信息存储材料.ppt

1、1,第四章 第二讲 磁存储器结构、材料,2,磁存储发展最早，历史最长。目前，磁信息存储系统是全世界铁磁性材料最重要的应用市场，其产值要大于传统的应用于电机等系统的永磁材料和应用于磁芯的软磁材料。 随着网络的普及、信息的爆炸性增长，全世界的磁信息存储市场增长很快，2005年超过1000亿美元，其中声音记录和图像记录占了约40%的市场，数据记录占了约60%的市场，随着的普及，数据记录的市场比例还在增加。,3,一、磁记录原理,磁存储又称为磁表面存储。将磁性材料涂在金属或者塑料表面作载磁体，用于存储信息的方式称为磁表面存储。 大多数外存储器均采用磁记录原理 磁存储的形式：磁鼓、软磁盘、硬磁盘、磁带,4

2、,磁记录过程示意图,前间隙,后间隙,铁氧体,线圈,电流,磁记录介质,磁头结构和电磁转换示意图,磁头，软磁材料 导磁率高，饱和磁感应强度大 矫顽力小，剩余磁感应强度小,磁记录材料，硬磁材料 记录密度高，记录信息时间长 输出信号幅度大，噪声低 表面组织紧密、光滑、无麻点 薄厚均匀，温度、湿度影响小,5,1、磁记录特点,存储容量大，位价格低 记录介质可重复使用 记录信息可长期保存 非破坏性读出 采用机械装置，机械结构复杂 存取速度慢 对工作环境要求高,6,根据纪录信息的形态，磁纪录可分为模拟式纪录和数字式纪录，发展方向是数字纪录。 模拟纪录是将声音、图象的明暗等电信号的强弱转化为磁信号的强弱，纪录在

3、磁介质上。 数字纪录是纪录on和off这两种有一定间隔的脉冲信号，主要为“0”和 “1”两种数字信号。,7,磁存储是目前最常用的海量存储方式。广义而言，磁存储还包括光存储中的磁光存储技术。与光存储相比，磁存储具有优异的可擦写特性，经过106 次重复擦写后，误码率几乎为0。而光盘经过105重复擦写后 误码率急剧增加。 近年来，磁存储的密度越来越高，发展越来越快。 以硬磁盘为例， IBM公司商品化磁盘面记录密度增长率达到60% 年，实验室已验证了面记录密度可超过10Gbit/in2,误码率在10-10-10-9之间。依目前的发展趋势，5年左右可实现100Gbit/in2的目标。,8,磁表面记录设备

4、，是在磁头和磁性材料的记录介质之间有相对运动时，通过一次电磁转换完成一次读写操作。 磁头：通常由软磁材料（外界磁场的作用消失后，该磁性材料的磁性容易消失）做成。 磁记录介质：在刚性或柔性载体上涂有薄磁材料的物体，记录以磁状态表示的信息。一般选用硬磁材料（外界磁场的作用消失后，该磁性材料的磁性尽量多的保留）。,9,2 、磁表面存储器存储原理,电磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，将数值转换成磁层存储单元中的不同剩磁状态。 利用磁电变化，通过磁头读出线圈，将存储单元的剩磁状态转换为电信号输出。,10,3、磁记录介质材料要求和主要用途,要求:材料具有高的剩余磁化强度、陡的B-H曲线、大的B/H值、微

5、细的粒子尺寸、粒子磁性的一致性及合适的矫顽力值。,用途：磁带，磁盘等,记录方式：纵向记录；垂直记录,记录介质材料：磁性颗粒（如-Fe2O3）涂覆在高分子基片上发展到磁性薄膜记录介质,11,-Fe2O3粉末 制备方法：在400的氢气流中将-Fe2O3的针状结晶脱水还原成Fe3O4，然后在250300的空气中慢慢氧化得到保持初始-Fe2O3针状结晶特征的颗粒； 形态特征：0.60.8微米，长短轴比为6的针状颗粒，颗粒小记录性能好 基本性能：矫顽力1900028000 A/m，居里点675。 Co的加入提高了材料的矫顽力(78000A/m)，但居里温度有所下降(520)。,主要采用的磁记录介质,12

