АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Головка чтения/записи диска

Голо́вка чте́ния/за́писи ди́ска (англ. Disk read-and-write head) — небольшая часть жёсткого диска, которая перемещается над пластиной диска и преобразует магнитное поле пластины в электрический ток (считывает данные с диска) или, наоборот, преобразует электрический ток в магнитное поле (записывает данные на диск)[1].

undefined

В жёстком диске магнитные головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров и с каждым новым поколением технологий постепенно уменьшается, чтобы обеспечить более высокую плотность записи. Высота полёта головки контролируется конструкцией воздушной подушки, вытравленной на поверхности слайдера, обращённой к диску. Роль воздушной подушки заключается в поддержании постоянной высоты полёта при движении головки над поверхностью диска. Воздушные подушки тщательно проектируются так, чтобы сохранять одинаковую высоту по всей поверхности пластины, несмотря на различия в скорости вращения в зависимости от расстояния головки от центра пластины[2]. Если головка соприкасается с поверхностью диска, может произойти авария головки. Головки часто покрывают алмазоподобным углеродным слоем[3].

undefined

При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной («парковочной») зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Индуктивные головки

Индуктивные головки используют один и тот же элемент как для чтения, так и для записи.

Традиционные головки

Первоначально головки чтения/записи диска были похожи на магнитные головки в магнитофонах — простые устройства, состоящие из крошечного С-образного элемента из высокомагнитного материала, такого как пермаллой или феррит, обмотанного тонкой проволочной катушкой.

При записи на катушку подаётся напряжение, в зазоре С-образного элемента формируется сильное магнитное поле, и поверхность записи, прилегающая к зазору, намагничивается.

При считывании намагниченный материал вращается мимо головок, ферритовый сердечник концентрирует поле, и в катушке индуцируется ток.

В зазоре поле очень сильное и достаточно узкое. Размер этого зазора примерно равен толщине магнитного слоя на поверхности записи и определяет минимальный размер записанной области на диске.

Ферритовые головки крупные и записывают сравнительно крупные участки. Они также должны быть достаточно далеко от поверхности, поэтому требуются более сильные поля и более крупные головки[4].

Головки с металлическим зазором

Головки с металлическим зазором (англ. Metal-in-gap, MIG) — ферритовые головки с небольшим металлическим элементом в зазоре, который концентрирует магнитное поле, что позволяет считывать и записывать более мелкие элементы. Впоследствии головки MIG были заменены тонкоплёночными головками.

Этот тип был разработан на основе композитных головок. В отличие от традиционных головок — нерабочий, обратный поверхности диска зазор заполнен металлом, что снижает склонность материала сердечника к магнитному насыщению. В свою очередь, это позволяет повысить магнитную индукцию в зазоре между головкой и диском. Такие головки формируют на поверхности диска намагниченные участки с более выраженными границами, что позволяет использовать более тонкоплёночный слой. К тому же более яркие границы участков уменьшают длину зон перехода от знака к знаку (зона смены знака), а значит, и повышают плотность. Впоследствии появились двухслойные MIG-головки, в которых метал нанесён с обеих сторон сердечника, то есть в нерабочий и в рабочий зазоры. Это позволило улучшить качество однослойных головок. Следует отметить, что в MIG-головках сердечник меньших размеров, чем в ферритовых, а значит, и масса самих головок меньше, а это позволяет уменьшить зазор между дисками и головками[5].

Тонкоплёночные головки

Впервые представленная в 1979 году на дисковом накопителе IBM 3370, тонкоплёночная технология использует фотолитографические методы, аналогичные тем, что применяются при производстве полупроводниковых устройств, для изготовления головок жёстких дисков. В то время эти головки были меньшего размера и обладали большей точностью по сравнению с ферритовыми головками, использовавшимися ранее; они были электронно схожи с ними и работали на тех же физических принципах.

undefined

Тонкие слои магнитного материала (Ni-Fe), изоляционного материала и медной катушки создавались на керамических подложках, которые затем физически разделялись на отдельные головки чтения/записи, интегрированные с их воздушной подушкой/подшипником, что значительно снижало себестоимость производства каждой единицы[6].

Тонкоплёночные головки были значительно меньше, чем головки с металлическим зазором (MIG), и поэтому позволяли использовать более мелкие записываемые элементы. Благодаря тонкоплёночным головкам диски размером 3,5 дюйма достигли ёмкости 4 ГБ в 1995 году. Геометрия зазора головки была компромиссом между оптимальными параметрами для чтения и записи[4].

Магниторезистивные головки (МР-головки)

Следующим улучшением в конструкции головок стало разделение элемента записи и элемента чтения, что позволило оптимизировать тонкоплёночный элемент для записи и отдельный тонкоплёночный элемент для чтения.

