IŠORINIŲ ATMINČIŲ SISTEMA: MAGNETINIŲ DISKŲ KAUPIKLIO SANDARA

Turinys

1. Šiuolaikiniai diskiniai kaupikliai
2. Kaupiklių sandara
3. Duomenų magnetinis įrašymas ir diskinių kaupiklių komponentės
4. Magntinės galvutės
5. EIDE ir SCSI sąsajos
6. Naujausi diskiniai kaupikliai
7. Terabitų talpos standžiojo disko kaupiklis
8. Literatūra

Šiuolaikiniai diskiniai kaupikliai

Diskinis kaupiklis yra pagrindinis PK kaupiklis, skirtas dideliems informacijos kiekiams saugoti. Per 15 metų, prabėgusių nuo IBM XT su 10 MB talpos diskų pasirodymo, disko talpa padidėjo maždaug 2000 kartų. Dabar gaminami diskiniai kaupikliai, kuriuose telpa 3-20 GB infor¬macijos ir kurių darbo trukmė siekia iki 800000 val., t.y. 100 metų.

1. pav. Diskinio kaupiklio mechanizmas.

Diskiniai kaupikliai ne tik talpesni, bet ir daug spartesni už disketinius. Jų informacijos peerdavimo sparta gali būti didesnė kaip 20 MB/s, o vidutinė kreipimosi trukmė gali būti trumpesnė nei 2 ms. Kabinetiniams PK daugiausia naudojami 3,5 colio, o nešiojamiesiems – 2,5 colio kaupikliai. Gaminami ir mažesni kelių GB talpos kaupikliai.
Informacija į sparčiai sukamus diskinio kaupiklio magnetinius diskelius įrašoma panašiai kaip ir į disketę. Ją įrašo skaitymo ir rašymo galvutės, kurias stumdo žingsninis variklis arba specialus elektromagnetas. Diskeliai dažniausiai gaminami iš stiklo ir keramikos mišinio. Jų paviršiai padengiami feromagnetine medžiaga informacijai įrašyti. Diskeliuose informacijos įrašymo tankis yra daug didesnis, kaupiklio mechanika daaug tikslesnė negu disketinių kaupiklių. Kaupiklio diską dažniausiai sudaro du arba trys diskeliai, turintys bendrą ašį. Variklis juos suka pastoviu 4500, 5400, 7200 arba 10000 apsukų per minutę (rpm – Rotations per Minute) greičiu. Iš abiejų kiekvieno diskelio pusių yra rašymo – skaitymo galvutės (2 pav.). Jos pr

ritvirtintos prie bendro laikiklio ir juda visos kartu. Nuo diskelių paviršiaus galvutes skiria tik besisukančių diskelių kuriama milimetro dalių storio dujų pagalvė. Patekusi į šį tarpą net mažiausia dulkė sužalotų diskelio paviršių, todėl dujos kaupiklio viduje turi būti labai švarios. Dėl tos pačios priežasties diski¬niams kaupikliams labai pavojingi sutrenkimai ir vibracijos.
Diskeliai bei skaitymo ir rašymo galvutės yra amortizuotoje hermetiš¬koje dėžutėje, pripildytoje švarių išretintų inertinių dujų.
Informacija į diskelį įrašoma elektromagnetine rašymo galvute (2 pav.)

2. pav. Skaitymo ir rašymo galvutė

permagnetinant jo paviršiaus taškus. „1″ ar „0″ įrašyta diskelio paviršiaus taške, priklauso nuo taško įmagnetinimo krypties. Kad būtu galima rasti tam tikrą diskelio paviršiaus vietą, į jį įrašomos specialios žymos (diskas formuojamas). Informacija kiekviename diskelyje rašoma į apskritiminius takelius, kurie sudaro vadinamuosius diskinio kaupiklio cilindrus (Cylinders). Takeliai, o kartu ir cilindrai (1 pav.) yrra padalyti į sektorius po 512 baitu. Informacija į diską įrašoma porcijomis į klasterius. Skaitant arba rašant informaciją į cilindrą, galvutės nejuda, jos pastumiamos tik pereinant prie kito cilindro. Sparčiausiai skaitoma ir rašoma informacija, esanti išoriniuose disko takeliuose. Todėl, norint padidinti informacijos perdavimo spartą, kaip tik šiuose takeliuose išsaugomi dažniausiai naudojami failai.
Adresas (cilindras ir sektorius), kur bus rašomas failas, įrašomas į failų adresų lentelę (FAT).