6、,13,磁头：软磁材料做铁芯，其上绕有读写线圈的电磁铁 利用磁性材料剩磁的两种磁化方向 (S-N或N-S)表示二进制数据“0”和“1”。,14,磁记录原理,15,磁头的构造图4-1,16,依磁头动作方式可分为： 1.固定磁头系统（大磁头） 2.旋转磁头系统（小磁头）,线性扫描,螺旋扫描,17,二、磁带,18,19,磁带存储器 磁带存储器由磁带和磁带机(磁头+读写机构+拖动机构)组成.磁带 是涂有磁性材料的塑料长带，两端有特殊标识，工作时磁头紧靠 带表面，读写磁带数据。磁带是顺序辅助存储器，若要读写第i块 数据,必须先读前i-1块。因块间空隙大，故磁带数据块比磁盘扇 区大。磁带存储器的缺点是读写

7、速度慢，优点是容量大。用于储 存数据库副本，以备故障恢复。也用于存储特大型的数据库、不 常用的数据库文件或历史数据。 下图表示磁带记录信息的方式，以9道磁带为例，8道用于记录信 息，1道用于校验。组装的9个磁头分别读写9个磁道；对字节内各 位的读写以并行方式一次完成。一般写后即读，作验证。,磁道1: 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 磁道2: 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 磁道3: 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 磁道9: 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8,信息间隔 记

8、录尾校验码,记录区,记录区,磁带,20,磁带的种类和记录格式 宽度：1/4，1/2，1，3英寸 长度：2400，1200，600英尺 记录密度：800，1600，6250dpi 表面道数：4，7，9，16道 顺序读写方式,SONY数据流磁带机,21,写,22,读,23,写入时，数据经编码电路产生相应的电流变化，当数据位为“1”时,电流发生极性变换；数据位为“0”时,电流极性不变。电流送到磁头线圈，在磁表面形成与数据对应的磁化区。 读出时，把磁头的感应信号转换成数据输出。,24,磁带记录介质 磁带记录介质指的是涂有薄层磁性材料的信息载体。可以脱机保存信息，并且可以作为不同系统之间信息交换的手段、

9、因此又称为磁记录媒体。最常用的磁性材料是磁粉，采用平涂工艺和甩涂工艺将其涂敖在有机薄膜基体上，形成记录介质。,25,传统磁带（MP磁帶）,26,现今磁带方式（ME）,27,目前磁记录介质与磁头是采用薄膜介质与薄膜磁头。薄膜介质比颗粒介质具有更高的记录密度。薄膜磁头是采用薄模形成技术（例如蒸发、溅射和电镀等）和部分集成电路工艺制成的磁头，其特点是感应系数小，高频特性好，体积小，重量轻。,28,垂直磁纪录原理,29,30,31,32,三、软盘,以磁带为基础，人们发明了磁盘。由于计算机识别信息只是1和0，相对于磁带，似乎简单了一些。再磁盘上，排列一些小的磁体，根据它们的方向，确定是0或是1。,33,

10、34,写保护打开,写保护关闭,35,1、概念:软盘驱动器就是我们平常所说的软驱， 英文名称叫做“Floppy Disk” 2、软磁盘机的发展 早期的计算机一般使用5.25英寸软驱，5.25英寸软驱主要有两种。一种为5.25英寸双面高密软驱(也叫5.25寸1.2M软驱)，可读写5.25英寸双面高密软盘（1.2M）、5.25英寸双面低密软盘（360K）、5.25英寸单面低密软盘（180K）。另一种为双面低密软驱，与前者的主要区别是不能读写5.25英寸双面高密软盘（1.2M）。后来生产出3.5英寸双面高密软驱(也叫3.5寸1.44M软驱)，可读写3.5英寸双面高密软盘（1.44M）和3.5英寸单面高

