmemória leváltása volt. Megalkották a secondary storage fogalmát, ami a primary storage-nél (RAM) lényegesen olcsóbb és nagyobb kapacitású. A RAM-nál ugyan lassabb, de más mágneses adattárolóktól sokkal gyorsabb megoldást kerestek. Kereskedelmi forgalomba 1956-ban került az IBM 305-ös els® HDD-ként. Ebben 50 darab 24 inch-es lemez volt 3,75 MB összkapacitással. Az els® HDD-k még küls® tárhelyek voltak, mivel méretük még egy szekrényével vetekedett. Az említett HDD egyetlen fejet tartalmazott, ami 1 s elérési id®vel tudott az 50 lemez között mozogni. A fej és lemez közötti, head gapnek nevezett távolság 800 µinch volt. 8
1961-ben jelent®s fejl®dés történt. Az IBM 1301 modell siklócsapágyas fejetet tartalmazott minden egyes lemez felett, ezzel az elérési id®t 180 ms-ra csökkentve. A head gap 250 µinch-re való csökkenése nagyobb adats¶r¶séget jelentett, így a HDD mérete is mosógép méret¶re redukálódott. Az így megalkotott fej-lemez elrendezés mai HDD-ben való alkalmazását a 6. képen láthatjuk.
6. ábra. HDD lemez, fej és kar 1973-ban jelent meg az IBM 3340 "Winchester" modell, ami könny¶ karokat (20 gramm) és kicsi slidert kapott, amivel az elérési ideje 5 ms-ra csökkent. A head gap 18 µinch volt. Ez a modell különös jelent®ség¶ volt. Nevét arról kapta, hogy két 30 MB-os lemezzel tervezték (végül két 35 valamint 70 MB-os lemezzel került forgalomba), így 30-30-nak nevezték el, csakúgy mint a híres 1894-es Winchester puskát (utóbbit .30 inch-es kalibere és 30 grain súlyú l®portöltete miatt nevezték 30-30-nak). 1979-ben az IBM 3370-el megjelent az els® vékonyréteg fejet használó HDD, ami a fej technikájának csúcsát jelentette.
2.2.1. Fej, slider és kar A oppy-tól eltér®en nincs direkt kontaktus a lemez és a fej között, ezért annál tartósabb. A noncontact üzemelés szükséges is, hiszen a nagy sebesség¶ (kezdeti modellekben is 1200 rpm) forgás tönkretenné. A fejtávolság fontos paraméter, ezt igyekeztek csökkenteni a nagyobb bits¶r¶ség eléréséhez. Minél közelebb van a fej, annál kisebb területet tud mágnesezni, így a bits¶r¶ség megn®. A head gap-et a száítógépes technikában szokásos inch mértékegységben szokás megadni. A történeti áttekintésben szerepl® adatok ézékeltetése végett megjegyezzük, hogy egy hajszál vastagsága kb. 2000 µinch. A HDD-ket tisztaszobában szerelik össze, a benne lév® leveg® 0,5 9
mikronnál nagyobb szemcséket legfeljebb 100 db/köbláb s¶r¶ségben tartalmazhat. Ez a kis fejtávolság miatt szükséges, ugyanis a nagyobb méret¶ porszemcsék tönkretennék az olvasófejet. Belsejük nem teljesen légmentessen zárt, szükség van nyomás kiegyenlítésre a megfelel® m¶ködéshez. A gyári tisztaság megtartását sz¶r®kkel érik el. A fej siklócssapágyas (air-bearing) megoldásánál annak aerodinamikai kiképzése olyani, hogy a forgó lemez szele (kb. 100 km/h) fenntartsa azt. A fej maga nagyon kis méret¶, hajszál vastagságú. Nem közvetlen a karra szerelik, hanem egy slider-re, amit piezoelektromosan pozícionálnak a track-en. Az állandó repülési magasságot rugókkal érik el a karokon. A karok együtt mozognak a track-ek között. Fejlesztésük során a súlycsökkentés és szilárdság a cél az elérési id® csökkentése végett. Leggyakrabban háromszög alakú alumínium karokat használnak. A fej különböz® változatai id®rendben: • tradicionális C-alakú ferrit, tekercselt fej: nagy méret¶ek, ezért csak
távol alkalmazhatók. Nagy területet mágneseznek, így csak kis adats¶r¶ség¶ HDD-ben alkalmazható.