3 pav. Diskinio kaupiklio cilindrai.

Ieškodama failo, kompiuterio operacinė sistema pirmiausiai joje susiranda informaciją apie failą, paskui perduoda komandas kaupiklio valdikliui, kuris pastumia galvutę ik

ki reikiamo cilindro ir perskaito jame įrašytos informacijos porciją. Kaupiklio veikimui paspartinti jame yra 64 – 1000 KB kaupyklė (buferis). Į ją pirmiausiai perduodama iš disko palyginti lėtai nuskaitoma informacija, o kaupyklei užsipildžius -informacija sparčiai perduodama kompiuteriui. Išsaugant informaciją diske, ji pirmiausia iš kompiuterio sparčiai perduodama į kaupyklę, o paskui lėčiau įrašoma į diską.
Kadangi dirbdamas diskinis kaupiklis šyla, kinta elementų matmenys, jis turi nuolat save koreguoti. Dėl to gali atsirasti duomenų perdavimo pauzių. Pauzės ypač nepageidautinos žiūrint vaizdo įrašus ir klausantis muzikos.
Kaupiklio sparta labai priklauso nuo disko sukimosi greičio, nes jis lemia duomenų skaitymo cilindre spartą. Taip pat ji priklauso nuo skaitymo ir rašymo galvučių inertiškumo: kuo sparčiau jos juda, tuo greičiau surandamas reikiamas cilindras. Informacijos perdavimo iš kaupiklio į kompiuterio operatyviąją atmintinę ar iš jos į kaupiklį spartai (Data Transfer Rate) didelę įtaką turi įtaiso kaupyklės talpa, taip pat kompiuterio procesorius, BIOS ir RAM.

Kaupiklių sandara

Informacijos nešiklio sluoksnis yra diskų darbiniuose sluoksniuose. Diskus suka ašinis variklis (spindle motor), užtikrinantis tam tikrą sukimosi greitį. Diske yra indeksų žymeklis, specialiu davikliu pažymintis kiekvieną disko apsisukimo pradžią. Informacija diskuose išdėstoma koncentraciniuose tekeliuose (track), kurių numeracija prasideda nuo išorinio (track 00). Kiekvienas takelis suskaidytas į fiksuoto dydžio sektorius (sektors). Sektorius yra minimalus informacijos blokas, kuris gali būti įrašytas arba nuskaitytas iš disko. Sektorių numeracija pr

rasideda vienetu ir derinama prie indeksų žymeklio . Kiekviename sektoriuje yra tam tikros tarnybinės informacijos apie jo adresą, kontrolinius kodus ir pan. bei duomenų sritis, kurios dydis paprastai 512 baitai. Jei kaupiklyje esti keli darbiniai paviršiai (ašyje gali būti išdėstyti diskų paketas ir kiekviename diske abu paviršiai gali būti darbiniai), tai to paties numerio takelių visuma sudaro šio numerio cilindrą (cylinder). Kiekvienam disko darbiniam paviršiui skirta sava informaciją skaitanti ir rašanti galvutė (head). Galvutės numeruojamos nuo nulio. Kad įvyktų elementari keitimosi duomenimis informacija – sektoriaus skaitymas arba rašymas – ašis turi suktis nustatytu greičiu, galvučių blokas turi būti pastumtas ties tam tikru cilindru ir tik tada, kai tam tikras sektorius priartės prie nurodytos galvutės, tarp galvutės ir kaupiklio elektroninių schemų prasidės keitimasis duomenimis.