11、密软盘（720K）。,36,软磁盘的结构与性能 尺寸：8英寸、5英寸、3.5英寸 分区方法： 硬分区：每个扇区都有一个扇面的索引孔 软分区：仅设一个索引孔 记录信息： 单面低密、双面低密、单面高密、双面高密 软盘驱动器 与硬盘一样，除盘片外，还有控制器部分。驱动器是盘片旋转，磁头寻道，架在磁头和进行读写操作。软盘控制器实现软盘驱动器与主机之间的信息传输。,无论软盘还是硬盘，在使用前都要进行格式化处理。格式化就是对磁盘进行磁道和扇区划分并登记上各上去地址标记的工作，这由专门的格式化程序完成。,37,扇区：为了存取数据的方便，每个磁道又分为许多称之为扇区的小区段。每个磁道(不管是里圈还是外圈)上的

12、扇区数是一样的,盘地址： 园柱号（磁道号） 磁头号（面号） 扇区号,38,软盘的磁记录方式,磁记录过程 写入：交变信号电流通过磁头线圈，使磁体内的磁通量发生变化，交变磁场从缝隙中漏出，使匀速转动的磁盘表面磁化。 读出：磁盘匀速转动，磁化电序列经过磁头，在磁头线圈中感应出相应的电动势，经过一定的处理后，还原成数据信号。 目前3.5英寸软盘均是采用高密度形式（4倍密度). 信息的纪录格式 数据或程序在盘面上的排布形式。,39,40,非格式化容量 = f * t * 磁道数 * 面数 格式化容量 = 扇区字节数 * 扇区数 * 磁道数 * 面数,41,3.5英寸软盘分为高密盘和低密盘。例如在DOS环

13、境下，3.5英寸低密盘的每个盘面划分为079(80)个磁道，每个磁道分割为9个扇区，每个扇区存放512个字节，存储容量为720KB；3.5英寸高密度磁盘的盘面划分为80个磁道，每个磁道又分割为18个扇区，存储容量为1.44MB。,42, 磁头及磁头支持机构 磁盘驱动定位机构 磁头定位机构 磁头加载机构 磁盘保护机构,软盘驱动器的结构,43,磁头 软盘磁头具有适应软盘驱动器和介质互换性的能力，为此： R/W 头两侧备有抹头。 抹头的缝隙宽度小于道间隙宽，这样，在不抹除有效信息的情况下，可以保证道间数据与数据之间的间隔，防止道间串扰，弥补磁头中心不能完全对准磁道中心的不足，降低了磁头定位精度的要求

14、。,44,将软盘准确地定位于主轴中心位置，并使其匀速转动。 由磁盘插入引导机构、主轴驱动机构、磁盘夹紧机构和磁盘弹射机构等组成。 磁盘插入引导机构使软盘初步定位于主轴中心位置，以使磁盘夹紧机构能将盘片压紧在主轴上。 主轴驱动机构用来带动盘片匀速转动，现在，使用的是薄型直流直接驱动电机。 磁盘夹紧机构用来把盘片固位在主轴上，并使之旋转。 磁盘弹射机构使盘片自动弹出。,磁盘驱动定位机构,45,磁盘夹紧机构分以下两种：,利用磁盘的中心孔直接夹紧, 有圆柱形和杯形结构。 在磁盘上预先安装一个金属或塑料卡毂,利用这个卡毂使磁盘与主轴夹紧.,46,47,磁头定位机构,组成:大部分采用步进电机开环控制， 由

15、步进电机、传动件、磁头小车、 小车导轨等组成。常用的传动件 有：钢带、丝杆和螺旋凸轮等。,作用: 准确地将磁头驱动道指定的 磁道位 置,以保证互换性。,48, 盘选择电路 主轴恒速驱动电路 状态检测电路 磁头定位电路 写入和读出电路 接口,软盘机的控制电路,49,主轴恒速驱动电路,50,状态检测电路 （1） “00” 道检测电路 微动开关,51,（2） 索引信号检测电路 光电检测器,霍尔元件,52,（3） 写保护检测电路 光电检测器 微动开关 （4）“准备好”信号检测电路 微动开关 准备好状态：（1）被选中； （2）盘片插好； （3）主轴电机已旋转； （4）磁头定位在00道。,53,写入电路