• metal in gap: az el®z® fejlesztése, melyben kis fémdarab koncentrálja
az er®vonalakat, így valamivel kisebb területet tud mágnesezni
• vékonyréteg fejek: fotolitográ ával kiképzett fej. Ezeknél a méretprob-
léma megoldódik, ugyanis ezzel az eljárással a legnagyobb adats¶r¶ség¶ lemezekhez is lehet megfelel®en kicsi fejet készíteni.
7. ábra. HDD fej, kar és slider
2.2.2. Fej pozícionáló A HDD-ben a track kiválasztásért a fej pozícionáló felel®s. Gyorsnak és pontosnak kell lennie a megfelel® elérési id® és hibaráta biztosításához. Mivel ez egy mechanikai egység, ezért lassú az elektronikához képest. Ez a HDD 10
f® hátránya az SSD-vel szemben, ahol legalább ezerszer gyorsabb az elérés. Két típust különböztetünk meg: • léptet®motor: oppynál elterjedt, ott az orsó és a fej is így mozog • hangtekercs: modern eszközökben megtalálható. Egy állandó mágnes-
b®l és egy elektromágnesb®l áll. Az árammal lehet szabályozni a karra ható mágneses teret, ami mozgatja azt. Visszacsatolásos szervó rendszert lehet csinálni vele.
8. ábra. Léptet®motor (bal) és hangtekercses motor (jobb) A '60-'70-es évek kar és fej fejlesztései után a '80-as években a lemezek méretének csökkentése volt a f® feladat. A cél a HDD számítógépekbe szerelhet®sége volt. A lemezméretek a oppy-nál megismertek voltak. Az els® 8 inch-es HDD az 1979-ben megjelent IBM 62PC-volt. Az els® PC-be szerelhet® az 1980-as Seagate ST-506, 5 41 inch-es lemez volt. 1983-ban kiadták a mai PC-kben lév® 3,5 inch-es HDD-k els® példányát a Rodime RO352-t. A laptopokban elterjedt 2,5 inch-es méret az 1988-as Praire Tek 220-as modellel jelent meg.
2.2.3. HDD lemez • szerkezet:
szubsztrát: legyen kemény, nem mágnesezhet®, könny¶, stabil és olcsó. Ennek az alumínium ötvözetek felelnek meg. Viszont kis gap esetén nagyon sima felszín kell. Üveg, kompozit, magnézium tudja csak elérni a kell® simaságot. Ezek további el®nyei a nagyobb szilárdság és kisebb vibráció. Ez vékonyabb lemezek gyártását 11
teszi lehet®vé, és kisebb a h®tágulás is. A legjobb szubsztrát anyag az üveg-kerámia kompozit, ami kevésbé törékeny. mágneses réteg: párologtatott, µinch vastagságú vas-oxid . A modernebb vékonyrétegek kiképzése electroplating vagy CVD technikával történik. A legújabb, kísérleti mágneses réteg a vas-platina nanokristály réteg. véd®réteg: szén • méret: csökkentve kisebb tömeg, nagyobb szilárdság, kisebb fogyasztás,
gyorsabb elérés, kevesebb zaj érhet® el.
