Informatikai eszközök �zikai alapjai

Hajlékony- és merevlemez, spinszelepek

Udvarhelyi Péter

Fizikus MSc

2015.05.20.

Tartalomjegyzék

1. Hajlékonylemez 21.1. A lemez és meghajtó szerkezete . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Történeti áttekintés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.1. A 8 inch-es lemez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.2. Az 51

4inch-es lemez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.3. A 3, 5 inch-es lemez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3. A tárterület felépítése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4. Kódolás és dekódolás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4.1. Frekvencia modulálás (FM) és módosított frekvenciamodulálás (MFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4.2. Group Code Recording (GCR) . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Merevlemez 72.1. Szerkezet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2. Történeti áttekintés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.1. Fej, slider és kar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.2. Fej pozícionáló . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.3. HDD lemez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.4. HDD motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3. Óriás mágneses ellenállás és spinszelepek 143.1. Mágneses ellenállás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2. Anizotróp mágneses ellenállás . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.3. Óriás mágneses ellenállás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.4. Spinszelep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1

1. Hajlékonylemez

A hajlékonylemez egészen a '90-es évekig az egyszer¶, gyors és nagy ka-pacitású adattárolás, valamint adatmegosztás legelterjedtebb eszköze volt.Hanyatlását az optikai adattárolók és a helyi hálózatok elterjedése indította,majd elt¶nését az internet és a �ashdrive-ok okozták.

1.1. A lemez és meghajtó szerkezete

A �oppy lemez és meghajtó szerkezete az 1. ábrán látható. A hajlékonylemezszerkezete története során fokozatosan fejl®dött. Az ábra bal oldalán ennekvégtermékét, egy 3, 5 inch-es lemezt láthatunk. A mágnesezhet® korong köze-pén a meghajtó orsójához illeszked® agy található. A lemezt kemény borításvédi a sérülésekt®l. A portalanítás végett a korong és a borítás közé szövettörl®ket helyeztek. Az olvasónyílást egy rugós blende zárja le. A borításbaütött lyukak a lemez típusának és írásvédettségének megállapítását szolgál-ják. Ezeket a meghajtó fotodiódái érzékelik.

A meghajtó felépítése a merevlemez meghajtó egyszer¶bb mása. Rész-letesebben a következ® fejezetben ismerhetjük meg összetev®it. Most f®bbösszetev®it felsorolás szintjén említjük meg. A lemez forgatását elektromotorvégzi. Az adatok olvasása és írása a fej segítségével történik, aminek �nompozícionálását az aktuátor, nagyobb mérték¶ elmozdítását a léptet®motorvégzi.

1. ábra. Hajlékonylemez és meghajtójának szerkezete

2

1.2. Történeti áttekintés

A hajlékonylemez története során az egyes fejlesztések legjobban a lemezmérete szerint különíthet®k el. A legjelent®sebb méreteket a 8, 51

4és a 3, 5

inch-es átmér®j¶ lemezek képviselték. Ezek a 2. ábrán láthatók.

2. ábra. A legjelent®sebb �oppy formátumok

1.2.1. A 8 inch-es lemez

A hajlékonylemezt 1967-ben, az IBM-nél tervezték. 8 inch-es átmér®j¶ haj-lékony m¶anyag lemezre vittek fel mágnesezhet® réteget. A lemezt az IBMa System/370 gépéhez tervezte. Ennek Initial Control Program Load rend-szere használta el®ször, a használt mikrokódok betöltése a lemezr®l történt.A kés®bbi szoftverfrissítések terjesztését is hajlékonylemezzel végezték. Ke-reskedelmi forgalomba 1971-ben került a Shugart által. Ez egy 80 kB-oslemez volt, a tartósság növelése érdekében számos fejlesztést alkalmaztak: alemezt hajlékony m¶anyag borítás védte megjelenésekor, majd kés®bb szövettörl®bélést alkalmaztak portalanítás céljából. A lemez és a szövet kés®bbte�onborítást kapott a sérülések, karcolások elkerülése végett. A kezdeti cé-loknak megfelel®en a lemez csak olvasható volt. Az els® írható FD a 175kB-os Memorex 650, 1972-ben jelent meg.

A 8 inch-es lemez jelent®s technikai el®relépést jelentett a '70-es években.A korábbi mágneses adattárolóknál tartósabb, a lyukkártyás rendszereketleváltó adathordozó volt. Mivel a korszak legmodernebb, nagysebesség¶ tá-rolója volt, ezért igen sokba került, a korabeli számítógépek árával vetekedettegy FDD ára. Emiatt a mágnesszalaggal nem tudott versenyezni a piacon a8 inch-es �oppy.