16、根据写入数据产生相应的写电流 原理框图,54,（1）写电流应足够大； （2）写电流应保持恒定； （3）写电流过渡过程时间应短； （4）提供合适的抹电流。 （5）在高密度软盘机中，在43道以内的磁道，应减 小写电流。,对写入电路的要求,55,读出电路,56,波形图,57,软磁盘 结构与材料,58,1）磁纪录介质的基本要求,59,常用磁纪录介质的种类与参数,60,磁记录介质：涂布型薄膜型垂直记录型顺序发展。 制备方法：采用电镀、蒸镀、溅射等方法。 磁性材料需要有大的磁各向异性微结构，需要Co合金膜沿特定方位生长，为此需要Cr打底层。,61,主要磁头材料：高镍含量的铁镍基耐磨高导磁合金、铁硅铝合金和

17、高导磁铁氧体材料。,磁头材料,用途：从磁记录介质中读出信号,用途：高磁导率、低矫顽力和高电阻率之外，还要求高的耐磨性和低应力敏感性。,A,62,电磁感应 环型磁头 氧化物（铁氧体） 合金（坡莫合金NiFe） 非电磁感应 磁致电阻 Ni-Co-Fe合金（巨磁阻材料）,63,铁氧体磁芯材料：铁氧体材料以Mn-Zn,Ni-Zn铁氧体材料为 主。具有电阻高，耐磨损耐环境性优良。 坡莫合金（Ni-Fe系）磁芯材料：饱和磁化强度高，但耐磨性差。 非晶态磁头材料：主要材料Co-Nb-Zr, Co-Fe-B-Si。由于不存在晶界及晶格缺陷引起的内应力，因此矫顽力低；耐磨性、耐腐性好；高磁导率,高饱和磁通密度。

18、,64,四、硬盘,65,硬盘背面,66,接口,包括电源插口和数据接口两部分，其中电源插口与主机电源相联，为硬盘工作提供电力保证；数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换的纽带，根据联接方式的差异，分为EIDE接口和SCSI接口等。,67,硬盘的发展 1956年，IBM发明世界上第一台硬盘（IBM350），1973年，又发明了Winchester(温氏)硬盘（IMB3340）。其核心就是：磁盘片被密封、固定并且不停高速旋转，磁头悬浮于盘片上方沿磁盘径向移动，并且不和盘片接触。后来的硬盘基本都沿用了这一结构。,68,硬盘的发展历程,1956年9月，第一块硬盘诞生。 1968年，“温彻斯特”

19、技术诞生。 1979年，IBM发明薄膜磁头。 1991年，IBM生产3.5英寸的硬盘，硬盘的容量首次达到了1GB。 1999年，单碟容量高达10GB的ATA硬盘面世。 2000年，高速硬盘问世，新材质硬盘诞生。 2000年3月16日，第一款“玻璃硬盘”问世。 2001年，新的磁头技术GMR 2002年，真正意义上的伟大技术革命IBM AFC技术诞生。,69,硬盘的结构 硬盘是一种精密电子、机械结构的高技术产品，要求严格的加工和安装技术工艺，并要求在超净化环境下组装。 硬盘有一套复杂的控制系统，控制磁盘的读写等操作。各类硬盘的结构虽然有差别，但仍使用由IBM公司推出的温彻斯特(Wincheste

20、r)结构。该结构由主轴系统、磁头定位系统、读/写系统和控制电路五大部分组成。,70,5.25英寸/全高 3.5英寸/半高(用于台式PC) 2.5英寸(用于笔记本PC) 容量：1040MB(8086/286) 100500MB(386/486) 1400GB(目前) 连续传输速率： 100KB/s 50MB/s 平均寻道时间： 80ms 5ms 转速： 3600转/s 10000转/s,71,80 Gbyte Seagate U series 200132.6 Gbits/in22 x 3.5”glass disks,4.4 Mbyte IBM RAMAC 1955 2 kbits/in2 50