• track és szektor felosztás, kódolás: oppy-hoz hasonló
A kódolásnál megemlítjük az 1990-ben kiadott IBM 0681-es modellel bevezetett PRML dekódolást. Az olvasófejben a uxusváltozás áramot generál. Az olvasáskor csúcsokat kell detektálni majd digitális jellé alakítani, azután dekódolni. A PRML a csúcsdetektálásban segít: s¶r¶ lemez esetén a detektált csúcsok átlapolódnak, ezt el kell kerülni, mert adatvesztést okoz. A gyengébb mágnesezettség miatt nehezebb a csúcs detektálás (nagy a zaj). A PRML rövidítés els® fele partial response, ami azt takarja, hogy csak a jel egy részét tudjuk mintavételezni, mert nagyon nagy frekvenciás a uxusváltozás. A másik fele: maximum likelihood arra utal, hogy megállapítjuk, hogy az adott mintavételezés milyen bitsorozathoz tartozhat legnagyobb valószín¶séggel. A módszer kockázatosnak t¶nhet, de a megfelel® hiabjavító és ellen®rz® technikákkal alkalmazva meglep®en pontos. A '90-es évek során két technikai fejl®dés történt. Az egyik az 1991-ben el®ször használt mágneses ellenálláson alapuló olvasófej megjelenése, valamint a '97-ben kiadott els® óriás mágneses ellenállást használó fej volt. Ezek ziakai alapjairól a 3. fejezetben lesz szó. A másik a lemezsebesség növelése volt, ami teljesen a Seagate márkához f¶z®dik. '92-ben a Barracuda modellel az els® 7200 rpm-es HDD jelent meg, ami a legelterjedtebb desktop PC HDD forgási sebesség lett. '96-ban a Cheetah 4LP 10000 rpm, majd 2000-ben a Cheetah X15 15000 rpm sebességet ért el. Ezeket a HDD motor fejlesztésével lehetett elérni, aminek felépítését a következ® alfejezet foglalja össze.
2.2.4. HDD motor A legtöbb meghibásodás ennél az alkatrésznél történik, ez a legjobban igénybevett. Ennek ellenére a stabil m¶ködés biztosítása elengedhetetlen. Ahogy láttuk, egyre gyorsabb forgási sebességet igyekeztek elérni, így a h® és vibráció jelent®sen megnövekedett. Hatalmas el®ny viszont az, hogy gyorsabb 12
sebbességen csökken a forgási várakozás (rotational latency): 7200 rpm-en 4,2 ms míg 15k rpm-en 2 ms átlagosan. • szervó: hangtekercs, zárt kör¶ visszacsatolással. • direkt meghajtás: közvetlenül a lemezekhez kapcsolódik a motor, nincs
áttétel, szíj.
• csapágyazás: golyós vagy siklócsapágy. A golyós el®nyei: fordulatszám
független m¶ködés, hosszú élettartam. Hátrányai: rezonancia, imbolygás, ami track kifutást okozhat nagy bits¶r¶ség¶ lemezen. Továbbá nagyon precíz megmunkálás kell. A siklócsapágy el®nye, hogy minden fent említett hátrányt kiküszöböl. Viszont vannak hátránya: nem fordulatszám független. Folyamatos kenést igényel és olajnyomás kell, ami induláskor/leálláskor nem teljesül.
• nagy teljesítményfelvétel felpörgéskor: jumper használata.
Az els® folyadékdinamikai csapágyazást a Seagate alkalmazta 1997-ben nagysebesség¶ merevlemezeihez.
9. ábra. HDD motor A 2000-es évekt®l napjainkig a fejlesztések az egyre magasabb bits¶r¶ség elérésére irányulnak. Az új merevlemezek óriás mágneses ellenállást, alagutazó mágneses ellenállást, mer®leges mágneses rögzítést alkalmaznak. A legmodernebb technikaák az átfed® track-eket használó zsindelyes mágneses rögzítés, valamint a h®rásegítéses mágneses rögzítés (HAMR).