Duomenų magnetinis įrašymas ir diskinių kaupiklių komponentės

Įrašinėjant kiekvieną duomenų bitą magnetiniame diske formuojasi skirtingo įmagnetinimo atkarpė seka. Įrašymo takelio atkarpa, kurioje gali būti įrašyta viena įmagnetinimo ženklo keitimosi zona, vadinama perėjos ląstele (transition cell), arba tiesiog bito ląstele. Tokios ląstelės geometriniai matmenys priklauso nuo įrašo signalo taktinio dažnio ir greičio, kuriuo diskas juda įrašymo galvutės atžvilgiu. Įrašinėjant atskirus duomenų bitus šiose ląstelėse iš ženklo keitimosi zonų formuojasi tam tikram informacijos kodavimo metodui būdingas “ornamentas”. Tai susiję su tuo, kad įrašymo signalas nė

ėra tiksli išeities duomenų impulsų sekos kopija (prieš įrašant, duomenys tam tikru būdu koduojami).

Medžiaga, iš kurios pagamintos diskų plokštės (platter) turi užtikrinti geometrinių matmenų stabilumą. Diskų plokštės gaminamos iš aliuminio. Plokštelių paviršiuje sudaromas darbinis magnetinis sluoksnis (geležies oksidas). Nuo darbinio sluoksnio medžiagos kokybės priklauso didžiausias leistinas informacijos įrašymo tankis.

Magnetinės galvutės

Informacijai rašyti ir skaityti naudojamos magnetinės galvutės, kurios iš esmės yra miniatiūrinės induktyvumo ritės su plyšiu magnetinėje šerdyje. Rašymo metu galvutė įmagnetina magnetinio sluoksnio atkarpą. Įmagnetinimo kryptis priklauso nuo įrašymo srovės krypties (pav.3.) Kai įmagnetintos darbinio paviršiaus atkarpos praeina pro skaitymo galvutę, joje generuojami evj impulsai (e = dL/dt), kurių poliškumas priklauso nuo įmagnetinimo krypties pokyčio. Taigi skaitymo signalo forma yra rašymo signalo išvestinė. Konstrukcijos reikalavimai, keliami rašymo ir skaitymo galvutėms, skiriasi, todėl universalios galvutės yra tam tikras kompromisas tarp jų. Pirmosios indukcinės galvutės buvo vyniojamos, vėliau galvutes pradėta gaminti pagal plonų plėvelių technologiją (TF – Thin Film). Moderniuosiuose kaupikliuose naudojamos magnetorezistyvinės galvutės, kurių veikimas pagrįstas puslaidininkių varžos anizotropija magnetiniame lauke (AMR – Anisotropic MegnetoResistance). Jose magnetorezistyviniu jutikliu teka tam tikra matavimo srovė, kurios stiprumo kitimas proporcingas darbinio paviršiaus atkarpos įmagnetinimui. Skirtingai nuo indukcinių galvučių magnetorezistyvinė generuoja signalą, proporcinga įrašymo signalui, o ne jo išvestinei. Magnetorezistyvinės skaitymo galvutės kombinuojamos su indukcinėmis rašymo galvutėmis.

Diskų sukimosi greitis skirtinguose kaupikliuose skiriasi. Diskiniuose kaupikliuose mažiausias greitis 3600 min-1, standartinis greitis 5400min-1 – 7200min-1. Tačiau esant dideliems sukimosi greičiams, kyla balansavimo, giroskopinio efekto ir galvučių aerodinamikos problemų.

