Jste zde

TMR – 4.díl – čtecí hlavy harddisků

Antonín Vojáček, 30. Září 2011 - 23:13

Dnes se stručně podíváme na aktuální problematiku čtení i záznamu dat na současných harddiscích, nejen tedy jen na technologii TMR čtecích hlav, která měla ve vývoji doposud významnou roli.

Základní problematiku a možnosti realizace čtecích hlav starších i moderních harddisků jsem již naťukl v článku v rámci seriálu o GMR technologii – viz článek "GMR senzory mag. pole - 3. díl – čtecí hlavy harddisků".

V něm jsem na počátku zahájil vyprávění o vzniku prvních GMR hlav (přesněji CIP-GMR hlav) a následně jejich vývoji, přičemž na jeho konci jsem nastínil nutnost použití CPP-GMR technologie jako aktuálně schopné zajistit čtení hustoty zápisu dat (bitů) v řádu jednotek Tb/in2 (terabitů na čtvereční palec). Jenže již jsem příliš nevypíchl fakt, že mezi přechodem mezi těmito dvěma verzemi GMR byl realizován takovou malou odbočkou přes technologii TMR.

Ta se dá říct vládla v oblasti čtecích hlav harddisků v období od roku cca 2002 do 2007, kdy vlivem malé citlivosti GMR na proměnné mag. pole a relativně velké ploše struktury této technologie již jen TMR dále umožňovala zvyšovat hustotu zápisu. Ta totiž byla na rozdíl od původní GMR, kde se sendvičová struktura doposud realizovala jako paralelní k ploše disku (tedy v provedení CIP), z principu své fyzikální funkce vždy realizována jako paralelní k ploše disku (tedy v provedení CPP). Ve výsledku tak šlo realizovat snímací plochu senzoru výrazně menší a navíc díky větší citlivosti na magnetické pole (tedy že i menší mag. pole způsobí větší změnu odporu) vykazovala lepší reakci na slabý magnetický záznam.

Jenže postupně s další rostoucí hustotou záznamu se začaly negativně projevovat ostatní vlastnosti TMR technologie, tedy z principu vysoký el. odpor senzoru a s ním spojená dost vysoká hodnota generovaného signálového šumu. Ten výrazně snižuje hodnotu parametru odstupu signál-šum (SNR), který je pro spolehlivé rozpoznání jednotlivých bitů téměř klíčový. Ve výsledku tak následně povedená realizace CPP-GMR senzoru je i přes nižší citlivost na mag. pole pro velkou hustotu zápisu výhodnější.

Vývoj hustoty zápisu, rozměrů jednotlivých bitů záznamu a technologií pro čtení.

Moderní harddiskové hlavy

V době používání čtecího senzoru v podobě TMR struktury se již v oblasti provedení celé harddiskové hlavy využívalo kompaktního provedení, kdy zápisová část se čtecí sdílí stěnu jádra zápisové cívky jako stínění.

V té době se však stále ještě provádělo ukládání informace na magnetický disk v tzv. podélné podobě, tedy v podobě střídání kladných a záporných mag. pólů v rovině disku = technologie podélného magnetického zápisu ("Longitudinal Recording").

V současné době se však již z důvodu požadavku vysoké hustoty zápisu přešlo na mírně odlišnou strukturu s kolmým natočením magnetických dipólů = technologie kolmého magnetického zápisu ("Perpendicular Recording"). Jak je z obrázku níže jasně patrné, plocha zaznamenaného bitu na disku je výrazně menší, čímž se jich na stejnou plochu prostě „vejde víc“.

Příklad provedení harddiskové hlavy (nahoře), struktury zapsaných dat (uprostřed) a průběh čtecím TMR senzorem generovaného signálového napětí (dole).

Toto řešení však znamená zvýšené požadavky kladené na následné čtení takto úzkých bitů. Jde o to, aby na výstupu ze snímače byla napěťová úroveň signálu daného bitu dostatečně výrazná natolik, aby bylo možné spolehlivě rozeznat logickou úroveň od náhodného šumu. Čím menší plochu tvoří záznam bitu, tím více se uplatňují nejen negativní funkční vlivy senzoru, ale i záznamového média.

Parametry harddiskového záznamu dle hustoty zápisu v gigabitech na čtvereční palec - šířka zapisové magnetické cesty (Track Width), velikost čtecího senzoru se stíněním (Shield Spacing) a potřebný odstup signál-šum (SNR).

Od hustoty zápisu přes 100 Gb/in2 je hlavním zdrojem šumu magnetický šum, šum spinového momentu a samozřejmě tepelný Johnsonův šum, jehož zdrojem je každý el. odpor (z důvodu kolize elektronů s atomy vodiče). Ten bohužel s el. odporem roste. Proto v poslední době na pozici čtecích senzorů harddiskových hlav najdete CPP-GMR technologii místo TMR. Ta totiž díky své struktuře s oddělovacím izolantem "uprostřed" logicky vždy vykazuje vyšší jmenovitý odpor než GMR struktura s vodivou oddělovací vrstvou. To je u TMR aktuálně jejich hlavní nevýhoda, i když na změnu mag. pole reagují změnou odporu mnohokrát výrazněji i než CPP-GMR.

Vývoj provedení čtecích hlav (magnetických senzorů) od počátku výroby harddisků do současnosti, používané snímací technologie, hodnota hustoty zápisu, provedená čtecí hlavy (CIP vs. CPP) a hlavní druhy rušení ovlivňující funkci čtení magnetického záznamu.

Porovnání odporu magnetorezistivního senzoru čtecí hlavy harddisků typu CPP-GMR a TMR.

Budoucnost čtecích hlav harddisků

Samozřejmě vědci pracují „na plné obrátky“ a ekonomika spolu s tlakem zákazníků nedá všem hlavním výrobcům harddisků na trhu spát. I když se paralelně pracuje na nových doposud nevyužívaných technologiích zápisu a skladování dat, např. systému RACETRACK, magnetický záznam bitů na harddiscích bude ještě dlouho nejdostupnější pro potřeby běžného ukládání a čtení velkých objemů dat.

Zatím se však zcela jistě neví jaký princip bude možné dále využít. Půjde o opětovné nasazení vylepšené technologie TMR či další již existující principy magnetorezistence, tedy technologie CMR (colossal magnetoresistance), EMR (Extraordinary Magnetoresistance), či teprve nedávno v laboratořích „zprovozněné“ CBMR (Coulomb Blockade Magnetoresistance), TAMR (Tunneling Anisotropic Magnetoresistance)? Na pomyslném seznamu však čekají i jiné principy, jako například Spin Accumulation Sensor.

Vývoj hustoty zápisu moderních harddisků různých výrobců a odhad vývoje v nejbližší budoucnosti.

Závěr

Postupně jsme si stručně představili většinu možností použití TMR technologie magnetorezistence. V některém z dalších článků bych se rád věnoval některé z nastupujících struktur, které jsou již známé....

Článek vytvořil z podkladů výrobců: Antonín Vojáček