13
3. Óriás mágneses ellenállás és spinszelepek 3.1. Mágneses ellenállás
A mágneses ellenállást William Thomson (Lord Kelvin) fedezte fel 1856ban. A jelenség lényege, hogy a ferromágneses anyagok ellenállása függ a mágneses tért®l. Részletesebb levezetés Sólyom Jen®: A modern szilárdtest zika alapjai II. cím¶ könyvben található, itt csak a lényeget emelem ki. Belátható, hogy nagy, de véges mágneses terek esetén a vezet®képesség tenzor 1/B hatványai szerint sorbafejthet®: σαβ (B) = Aαβ +
1 1 Bαβ + 2 Cαβ + · · · B B
felhasználva az Onsager-relációt (σαβ (B) = σβα (−B)): Aαβ +
1 1 1 1 Bαβ + 2 Cαβ + · · · = Aβα − Bβα + 2 Cβα + · · · B B B B
A képlet alapján a diagonális elemek vezet® rendben vagy konstansok, vagy 1/B 2 -el mennek. Belátható, hogy B → ∞ esetben σzz konstans és ez az egyetlen járulék. Ezt a határesetet gyelembe véve a vezet®képesség tenzor: Cxx B2 Bxy − B − BBxz
σαβ (B) =
Bxy B Cyy B2 − BByz
Bxz B Byz B
Azz
Ennek inverze az ellenállástenzor, melynek mer®leges elemei véges értékhez tartanak. Bevezethetjük a mágneses ellenállás járulékát: ∆R =
RH − R0 R0
3.2. Anizotróp mágneses ellenállás
A mégneses ellenállás áramiránnyal szemben mutatott anizotrópiája. Az áramirányra mer®leges és azzal párhuzamos mágneses tér esetén a mágneses ellenállás néhány százalékban eltér. A jelenség spinfügg® szórási folyamatokkal magyarázható. Az inverz élettartam a Fermi-féle aranyszabály szerint:
0 τkσσ
−1
=
X 2π 2 N (Ek ) |hk, σ |Vσσ0 | k0 σ 0 i| N (Ek0 ) δ (Ek − Ek0 ) h ¯ k0
14
ahol Vσσ0 spinfügg® kölcsönhatás, mint például a spin-pálya kölcsönhatás. Stoner-Wohlfahrt modell alapján 3d fémekben kétfajta vezetési elektron található: ↑, ↓. Ezek alapvet®en különböz® vezetési tulajdonságúak, mivel N (EF ) különböz®.
10. ábra. 4s és 3d sáv DOS plotja a különböz® spinekre. A 3d sáv betöltöttsége a Fermi-szinten különböz®.
3.3. Óriás mágneses ellenállás
1988-ban Albert Fert és Peter Grünberg mágneses multirétegek vizsgálatakor óriás mágneses ellenállást tapasztalt, ahol a ∆R/R0 = 50% is lehet. Felfedezésükért 2007-ben Nobel-díjat kaptak. A jelenség megértéséhez vizsgáljuk meg a ferromágneses multirétegek közti csatolást. A ferromágneses multirétegek felváltva tartalmaznak ferromágneses és nem mágneses rétegeket. A ferromágneses rétegek csatolását, csakúgy mint a rétegen belül a spinek ferromágneses csatolását, a kicserél®dési kölcsönhatás okozza. A spinek között ható dipól kölcsönhatás gyenge, ezt elhanyagolhatjuk. A direkt kicserél®dés csak az adott rétegen belüli ferromágneses rend felépítéséért felel®s. Az egyes rétegek között a hullámfüggvények átfedése elhanyagolható. Az egyetlen nem lokális járulékot az indirekt kicserél®dés adja. Ennek legismertebb mechanizmusa a Ruderman-Kittel oszcilláció. Ennek lényege, hogy a törzselektron-vezetési elektron kölcsönha15
tás spins¶r¶ség oszcillációt kelt. Az oszcilláció 1/r3 -ös lecsengés¶, λ = π/kF hullámhosszú. A távoli spinek kölcsönhatását ez a helyfügg® spins¶r¶ség határozza meg. Ezzel a kölcsönhatás csatolási állandója is helyfügg® oszcillációt mutat, ahogy a 11. ábrán láthatjuk.
11. ábra. j csatolási állandó spintávolság-függése A rétegvastagság megfelel® beállításával tehát a ferromágneses rétegek között antiferromágneses csatolás létesíthet®, mágnesezettségük ellentétes irányú (12. ábra). Küls® mágneses térben a ferromágneses rétegek mind a tér irányába mágnesez®dnek (13. ábra).
12. ábra. Mágneses tér nélküli elrendezés
16
13. ábra. Elrendezés mágneses térben. A két esetben a multirétegen átfolyó áram különböz® ellenállást érzékel. A ferromágneses rétegben való drift közben és a réteghatáron való szóródáskor a különböz® spin¶ vezetési elektronok más ellenállást tapasztalnak. Ezek kapcsolási rajzát nulla mágneses tér esetén a 14. ábrán, nemnulla tér esetén a 15. ábrán láthatjuk. Az ered® ellenállás a két esetben különböz®. 1 (R↑ − R↓ )2 ∆R = − 2 R↑ + R↓
14. ábra. Kapcsolási rajz mágneses tér nélküli esetben
17
15. ábra. Kapcsolási rajz mágneses térben.