21、 x24” dia disks,72,硬磁盘的组成 硬盘内部包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘体及主轴驱动机构、前置读写控制电路和接口电路等。封装在硬盘的净化腔体内。,73,74,磁盘的盘片、磁道和扇区 盘片 盘片的数量：112片 转速：360015000转 盘径：1.0英寸(25.4厘米)3.5英寸(8.9厘米) 磁道和柱面：每面500030000道 扇区：每道100500个,75,盘片,磁道,扇间空隙,扇区,76,磁盘 Media材料 Media的基板是金属或玻璃材质制成，为达到高密度高稳定的质量，基板要求表面光滑平整，不可有任何暇疵，然后再将磁粉Coating 溅渡到基板表面上，最后再涂

22、上保护润滑层。此处有2项高科技，一为，如何制造出不含杂质极细微的磁粉 二为，如何将磁粉均匀的Coating上去. Media不可有任何污染，全程制造均需在高洁净度的Clean Room内，这也是硬盘机要求需在Clean Room才能拆解的原因。,77,软磁材料磁记录材料,78,磁盘片表面上以磁盘片中心为圆心，不同半径的同心圆称为磁道。 不同磁盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面。 磁盘片被分成许多扇形的区域，每个区域叫一个扇区。,79,磁道、扇区和柱面,80,2. 磁道、扇区和柱面,81,位密度：磁道单位长度上所存储二进的个数（bPI）。 道密度：半径方向单位长度上的磁道个数（TPI）。 面

23、密度：=位密度*道密度,3. 记录格式,每一扇区除存放512字节的用户数据外，还存放着用于同步、数据定位、数据校验等作用的辅助数据，这些数据一般只作用于硬盘内部。,82,盘片是储存数据的载体。盘片采用铝合金或玻璃片为盘基，表面用电镀或溅射工艺镀一层0.15m厚的连续性、高磁性能的金属磁性材料，使用金属磁性材料可以提高记录密度和剩磁。盘片的两面均可记录数据，每面对应一个磁头(实际磁头)。每个盘面上的磁道划分是完全一样的，各盘面上所有磁道号相同的磁道所对应的圆柱面称为柱面，其柱面号与磁道号一致。每一个磁道又可以分为若干个扇区，每个扇区的大小为512字节。,83,硬磁盘的性能指标,容量 容量永远是硬

24、磁盘最重要的指标,其中单碟容量是硬盘相当重要的参数之一，一定程度上决定着硬盘的档次高低。硬盘是由多个存储碟片组合而成的，而单碟容量就是一个存储碟所能存储的最大数据量。硬盘厂商在增加硬盘容量时，可以通过两种手段：一个是增加存储碟片的数量，但受到硬盘整体体积和生产成本的限制，碟片数量都受到限制，一般都在5片以内；而另一个办法就是增加单碟容量。靠增加碟片来扩充容量满足不断增长的存储容量的需求是不可行的。只有提高每张碟片的容量才能从根本上解决这个问题。目前主流硬盘的单碟容量大都在80GB以上。 面密度 = 位密度磁道密度（Mb/平方英寸或Gbit/平方英寸）,84,硬盘在使用之前必须经过低级格式化、分

25、区和高级格式化三个步骤。 1. 低级格式化 一般硬盘在出厂之前都做过低级格式化，低级格式化和操作系统无关。 低级格式化的作用：低级格式化的主要作用用以下几种： 测试硬盘介质，对已损坏的磁道和扇区做“坏”标记。 写入扇区ID，清空扇区内容 ，每一块的开头部分写入一个扇区ID并且清空数据区。 设置交错因子,85,主轴电机转速磁盘转速 3600RPM、4500RPM、5400RPM、7200RPM、10000RPM RPM：RoundPerMinute -转/分钟 转速越快，磁头在单位时间里就可以扫过更多的扇区，处理更多的数据,86,硬盘的内部结构,磁头组件及磁头驱动机构： 磁头组件是硬盘中最精密的

