Przechowywanie danych magnetycznych

Magnetyczny dysk twardy, kluczowy element do przechowywania danych w komputerach stacjonarnych i laptopach, a także w serwerach danych na większą skalę, zwiększył swoją pojemność w fenomenalnym stopniu od czasu wprowadzenia go w latach 50. XX wieku.

Dane binarne są przechowywane jako informacje zakodowane w namagnesowanych obszarach na powierzchni szybko obracających się dysków. W nowoczesnych dyskach dane są zapisywane na dysku i odczytywane z niego przez głowicę odczytująco-zapisującą, która jest podtrzymywana na bardzo cienkiej warstwie powietrza – łożysku gazowym – gdy dysk obraca się pod nim.

Pierwszy dysk twardy, w którym zastosowano głowice z aerodynamiczną podporą, IBM 1302 z 1965 roku, miał wielkość małego samochodu i przechowywał 120  MB (1 megabajt = 10 6 ).bajtów) kosztem (w ujęciu z 2017 r.) prawie 2 mln USD; z kolei współczesny dysk wielkości dłoni przechowuje kilka TB (1terabajt = 10 12 bajtów) za około 100 USD, a pojemność danych prawdopodobnie będzie nadal rosła.

Aktualne gęstości danych przekraczają 1 terabit na cal kwadratowy (około 1,5 gigabita na milimetr kwadratowy; 1 bajt = 8 bitów), co odpowiada każdemu bitowi informacji zajmującemu obszar 25 nm. na 25 nm.

Ten dramatyczny wzrost pojemności pamięci został osiągnięty dzięki stopniowemu zmniejszaniu rozmiaru i zmianie orientacji namagnesowanych domen, w których przechowywane są dane, a także dzięki postępom w fizyce procesu odczytu i zapisu, ale także wiązało się to z niezwykłą redukcją „wysokości lotu” głowy nad powierzchnią dysku.

Niewielka szczelina między głowicą a materiałem magnetycznym jest potrzebna do uzyskania wysokiej rozdzielczości poprzecznej w procesach czytania i pisania.

Najwcześniejsze napędy miały wysokość lotu głowicy około 6  μm, ale w nowoczesnych napędach została ona zmniejszona do mniej niż 10 nm., co wymaga nie tylko precyzyjnego modelowania warstewki gazu i dynamiki głowicy, ale także produkcji powierzchni dysków ekstremalna płaskość i gładkość.

Rysunek 9.33 przedstawia typowy układ wewnętrzny dysku twardego, z głowicą na końcu ramienia podtrzymującego; każda powierzchnia dysków w wielodyskowym stosie jest dostępna przez oddzielną głowicę.

Dysk ma zazwyczaj średnicę 63,5 lub 88,9  mm (2,5 lub 3,5 cala) i obraca się z prędkością 7200  obr./min. Funkcja odczytu/zapisu jest realizowana przez bardzo mały obszar aktywny osadzony w większym suwaku o średnicy 1–2  mm.

Konstrukcja suwaka może być złożona, jak pokazano na rys. 9.34 , który pokazuje jeden przykład.

Powierzchnia suwaka jest ukształtowana ze stopniami i półkami o wysokości zwykle 0,5-2 μm, które mają na celu wytworzenie rozkładu ciśnienia aerodynamicznego na powierzchni suwaka, które unosi suwak nad tarczą w stabilny sposób.

Aerodynamiczny smarowanie działa w filmie powietrznym w kształcie klina między nieruchomym suwakiem a ruchomą powierzchnią dysku.

Różnica ciśnień netto między dolną i górną powierzchnią suwaka powoduje powstanie siły pionowej, która jest równoważona przez zginanie elementu zginającego w ramieniu nośnym, a wysokość lotu i położenie są kontrolowane przez równowagę między siłami aerodynamicznymi i zginającymi.

Mechanizmy sprzężenia zwrotnego służą do bardzo dokładnego kontrolowania pozycji głowy. Chociaż większość napędów pracuje obecnie w powietrzu, istnieją potencjalne korzyści w postaci zmniejszonej wysokości lotu i mniejszego oporu tarcia przy użyciu gazu o niższej lepkości, w związku z czym hel jest używany w kilku zastosowaniach.

Slider głowicy

Rys. 9.33. Wewnętrzny układ magnetycznego dysku twardego, z głowicą odczytu/zapisu przymocowaną do końca jego ramienia nośnego.

Ramię przesuwa się po powierzchni dysku tak, że głowica może uzyskać dostęp końca jego ramienia nośnego. Ramię przesuwa się po powierzchni dysku tak, że głowica może uzyskać dostęp przykładzie ma własną głowicę odczytu/zapisu

lot głowicy

Rys. 9.34. Przykład suwaka i głowicy odczytująco-zapisującej z dyskiem magnetycznym, przedstawiający: (a) dolną powierzchnię suwaka, ukształtowaną z uniesionymi obszarami i wgłębieniami, aby kontrolować przepływ powietrza po jego powierzchni i wynikający z tego rozkład ciśnienia i siłę nośną aerodynamiczną; oraz (b) przekrój przez suwak i głowicę, pokazujący (przesadnie) klinowatą warstewkę powietrza utworzoną między suwakiem a dyskiem na podstawie patentu US 8174795

Same talerze dysków stanowią doskonały przykład inżynierii powierzchni do zastosowań funkcjonalnych, łącząc właściwości mechaniczne, przechowywanie danych i trybologiczne.

Struktury wielowarstwowe, jak pokazano na Rys. 9.35 , osadzone są na podłożu wykonanym z walcowanego stopu aluminiowo-magnezowego (AA5083; 96% Al, 4% Mg) wysoko polerowanego, o typowej chropowatości Ra 15–25 nm.

Powłoka bezprądowa służy do osadzania stosunkowo grubej (10 μm) warstwy niklowo-fosforowej (90% Ni, 10% P), która działa jak twarde podłoże dla funkcjonalnych warstw magnetycznych i jest również polerowana (do 0,5-2 nm. Ra).

Fosfor zwiększa twardość osadu. Sekwencja bardzo cienkich warstw jest następnie osadzana w procesach PVD: podwarstwa chromu (~50  nm.) do wiązania warstwy magnetycznej z warstwą Ni-P; warstwa magnetyczna, w której przechowywane są dane (~30 nm. złożonego stopu, często na bazie Co, czasami o strukturze wielowarstwowej); oraz jeszcze cieńszą (~15 nm.) powłokę z uwodornionego węgla podobnego do diamentu (DLC), która chroni warstwę magnetyczną przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Wreszcie wyjątkowo cienka (~1 nm.) warstwa smaru (zazwyczaj perfluoropolieter, o bardzo niskiej prężności par) jest osadzany przez zanurzenie z roztworu, ponownie w celu ochrony powierzchni dysku przed uszkodzeniem, jeśli głowica go dotknie.

Zarówno warstwa smaru, jak i warstwa DLC zapewniają pewną ochronę przed korozją filmu magnetycznego.

Rys. 9.35. Schematyczny przekrój przez obszar powierzchni typowego dysku twardego do magnetycznego przechowywania danych (nie w skali), przedstawiający wiele powłok wymaganych do funkcji magnetycznych, mechanicznych i trybologicznych