Armazenamento magnético - Magnetic storage

Gravação longitudinal e gravação perpendicular , dois tipos de cabeças de gravação em um disco rígido.

Armazenamento magnético ou gravação magnética é o armazenamento de dados em um meio magnetizado . O armazenamento magnético usa diferentes padrões de magnetização em um material magnetizável para armazenar dados e é uma forma de memória não volátil . As informações são acessadas usando uma ou mais cabeças de leitura / gravação .

A mídia de armazenamento magnético, principalmente discos rígidos , é amplamente usada para armazenar dados de computador , bem como sinais de áudio e vídeo . No campo da computação, o termo armazenamento magnético é preferido e no campo da produção de áudio e vídeo, o termo gravação magnética é mais comumente usado. A distinção é menos técnica e mais uma questão de preferência. Outros exemplos de mídia de armazenamento magnético incluem disquetes , fita magnética e tarjas magnéticas em cartões de crédito.

História

O armazenamento magnético na forma de gravação com fio - gravação de áudio com fio - foi publicado por Oberlin Smith na edição de 8 de setembro de 1888 da Electrical World . Smith já havia anteriormente registrado uma patente em setembro de 1878, mas não encontrou oportunidade de perseguir a ideia, pois seu negócio eram máquinas-ferramenta. O primeiro gravador magnético demonstrado publicamente (Exposição de Paris de 1900) foi inventado por Valdemar Poulsen em 1898. O dispositivo de Poulsen gravou um sinal em um fio enrolado em um tambor. Em 1928, Fritz Pfleumer desenvolveu o primeiro gravador de fita magnética . Os primeiros dispositivos de armazenamento magnético foram projetados para gravar sinais de áudio analógico . Os computadores e agora a maioria dos dispositivos de armazenamento magnético de áudio e vídeo gravam dados digitais .

Em computadores antigos, armazenamento magnético também foi usado para o armazenamento primário em forma de cilindro magnético , ou a memória de núcleo , memória corda núcleo , memória de película fina , a memória twistor ou memória de bolha . Ao contrário dos computadores modernos, a fita magnética também era frequentemente usada para armazenamento secundário.

Projeto

Os discos rígidos usam memória magnética para armazenar gigabytes e terabytes de dados em computadores.

As informações são gravadas e lidas no meio de armazenamento à medida que passam por dispositivos chamados cabeçotes de leitura e gravação que operam muito próximos (geralmente dezenas de nanômetros) sobre a superfície magnética. O cabeçote de leitura e gravação é usado para detectar e modificar a magnetização do material imediatamente abaixo dele. Existem duas polaridades magnéticas, cada uma das quais é usada para representar 0 ou 1.

A superfície magnética é conceptualmente dividido em muitas pequenas sub- micrómetro -sized regiões magnéticas, referidos como domínios magnéticos, (embora estes não são domínios magnéticos no sentido físico rigoroso), cada um dos quais tem uma magnetização principalmente uniforme. Devido à natureza policristalina do material magnético, cada uma dessas regiões magnéticas é composta de algumas centenas de grãos magnéticos . Os grãos magnéticos têm tipicamente 10 nm de tamanho e cada um forma um único domínio magnético verdadeiro . Cada região magnética no total forma um dipolo magnético que gera um campo magnético . Em designs de unidade de disco rígido (HDD) mais antigos, as regiões eram orientadas horizontalmente e paralelamente à superfície do disco, mas, a partir de 2005, a orientação foi alterada para perpendicular para permitir um espaçamento mais próximo do domínio magnético.

As unidades de disco rígido mais antigas usavam óxido de ferro (III) (Fe 2 O 3 ) como material magnético, mas os discos atuais usam uma liga à base de cobalto .

Para um armazenamento confiável de dados, o material de gravação precisa resistir à autodesmagnetização, que ocorre quando os domínios magnéticos se repelem. Domínios magnéticos escritos muito próximos em um material fracamente magnetizável se degradarão com o tempo devido à rotação do momento magnético de um ou mais domínios para cancelar essas forças. Os domínios giram lateralmente para uma posição intermediária que enfraquece a legibilidade do domínio e alivia as tensões magnéticas.

