Atjaunots 2023. gada 28. jūlijā
Andris Antuzevičs

magnētiskā atmiņa

(angļu magnetic storage, vācu Magnetische Speicher, franču stockage magnétique, krievu магнитное запоминающее устройство), arī magnētiskās datu glabāšanas ierīces

tādu atmiņas ierīču kopums, kurās informācijas glabāšana tiek nodrošināta feromagnētiska materiāla slānī mainīgas magnētisko domēnu orientācijas veidā

Saistītie šķirkļi

Magnētiskās atmiņas ierīces.

Avots: Shutterstock.com.

Iedalījums, struktūra

Magnētiskās atmiņas realizācijas veidi, kurus izmanto mūsdienās, ir:

cietais disks (hard disk drive, HDD);
magnētiskā lente (magnetic tape);
magnētiskais celiņš kredītkartēs (magnetic stripe).

Vēsturiski svarīgas bijušas arī tādas magnētiskās datu glabāšanas ierīces kā diskete (floppy disk), magnētiskā veltņa atmiņa (magnetic drum storage), magnētiskā kodola atmiņa (magnetic core memory) un domēnatmiņa (bubble memory).

Materiālu magnētiskās īpašības un manipulācijas ar tām raksturo cietvielu fizika un materiālu fizika. Cietā diska darbības principus, komunikāciju ar pārējām datora komponentēm un bināro datu glabāšanas sistēmu skaidro datorzinātne.

Izgudrošanas un attīstības vēsture. Nozīmīgākie atklājēji, izgudrotāji

Viens no pirmajiem magnētiskajiem datu nesējiem bija magnētiskā lente. To 1928. gadā izgudroja inženieris Fricis Pflēmers (Fritz Pfleumer). Pirmajā izpildījumā sistēma sastāvēja no magnetizējama pulvera, kas tika uzklāts uz plānas papīra loksnes. Vācu uzņēmums AEG no F. Pflēmera patentu iegādājās 1932. gadā un sāka pirmā magnetofona kasešu atskaņotāja izstrādi.

Magnētisko veltņa atmiņu – cietā diska priekšteci – 1932. gadā izgudroja austriešu informācijas tehnoloģiju aizsācējs Gustavs Taušeks (Gustav Tauschek). Vienkāršākajā realizācijā ierīce sastāvēja no metāla cilindra, kas tika pārklāts ar feromagnētisku materiālu. Informācija tika ierakstīta un nolasīta, izmantojot nekustīgas ierakstīšanas un nolasīšanas “galviņas”. G. Taušeka oriģinālās ierīces ietilpība bija 500 000 bitu (62,5 KB). Magnētiskie veltņi kā datora atmiņas elementi plaši tika izmantoti 20. gs. 50. un 60. gados.

Magnētiskā kodola atmiņa bija visizplatītākā brīvpiekļuves atmiņas forma no 1955. līdz 1975. gadam. Patentus par ierīces realizāciju iesniedza amerikāņu izgudrotājs Frederiks Vīhe (Frederick Viehe) 1947. gadā, Šanhajā dzimušais amerikāņu fiziķis Ans Vangs (??) 1949. gadā, poļu izcelsmes RCA inženieris Jans Rahmans (Jan Aleksander Rajchman) 1950. gadā un Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta (Massachusetts Institute of Technology, MIT) datorsistēmu inženieris Džejs Foresters (Jay Wright Forrester) 1951. gadā. Binārā informācija kodola atmiņā tika saglabāta režģī izkārtotā gredzenu struktūrā. Caur katru gredzenu bija izvīti vadi, kuru elektriskie impulsi kontrolēja attiecīgā gredzena magnetizāciju.

Pirmais komerciālais dators, kurā tika izmantots cietais disks ar kustīgām ieraksta/nolasīšanas galviņām, bija IBM 305 RAMAC. 1956. gadā radītās sistēmas masa bija aptuveni 1 tonna, un tajā varēja saglabāt 5 megabaitus (MB) informācijas. Sākotnējo cieto disku iekārtas bija pārāk lielas un dārgas, tādēļ tās nebija piemērotas mazu biroju vajadzībām vai lietošanai mājās. Pirmo cieto disku ar 1 gigabaita (GB) ietilpību 1980. gadā prezentēja uzņēmums IBM. 20. gs. 80. gados cietie diski tika miniaturizēti līdz 3,5 (pirmā sāka ražot kompānija Rodime 1983. gadā) un 2,5 collu (PrairieTek 1988. gadā) diametru formātiem. Šie formāti kļuva par disku fizisko izmēru standartu, ko izmanto vēl joprojām.