3.4. Spinszelep
Az óriás mágneses rezonanciát a HDD olvasófejekben az úgynevezett spinszelepek segítségével alkalmazzák. A HDD esetében nem a korábban látott elrendezés valósul, vagyis nulla és nemnulla küls® mágneses térben van a rendszer, hanem átmágnesez®dést kell detektálni. Ehhez szükségünk van egy rögzített mágnesezettség¶ ferromágneses referencia rétegre, valamint egy szabadon mágnesezhet® mér®rétegre. Ekkor a mér®réteg áátmágnesez®dése a korábban bemutatottakhoz hasonló elrendezést valósít meg. Az ellenállás változását detektálva tehát detektálhatjuk a HDD mágneses rétegének mágnesezettség változását. Ez az óriás mágneses ellenállás miatt kis mágnesezettség detektálására is alkalmas, szemben az indukciós detektálással. Ezért a bits¶r¶ségnek már nem a kiolvasás, hanem a rögzítés szab határt. Jelenleg a fejlesztések iránya erre a területre összpontosul (lsd. HAMR). A spinszelepek zikájában a leglényegesebb kérdés a rögzített ferromágneses réteg kialakítása. Ez egy antiferromágneses réteggel való csatolás következménye. Az el®bbiekben a mágnesezettség kétféle irányba történ® beállását a kristályszerkezet okozta kicserél®dési anizotrópia okozta. Ez legtöbb esetben egy egytengely¶ anizotrópia (easy axis), ami kétféle beállást tesz lehet®vé. A ferromágneses-antiferromágneses rétegek kölcsönhatásánál viszont kicserél®dési dupla anizotrópia lép fel, ami egyirányú anizotrópia. Ez rögzíti a ferromágneses réteg mágnesezettségi irányát. Az elmondottak egy egyszer¶ képpel megérthet®ek. A mágneses tér nélküli állapotban az FM-AFM határrétegben a spinek az er®sebb ferromágneses csatolás miatt párhuzamosak, mágnesezettségük a FM réteggel megegyez®. Ha a küls® mágneses tér az FM réteget át akarja mágnesezni, akkor a határréteget is át kell mágneseznie, mivel az er®sen csatolt hozzá. Viszont a határréteg az AFM réteghez is csatolt, 18
ami viszont gyengén mágnesezhet®, így a küls® tér alig hat rá. A FM réteg átmágnesezéséhez tehát a határ és az AFM réteg antiferromágneses csatolási energiáját kell legy®znie. Ennek kötkeztésben a hiszterézishurok eltolódik, nagyobb tér kell az átmágnesezéshez és kisebb (ellenkez® irányú) a visszamágnesezéshez, mivel a visszamágnesezést a határréteg csatolása is segíti. Ennek az eltolódásnak köszönhat®en az a tér, ami még a szabad réteget át tudja mágnesezni, már nem elég nagy a rögzített réteg átmágnesezéséhez.
16. ábra. Spinszelep vázlatos felépítése. A konkrét megvalósítás több réteget alkalmaz.
Hivatkozások
[1] PCGuide, url: http://www.pcguide.com/ [2] Wikipedia, the free encyclopedia, url: https://en.wikipedia.org [3] IBM Archives, url: http://www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/storage/ [4] Seagate History, url: http://www.seagate.com/gb/en/about-seagate/ seagate-history/ [5] Nobelprize.org, url: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/ [6] Sólyom Jen®: A modern szilárdtest- zika alapjai I.-II. [7] Francesco O : Magnetic interaction between antiferromagnetic and ferromagnetic lms: Co/Fe50Mn50 bilayers on Cu(001) cím¶ doktori disszertációja, url: http://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/dissonline/02/02H126/ [8] Gubicza Jen®: Fejezetek az anyagtudományból cím¶ el®adás
19
