Устройства хранения информации 3

--PAGE_BREAK--1.2. Внешняя память компьютера
Внешняя память предназначена для долговременного хранения программ и данных. Устройства внешней памяти (накопители) являются энергонезависимыми, выключение питания не приводит к потере данных. Они могут быть встроены в системный блок или выполнены в виде самостоятельных блоков, связанных с системным через его порты. Важной характеристикой внешней памяти служит ее объем. Объем внешней памяти можно увеличивать, добавляя новые накопители. Не менее важными характеристиками внешней памяти являются время доступа к информации и скорость обмена информацией. Эти параметры зависят от устройства считывания информации и организации типа доступа к ней.

По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на: устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа. При прямом доступе время доступа к информации не зависит от ее места расположения на носителе. При последовательном доступе — зависит от местоположения информации.

Скорость обмена информацией зависит от скорости ее считывания или записи на носитель, что определяется, в свою очередь, скоростью вращения или перемещения этого носителя в устройстве.

ВЗУ служат для запомина­ния больших массивов информации — наборов данных, программ пользователей и операционных систем. В про­цессе работы вычислительной системы по мере необхо­димости производится оперативный обмен информацион­ными массивами между ВЗУ и основной памятью.

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения — носителя.

Основные виды накопителей[2]:

накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

накопители на магнитной ленте (НМЛ);

накопители CD-ROM, CD-RW, DVD.

Им соответствуют основные виды носителей:

гибкие магнитные диски (Floppy Disk) (диаметром 3,5’’ и ёмкостью 1,44 Мб), диски для сменных носителей;

жёсткие магнитные диски (Hard Disk);

кассеты для стримеров и других НМЛ;

дискиCD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD.

Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. Поэтому, в связи с видом и техническим исполнением носителя информации, различают: электронные, дисковые и ленточные устройства.

Основные характеристики накопителей и носителей[3]:

информационная ёмкость;

скорость обмена информацией;

надёжность хранения информации.

Остановимся подробнее на рассмотрении вышеперечисленных накопителей и носителей.
1.2.1. Магнитные дисковые накопители
Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов. Как правило, магнитные запоминающие устройства состоят из собственно устройств чтения/записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек, расположенных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Запись производится в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение полярности напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

Дисковые устройства делят на гибкие (Floppy Disk) и жесткие (Hard Disk) накопители и носители. Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую. Дисковые устройства, как правило, используют метод записи называемый методом без возвращения к нулю с инверсией (Not Return Zero – NRZ). Запись по методу NRZ осуществляется путем изменения направления тока подмагничивания в обмотках головок чтения/записи, вызывающее обратное изменение полярности намагниченности сердечников магнитных головок и соответственно попеременное намагничивание участков носителя вдоль концентрических дорожек с течением времени и продвижением по окружности носителя. При этом, совершенно неважно, происходит ли перемена магнитного потока от положительного направления к отрицательному или обратно, важен только сам факт перемены полярности.

Для записи информации, как правило, используют различные методы кодирования информации, но все они предполагают использование в качестве информационного источника не само направление линий магнитной индукции элементарной намагниченной точки носителя, а изменение направления индукции в процессе продвижения по носителю вдоль концентрической дорожки с течением времени. Такой принцип требует жесткой синхронизации потока бит, что и достигается методами кодирования. Методы кодирования данных не влияют на перемены направления потока, а лишь задают последовательность их распределения во времени (способ синхронизации потока данных), так, чтобы, при считывании, эта последовательность могла быть преобразована к исходным данным[4].
    продолжение
--PAGE_BREAK--1.2.2… Жесткие диски (винчестеры)
Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель (носители) и устройство чтения/записи, а также, нередко, и интерфейсную часть, называемую собственно контроллером жесткого диска. Типичной конструкцией жесткого диска является исполнение в виде одного устройства — камеры, внутри которой находится один или более дисковых носителей насаженных на один шпиндель и блок головок чтения/записи с их общим приводящим механизмом. Обычно, рядом с камерой носителей и головок располагаются схемы управления головками, дисками и, часто, интерфейсная часть и/или контроллер. На интерфейсной карте устройства располагается собственно интерфейс дискового устройства, а контроллер с его интерфейсом располагается на самом устройстве. С интерфейсным адаптером схемы накопителя соединяются при помощи комплекта шлейфов.