3

1.2.2. Az 514inch-es lemez

1976-ban megtervezték az 514inch-es lemezt, mivel a számítógépekbe túl

nagy egy 8-inch-es FDD. Ezek tömeggyártását az IBM és az Apple kezdte.El®ször 90 kB-os hard sectored, majd 110 kB-os soft sectored technológiával(lsd. 1.3.). 1978-ban jelent meg az els® kétoldalú FDD. A lemezeknek ko-rábban is lehetett mindkét oldalát használni, viszont a meghajtó csak egyikoldalról tudott olvasni. A lemezek manuális megfordításával a tárterületetkétszeresére lehetett növelni, viszont ez a módszer a hard sectored lemeze-ken újabb sector lyuk fúrását igényelte és a gyártók sem támogatták. Innenkapta a �ippy disc nevet a hajlékonylemez. A kétoldalú lemezekkel elérhet®legnagyobb kapacitás 360 kB volt.

Az 514inch-es lemez elterjedését az MS-DOS kiterjedt támogatása bizto-

sította: az 1981-es v1.0 egyoldalú lemezeket támogatott 160 kB-ig, de hamarmegjelent (1983) a v2.0 kétoldalú lemez támogatásával 360 kB kapacitásig.

1.2.3. A 3, 5 inch-es lemez

A legelterjedtebb és legnépszer¶bb �oppy méret. Az eredeti tervet 1982-bena Sony alkotta meg, amit a Micro�oppy Industrí Committee szabványosí-tott. Az új lemez még tartósabb volt, amit a kemény m¶anyag borítás és azolvasónyílás eltakarása biztosított. 1983 és '85 között megjelenik az Apple,Atari, Commodore gépekben, a korábbi formátummal megegyez® 360 kB-ostárhellyel. 1988-tól a legnépszer¶bb �oppy lesz. Legelterjedtebb formátumaaz 1989-ben megjelent high-density �oppy volt, 14,44 MB tárkapacitással.

1.3. A tárterület felépítése

A hajlékonylemez felületén megkülönbözetetünk track-eket (3. ábra na-rancs), valamint sector-okat (3. ábra kék). A léptet®motor a fejet az adotttrack-re állítja, amit az aktuátor pontosít. A lemezt a motor állandó szög-sebességgel pörgeti. A meghajtó az index lyuk alapján állapítja meg a trackelejét. Ezután forgás közben olvassa az egyes szektorokat. Ezek kezdetét ahard-sectoring eljárásban mindig egy lyuk jelezte. Ezt kés®bb felváltotta asoft sectoring eljárás, ahol a track pozíció és a forgási sebesség alapján tör-tént a szektorok beazonosítása. Íráskor ügyelni kellett arra, hogy a sectorokközött megfelel® távolság legyen, hogy az esetleges fordulatszám ingadozá-sok miatt ne írjuk felül a másik szektort. Ezt nevezik low level formatedeljárásnak.

4

3. ábra. Hajlékonylemez szektorfelosztása

A különböz® �oppy formátumok egyik besorolási szempontja az elérhet®adats¶r¶ség. Ezek szerint megkülönböztetünk

• double density (720 kB): 2 µm vas-oxid (Hc ≈ 300 OE)

• high density (1,44 MB): 1,2 µm kobalttal szennyezett vas-oxid (Hc ≈600 OE)

• extended density (2,88 MB): 3,8 µm bárium-ferrit (Hc ≈ 750 OE)

fromátumokat, ahol a zárójeles kapaciás a 3, 5 inches lemezre vonatkozik.

1.4. Kódolás és dekódolás

Az adathordozó mágneses rétegében az adattárolás az egyes domének mág-nesezettségének beállításával történik. Ehhez kihasználjuk az anyag egyten-gely¶ anizotrópiáját és a mágnesezettség hiszterézishurkát. Az adatrögzítéstehát a domének átmágnesezésével történik. Az olvasás közben az egyes do-mének elhaladnak az olvasófej tekercse el®tt. Ha az egymás után következ®domének mágnesezettsége ellentétes, a �uxusváltozás áramot indukál az olva-só tekercsben. Ebben a fejezetben a legelterjedtebb eljárásokat mutatom bea digitális jelek �uxusváltozássá való alakítására (kódolás) és azok olvasására(dekódolás).