Uma cabeça de gravação magnetiza uma região gerando um forte campo magnético local e uma cabeça de leitura detecta a magnetização das regiões. Os primeiros HDDs usavam um eletroímã para magnetizar a região e então ler seu campo magnético usando indução eletromagnética . Versões posteriores de cabeçotes indutivos incluem cabeçotes Metal In Gap (MIG) e cabeçotes de filme fino . Conforme a densidade dos dados aumentou, as cabeças de leitura usando magnetorresistência (MR) começaram a ser usadas; a resistência elétrica da cabeça mudava de acordo com a força do magnetismo do prato. O desenvolvimento posterior fez uso da spintrônica ; nas cabeças de leitura, o efeito magnetorresistivo era muito maior do que nos tipos anteriores, e foi apelidado de magnetorresistência "gigante" (GMR). Nos cabeçotes de hoje, os elementos de leitura e gravação são separados, mas muito próximos, na parte da cabeça de um braço atuador. O elemento de leitura é tipicamente magneto-resistivo, enquanto o elemento de gravação é tipicamente indutivo de película fina.

As cabeças são impedidas de entrar em contato com a superfície do prato pelo ar que está extremamente próximo ao prato; que o ar se move na velocidade do prato ou próximo a ela. A cabeça de gravação e reprodução são montadas em um bloco chamado controle deslizante, e a superfície ao lado do prato é moldada para mantê-la quase sem contato. Isso forma um tipo de rolamento de ar .

Aulas de gravação magnética

Gravação analógica

A gravação analógica é baseada no fato de que a magnetização remanescente de um determinado material depende da magnitude do campo aplicado. O material magnético está normalmente na forma de fita, sendo a fita em branco inicialmente desmagnetizada. Durante a gravação, a fita corre a uma velocidade constante. A cabeça de escrita magnetiza a fita com corrente proporcional ao sinal. Uma distribuição de magnetização é obtida ao longo da fita magnética. Finalmente, a distribuição da magnetização pode ser lida, reproduzindo o sinal original. A fita magnética é normalmente feita incorporando partículas magnéticas (aproximadamente 0,5 micrômetros de tamanho) em um aglutinante de plástico em uma fita de filme de poliéster. O mais comumente usado era o óxido férrico, embora dióxido de cromo, cobalto e, posteriormente, partículas de metal puro também tenham sido usados. A gravação analógica era o método mais popular de gravação de áudio e vídeo. Desde o final dos anos 1990, entretanto, a popularidade da gravação em fita diminuiu devido à gravação digital.

Gravação digital

Em vez de criar uma distribuição de magnetização na gravação analógica, a gravação digital só precisa de dois estados magnéticos estáveis, que são + Ms e -Ms no ciclo de histerese . Exemplos de gravação digital são disquetes e unidades de disco rígido (HDDs). A gravação digital também foi realizada em fitas. No entanto, os HDDs oferecem capacidades superiores a preços razoáveis; no momento em que este artigo foi escrito (2020), os HDDs para consumidores ofereciam armazenamento de dados por cerca de US $ 0,03 por GB.

A mídia de gravação em HDDs usa uma pilha de filmes finos para armazenar informações e um cabeçote de leitura / gravação para ler e gravar informações de e para a mídia; vários desenvolvimentos têm sido realizados na área de materiais usados.

Gravação magneto-óptica

A gravação magneto-óptica grava / lê opticamente. Ao escrever, o meio magnético é aquecido localmente por um laser , o que induz uma rápida diminuição do campo coercitivo. Em seguida, um pequeno campo magnético pode ser usado para alternar a magnetização. O processo de leitura é baseado no efeito magneto-óptico de Kerr . O meio magnético é tipicamente um filme fino amorfo de R-Fe-Co (R sendo um elemento de terra rara). A gravação magneto-óptica não é muito popular. Um exemplo famoso é o Minidisc desenvolvido pela Sony .

Memória de propagação de domínio

A memória de propagação de domínio também é chamada de memória de bolha . A ideia básica é controlar o movimento da parede de domínio em um meio magnético livre de microestrutura. Bolha refere-se a um domínio cilíndrico estável. Os dados são então registrados pela presença / ausência de um domínio de bolha. A memória de propagação de domínio tem alta insensibilidade a choques e vibrações, então sua aplicação é geralmente no espaço e na aeronáutica.