Информация заносится на концентрические дорожки, равномерно распределенные по всему носителю. В случае большего, чем один диск, числа носителей все дорожки, находящиеся одна под другой, называются цилиндром. Операции чтения/записи производятся подряд над всеми дорожками цилиндра, после чего головки перемещаются на новую позицию.

Герметичная камера предохраняет носители не только от проникновения механических частиц пыли, но и от воздействия электромагнитных полей. Необходимо заметить, что камера не является абсолютно герметичной т.к. соединяется с окружающей атмосферой при помощи специального фильтра, уравнивающего давление внутри и снаружи камеры. Однако, воздух внутри камеры максимально очищен от пыли, т.к. малейшие частички могут привести к порче магнитного покрытия дисков и потере данных и работоспособности устройства.

Диски вращаются постоянно, а скорость вращения носителей довольно высокая (от 4500 до 10000 об/мин), что обеспечивает высокую скорость чтения/записи. По величине диаметра носителя чаще других производятся 5.25, 3.14, 2.3 дюймовые диски. На диаметр носителей несменных жестких дисков не накладывается никакого ограничения со стороны совместимости и переносимости носителя, за исключением форм-факторов корпуса ПК, поэтому, производители выбирают его согласно собственным соображениям.

В настоящее время, для позиционирования головок чтения/записи, наиболее часто, применяются шаговые и линейные двигатели механизмов позиционирования и механизмы перемещения головок в целом.

В системах с шаговым механизмом и двигателем головки перемещаются на определенную величину, соответствующую расстоянию между дорожками. Дискретность шагов зависит либо от характеристик шагового двигателя, либо задается серво-метками на диске, которые могут иметь магнитную или оптическую природу. Для считывания магнитных меток используется дополнительная серво-головка, а для считывания оптических — специальные оптические датчики.

В системах с линейным приводом головки перемещаются электромагнитом, а для определения необходимого положения служат специальные сервисные сигналы, записанные на носитель при его производстве и считываемые при позиционировании головок. Во многих устройствах для серво-сигналов используется целая поверхность и специальная головка или оптический датчик. Такой способ организации серво-данных носит название выделенная запись серво-сигналов. Если серво-сигналы записываются на те же дорожки, что и данные и для них выделяется специальный серво-сектор, а чтение производится теми же головками, что и чтение данных, то такой механизм называется встроенная запись серво-сигналов. Выделенная запись обеспечивает более высокое быстродействие, а встроенная — повышает емкость устройства.

Линейные приводы перемещают головки значительно быстрее, чем шаговые, кроме того, они позволяют производить небольшие радиальные перемещения «внутри» дорожки, давая возможность отследить центр окружности серводорожки. Этим достигается положение головки, наилучшее для считывания с каждой дорожки, что значительно повышает достоверность считываемых данных и исключает необходимость временных затрат на процедуры коррекции. Как правило, все устройства с линейным приводом имеют автоматический механизм парковки головок чтения/записи при отключении питания устройства.

Парковкой головок называют процесс их перемещения в безопасное положение. Это — так называемое «парковочное» положение головок в той области дисков, где ложатся головки. Там, обычно, не записано никакой информации, кроме серво-данных, это специальная «посадочная зона» (Landing Zone). Для фиксации привода головок в этом положении в большинстве ЖД используется маленький постоянный магнит, когда головки принимают парковочное положение — этот магнит соприкасается с основанием корпуса и удерживает позицию головок от ненужных колебаний. При запуске накопителя схема управления линейным двигателем «отрывает» фиксатор, подавая на двигатель, позиционирующий головки, усиленный импульс тока. В ряде накопителей используются и другие способы фиксации — основанные, например, на воздушном потоке, создаваемом вращением дисков. В запаркованном состоянии накопитель можно транспортировать при достаточно плохих физических условиях (вибрация, удары, сотрясения), т.к. нет опасности повреждения поверхности носителя головками. В настоящее время на всех современных устройствах парковка головок накопителей производится автоматически внутренними схемами контроллера при отключении питания и не требует для этого никаких дополнительных программных операций, как это было с первыми моделями.