1.4.1. Frekvencia modulálás (FM) és módosított frekvencia modu-lálás (MFM)

A kódolás legegyszer¶bb megvalósítása a frekvencia modulálás. A �uxusre-verzálást jelölje R, a nem-reverzálást N. Ekkor a kódolás: 0→ RN, 1→ RR.

5

Ekkor minden bit egy clock-nak nevezett reverzálással kezd®dik. A frekven-ciamoduláció nevét onnan kapta, hogy az 1-es bit kétszerakkora frekvenciájú�uxusváltozást kelt, mint a 0-ás.

A módszer meglehet®sen pazarlóan bánik a rendelkezésre álló domének-kel, ugyanis felesleges clock reverzálásokat tartalmaz. Nem veszi �gyelembeaz egymás után következ® biteket. Ezen módosít az MFM. Az egymás utáni1-es bitek közé felesleges reverzálást tenni, akárcsak az 1-0 esetben. Egye-dül az egymás utáni nullákat szükséges szeparálni clock-al, különben itt nemtörténik indukció. Ezzel a módszerrel az átlagos bitenkénti reverzálást felé-re lehet csökkenteni, vagyis a clock órajelet, és ezzel a bitrátát kétszeresérenövelni. Ez a bits¶r¶ségben átlagosan kétszeres növekedést jelent. Az ilyeneljárással készült lemezeket ezért double density formátumúnak nevezik (azFM single density). A �oppy esetében a formátum elnevezése kett®s, utalhata �zikai megvalósítás, valamint a kódolási módszer alapján elért adats¶r¶-ségre is. A két módszer összehasonlítását egy példa bitsorozatra a 4. ábramutatja.

4. ábra. FM és MFM kódolás összehasonlítása

1.4.2. Group Code Recording (GCR)

Ahogy azt az el®z® kódolások esetén láttuk, a sok egymás utáni egyes vagynulla költséges. Ezt csökkenti a group code recording, amelynél minden bytekét darab négybites nibble-re bomlik. Az egyes nibble-ökhöz az alábbi táb-lázat szerint rendelünk egy ötbites kódot, a group code-ot. Ezzel ugyan anyolcbites adatstruktúrát tízbitesre növeltük, ami nehezebben kezelhet®, vi-szont az így megvalósított kódolással minden tízbites egység legfeljebb nyolcegymás utáni 1-es, valamint legfeljebb két egymás utáni 0-ás bitet tartalmaz.Belátható, hogy átlagosan nagyobb bits¶r¶séget ér el, mint az MFM eljárás.Elterjedését a bonyolultsága gátolta, a meghajtóba külön kódoló/dekódolóegységet kell beszerelni hozzá.

6

Nibble Code Nibble Code0000 01010 1000 010010001 01011 1001 110010010 10010 1010 110100011 10011 1011 110110100 01110 1100 011010101 01111 1101 111010110 10110 1110 111100111 10111 1111 10101

1. táblázat. GCR kódtábla

2. Merevlemez

A merevlemez meghajtó (HDD) hasonló elven m¶ködik, mint az FDD. A leg-nagyobb különbség a felhasználásban mutatkozik, ugyanis a �oppy esetébena lemezek a meghajtóból kivehet®k és adattárolás mellett adathordozóként ism¶ködnek. A HDD merev szubsztrátot tartalmazó lemezei ezzel szemben ameghajtó részét képezik. Adathordozóként csak a napjainkban elért méret-csökkenés (akár 1 inch átmér®) elérese miatt használhatók. Egyéb mágnesesadattárolókkal szembeni el®nyei a nagy tárkapacitása és gyorsasága. A legel-terjedtebb számítógépes adattároló, amely története során hatalmas fejl®déstért el a bits¶r¶ség növelése és az elérési id® csökkentése területén. Egyre nép-szer¶bb (és egyre gazdaságosabb) ellenfele az SSD.