Esant magnetinėms galvutėms labai svarbu, kokiu atstumu jos išdėstytos virš magnetinio sluoksnio

paviršiaus. Kaupikliuose, kuriuose diskų sukimosi greičiai dideli, galvutės virš darbinių paviršių aerodinaminės keliamosios jėgos palaikomos per mikroskopinius tarpelius. Galvutės “kritimas” ant darbinio paviršiaus, diskui sustojus, gali pažeisti ir pačią galvutę, ir diską. Kad taip neįvyktų, ne darbo metu galvutės išvedamos (parking) į nedarbinę zoną, kur leistinas jų nusileidimas. Senuosiuose kaupikliuose toks galvučių išvedimas buvo būtinas, ir jį inicijuodavo programinė įranga. Jam vykdyti tarp kaupiklio parametrų reikėjo nurodyti “parkavimo” cilindro numerį (Landing Zone, arba Lzone). Moderniuosiuose kaupikliuose galvutės “parkuojamos” automatiškai, iki tam tikros reikšmės sumažėjus maitinimo įtampai arba ašies sukimosi greičiui. Tokiuose kaupikliuose Lzone parametro nepaisoma. Be to, galvutės neišvedamos į darbo zoną tol, kol bus pakankamas sukimosi greitis.

Galvučių padėčiai į tam tikrą cilindrą nustatyti senuosiuose diskiniuose kaupikliuose naudojami žingsniniai varikliai. Šių variklių veleną, siunčiant tam tikrą impulsų skaičių, galima apsukti nurodytu kampu. Kampinis (sukamasis) judėjimas į tiesinį keičiamas sliekine arba juostine pavara. Automatinio sistemų valdymo požiūriu pavara su žingsniniu varikliu yra atviroji sistema (nėra grįžtamojo ryšio). Tokioje sistemoje neįmanoma klaidų korekcija. Visuose keitimosi duomenimis operacijose tikrinamas cilindro numeris ir jeigu jis nesutampa su tam tikru, galvučių padėtis nustatoma iš naujo – grįžtama į nulinį cilindrą ir siunčiami tam tikro žingsnio impulsai. Galvučių padėties į nulinį cilindrą kontroliuojamas specialiu nulinio cilindro jutikliu ( dažniausiai tai būna optopora).

Moderniuosiuose kaupikliuose naudojama judančių ričių (voice coil actuator) galvučių pavara, kuri veikia pagal megnetoelektrinės sistemos elektrinių matavimo prietaisų principą. Tokioje pavaroje galvučių blokas susietas su induktyvumo rite, ši patalpinta į nuolatinio magneto lauką. Daugumoje moderniųjų diskinių kaupiklių naudojama sukimosi pavara čia, valdant srovės kryptį ir stiprį, galvučių bloką galima išdėstyti bet kur, o ne pagal fiksuotus žingsnius. Tačiau tokioje sistemoje būtinas grįžtamasis ryšys – informacija apie esamą galvutės padėtį. Pavara, užtikrinanti tikslų galvutės padėties nustatymą pagal grįžtamojo ryšio signalą, vadinama servopavara ( sekos pavara). Valdymo sistemą šiuo atveju pavyko uždaryti išdėstant pagalbinę “nutaikymo” informaciją – tarnybines žymes (servožymes) – pačiame diske. Kadangi tarnybinės žymės išdėstytos tuose pačiuose diskuose, disko ir pavaros matmenų pokyčiai neturės didelės įtakos galvučių padėties nustatymo tikslui. Tarnybinės žymės įrašomos kaupiklio surinkimo metu. Eksploatacijos metu tarnybinės žymės tik skaitomos. Pagal tarnybinių žymių išdėstymą esti kaupikliai su išskirtu tarnybiniu paviršiumi (servopaviršiumi) (dedicated servo) ir su įtaisytomis vidinėmis tarnybinėmis žymėmis (embedded servo). Pirmuoju atveju vienas darbinis paviršius diskų pakete specialiai išskiriamas tarnybinėms žymėms, o jį atitinkanti galvutė tampa tarnybine (servogalvute). Tokioje sistemoje galvučių padėties nustatymo paklaida gali atsirasti dėl galvučių tarpusavio padėties kitimo bloke, tačiau tai mažai tikėtina. Informaciją sekimo sistemai servogalvutė siunčia iš esmės be perstojo – taip tobulėja paieška. Kad kaupiklyje yra tarnybinis paviršius, rodo nelyginis universaliųjų (darbinių) galvučių skaičius.