Во время работы все механические части накопителя подвергаются тепловому расширению, и расстояния между дорожками, осями шпинделя и позиционером головок чтения/записи меняется. В общем случае это никак не влияет на работу накопителя, поскольку для стабилизации используются обратные связи, однако некоторые модели время от времени выполняют рекалибровку привода головок, сопровождаемую характерным звуком, напоминающим звук при первичном старте, подстраивая систему к изменившимся расстояниям.

Плата электроники современного накопителя на жестких магнитных дисках представляет собой самостоятельный микрокомпьютер с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и прочими традиционными атрибутами присущими компьютеру. На плате могут располагаться множество переключателей и перемычек, однако не все из них предназначены для использования пользователем. Как правило, руководства пользователя описывают назначение только перемычек, связанных с выбором логического адреса устройства и режима его работы, а для накопителей с интерфейсом SCSI — и перемычки, отвечающие за управление резисторной сборкой (стабилизирующей нагрузкой в цепи)[5].
    продолжение
--PAGE_BREAK--1.2.3. Накопитель на гибких магнитных дисках
   Основные внутренние  элементы  дисковода — дискетная рама, шпиндельный двигатель, блок головок с приводом и плата электроники.

   Шпиндельный двигатель — плоский многополюсный, с постоянной скоростью  вращения  300 об/мин. Двигатель привода блока головок  — шаговый, с червячной, зубчатой или ленточной передачей.

   Для опознания свойств дискеты на плате  электроники возле переднего торца  дисковода установлено три механических нажимных датчика: два — под отверстиями защиты и плотности  записи, и третий — за датчиком плотности — для определения момента опускания дискеты. Вставляемая в щель дискета попадает внутрь дискетной рамы, где с нее сдвигается защитная шторка,  а  сама рама при этом снимается со стопора и  опускается вниз — металлическое кольцо дискеты при этом ложится на вал шпиндельного двигателя, а нижняя поверхность дискеты — на нижнюю головку (сторона 0). Одновременно освобождается верхняя  головка, которая под действием пружины прижимается к верхней стороне дискеты. На большинстве дисководов скорость опускания рамы никак  не ограничена, из-за чего  головки  наносят ощутимый удар по поверхностям дискеты, а это сильно сокращает срок их надежной работы. В некоторых  моделях  дисководов (Teac, Panasonic, ALPS) предусмотрен замедлитель-микpолифт  для  плавного  опускания рамы. Для продления срока службы  дискет и головок в дисководах без микролифта рекомендуется при вставлении дискеты придерживать  пальцем кнопку дисковода, не давая раме опускаться слишком резко. На валу шпиндельного  двигателя  имеется кольцо с магнитным замком, который  в  начале  вращения  двигателя  плотно захватывает кольцо дискеты, одновременно центрируя ее на валу. В большинстве моделей дисководов  сигнал от датчика опускания дискеты вызывает кратковременный запуск двигателя с целью ее  захвата и центрирования.

Дисковод соединяется с контролером при помощи 34-пpоводного кабеля, в котором четные провода являются  сигнальными, а нечетные — общими. Общий вариант интерфейса предусматривает подключение к контролеру до четырех дисководов, вариант для IBM PC — до двух. В общем  варианте  дисководы  подключаются полностью параллельно друг другу, а номер дисковода  (0..3)  задается  перемычками  на плате электроники; в варианте для IBM PC оба дисковода имеют номер 1, но подключаются при помощи кабеля, в котором сигналы выбора (провода  10-16)  перевернуты между разъемами двух дисководов. Иногда на разъеме дисковода удаляется контакт 6, играющий в этом случае роль механического ключа. Интерфейс дисковода  достаточно  прост и включает сигналы выбора устройства (четыре устройства в общем случае, два — в варианте для IBM PC), запуска двигателя, перемещения головок на один шаг включения записи, считываемые/записываемые данные,  а  также информационные сигналы от дисковода — начало  дорожки, признак установки головок на нулевую (внешнюю) дорожку, сигналы с датчиков и т.п. Вся работа по  кодированию  информации,  поиску дорожек и секторов, синхронизации, коррекции ошибок выполняется контролером.

Дискета или гибкий диск — компактное низкоскоростное малой ёмкости средство хранение и переноса информации. Различают дискеты двух размеров: 3.5”,  5.25”, 8” (последние два типа вышли из употребления).