2.1. Szerkezet

A HDD szerkezetét a 5. ábrán láthatjuk. Felépítése szinte teljesen meg-egyezik az FDD-vel. A bels® szerkezeti elemek felépítését és m¶ködését atörténeti áttekintés keretében tárgyaljuk, mivel az egyes részek fejl®dése id®-rendben egymás után következett be. A csatlakozókról és interface-ekr®l atovábbiakban nem lesz szó, ezért ezek rövid áttekintését itt adjuk meg. Atápellátás csatlakozóján keresztül kap megfelel® áramellátást a lemezeket for-gató orsó, valamint a kar pozícionáló. A jumper nev¶ csatlakozókon keresztültudja a számítógép a lemezek felpörgetését vezérelni. Több HDD egy táp-egységre való csatlakozása esetén a felpörgetéskor keletkez® nagy és hirtelenteljesítményfelvétel úgynevezett power peak-et eredményezne, ami a HDD ésa tápegység m¶ködését is veszélyeztetné. A jumper felel®s ezek elkerüléséérta felpörgetések aszinkronizálásával. Az adat interface-ek közül a legelterjed-tebb a SATA és az SCSI. Utóbbi jobb min®ség¶, külön vezérl® pocesszort

7

tartalmazó interface. A kezdetben párhuzamos adattovábbítást ma mind-két esetben sorosra cserélték (a kezdeti ATA vagy IDE interface SATA-raváltozott, az SCSI soros változata a SAS). A gyorsabb adattovábbítást ésnagyobb pörgési sebességeket támogató SCSI a "high-end" számítógépekbenés szerverekben használatos, míg az átlagos PC-k a SATA, eSATA, FireWireinterface-eket használnak.

5. ábra. Merevlemez meghajtó felépítése

2.2. Történeti áttekintés

A merevlemez meghajtó 1953-as feltalálása is az IBM nevéhez f¶z®dik. Cél-juk a korábbi kezdetleges nagykapacitású adattárolók, mint a dobmemórialeváltása volt. Megalkották a secondary storage fogalmát, ami a primarystorage-nél (RAM) lényegesen olcsóbb és nagyobb kapacitású. A RAM-nálugyan lassabb, de más mágneses adattárolóktól sokkal gyorsabb megoldástkerestek.

Kereskedelmi forgalomba 1956-ban került az IBM 305-ös els® HDD-ként.Ebben 50 darab 24 inch-es lemez volt 3,75 MB összkapacitással. Az els®HDD-k még küls® tárhelyek voltak, mivel méretük még egy szekrényévelvetekedett. Az említett HDD egyetlen fejet tartalmazott, ami 1 s elérésiid®vel tudott az 50 lemez között mozogni. A fej és lemez közötti, head gap-nek nevezett távolság 800 µinch volt.

8

1961-ben jelent®s fejl®dés történt. Az IBM 1301 modell siklócsapágyasfejetet tartalmazott minden egyes lemez felett, ezzel az elérési id®t 180 ms-racsökkentve. A head gap 250 µinch-re való csökkenése nagyobb adats¶r¶sé-get jelentett, így a HDD mérete is mosógép méret¶re redukálódott. Az ígymegalkotott fej-lemez elrendezés mai HDD-ben való alkalmazását a 6. képenláthatjuk.

6. ábra. HDD lemez, fej és kar

1973-ban jelent meg az IBM 3340 "Winchester" modell, ami könny¶ ka-rokat (20 gramm) és kicsi slidert kapott, amivel az elérési ideje 5 ms-ra csök-kent. A head gap 18 µinch volt. Ez a modell különös jelent®ség¶ volt. Nevétarról kapta, hogy két 30 MB-os lemezzel tervezték (végül két 35 valamint70 MB-os lemezzel került forgalomba), így 30-30-nak nevezték el, csakúgymint a híres 1894-es Winchester puskát (utóbbit .30 inch-es kalibere és 30grain súlyú l®portöltete miatt nevezték 30-30-nak). 1979-ben az IBM 3370-elmegjelent az els® vékonyréteg fejet használó HDD, ami a fej technikájánakcsúcsát jelentette.

2.2.1. Fej, slider és kar

A �oppy-tól eltér®en nincs direkt kontaktus a lemez és a fej között, ezértannál tartósabb. A noncontact üzemelés szükséges is, hiszen a nagy sebes-ség¶ (kezdeti modellekben is 1200 rpm) forgás tönkretenné. A fejtávolságfontos paraméter, ezt igyekeztek csökkenteni a nagyobb bits¶r¶ség elérésé-hez. Minél közelebb van a fej, annál kisebb területet tud mágnesezni, így abits¶r¶ség megn®. A head gap-et a száítógépes technikában szokásos inchmértékegységben szokás megadni. A történeti áttekintésben szerepl® ada-tok ézékeltetése végett megjegyezzük, hogy egy hajszál vastagsága kb. 2000µinch. A HDD-ket tisztaszobában szerelik össze, a benne lév® leveg® 0,5