26、部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，它采用了非接触式头、盘结构，加后电在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0.10.3um，这样可以获得很好的数据传输率。,87,浮动磁头组件,88,硬盘磁头技术 MR（Magneto-Resistive）-磁阻磁头 MR技术可提高实际记录密度、增大记录数据的容量，从而增加硬盘容量，提高数据吞吐率。 基于磁阻效应来工作，利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据 GMR（Giant Magneto Resistive）-巨磁阻磁头 使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构 ，灵敏度是MR磁头

27、的四倍，实现更高的存储密度,89,产业突飞猛进的发展,半个世纪时间（19552005年） 磁记录面密度提高了6到7个数量级 硬盘面积减小3个数量级。 1955年 RAMAC感应式磁头 2Kbits/in2 1985年 AMR磁头硬盘出现 1Gbits/in2 1995年 GMR磁头硬盘出现 5Gbits/in2 2005年 GMR磁头硬盘 100Gbits/in2 2006年 TMR磁头硬盘 300Gbits/in2,90,巨磁阻效应GMR,指由（铁磁材料）和Cr（非磁材料）交替沉积而形成的多层膜，当膜层厚度小于载流子扩散长度，在外磁场作用下出现大的磁电阻效应。 当磁场增加，电阻下降，且温度越

28、低，变化率越大。由于这种磁电阻效应比传统的要大得多，人们称之为巨磁电阻效应。 Ra:有磁场的电阻 Ro：没有磁场的电阻,91,巨磁电阻（giant magneto resistance, GMR）效应是源于磁性金属的电子有自旋取向。 GMR磁电阻变化率高，使它能传感微弱磁场，扩大了磁阻式传感器的测量范围和应用面。,92,巨磁电阻传感器的原理,磁性多膜层的巨磁电阻效应（GMR）的两流模型解释,反铁磁耦合时（外加磁场为0）处于高阻态的导电输运特性。,电阻：R1/2,93,磁性多膜层的巨磁电阻效应（GMR）的两流模型解释,外加磁场是该行多层薄膜处于饱和状态时相邻磁性层磁矩平行分布，而电阻处于低阻态的

29、导电输运特性。,电阻：R2R3/(R2+R3) R 2R1R3,94,95,96,巨磁阻磁头,97,GMR read head (巨磁組式磁頭),98,99,Longitudinal high sensitivity large areal densities 100 GB/in2,101,GMR Head at Work,102,磁头驱动机构,盘硬的寻道是靠移动磁头，而移动磁头则需要该机构驱动才能实现。磁头驱动机构由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成，高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并能在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道。,103,盘片及磁头均密封在金属

30、盒中。工作时，高速旋转的盘片带动空气流动，根据空气动力学原理，传动臂前端产生一定的上升力，使磁头悬浮在盘片的上方，而不与盘片接触，磁头和盘片之间的距离仅为0.10.3m。,104,控制电路 硬盘的控制电路位于硬盘背面，将背面电路板的安装螺丝拧下，翻开控制电路板即可见到控制电路。硬盘控制电路分为： 主控制芯片 硬盘数据读写指令等工作 数据传输芯片 将硬盘磁头前置控制电路读取出数据经过校正及变换后 经过数据接口传输到主机系统 高速数据缓存芯片 协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设的。,105,盘体及主轴驱动机构,106,最大内部数据传输率 是指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率，一般取决于硬盘的

31、盘片转速和盘片线密度(指同一磁道上的数据容量)。注意，在这项指标中常常使用Mb/s或Mbps为单位，这是兆位/秒的意思，如果需要转换成MB/s(兆字节/秒)，就必须将Mbps数据除以8(一字节8位数)。例如，某硬盘给出的最大内部数据传输率为683Mbps，如果按MB/s计算就只有85.37MB/s左右。 ）,107,主轴转速 硬盘的主轴转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因素之一，它在很大程度上决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志。目前硬盘的有速度有5400、5600、6400、7200、10000、甚至15000转/分钟。,108,寻道时间 该指标是指硬盘磁头移动到数据所在磁道而所