Kaupikliuose su įtaisytomis (vidinėmis) tarnybinėmis žymėmis informacija servopavarai rašoma darbiniuose paviršiuose tarp duomenų sektorių. Ji gali būti išdėstoma kiekvieno takelio pradžioje – šiuo atveju diske susidaro pleišto formos tarnybinių žymių sritis . Tokio išdėstymo trūkumas yra tai, kad tarnybinė informacija (grįžtamojo ryšio signalas) gaunamas diskrečiai vieną kartą per disko apsisukimą (kai greitis 3600 min-1, sukimosi periodas – 16,7 ms). Tiksliai galvučių padėčiai nustatyti kartais tenka laukti kelis apsisukimus. Spartesnis variantas – tarnybinių žymių išdėstymas prieš kiekvieną sektorių. Šiuo atveju tam tikras takelis randamas mažiau kaip per vieną apsisukimą. Dar vienas įtaisytų tarnybinių žymių privalumas – iš esmės kompensuojamas bet koks geometrinis pokytis, nes sekimo sistema galvutę nutaiko būtent į nurodytą sektorių. Taip pat yra kaupiklių su mišria servosistema, čia, be specialaus išskirtinio tarnybinio paviršiaus (“servopaviršiaus”), naudojamos darbiniuose paviršiuose išdėstytos tarnybinės žymės.

Kaupykliuose su judančiąja induktyvumo rite elementariai išsprendžia automatinio “parkavimo” problemą: išjungus maitinimo įtampą galvučių blokas į išvedimo zoną sugražinamas spyruokle. Senuosiuose kaupikliuose su tiesine pavara galvutėms sugrąžinti buvo naudojama kondensatoriuje sutaupyta elektros energija.

EIDE ir SCSI sąsajos
Su kompiuteriu diskiniai kaupikliai sujungiami per EIDE (seni per IDE) arba SCSI sąsają.1993 m. sukurta EIDE (Enhanced IDE) sąsaja (4 pav.) gali valdyti keturis informacijos kaupiklius. IDE Fast ATA sąsaja gali perduoti iki 16,6 MB/s ir valdyti 8,4 GB talpos diskinius kaupiklius. Senesnės Windows šeimos versijos valdo tik 2,1 GB kaupiklius, todėl talpesnius negu 2,1 GB diskus reikia suskaidyti į kelis diskus. OSR2.x ir Windows 98 jau gali valdyti net 2,2 TB (terabaitų) talpos kaupiklius.

4 pav. EIDE sąsajos sandara

EIDE sąsaja yra pagrindinėje kompiuterio plokštėje ir turi du kanalus dviem diskiniams bei dviem papildomiems kaupikliams prijungti. ATAPI (AT Attachment Pack Interface) protokolas leidžia prie EIDE sąsajos prijungti CD-ROM ir kaupiklius su magnetine juosta. Kokia sparta EID perduos informaciją, priklauso nuo PIO (Programed Input/Output) ir DMA (Direct Memory Access) protokolų. PIO protokolas valdo informacijos perdavimą iš kaupiklio į kompiuterį ir atgal, o DMA protokolas valdo informacijos perdavimą tiesiog į kompiuterio operatyviąją atmintinę. Iki 1998 m. sparčiausi buvo EIDE sąsajai skirti diskiniai kaupikliai, turintys „PIO mode 4“ ir „DMA mode 2“ protokolus. Kai kurie gamintojai diskinius kaupiklius, turinčius šiuos protokolus, vadina Fast ATA-2. Jeigu kompiuterio pagrindinės plokštės valdymo mikroschemų rinkinyje (Chipset) nėra naujausių PIO ir DMA protokolų versijų, jis gali riboti diskinio kaupiklio galimybes. Todėl įsigyjant kaupiklį reikia žiūrėti, ar pagrindinės plokštės schemoje yra reikalingas PIO ir DMA versijos.
1997 metais buvo sukurtas Ultra DMA (Ultra ATA, ATA-33) protokolas, perduodantis iki 33 MB/s, o 1999 metais – Ultra DMA protokolas, perduodantis net 66 MB/s. Ultra DMA diskinių kaupiklių vidutinė informacijos perdavimo sparta kompiuteryje yra 5 – 10 MB/s.