9

mikronnál nagyobb szemcséket legfeljebb 100 db/köbláb s¶r¶ségben tartal-mazhat. Ez a kis fejtávolság miatt szükséges, ugyanis a nagyobb méret¶porszemcsék tönkretennék az olvasófejet. Belsejük nem teljesen légmentes-sen zárt, szükség van nyomás kiegyenlítésre a megfelel® m¶ködéshez. A gyáritisztaság megtartását sz¶r®kkel érik el. A fej siklócssapágyas (air-bearing)megoldásánál annak aerodinamikai kiképzése olyani, hogy a forgó lemez sze-le (kb. 100 km/h) fenntartsa azt. A fej maga nagyon kis méret¶, hajszálvastagságú. Nem közvetlen a karra szerelik, hanem egy slider-re, amit pi-ezoelektromosan pozícionálnak a track-en. Az állandó repülési magasságotrugókkal érik el a karokon. A karok együtt mozognak a track-ek között. Fej-lesztésük során a súlycsökkentés és szilárdság a cél az elérési id® csökkentésevégett. Leggyakrabban háromszög alakú alumínium karokat használnak. Afej különböz® változatai id®rendben:

• tradicionális C-alakú ferrit, tekercselt fej: nagy méret¶ek, ezért csaktávol alkalmazhatók. Nagy területet mágneseznek, így csak kis adats¶-r¶ség¶ HDD-ben alkalmazható.

• metal in gap: az el®z® fejlesztése, melyben kis fémdarab koncentráljaaz er®vonalakat, így valamivel kisebb területet tud mágnesezni

• vékonyréteg fejek: fotolitográ�ával kiképzett fej. Ezeknél a méretprob-léma megoldódik, ugyanis ezzel az eljárással a legnagyobb adats¶r¶ség¶lemezekhez is lehet megfelel®en kicsi fejet készíteni.

7. ábra. HDD fej, kar és slider

2.2.2. Fej pozícionáló

A HDD-ben a track kiválasztásért a fej pozícionáló felel®s. Gyorsnak éspontosnak kell lennie a megfelel® elérési id® és hibaráta biztosításához. Mivelez egy mechanikai egység, ezért lassú az elektronikához képest. Ez a HDD

10

f® hátránya az SSD-vel szemben, ahol legalább ezerszer gyorsabb az elérés.Két típust különböztetünk meg:

• léptet®motor: �oppynál elterjedt, ott az orsó és a fej is így mozog

• hangtekercs: modern eszközökben megtalálható. Egy állandó mágnes-b®l és egy elektromágnesb®l áll. Az árammal lehet szabályozni a karraható mágneses teret, ami mozgatja azt. Visszacsatolásos szervó rend-szert lehet csinálni vele.

8. ábra. Léptet®motor (bal) és hangtekercses motor (jobb)

A '60-'70-es évek kar és fej fejlesztései után a '80-as években a lemezekméretének csökkentése volt a f® feladat. A cél a HDD számítógépekbe sze-relhet®sége volt. A lemezméretek a �oppy-nál megismertek voltak. Az els®8 inch-es HDD az 1979-ben megjelent IBM 62PC-volt. Az els® PC-be szerel-het® az 1980-as Seagate ST-506, 51

4inch-es lemez volt. 1983-ban kiadták a

mai PC-kben lév® 3,5 inch-es HDD-k els® példányát a Rodime RO352-t. Alaptopokban elterjedt 2,5 inch-es méret az 1988-as Praire Tek 220-as modelleljelent meg.

2.2.3. HDD lemez

• szerkezet:

� szubsztrát: legyen kemény, nem mágnesezhet®, könny¶, stabil ésolcsó. Ennek az alumínium ötvözetek felelnek meg. Viszont kisgap esetén nagyon sima felszín kell. Üveg, kompozit, magnéziumtudja csak elérni a kell® simaságot. Ezek további el®nyei a nagyobbszilárdság és kisebb vibráció. Ez vékonyabb lemezek gyártását

11

teszi lehet®vé, és kisebb a h®tágulás is. A legjobb szubsztrát anyagaz üveg-kerámia kompozit, ami kevésbé törékeny.

� mágneses réteg: párologtatott, µinch vastagságú vas-oxid . A mo-dernebb vékonyrétegek kiképzése electroplating vagy CVD techni-kával történik. A legújabb, kísérleti mágneses réteg a vas-platinananokristály réteg.

� véd®réteg: szén

• méret: csökkentve kisebb tömeg, nagyobb szilárdság, kisebb fogyasztás,gyorsabb elérés, kevesebb zaj érhet® el.