Конструктивно дискета представляет собой гибкий диск с магнитным покрытием, заключенный в футляр. Дискета имеет отверстие под шпиль привода, отверстие в футляре для доступа головок записи-чтения (в 3.5” закрыто железной шторкой), вырез или отверстие защиты от записи. Кроме дискета 3.5” — дискета высокой плотности — отверстие указанной плотности (высокая/низкая). 3,5 дискета защищена от записи, если отверстие защиты открыто.

   Для дискет используются следующие обозначения:

— SSsingleside— односторонний диск (одна рабочая поверхность).

— DSdoubleside— двусторонний диск.

— SDsingledensity— одинарная плотность.

— DDdoubledensity— двойная плотность.

— HDhighdensity— высокая плотность.

Накопитель на гибких дисках принципиально похож на накопитель на жестких дисках. Скорость вращения гибкого диска примерно в 10 раз медленнее, а головки касаются поверхности диска. В основном структура информации на дискете, как физическая так и логическая, такая же как на жестком диске. С точки зрения логической структуры на дискете отсутствует таблица разбиения диска[6].
1.2.4. CD-ROM 
Самым распространенным представителем оптической технологии является CD-ROM, который характеризуется:

-                   Большая надежность по сравнению с винчестером

-                   Большая емкость, порядка 700 Мб

-                   CD-ROM практически не изнашивается

Минимальная скорость передачи данных у CD-ROMсоставляет 150 Кбайт/с и возрастает в зависимости от модели привода, т.е. 52-х скоростной CD-ROM, будет иметь 52*150 = 7,8 Мб/с.

Типовой привод состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и системы загрузки диска. На плате электроники размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала.

Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной линейной скоростью. Сохранение постоянной линейной скорости требует изменения угловой скорости диска в зависимости от положения оптической головки. При поиске фрагментов диск может вращаться с большей скоростью, нежели при считывании, поэтому от шпиндельного двигателя требуется хорошая динамическая характеристика; двигатель используется как для разгона, так и для торможения диска.

На оси шпиндельного двигателя закреплена подставка, к которой после загрузки прижимается диск. Поверхность подставки обычно покрыта резиной или мягким пластиком для устранения проскальзывания диска. Прижим диска к подставке осуществляется при помощи шайбы, расположенной с другой стороны диска; подставка и шайба содержат постоянные магниты, сила, притяжения которых прижимает шайбу через диск к подставке.

Система оптической головки состоит из самой головки и системы ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель, на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Система фокусировки представляет собой подвижную линзу, приводимую в движение электромагнитной системой voice coil (звуковая катушка), сделанной по аналогии с подвижной системой громкоговорителя. Изменение напряженности магнитного поля вызывают перемещение линзы и пере фокусировку лазерного луча.

Система загрузки диска выполняется в двух вариантах: с использованием специального футляра для диска (caddy), вставляемого в приемное отверстие привода, и с использованием выдвижного лотка (tray), на который кладется сам диск.

Стандартный диск состоит из трех слоев: подложка из поликарбоната, на которой отштампован рельеф диска, намыленное на нее отражающее покрытие из алюминия, золота, серебра или другого сплава, и более тонкий защитный слой поликарбоната или лака, на который наносятся надписи и рисунки. Информационный рельеф диска состоит из спиральной дорожки, идущей от центра к периферии, вдоль которой расположены углубления (питы). Информация кодируется чередованием питов и промежутков между ними.

Считывание информации с диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отражённого от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приёмник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был ли он рассеян или поглощен. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены углубления (штрихи). Сильное отражение луча происходит там, где этих углублений нет. Фотодатчик, размещённый в накопителе CD — ROM, воспринимает рассеянный луч, отражённый от поверхности диска. Затем эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.

Глубина каждого штриха на диске равна 0.12 мкм, ширина — 0.6 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1.6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков на дюйм или 625 витков на миллиметр. Длина штрихов вдоль дорожки записи может колебаться от 0.9 до 3.3 мкм. Дорожка начинается на некотором расстоянии от центрального отверстия и заканчивается примерно в 5 мм от внешнего края.

Если на компакт-диске необходимо отыскать место записи определённых данных, то его координаты предварительно считываются из оглавления диска, после чего считывающее устройство перемещается к нужному витку спирали и ждёт появления определённой последовательности битов.