Detalhes técnicos

Método de acesso

A mídia de armazenamento magnético pode ser classificada como memória de acesso sequencial ou memória de acesso aleatório , embora em alguns casos a distinção não seja perfeitamente clara. O tempo de acesso pode ser definido como o tempo médio necessário para obter acesso aos registros armazenados. No caso do fio magnético, a cabeça de leitura / gravação cobre apenas uma pequena parte da superfície de gravação em um determinado momento. Acessar diferentes partes do fio envolve enrolá-lo para frente ou para trás até que o ponto de interesse seja encontrado. O tempo para acessar este ponto depende da distância que ele está do ponto de partida. O caso da memória com núcleo de ferrite é o oposto. Cada localização central está imediatamente acessível a qualquer momento.

Discos rígidos e unidades de fita lineares serpentinas modernas não se encaixam precisamente em nenhuma das categorias. Ambos têm muitas trilhas paralelas ao longo da largura da mídia e as cabeças de leitura / gravação demoram para alternar entre as trilhas e fazer a varredura dentro das trilhas. Diferentes pontos na mídia de armazenamento levam diferentes períodos de tempo para serem acessados. Para um disco rígido, esse tempo normalmente é inferior a 10 ms, mas as fitas podem levar até 100 s.

Esquemas de codificação

Cabeças de disco magnético e cabeças de fita magnética não podem passar DC (corrente contínua). Portanto, os esquemas de codificação para dados de fita e disco são projetados para minimizar o deslocamento DC . A maioria dos dispositivos de armazenamento magnético usa correção de erros .

Muitos discos magnéticos usam internamente alguma forma de codificação limitada de comprimento de execução e probabilidade máxima de resposta parcial .

Uso atual

A partir de 2020, os usos comuns de mídia de armazenamento magnético são para armazenamento em massa de dados de computador em discos rígidos e a gravação de áudio analógico e trabalhos de vídeo em fita analógica . Visto que grande parte da produção de áudio e vídeo está mudando para sistemas digitais, o uso de discos rígidos deve aumentar em detrimento da fita analógica. As fitas digitais e as bibliotecas de fitas são populares para o armazenamento de dados de alta capacidade de arquivos e backups. Os disquetes têm algum uso marginal, particularmente ao lidar com sistemas e softwares de computador mais antigos. O armazenamento magnético também é amplamente utilizado em algumas aplicações específicas, como cheques bancários ( MICR ) e cartões de crédito / débito ( faixas magnéticas ).

Futuro

Está sendo produzido um novo tipo de armazenamento magnético, denominado memória magnetorresistiva de acesso aleatório ou MRAM, que armazena dados em bits magnéticos baseados no efeito da magnetorresistência de túnel (TMR). Sua vantagem é a não volatilidade, baixo consumo de energia e boa robustez contra choques. A 1ª geração desenvolvida foi produzida pela Everspin Technologies e utilizou escrita induzida em campo. A 2ª geração está sendo desenvolvida por meio de duas abordagens: comutação termicamente assistida (TAS), que está sendo desenvolvida atualmente pela Crocus Technology , e torque de transferência de rotação (STT), no qual a Crocus , Hynix , IBM e várias outras empresas estão trabalhando. No entanto, com densidade de armazenamento e ordens de magnitude de capacidade menores do que um HDD , o MRAM é útil em aplicações onde quantidades moderadas de armazenamento com uma necessidade de atualizações muito frequentes são necessárias, que a memória flash não pode suportar devido à sua resistência de gravação limitada. O MRAM de seis estados também está sendo desenvolvido, ecoando células de memória flash multinível de quatro bits, que têm seis bits diferentes, em oposição a dois .

A pesquisa também está sendo feita por Aleksei Kimel na Radboud University para a possibilidade de usar radiação terahertz em vez de usar eletropulsos padrão para gravar dados em mídia de armazenamento magnético. Ao usar radiação terahertz, o tempo de gravação pode ser reduzido consideravelmente (50x mais rápido do que ao usar eletropulsos padrão). Outra vantagem é que a radiação terahertz quase não gera calor, reduzindo assim os requisitos de resfriamento.

Veja também

Referências

links externos