• track és szektor felosztás, kódolás: �oppy-hoz hasonló

A kódolásnál megemlítjük az 1990-ben kiadott IBM 0681-es modellel beve-zetett PRML dekódolást. Az olvasófejben a �uxusváltozás áramot generál.Az olvasáskor csúcsokat kell detektálni majd digitális jellé alakítani, azutándekódolni. A PRML a csúcsdetektálásban segít: s¶r¶ lemez esetén a de-tektált csúcsok átlapolódnak, ezt el kell kerülni, mert adatvesztést okoz. Agyengébb mágnesezettség miatt nehezebb a csúcs detektálás (nagy a zaj).A PRML rövidítés els® fele partial response, ami azt takarja, hogy csak ajel egy részét tudjuk mintavételezni, mert nagyon nagy frekvenciás a �uxus-változás. A másik fele: maximum likelihood arra utal, hogy megállapítjuk,hogy az adott mintavételezés milyen bitsorozathoz tartozhat legnagyobb va-lószín¶séggel. A módszer kockázatosnak t¶nhet, de a megfelel® hiabjavító ésellen®rz® technikákkal alkalmazva meglep®en pontos.

A '90-es évek során két technikai fejl®dés történt. Az egyik az 1991-benel®ször használt mágneses ellenálláson alapuló olvasófej megjelenése, vala-mint a '97-ben kiadott els® óriás mágneses ellenállást használó fej volt. Ezek�ziakai alapjairól a 3. fejezetben lesz szó. A másik a lemezsebesség növelésevolt, ami teljesen a Seagate márkához f¶z®dik. '92-ben a Barracuda modellelaz els® 7200 rpm-es HDD jelent meg, ami a legelterjedtebb desktop PC HDDforgási sebesség lett. '96-ban a Cheetah 4LP 10000 rpm, majd 2000-ben aCheetah X15 15000 rpm sebességet ért el. Ezeket a HDD motor fejlesztésévellehetett elérni, aminek felépítését a következ® alfejezet foglalja össze.

2.2.4. HDD motor

A legtöbb meghibásodás ennél az alkatrésznél történik, ez a legjobban igény-bevett. Ennek ellenére a stabil m¶ködés biztosítása elengedhetetlen. Ahogyláttuk, egyre gyorsabb forgási sebességet igyekeztek elérni, így a h® és vib-ráció jelent®sen megnövekedett. Hatalmas el®ny viszont az, hogy gyorsabb

12

sebbességen csökken a forgási várakozás (rotational latency): 7200 rpm-en4,2 ms míg 15k rpm-en 2 ms átlagosan.

• szervó: hangtekercs, zárt kör¶ visszacsatolással.

• direkt meghajtás: közvetlenül a lemezekhez kapcsolódik a motor, nincsáttétel, szíj.

• csapágyazás: golyós vagy siklócsapágy. A golyós el®nyei: fordulatszámfüggetlen m¶ködés, hosszú élettartam. Hátrányai: rezonancia, imboly-gás, ami track kifutást okozhat nagy bits¶r¶ség¶ lemezen. Továbbánagyon precíz megmunkálás kell. A siklócsapágy el®nye, hogy mindenfent említett hátrányt kiküszöböl. Viszont vannak hátránya: nem for-dulatszám független. Folyamatos kenést igényel és olajnyomás kell, amiinduláskor/leálláskor nem teljesül.

• nagy teljesítményfelvétel felpörgéskor: jumper használata.

Az els® folyadékdinamikai csapágyazást a Seagate alkalmazta 1997-ben nagy-sebesség¶ merevlemezeihez.

9. ábra. HDD motor

A 2000-es évekt®l napjainkig a fejlesztések az egyre magasabb bits¶r¶ségelérésére irányulnak. Az új merevlemezek óriás mágneses ellenállást, alag-utazó mágneses ellenállást, mer®leges mágneses rögzítést alkalmaznak. Alegmodernebb technikaák az átfed® track-eket használó zsindelyes mágnesesrögzítés, valamint a h®rásegítéses mágneses rögzítés (HAMR).