5 pav. SCSI sąsajos sandara

SCSI (Small Computer Systems Interface) sąsaja (5 pav.) yra kur kas sudėtingesnė. Ji gali būti spartesnė už EIDE sąsają ir dažniausiai yra atskiroje plokštėje. Diskinis kaupiklis su SCSI sąsaja ir plokšte yra maždaug du kartus brangesnis. Todėl SCSI kaupiklius verta įsigyti tiktai tada, kai reikia universalios sąsajos daugeliui SCSI išorinių įrenginių prijungti. Galingiausia yra 16 bitų Wide Ultra SCSI-2 sąsaja, dirbanti 20 MHz dažniu, perduodanti iki 80 MB/s ir galinti valdyti net 15 išorinių įrenginių. Tokių diskinių kaupiklių vidutinė informacijos perdavimo sparta kompiuteryje yra 12 – 13 MB/s.
Kai reikia sujungti daug diskinių kaupiklių, naudojama specializuota SSA {Serial Storage Architecture) sąsaja informacijos saugojimo įtaisams ir darbo stotims sujungti. Ja galima sujungti net 192 diskinius kaupiklius ir perduoti 80 MB/s.

Naujausi diskiniai kaupikliai

Diskiniai kaupikliai mažėja, nes didėja informacijos įrašymo tankis. Kuo didesnis tankis, tuo mažesnis kaupiklis, tuo mažiau energijos jis vartoja ir daugiau informacijos perduoda, nes sumažėja galvučių stumdymo atstumai ir galima padidinti disko sukimo spartą. Informacijos įrašymo tankis priklauso nuo diskelius dengiančios medžiagos, duomenų kodavimo būdo bei skaitymo ir rašymo galvutės.
Informacijos įrašymo tankiui padidinti IBM sukonstravo vadinamqjq GMR (Giant Magneto-Resistive) galvutę, kuri dabar įrašo iki 10 Gbitu į kvadratinį colį, o po poros mėtų, manoma, galės įrašyti net 40 Gbitų į kvadratinį colį. Firma SEAGATE pasiūlė naują optinę magnetinę galvutę OAW (Opticaly Assisted Winchester), kurioje informacijai įrašyti ir skaityti naudojamas lazerio spindulys. Jau gaminami talpesni nei 20 GB diskiniai kaupikliai.
Kaip greitai bus išsaugotas arba perskaitytas diske esantis failas, priklauso ir nuo to, ar diske esantys failai įrašyti kompaktiškai, ar jų fragmentai išbarstyti po visą diską. Kuo mažiau juda skaitymo ir rašymo galvutė, tuo greičiau perduodama informacija. Informacija diske tvarkoma jį defragmentuojant (pvz., Windows 9x programa „Disc Defragmenter” arba Norton Utilities programa „Speed Disc”), t.y. įrašant kiekvieno failo fragmentus į gretimus sektorius bei cilindrus, taip pat užpildant išorinius disko cilindrus ir juose saugant dažniau naudojamus failus. Defragmentuoti diską reikia nelaukiant, kol jame įsivyraus netvarka ir jam sutvarkyti reikės daug laiko.
Diskinių kaupiklių patikimumą padidina firmos IBM sukurta technologija SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology), kuri periodiškai matuoja tam tikrus kaupiklio parametrus (pvz., galvutės atstumą nuo diskelio paviršiaus) ir, jų reikšmėms pasiekus pavojingą ribą, perspėja vartotoją. SMART perspėja apie galimus diskinių kaupiklių gedimus dėl laipsniško kaupiklio susidėvėjimo. Tokie gedimai sudaro apie 60% visų gedimų. Ji negali perspėti apie netikėtus gedimus, pavyzdžiui, atsirandančius dėl statinės elektros ar dėl netinkamo naudojimo.
Dedant didelės talpos diskinį kaupiklį į dėvėtą PK, reikia žinoti, kad senesnės BIOS versijos sugeba panaudoti tik pirmuosius disko 540 MB. Jeigu BIOS yra įrašyta į „Flash” tipo perrašomąją atmintinę, reikia tiesiog iš gamintojo arba Internetu gauti naują BIOS versiją ir ją įrašyti, jeigu ne, reikia įdėti naujų BIOS mikroschemų, pritaikytų JŪSŲ PK. Taip pat į PK reikėtų įdėti EIDE valdiklį, kuris panaudotų visas naujojo kaupiklio galimybes.
Didelės talpos diską panaudosite geriau, jeigu jį suskaidysite į kelis diskus, nes mažesnės talpos diske informacijos fragmentui saugoti naudojami mažesni klasteriai. Kai disko talpa yra nuo 256 iki 512 MB, klasteris užima 8 KB, kai nuo 512 iki 1024 MB, – 16 KB, kai nuo 1024 iki 2048 MB, – 32 KB, kai nuo 2048 iki 4096 MB, – 64 KB ir t.t. Didelės talpos diske ypač daug vietos prarandama saugant daug mažų failų, nes paskutinis failo klasteris dažniausiai lieka pustuštis.