1988. gadā franču fiziķis Albērs Fērs (Albert Fert) un vācu fiziķis Pēters Grīnbergs (Peter Andreas Grünberg) atklāja gigantiskās magnetopretestības (giant magnetoresistance, GMR) efektu nanoizmēru magnētisko slāņu struktūrās. 2007. gadā abiem zinātniekiem par to tika piešķirta Nobela prēmija fizikā. Atklājums bija nozīmīgs GMR tipa informācijas ierakstīšanas/nolasīšanas sensoru izstrādē, kas ļāva palielināt informācijas ieraksta blīvumu cietā diska virsmā. Sensoru turpmākā attīstība un perpendikulārā tipa ieraksta (perpendicular recording) ieviešana sekmēja pirmā 1 terabaita (TB) komerciālā cietā diska izstrādi, kuru 2007. gadā prezentēja kompānija Hitachi.

Cieto disku ražošanas apjoma maksimums tika sasniegts 2010. gadā. Kopš tā laika vērojams pakāpenisks cieto disku ražošanas un pārdošanas apjomu kritums, kas ir skaidrojams ar straujo cietvielu atmiņas ierīču un tīmeklī balstītu informācijas glabāšanas servisu attīstību.

Ierīces raksturojums, sastāvdaļas, materiāli, darbības principi

Magnētisko atmiņas ierīču pamatā ir informācijas ieraksts, izmantojot vielas magnētiskās īpašības. Datu glabāšanai tiek izmantoti feromagnētiski materiāli – vielas, kas magnētiskā lauka klātbūtnē magnetizējas un pēc lauka noņemšanas savu magnetizāciju saglabā. Feromagnētisma mikroskopiskais mehānisms ir vielas atomu magnētisko momentu orientēšanās un apvienošanās magnētiskajos domēnos. Izvēloties divas domēnu orientācijas, materiālā ir iespējams ierakstīt informāciju binārā koda (“1” un “0”) veidā.

Informācijas ieraksta shematisks attēlojums magnētiskā datu nesējā.

Autors Fouad A. Saad. Avots: Shutterstock.com.

Cietajā diskā dati tiek glabāti cietās diskveida platēs (platters), kas pārklātas ar magnētisku materiālu. Informācija tiek organizēta disku celiņos un sektoros izkārtotās magnētisko domēnu struktūrās. Plates ir nostiprinātas uz ass (spindle), kuras rotācija lielā ātrumā (7200–15000 apgriezieni minūtē) tiek nodrošināta ar elektromotora palīdzību. Dažu nanometru augstumā virs diskiem atrodas ierakstīšanas/nolasīšanas galviņas, ar kuru palīdzību iespējams detektēt un modificēt zem tām esošo magnētisko domēnu orientāciju. Domēnus orientē ar ārēju magnētisko lauku, ko rada ierakstošajam elementam pievadītie elektriskās strāvas impulsi. Ap pašiem magnētiskajiem domēniem veidojas lokāls magnētiskais lauks, tādēļ to orientācijas nolasīšanai piemēroti ir sensori, kuru elektriskā pretestība atkarīga no magnētiskā lauka stipruma. Galviņu pozīciju precīza kontrole tiek nodrošināta ar sviru, kas savienota ar aktuatoru. Integrālā shēma kontrolē cietā diska darbību un datu apmaiņu ar pārējām datora komponentēm. Lai ierīci pasargātu no bojājumiem, to ievieto noslēgtā korpusā.

Magnētiskā cietā diska galvenās komponentes.

Avots: Shutterstock.com.