13

3. Óriás mágneses ellenállás és spinszelepek

3.1. Mágneses ellenállás

A mágneses ellenállást William Thomson (Lord Kelvin) fedezte fel 1856-ban. A jelenség lényege, hogy a ferromágneses anyagok ellenállása függ amágneses tért®l. Részletesebb levezetés Sólyom Jen®: A modern szilárdtest-

�zika alapjai II. cím¶ könyvben található, itt csak a lényeget emelem ki.Belátható, hogy nagy, de véges mágneses terek esetén a vezet®képesség

tenzor 1/B hatványai szerint sorbafejthet®:

σαβ(B) = Aαβ +1

BBαβ +

1

B2Cαβ + · · ·

felhasználva az Onsager-relációt (σαβ(B) = σβα(−B)):

Aαβ +1

BBαβ +

1

B2Cαβ + · · · = Aβα −

1

BBβα +

1

B2Cβα + · · ·

A képlet alapján a diagonális elemek vezet® rendben vagy konstansok, vagy1/B2-el mennek. Belátható, hogy B → ∞ esetben σzz konstans és ez azegyetlen járulék. Ezt a határesetet �gyelembe véve a vezet®képesség tenzor:

σαβ(B) =

Cxx

B2

Bxy

BBxz

B

−Bxy

B

Cyy

B2

Byz

B

−Bxz

B−Byz

BAzz

Ennek inverze az ellenállástenzor, melynek mer®leges elemei véges értékheztartanak. Bevezethetjük a mágneses ellenállás járulékát:

∆R =RH −R0

R0

3.2. Anizotróp mágneses ellenállás

A mégneses ellenállás áramiránnyal szemben mutatott anizotrópiája. Azáramirányra mer®leges és azzal párhuzamos mágneses tér esetén a mágnesesellenállás néhány százalékban eltér. A jelenség spinfügg® szórási folyamatok-kal magyarázható. Az inverz élettartam a Fermi-féle aranyszabály szerint:(

τσσ′

k

)−1=

2π

h̄N (Ek)

∑k′

|〈k, σ |Vσσ′ |k′σ′〉|2N (Ek′) δ (Ek − Ek′)

14

ahol Vσσ′ spinfügg® kölcsönhatás, mint például a spin-pálya kölcsönhatás.Stoner-Wohlfahrt modell alapján 3d fémekben kétfajta vezetési elektron ta-lálható: ↑, ↓. Ezek alapvet®en különböz® vezetési tulajdonságúak, mivelN(EF ) különböz®.

10. ábra. 4s és 3d sáv DOS plotja a különböz® spinekre. A 3d sáv betöltött-sége a Fermi-szinten különböz®.

3.3. Óriás mágneses ellenállás

1988-ban Albert Fert és Peter Grünberg mágneses multirétegek vizsgálatakoróriás mágneses ellenállást tapasztalt, ahol a ∆R/R0 = 50% is lehet. Felfede-zésükért 2007-ben Nobel-díjat kaptak.

A jelenség megértéséhez vizsgáljuk meg a ferromágneses multirétegek köz-ti csatolást. A ferromágneses multirétegek felváltva tartalmaznak ferromág-neses és nem mágneses rétegeket. A ferromágneses rétegek csatolását, csak-úgy mint a rétegen belül a spinek ferromágneses csatolását, a kicserél®désikölcsönhatás okozza. A spinek között ható dipól kölcsönhatás gyenge, eztelhanyagolhatjuk. A direkt kicserél®dés csak az adott rétegen belüli ferro-mágneses rend felépítéséért felel®s. Az egyes rétegek között a hullámfüggvé-nyek átfedése elhanyagolható. Az egyetlen nem lokális járulékot az indirektkicserél®dés adja. Ennek legismertebb mechanizmusa a Ruderman-Kitteloszcilláció. Ennek lényege, hogy a törzselektron-vezetési elektron kölcsönha-

15

tás spins¶r¶ség oszcillációt kelt. Az oszcilláció 1/r3-ös lecsengés¶, λ = π/kFhullámhosszú. A távoli spinek kölcsönhatását ez a helyfügg® spins¶r¶ség ha-tározza meg. Ezzel a kölcsönhatás csatolási állandója is helyfügg® oszcillációtmutat, ahogy a 11. ábrán láthatjuk.

11. ábra. j csatolási állandó spintávolság-függése

A rétegvastagság megfelel® beállításával tehát a ferromágneses rétegek kö-zött antiferromágneses csatolás létesíthet®, mágnesezettségük ellentétes irá-nyú (12. ábra). Küls® mágneses térben a ferromágneses rétegek mind a térirányába mágnesez®dnek (13. ábra).

12. ábra. Mágneses tér nélküli elrendezés

16

13. ábra. Elrendezés mágneses térben.