32、用的时间，单位为毫秒(ms)。平均寻道时间则为磁头移动到正中间的磁道需要的时间。注意它与平均访问时间的差别。硬盘的平均寻道时间越小性能则越高，现在一般选用平均寻道时间在10ms以下的硬盘。,109,标准记录：分区记录： 位密度外低内高;位密度相等; 浪费存储能力；充分利用存储能力； 数据传输速率相等。数据传输速率外高内低。,110,磁盘存储器逻辑结构演示,图8.,111,磁盘驱动器,112,Invention of HDD: 1956,5 Mbytes, 24 disks, 2kbits/in2,50 Years Later,10 Gbytes on two 1-inch disks 300G

33、bits/inch2 Area Density increased by 150,000,000,113,磁记录材料的改进,要实现100Gbit/in2的超高记录密度，需要进一步减小每个信息位所占的面积。在30G的记录密度下，每一个信息位所占的面积是0.147mX0.147m。 要在如此小面积上记录信息，对磁材料和磁记录介质的晶粒尺寸都提出更高要求。,114,随着计算机处理信息能力的提高，所处理的信息量也提高。这就需要更大的存储空间。 有两种解决方法：1 增大存储器的体积； 2增加单位面积的存储量。 很显然，后一种更适合当今世界的发展。 磁盘的存储密度越大，就要求磁体的体积越小，磁头读写精度越

34、高。,115,磁记录材料面临的问题以及未来的发展,目前，磁信息存储系统的演进又到了一个新的关口。首先，由于计算机网络的迅速普及，数据记录已经变成最重要的磁信息存储的方式。实际上美国在20世纪90年代几乎放弃了传统的录音和录像媒体的生产，试图完全用数字化的硬盘来实现所有的磁信息存储。,116,目前计算机硬盘的数据存储面密度已经到了100Gb/in2,原来的按比例缩小的渐进硬盘设计方式，遇到了最后的物理极限，也就是单磁畴的铁磁晶粒的磁矩热稳定性问题。当颗粒体积太小的时候，铁磁晶粒的自发磁化能量与热扰动能kBT的比值小于100以后，单磁畴晶粒的磁矩有可能随时间发生自发反转，这就叫做铁磁体的超顺磁性。

35、在这个区域内，存在硬盘比特中的信息就不可靠了，时间长了会丢失。,117,1989 巨磁阻效应发现,超顺磁（ Superparamagnetic Effect ）,118,研究发现，纵向记录 (longitudinal recording )技术的磁盘在存储密度高于 120Gb/in2时，已无法保存完整的数据 。,119,磁记录设备的要求是体积越来越小，也就是区域密度越来越高，磁颗粒也就越小，当区域密度为20 Gb/in2时，磁颗粒直径约为13纳米，而当达到100 Gb/in2时，直径缩小到了9.5纳米。当磁颗粒的体积太小的时候，能影响其磁滞的因素就不仅仅是外部磁场了，少量热量就会影响磁颗粒的磁

36、滞，从而导致磁记录设备上的数据丢失，这种现象就是“超顺磁效应 ”。,120,121,在未来57年，基于这种技术的磁盘存储密度将比纵向记录高出10倍以上 。,100nm左右,垂直记录写入过程,122,Large Scale High-resolution MEM Image ,Seagate research laboratory,Plan-view high-resolution TEM images of the CoCrPt-oxide magnetic Layer, d=27nm,Hard Disk,Recorded data track,1 bit About 100 grains,Bit boundary,垂直记录磁盘HR-TEM和HR-MEM,123,1 bit About 100 grains,晶格介质技术或者图案介质技术,单个磁岛或者充填磁性颗粒 （Single magnetic domain island),研究表明， D160nm时，磁斑为多畴结构， D80nm的磁斑阵列 ，每一磁斑均呈现稳定的单畴状态,晶格介质技术（Patterned Media ）,磁道,124,探针存储纳米尺度的“海量”,探针存储是一种原子尺度的概念存储技术，它的原理类似于穿孔卡片系统。这种孔位是在原子尺度，且它是以原子的晶态特性不同来表示二进制数据。原子是物质构