Ir pabaigai vienas iš paskutinių technologinių atradimų:

Terabitų talpos standžiojo disko kaupiklis

Neseniai atrastas naujas fizikinis efektas – ekstraordinarinė magnetovarža (extraordinary magnetoresistance – EMR), kuris, pasak šio atradimo autorių, padės sukurti 40 kartų talpesnius kompiuterių standžiųjų diskų kaupiklius. Mokslininkai, vadovaujami Vašingtono universiteto (Sent Luisas, Montanos valstija) profesoriaus Stiuarto Solino, paskelbė sukūrę eksperimentinę atkūrimo galvutę, kuri yra 10 kartų jautresnė, nei geriausios komercinės diskinių kaupiklių galvutės. Dabar šis įtaisas intensyviai tiriamas ir tobulinamas. Be to, prof. S. Solino teigimu, jų sukurtos atkūrimo galvutės gamybos išlaidos būtų dešimteriopai mažesnės nei dabartinių.
Ekstraordinarinės magnetovaržos efektas pasireiškia tam tikrose nemagnetinėse sudėtinėse medžiagose. Jei tokios medžiagos bandinys, kuriuo teka srovė, veikiamas magnetiniu lauku, vyksta milžiniškas jo varžos kitimas. S. Solinas šį reiškinį atrado prieš penkerius metus, dirbdamas su keliais kolegomis NEC tyrimo institute Prinstone (Niu Džersio valstija). Jau tada jis su bendradarbiais įžvelgė, kad EMR efektas gali būti panaudotas kuriant didelės talpos (Tb/cm2 eilės) standžiųjų diskų kaupiklius (plg.: dabartinių kaupiklių viename kvadratiniame colyje telpa 15 Gb (2,33 Gb/cm2)).

EMR privalumai

Dabartinės kartos magnetinių kaupiklių atkūrimo galvutės veikia gigantiškos magnetovaržos (giant magnetoresistance – GMR) efekto pagrindu. Jis atsiranda magnetiniu lauku veikiamose sluoksniuotose magnetinėse medžiagose. Atkūrimo galvutė yra pagrindinė kompiuterių diskinių kaupiklių dalis, nuo kurios priklauso kaupiklio talpa.

Šioje EMR atkūrimo galvutėje srovė teka tarp išorinių auksinių išvadų (viršuje dešinėje). Patalpinto į magnetinį lauką šunto (apačioje kairėje) elektronai patenka į kvantinę duobę (ketera).