В каждом блоке диска, записанного в формате CD — DA (аудиокомпакт — диск), содержится 2352 байт. На диске CD — ROM 304 из них используется для синхронизации, идентификации и коррекции кодов ошибок, а оставшиеся 2048 байт — для хранения полезной информации. Поскольку за секунду считывается 75 блоков, скорость считывания данных с дисков CD — ROM составляет 153 600 байт/с (односкоростной CD — ROM), что равно 150 Кбайт/с. Поскольку на компакт — диске может содержаться максимальный объём данных, который считывается 74 мин, а за секунду считывается 75 блоков по 2048 байт, нетрудно подсчитать, что максимальная ёмкость диска CD — ROM составит 681 984 000 байт (около 650 Мбайт).

   Алгоритм работы накопителя CD-ROM.

1.                 Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на отражающее зеркало.

2.                 Серводвигатель по командам встроенного микропроцессора, смещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт — диске.

3.                 Отражённый от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму.

4.                 Разделительная призма направляет отражённый луч на другую фокусирующую линзу.

5.                 Эта линза направляет отражённый луч на фотодатчик, который преобразует световую энергию в электрические импульсы.

6.                 Сигналы с фотодатчика декодируются встроенным микропроцессором и передаются в компьютер в виде данных.

Поскольку для программных файлов и файлов с данными важен каждый бит, в накопителях CD-ROM используются весьма сложные алгоритмы обнаружения и коррекции ошибок. Благодаря таким алгоритмам вероятность неправильного считывания данных составляет менее 0.125.

Для реализации этих методов коррекции ошибок к каждым 2048 полезным байтам добавляется 288 контрольных. Это позволяет восстанавливать даже сильно повреждённые последовательности данных (длиной до 1000 ошибочных битов). Использование столь сложных методов обнаружения и коррекции ошибок связано, во- первых, с тем, что компакт — диски весьма подвержены внешним воздействиям, а, во- вторых, потому, что подобные носители изначально разрабатывались лишь для записи звуковых сигналов, требования к точности которых не столь высоки[7].
    продолжение
--PAGE_BREAK--1.2.5. DVD
Дальнейшее развитие в области оптической записи привело к появлению стандарта DVD. Компакт-диск этого формата имеет такие же размеры (4,75”), как и CD, но имеет большую емкость. Для того чтобы достичь шести-семикратного увеличения плотности хранения данных по сравнению с CD-R(RW), нужно было изменить две ключевых характеристики записывающих устройств: длину волны записывающего лазера и относительное отверстие объектива, который его фокусирует. В технологии CD-R применяется инфракрасный лазер с длиной волны 780 нанометров (нм), в то время как DVD-R(RW) использует красный лазер с длиной волны либо 635, либо 650 нм. В то же время, относительное отверстие объектива типичного устройства CD-R(RW) равно 0,5, а устройства DVD-R(RW) — 0,6. Такие характеристики аппаратуры позволяют наносить на диски DVD-R(RW) метки размером всего лишь 0,40 мкм, что гораздо меньше минимального размера метки CD-R(RW) — 0,834 мкм.

 DVD является носителем, который может содержать любой тип информации, который обычно размещается на массово выпускаемых дисках DVD: видео, аудио, изображения, файлы данных, мультимедийные приложения и так далее. В зависимости от типа записанной информации диски DVD-R и DVD-RWможно использовать на стандартных устройствах воспроизведения DVD, включая большинство дисководов DVD-ROM и проигрывателей DVD-Video.

Характеристики некоторых форматов DVD.
1.2.6. Флэш-память
С появлением флэш-памяти производители электроники получили возможность без особых проблем и затрат оснастить свои устройства новым типом накопителей. Налицо были выгоды – низкое энергопотребление, высокая надежность и устойчивость к внешним воздействиям и нагрузкам.

USB Flash Drive — портативное устройство для хранения и переноса данных с одного компьютера на другой. Компактный, легкий, удобный и удивительно простой в эксплуатации. Для его работы не нужны ни соединительные кабели, ни источники питания, ни дополнительное программное обеспечение. Особенности USB Flash Drive: высокая скорость обмена данными по USB, защита от записи переключателем на корпусе, защита данных паролем, не требуются драйверы и внешнее питание, может быть отформатирован как загрузочный диск, хранение данных до 10 лет.