Отдельный считывающий элемент использует эффект магнитосопротивления (англ. magnetoresistive, MR), при котором сопротивление материала изменяется под воздействием магнитного поля. Эти MR головки способны надёжно считывать очень мелкие магнитные структуры, но не могут создавать сильное поле, необходимое для записи. Термин анизотропный магниторезистанс (англ. Anisotropic MR AMR) используется для отличия этого эффекта от более поздних усовершенствований в технологии MR, таких как GMR (гигантский магниторезистанс) и TMR (туннельный магниторезистанс).

Переход на носители с перпендикулярной магнитной записью (ПМЗ) имеет существенные последствия для процесса записи и элемента записи в конструкции головки, но менее значителен для магниторезистивного (MR) датчика чтения в конструкции головки[7].

Головки AMR

Введение головки с эффектом AMR в 1990 году компанией IBM[8] привело к периоду быстрого увеличения плотности записи примерно на 100 % в год.

Головки GMR

В 1997 году головки с гигантским магниторезистансом (GMR) начали заменять головки с анизотропным магниторезистансом (AMR)[8].

Начиная с 1990-х годов проводится ряд исследований эффектов колоссального магниторезистанса (CMR), который может позволить ещё больше увеличить плотность записи, но пока (по состоянию на 2025 год) не привело к практическим применениям, поскольку требует низких температур и крупногабаритного оборудования[9][10].

Головки TMR

В 2004 году компания Seagate[8] представила первые жёсткие диски, использующие головки туннельного магниторезистанса (TMR), что позволило создать диски ёмкостью 400 ГБ с тремя дисковыми пластинами. Seagate внедрила TMR-головки с интегрированными микроскопическими нагревательными катушками для управления формой преобразователя головки во время работы.

Нагреватель может быть активирован перед началом операции записи, чтобы обеспечить близость полюса записи к диску и носителю. Это улучшает магнитные переходы, записываемые на диск, гарантируя полное насыщение магнитного носителя полем записи головки. Тот же подход с термическим воздействием может использоваться для вре́менного уменьшения зазора между магнитным носителем и датчиком чтения во время процесса считывания, что повышает силу сигнала и разрешающую способность.

К середине 2006 года другие производители начали применять аналогичные методы в своей продукции.

Примечания

  1. ↑ Mee, C. Magnetic recording technology / Mee, C., Daniel, Eric D.. — New York : McGraw-Hill, 1996. — P. 7.1. — ISBN 978-0-07-041276-7.
  2. ↑ August 2011, Bestofmedia Team 31 Hard Drives 101: Magnetic Storage (англ.). Tom's Hardware (31 августа 2011). Дата обращения: 26 июня 2025.
  3. ↑ Head disk interface technologies for high recording density and reliability (англ.). fujitsu.com. Дата обращения: 26 июня 2025.
  4. ↑ 1 2 Read/Write Head Designs: Ferrite, Metal-In-Gap, And Thin-Film - Hard Drives 101: Magnetic Storage (англ.). Tom's Hardware (30 августа 2011). Дата обращения: 26 июня 2025.
  5. ↑ С металлом в зазоре (mig). studfile.net (17 февраля 2016). Дата обращения: 26 июня 2025.
  6. ↑ 1979: Thin-film heads introduced for large disks. Computer History Museum (2 декабря 2015). Дата обращения: 26 июня 2025.
  7. ↑ IWASAKI, Shun-ichi (February 2009). “Perpendicular magnetic recording—Its development and realization—”. Proceedings of the Japan Academy. Series B, Physical and Biological Sciences. 85 (2): 37—54. Bibcode:2009PJAB...85...37I. DOI:10.2183/pjab.85.37. ISSN 0386-2208. PMC 3524294. PMID 19212097. |access-date= требует |url= (справка)
  8. ↑ 1 2 3 Christopher H. Bajorek (November 2014). “Magnetoresistive (MR) Heads and the Earliest MR Head-Based Disk Drives: Sawmill and Corsair” (PDF). Computer History Museum, Mountain View, CA. Архивировано из оригинала (PDF) 2015-12-20. Дата обращения 2025-06-25. Используется устаревший параметр |url-status= (справка)
  9. ↑ Chemists exploring new material with 'next generation' computer hard drive possibilities, The University of Aberdeen News (27 January 2014). Дата обращения: 26 июня 2025.
  10. ↑ Dagotto, Elbio. Brief Introduction to Giant Magnetoresistance (GMR) // Nanoscale Phase Separation and Colossal Magnetoresistance: The Physics of Manganites and Related Compounds. — Springer Science & Business Media, 14 March 2013. — Vol. 136. — P. 395–396. — ISBN 9783662052440. — doi:10.1007/978-3-662-05244-0_21.

Ссылки

Категории