A két esetben a multirétegen átfolyó áram különböz® ellenállást érzékel. Aferromágneses rétegben való drift közben és a réteghatáron való szóródáskora különböz® spin¶ vezetési elektronok más ellenállást tapasztalnak. Ezekkapcsolási rajzát nulla mágneses tér esetén a 14. ábrán, nemnulla tér eseténa 15. ábrán láthatjuk. Az ered® ellenállás a két esetben különböz®.

∆R = −1

2

(R↑ −R↓)2

R↑ +R↓

14. ábra. Kapcsolási rajz mágneses tér nélküli esetben

17

15. ábra. Kapcsolási rajz mágneses térben.

3.4. Spinszelep

Az óriás mágneses rezonanciát a HDD olvasófejekben az úgynevezett spin-szelepek segítségével alkalmazzák. A HDD esetében nem a korábban látottelrendezés valósul, vagyis nulla és nemnulla küls® mágneses térben van arendszer, hanem átmágnesez®dést kell detektálni. Ehhez szükségünk vanegy rögzített mágnesezettség¶ ferromágneses referencia rétegre, valamint egyszabadon mágnesezhet® mér®rétegre. Ekkor a mér®réteg áátmágnesez®désea korábban bemutatottakhoz hasonló elrendezést valósít meg. Az ellenál-lás változását detektálva tehát detektálhatjuk a HDD mágneses rétegénekmágnesezettség változását. Ez az óriás mágneses ellenállás miatt kis mág-nesezettség detektálására is alkalmas, szemben az indukciós detektálással.Ezért a bits¶r¶ségnek már nem a kiolvasás, hanem a rögzítés szab határt.Jelenleg a fejlesztések iránya erre a területre összpontosul (lsd. HAMR).

A spinszelepek �zikájában a leglényegesebb kérdés a rögzített ferromág-neses réteg kialakítása. Ez egy antiferromágneses réteggel való csatolás kö-vetkezménye. Az el®bbiekben a mágnesezettség kétféle irányba történ® beál-lását a kristályszerkezet okozta kicserél®dési anizotrópia okozta. Ez legtöbbesetben egy egytengely¶ anizotrópia (easy axis), ami kétféle beállást tesz le-het®vé. A ferromágneses-antiferromágneses rétegek kölcsönhatásánál viszontkicserél®dési dupla anizotrópia lép fel, ami egyirányú anizotrópia. Ez rögzítia ferromágneses réteg mágnesezettségi irányát. Az elmondottak egy egyszer¶képpel megérthet®ek. A mágneses tér nélküli állapotban az FM-AFM határ-rétegben a spinek az er®sebb ferromágneses csatolás miatt párhuzamosak,mágnesezettségük a FM réteggel megegyez®. Ha a küls® mágneses tér az FMréteget át akarja mágnesezni, akkor a határréteget is át kell mágneseznie, mi-vel az er®sen csatolt hozzá. Viszont a határréteg az AFM réteghez is csatolt,

18

ami viszont gyengén mágnesezhet®, így a küls® tér alig hat rá. A FM rétegátmágnesezéséhez tehát a határ és az AFM réteg antiferromágneses csatolásienergiáját kell legy®znie. Ennek kötkeztésben a hiszterézishurok eltolódik,nagyobb tér kell az átmágnesezéshez és kisebb (ellenkez® irányú) a vissza-mágnesezéshez, mivel a visszamágnesezést a határréteg csatolása is segíti.Ennek az eltolódásnak köszönhat®en az a tér, ami még a szabad réteget áttudja mágnesezni, már nem elég nagy a rögzített réteg átmágnesezéséhez.

16. ábra. Spinszelep vázlatos felépítése. A konkrét megvalósítás több rétegetalkalmaz.

Hivatkozások

[1] PCGuide, url: http://www.pcguide.com/

[2] Wikipedia, the free encyclopedia, url: https://en.wikipedia.org

[3] IBM Archives, url: http://www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/storage/

[4] Seagate History, url: http://www.seagate.com/gb/en/about-seagate/seagate-history/

[5] Nobelprize.org, url: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/

[6] Sólyom Jen®: A modern szilárdtest-�zika alapjai I.-II.

[7] Francesco O�: Magnetic interaction between antiferromagnetic andferromagnetic �lms: Co/Fe50Mn50 bilayers on Cu(001) cím¶ dok-tori disszertációja, url: http://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/diss-online/02/02H126/

[8] Gubicza Jen®: Fejezetek az anyagtudományból cím¶ el®adás

19