В 1994 году корпорация SanDisk представила первую ревизию спецификаций CompactFlash. Теоретический предел емкости накопителей на базе CompactFlash – 137 Гбайт. На данный момент на рынке доступны модели емкостью от 16 Мбайт до 12 Гбайт[8].
1.2.7. Голографические устройства
Голографическая запись позволяет записать на диск стандартного размера до 1,6 Тбайт данных. Суть ноу-хау достаточно проста. Для записи луч лазера разделяется на опорный и сигнальный потоки, последний обрабатывается с помощью пространственного светового модулятора (Spatial Light Modulator — SLM). Это устройство преобразует предназначенные для хранения данные, состоящие из последовательностей 0 и 1, в «шахматное поле» светлых и тёмных точек — каждое такое поле содержит около миллиона бит информации.

После пересечения опорного луча и проекции «шахматной доски» образуется голограмма, и на носитель производится запись интерференционной картины. Изменяя угол наклона опорного луча, а также длину его волны или положение носителя, на одну и ту же площадь можно записать несколько различных голограмм одновременно — этот процесс называется мультиплексированием. Для чтения данных достаточно осветить диск соответствующим опорным лучом и «прочитать» получившийся срез голограммы, фактически – ту самую «шахматную доску» — с помощью сенсора. Так и восстанавливаются исходные биты информации. Кроме объёмов хранения, в технологии впечатляют и остальные характеристики. Так, например, заявленная скорость передачи данных составляет 960 Мбит/с.
1.2.8. MODS-диски
Физики из Имперского колледжа в Лондоне разработали оптический диск размером с CD или DVD, в котором помещается 1 терабайт данных (472 часа высококачественного видео). Новый формат назван MODS(MultiplexedOpticalDataStorage). Его секрет заключается не только в размерах одного пита или их плотной упаковке. Главное новшество — один пит в MODS кодирует не один бит (1 или 0, как у всех систем записи), а десятки бит. Дело в том, что каждый пит в новом формате не симметричен. Он содержит небольшую дополнительную впадинку, наклонённую вглубь под одним из 332 углов. Они создали аппаратуру и специальное программное обеспечение, позволяющее точно идентифицировать тонкие различия в отражении света от таких питов. По прогнозу физиков, серийные диски MODS и дисководы для них могут прийти на рынок между 2010 и 2015 годами, при условии финансирования дальнейшей работы группы. Интересно, что эти приводы будут обратно совместимыми с DVD и CD, хотя, разумеется, нынешние дисководы MODS-диски прочитать не смогут[9].

Основные пользовательские характеристики рассмотренных видов ВЗУ приведены в Приложении 2.


    продолжение
--PAGE_BREAK--ГЛАВА II. ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ УСТРОЙСТВ ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ 2.1. История развития устройств хранения информации
За точку отсчета в развитии магнитной памяти сле­дует принимать далекий 1898 год. Именно в том году датский инженер В. Поулсен продемонстрировал прибор, который мог записать речь на стальную струну. Поулсен перемещался от одного конца проволоки к другому, говоря в микрофон, подсое­диненный к электромагнитной катушке. Когда Поулсен вернул тележку в исходное положение и заменил микрофон динамиком, слышно было его голос в процессе движения тележки. В основе современных устройств магнитной записи ин­формации лежит этот же принцип с той лишь разни­цей, что струна заменена тонкой магнитной пленкой. Применяемые в настоящее время способы записи и считывания информации можно разбить на две груп­пы: магнитный и оптический.

Технология магнитной записи стала широко использо­ваться в различных элементах памяти с начала 1950-х го­дов. Именно эта технология до сих пор применяется в работе большинства компьютеров.

В современных носителях один бит магнитной ин­формации — это один магнит­ный домен, направление вектора намагниченности в котором может быть изменено внешним полем. В маг­нитной записи используются так называемые продоль­ные домены, намагниченность которых ориентирована в плоскости диска. Запись одного бита инфор­мации осуществляется путем подачи тока в электриче­скую катушку. Считывание информации при данной схеме работы может осуществляться различными спо­собами. Данная схема ис­пользуется в процессе работы жестких дисков компью­теров, флоппи-дисков и стриммеров. Для записи битов с высокой плотностью записи необходимо, чтобы не только расстояние между магнитной средой и считыва­ющей/записывающей головкой было мало, но и чтобы сама среда была как можно более тонкой и гладкой.