Galvenie cieto disku parametri ir informācijas nolasīšanas/ierakstīšanas ātrums un ietilpība. Darbības ātrumu galvenokārt ierobežo ierīces mehāniskie darbības parametri – disku rotācija un galviņas pozicionēšana. Lielāku ietilpību var panākt, veidojot domēnus ar mazākiem izmēriem. Magnētisko atmiņas ierīču miniaturizāciju ierobežo superparamagnētiskā robeža (superparamagnetic limit) – parādība, kad domēnu mazo izmēru dēļ termiskās fluktuācijas var spontāni izraisīt izmaiņas magnetizācijas vērtībās, radot informācijas zudumus. Lai magnētisko atmiņas ierīču ietilpību tomēr palielinātu, tiek izstrādātas arvien jaunas informācijas ierakstīšanas tehnoloģijas.

Pielietojums zinātnē, pētniecībā, ražošanā

Cietos diskus lieto digitālās informācijas glabāšanai datoros. Ārējie cietie diski ir ērti datu nesēji ar lielu ietilpību informācijas pārvietošanai no vienas ierīces uz citu.

Magnētiskās lentes mūsdienās tiek izmantotas lielos uzņēmumos un organizācijās ilgtermiņa datu glabāšanai rezerves kopiju un arhīvu nolūkiem. Lai gan tehnoloģija var šķist novecojusi, tā nodrošina izmaksu ziņā efektīvu un uzticamu informācijas glabāšanu.

Nozīmīgākie ražotāji

Cietos diskus ražo uzņēmumi Seagate, Toshiba un Western Digital. Magnētisko lenšu lielākie ražotāji ir Sony un Fujifilm. Viens no lielākajiem lenšu nolasīšanas ierīču ražotājiem ir IBM.

Mūsdienu atklājumi, problemātika

Ražotāju centieni ir vērsti magnētisko atmiņas ierīču parametru – ietilpības un darbības ātruma – uzlabošanai, tajā pašā laikā nodrošinot stabilu ierīces darbību un zemas izmaksas. Palielināt informācijas ieraksta blīvumu kļūst arvien problemātiskāk domēnu nanoizmēru dēļ, tādēļ izstrādes stadijā ir vairākas jaunas cieto disku tehnoloģijas, tajā skaitā:

magnētiskais ieraksts, izmantojot papildu karsēšanu (heat assisted magnetic recording, HAMR);
magnētiskais ieraksts, izmantojot papildu mikroviļņu starojumu (microwave assisted magnetic recording, MAMR);
magnētiskais ieraksts vidē, kur bitus veido atsevišķi magnētiskie domēni (bit patterned recording, BPR), un citas.

Nopietns konkurents magnētisko cieto disku tehnoloģijām ir pusvadītāju diski, kuru veiktspējas parametri datu apstrādes ātrumā ir labāki, informācijas ietilpība ir līdzīga, bet cenas ir kļuvušas pieejamākas.

Aktīvas izpētes un izstrādes stadijā ir magnetopretestības brīvpiekļuves atmiņa (magnetoresistive random access memory, MRAM). Atšķirībā no pašreizējām pusvadītāju RAM ierīcēm, MRAM ir energoneatkarīgs atmiņas veids, kas ierīcēm varētu nodrošināt zemāku enerģijas patēriņu un uzticamākas datu glabāšanas iespējas.

Multivide

Magnētiskās atmiņas ierīces.

Avots: Shutterstock.com.

Informācijas ieraksta shematisks attēlojums magnētiskā datu nesējā.

Autors Fouad A. Saad. Avots: Shutterstock.com.

Magnētiskā cietā diska galvenās komponentes.

Avots: Shutterstock.com.

magnētiskā atmiņa

Saistītie šķirkļi

Magnētiskās atmiņas ierīces.

Satura rādītājs

Satura rādītājs

Informācijas ieraksta shematisks attēlojums magnētiskā datu nesējā.

Magnētiskā cietā diska galvenās komponentes.

Multivide

Autora ieteiktie papildu resursi

magnētiskā atmiņa

Saistītie šķirkļi

Magnētiskās atmiņas ierīces.

Satura rādītājs

Satura rādītājs

Informācijas ieraksta shematisks attēlojums magnētiskā datu nesējā.

Magnētiskā cietā diska galvenās komponentes.

Multivide

Saistītie šķirkļi

Autora ieteiktie papildu resursi

Ieteicamā literatūra