GMR kaupiklių atkūrimo galvutė įmontuota į vykdomojo įtaiso svirtelės galą ir juda išilgai disko skersmens, peršokdama nuo vieno takelio prie kito. Viena GMR daugiasluoksnio darinio pusė turi fiksuotą magnetinį lauką, tuo tarpu kito – laisvojo sluoksnio – magnetinis laukas kinta priklausomai nuo jame sukauptų informacijos bitų.
Kintant išorinio magnetinio lauko orientacijai laisvojo sluoksnio atžvilgiu, plačiu diapazonu kinta GMR varža. Ši savybė yra didelis GMR atkūrimo galvučių pranašumas. Deja, GMR kaupikliai labai jautrūs magnetiniams triukšmams ir šis trūkumas riboja magnetinio jutiklio matmenis – kuo mažesnis jutiklis, tuo labiau jaučiami triukšmai. Dėl šios priežasties egzistuoja teorinė GMR kaupiklių talpos tankio riba. S. Solino vertinimais ji yra 100 Gb/in2 eilės.
EMR galvučių medžiaga nėra magnetinė, taigi jos minėtos ribos neturi. Joms nereikia nuolatinio magnetinio lauko kaip GMR įtaisams. Naujų EMR atkūrimo galvučių magnetorezistyvinės savybės atsiranda magnetiniu lauku veikiant vadinamąsias puslaidininkio ir metalo hibridų orbitales – elektronų debesėlius. Šis tikslas pasiekiamas į šias sudėtines medžiagas įterpiant metalinius nevienalytiškumus, kurie dar vadinami šuntais. Abu efektai – GMR ir EMR – yra kvantomechaniniai. GMR efektą sukelia elektronų kvantinė savybė – sukinys, o EMR – elektronų orbitalės. Orbitalės apibūdina sritį, kurioje labiausiai tikėtina rasti elektroną. (Pagal kvantinės mechanikos įvaizdžius surištasis elektronas apibūdinamas ne kaip dalelė, bet kaip išplautas debesėlis arba banga. Šie elektronų debesėliai yra įvairių formų ir žymimi raidėmis: pvz.: s orbitalė yra sferinė, p orbitalė – hantelių formos ir t.t.)

S. Solinas teigia, kad eksperimentinė EMR galvutė puikiai veikia, o jos matmenys atitinka informacijos talpos tankį, kuris didesnis nei teorinė 100 Gb/in2 GMR galvučių riba. Svarbu pažymėti, kad EMR galvutės yra ne tik didesnio talpos tankio, bet ir veikia didesne sparta, nes jų medžiaga, palyginti su tradicinių galvučių, pasižymi daug mažesne atsako trukme. Tad mokslo bendruomenė nekantriai laukia naujos informacijos apie šias atkūrimo galvutes, kurios jau dabar yra bemaž 5 kartus spartesnės už įprastines.

Žinoma, nuo eksperimentinio modelio iki masiškai gaminamos prekės – ilgas kelias. Ekspertai prognozuoja, kad jis gali trukti nuo kelerių metų iki dešimtmečio. Tačiau techniniai ir ekonominiai EMR galvučių privalumai atrodo labai viliojančiai. Galbūt nebetoli ta diena, kai savo nešiojamų kompiuterių atmintinėse lengvai galėsime sutalpinti milijonų romanų turinį. Jei pavyktų sukurti tokius informacijos kaupiklius, kurių viename kvadratiniame colyje tilptų terabitas duomenų, viename 3,5 colių diskelyje tilptų ne keli pilnametražiai filmai, bet visa tūkstančio filmų biblioteka.

Literatūra ir naudota informacija:

www.nkm.lt
www.ik.ku.lt/lessons/konspekt
www.lm.lt/pagalba/su/5_tema.ppt
www.rtn.lt/rtn/0302/kaupiklis.html

1. М. Гук “Аппаратные средства IBM PC” С-Пб.
2. B. Starkus “Personalinis kompiuteris” Smaltija, Kaunas

Leave a Comment