Одним из наиболее хорошо известных магнитных материалов, используемых для записи, является поро­шок в связывающей матрице (например, лаке). Поро­шок представляет собой микрочастицы с большой оста­точной намагниченностью размером от 0,05 до 1,0 мкм, температурой Кюри от 125 до 770 К и коэрцитивной силой Яс от 22 до 240 кА/м (0,4—3 кЭ) в зависимости от материала. Соединение Y-Fe,O3в недалеком прошлом являлось наиболее популярным материалом для лен­точных магнитных накопителей. Позднее было показа­но, что твердый раствор соединений y-Fe-,O3и y-Fe3O4, а также кобальтсодержащий y-Fe,O3имеют сущест­венно большую коэрцитивную силу, чем соединение y-Fe,O… Величина Нссущественно зависит от размера и формы частиц и, например, в случае феррита бария Нс может изменяться от 56 до 240 кА/м (700—3000 Э).

В отличие от порошковых материалов тонкие пленки — это практически полностью магнитный мате­риал, и, следовательно, в процессе записи информации весь материал пленки находится в зоне действия боль­шого магнитного поля. В то же время при считывании поле, создаваемое отдельными доменами, сконцентри­ровано вблизи поверхности пленки (вблизи головки) и, следовательно, информация может быть считана более эффективно. Таким образом, использование пленок позволяет добиться более высокой по сравнению с по­рошковыми материалами плотности записи. В качест­ве материалов для записи информации используются, например, пленки сплавов кобальта, нанесенные на алюминиевые или стеклянные пластины. Причем ско­рость их вращения может достигать 7200 об./мин. Тол­щина магнитного слоя в пленочных продоль­ных носителях составляет около 10—50 нм. В течение последних лет коммерчески доступными являются дис­ки с плотностью записи несколько Гбит на 1 см2, то есть один бит информации имеет размер 0,8 х 0,06 мкм и менее.

Для предупреждения повреждения пленки, особен­но когда диск начинает двигаться, проводится текстурирование дисков: импульсным лазерным излучением на вращающийся диск наносятся кратероподобные шишки высотой около 20 нм. Шишки расположены по спирали, начинающейся от внутреннего радиуса дис­ка, остальная поверхность диска имеет минимальную шероховатость, является рабочей и используется для магнитной записи. Ожидается, что в ближайшее время будет достигнут практически прямой контакт между средой и головкой. С этой целью необходимо использо­вать практически гладкие материалы толщиной 5—10 нм, покрытые слоем смазки, обеспечивающей практически безфрикшюнное движение головки относительно пло­скости диска.

К средам для магнитной записи предъявляются также следующие требования: стабильность свойств при изменении температуры, механических воздейст­виях, радиации и сырости; неограниченное количество циклов записи и сохранность записанной информации более 30 лет; возможность нанесения антифрикцион­ных/защитных покрытий и использования подложек с хорошей аэродинамикой и, что самое главное, малая стоимость производства.

К преимуществам магнитной записи можно отнести простоту и высокую надежность записи (малую вероят­ность ошибки), более высокую скорость записи/считы­вания по сравнению с оптическими системами; малую стоимость одного бита и сравнительно низкую стои­мость дальнейшего увеличения плотности записи. Не­достатками магнитных систем являются ограничение скорости записи индуктивностью используемого кольца, а также определенное ограничение емкости диска. При использовании механических систем ограничения накладываются также на время доступа к информации и точность позиционирования головки.

В настоящее время для магнитной записи инфор­мации используются индукционные головки. В про­цессе работы головки поле, создаваемое электрической микрокатушкой, концентрируется с помощью магни-топровода в непосредственной близости от поверхнос­ти диска. В отличие от диска головка может перемещаться только в радиальном направлении. Запись продольных доменов различной ориентации осуществляется за счет изменения направления тока в микрокатушке. Сущест­вуют универсальные головки, которые совмещают как функцию записи, так и воспроизведения. Современные жесткие компьютерные диски емкостью 120 Гбайт имеют шесть головок для записи и считывания ин­формации.

Наиболее плотная магнитная запись достигнута с применением тонкопленочных головок для считывания информации, действие которых основано на эффекте гигантского магнитосопротивления. Этот эффект за­ключается в изменении сопротивления материалов под воздействием магнитного поля. Он был открыт лордом Кельвином в 1856 году в обычном железе и составлял 1/3000 долю от величины сопротивления железа в нор­мальных условиях. Ученым удалось найти вещества, в которых относительное изменение сопротивления пре­вышает величину 1%/Э. Этот гигантский эффект и ис­пользуется в считывающих головках компьютеров для регистрации поля, создаваемого одним доменом (маг­нитное поле на поверхности диска не превышает 20— 25 Э). Отметим, что в современных компьютерах за­пись информации осуществляется с помощью индук­ционной головки, а считывание — экранированной  магниторезистивной головкой.

В середине 1970-х — начале 1980-х г.г. фундамен­тальные исследования в области оптической записи достигли уровня, позволившего таким промышлен­ным гигантам, как RСА, «Sony» и «Philips», запустить в производство оптические устройства хранения инфор­мации. Первый оптический диск для хранения инфор­мации был выпущен в 1985 году. Наиболее известными устройствами такого рода в России являются компакт-диски (CD). В каждую из систем для считывания ин­формации с CDвстроен лазерный диод, работающий в ближней инфракрасной области спектра. Этот диод способен легко детектировать выбитые на поверхности диска ямы с характерным размером около 1 мкм и тем самым считывать записанную информацию. Увеличе­ние плотности записи информации на оптических дис­ках в некоторой степени сдерживается отсутствием твердотельных лазеров с меньшей длиной волны. Выпу­скаемые CDпозволяют перезаписывать информацию до ста раз. Оптические системы (так называемые Juke­box) наибольшей емкости могут записывать до 1,45 Тбит на 278 дисках.

Логическим продолжением этих работ стало разви­тие магнитооптического способа записи информации. Помимо обсуждаемой выше продольной записи, кото­рая используется при создании магнитной памяти, су­ществует также и перпендикулярная запись, при кото­рой вектор намагниченности доменов ориентирован перпендикулярно к плоскости диска. Такой тип записи применяется в магнитооптических системах памяти. Первая коммерческая версия магнитооптической сис­темы была выпущена только в 1994 году.

Маг­нитооптические системы используют в своей работе полярный эффект Керра. При этом информация об ориентации намагниченности домена получается при анализе степени вращения плоскости поляризации ла­зерного луча при отражении от пленки (около 0,3°). Первые такие системы использовали ферримагнитные аморфные сплавы редкоземельных и переходных металлов, обладающие перпендикулярной магнитной анизотропией. Состав пленок подбирается таким обра­зом, чтобы температура, при которой происходит переагничивание домена, была близка к точке магнитной компенсации или точке Кюри, где величина Нсзначи­тельно уменьшается. Эффективными составами для магнитооптической записи считаются GdFe, TbCo, TbFe, TbFeCo, Co/Pt, Co/Pdи др.

В настоящее время существуют, например, 5,25-дюймовые перезаписываемые удаляемые (перенос­ные) магнитооптические диски емкостью до 2,3 Гбай-та, 14-дюймовые двухсторонние диски имеют емкость 12 Гбайт. Предполагается, что в ближайшее время циф­ра возрастет до 20 Гбайт даже для 5,25-дюймового дис­ка (при двухсторонней записи).

Для осуществления записи необходимо выполне­ние ряда магнитных, термомагнитных и магнитоопти­ческих требований: направление магнитного момента домена должно быть перпендикулярно плоскости плен­ки; распределение намагниченности по пленке должно быть устойчиво к воздействию размагничивающих по­лей и малых температурных колебаний; в материале должна существовать регулярная и воспроизводимая доменная структура с размером домена около 1 мкм: возможность уменьшения коэрцитивной силы по ве­личине приблизительно на порядок при нагревании; отсутствие изменений в соседних доменах при нагреве (сравнительно плохая теплопроводность); достаточная (для считывания) величина полярного эффекта Керра: максимально возможное отношение сигнала к шуму (более 25 дБ) во всем рабочем интервате температур и т.д.[10]

    продолжение
--PAGE_BREAK--