Следующий раздел: Алфавитный индекс Выше по контексту: Проект Краткая Энциклопедия Вычислительная техника Предыдущий раздел: 2. Побольше теории   Алфавитный индекс

Разделы

3. Носители информации


3.1 Магнито-оптика

Вопрос: Какое максимальное количество информации возможно записать на магнито-оптический носитель в настоящее время?

Ответ: Технология, которая используется при создании обычных лазерных дисков (CD-rom) позволяет записать на один диск около 650 Мбайт информации. Ограничения чисто физические (нельзя создать бесконечно тонкий пучек света из-за дифракции). Если размер физический магнито-оптического диска сравним с размером CD, то ограничение на объем записи примерно такое же.

Сейчас идет становление нового формата для записи компакт дисков DVD-rom -- объем хранимой информации в несколько раз (от 4-ех до 8) превышает объем CD дисков. DVD технология использует для записи сразу несколько слоев в одном диске (вместо 1-го в CD). Может быть скоро появится подобная технология и для магнитооптики.

Для хранения больших объемов данных, когда не критична скорость, лучше всего использовать ленты (около 4Гб на кассете по объему меньше магнитофонной), если скорость доступа критична, то следует воспользоваться съемными носителями информации -- емкость от 250 Мб (дисководы Zip) до 2Гб (пока нет безусловного лидера). Магнитооптика не прижилась в силу своей относительной дороговизны.

То, что сейчас продается на каждом компьютерном углу имеет такие характеристики: 3,5" -- 2,6Gb, 5,25" -- 5,2Gb, и это не рекордные объемы. Современный технологический потолок лежит в пределах 20-30Gb, но для простого покупателя они не доступны.

Рассмотрим принцип работы Магнито-Оптических (МО) дисков. МО диски являются устройствами с так называемой поперечной записью информации. Это значит, что намагничивание феррослоя осуществляется перпендикулярно поверхности слоя. Такой способ записи обеспечивает наивысшую плотность записи и широко используется сегодня как в МО системах, так и в системах с записью/считыванием посредством обычной магнитной головки. Правда головка для поперечной записи/воспроизведения устроена несколько необычно. Она имеет тонкий ``игольчатый'' полюс для записи и широкий полюс для замыкания потока. В результате поле вблизи тонкого полюса велико и достаточно для перемагничивания пленки а поле вблизи широкого полюса мало и феррослой под ним не перемагничивается.

Феррослой МО дисков представляет собой многослойное Pt/Co или Sm/Co покрытие (порядка 10 слоев общей толщиной около 10-20 нанометров), причем ось легкого намагничивания перпендикулярна поверхности феррослоя. Коэрцитивная сила МО покрытий колеблется от 1 до 5 килоэрстэд. Столь высокая коэрцитивная сила обеспечивает высокую надежность записи (запись практически невозможно испортить внешними магнитными полями.

Вернемся к работе МО накопителя. Запись производится следующим образом: поле нужного знака (перпендикулярное поверхности феррослоя) создается подмагничивающим сердечником, размер которого вовсе не мал по сравнению с размером ячейки записи (магнитным доменом) в область, где осуществляется запись фокусируется луч полупроводникового лазера. Луч нагревает пленку выше точки Кюри, при этом она размагничивается. При остывании пленка намагничивается в соответствии с направлением поля в подмагничивающей катушке. Ясно, что перемагничивается область феррослоя размер которой соответствует пятну, в которое сфокусирован свет лазера. Оптика учит нас, что минимальный размер светового пятна определяется длиной волны света и не может быть сделан меньше длины волны.

Обычно рабочая длина волны ПП лазера для МО записи около 780 нанометров. Считая, что размер пятна 0,78х0,78 микрон получим предельную плотность записи порядка $ 1,5\mathchar8705\nobreak\discretionary{}{\usefont{OMS}{cmsy}{m}{n}\char1}{}10^8 b/cm^2$ = 150 мегабит/см$ {}^2$ , что при площади поверхности 3- дюймового МО диска 36см$ {}^2$ дает предельную емкость около 670 мегабайт. Реальная плотность записи всегда несколько ниже и сегодня примерно равна 80 мегабит/см$ {}^2$ для записи 780 нм лазером с обычной плотностью. Т.о. на 3-дюймовой МО дискете помещается примерно 360 мегабайт.

Считывание информации основано на магнитооптическом эффекте Керра . Суть эффекта заключается в том, что при отражении от намагниченной пленки плоскость поляризации светового луча поворачивается. При использовании в оптическом тракте поляриметра это приводит к модуляции яркости отраженного лазерного луча, что позволяет быстро считывать информацию. Понятно, что размер области считывания тоже определяется длиной волны света.

Очевидный путь повышения плотности записи -- уменьшение рабочей длины волны лазера. И интенсивные работы в этом направлении ведутся. Сейчас разрабатываются МО системы, работающие на свете с длиной волны порядка 500нм. Это сразу позволит увеличить плотность записи в 2,5 раза. Однако основной прорыв в проблеме увеличения плотности записи МО носителей произошел в совершенно другом направлении. Инженеры лаборатории Белл (АТ&Т) использовав оптику ближней зоны получили рекордную плотность записи. Они сумели записать и прочитать на Pt/Co носитель информацию с плотностью 45 гигабит на кв.дюйм (это 7 гигабит/см$ {}^2$ = 0,87 гигабайта/см$ {}^2$ ) !!! (http://portal.researh.bell-labs.cjm/leisure/souvenirs/galery/bits.shtml)

При такой плотности записи на 3 дюймовую МО дискету поместится примерно 32 гигабайта! Суть метода в следующем: свет от 780нм ПП лазера вводится в световод, который заканчивается зеркальным конусом. Минимальный поперечный размер световода по которому свет еще может распространятся примерно половина длины волны. От более узкого световода свет отражается обратно, а в самом волноводе затухает экспоненциально на характерной длине соответствующей поперечнику световода. Тем не менее, в конической области размер световода уменьшается примерно до 1/10 длины волны. При этом основная часть света отражается назад, но примерно 1/1000 проходит через отверстие в вершине конуса и попадает на феррослой. Оказывается, что ПП лазер мощностью 10 мВт тем не менее обеспечивает запись сигнала (разогрев МО покрытия выше точки Кюри ), а для считывания информации достаточно гораздо меньшей мощности. Для того, чтобы свет проникающий через конус не рассеивался, отверстие в вершине конуса должно находится на расстоянии от феррослоя не далее десятка нанометров!

Вообще следует осознавать, что у Вас на столе в вашей ЭВМ имеется устройство (МО или винчестерский диск с поперечной записью), в котором осуществляется позиционирование считывающей/записывающей системы с точностью порядка 1/10 микрона! И все это не смотря на вибрации стола и тряску!

Дальнейший резерв увеличения плотности записи в уменьшении рабочей длины волны ПП лазера. Это может дать еще примерно 3-4 раза.

Современная технология изготовления компакт-дисков допускает размещение на них информации с плотностью записи не более 160 Мбит/см$ {}^2$. Ведущие компании мира интенсивно работают над поиском новых технологических решений, направленных на создание носителей с качественно более высокими показателями. Компания ``IBM'' недавно провела успешные испытания диска, на котором информация размещалась с плотностью 7,2 Гбит/см$ {}^2$. Запись и считывание осуществлялись с помощью электронного пучка, а само устройство во многом напоминало электронный микроскоп.

Еще более впечатляют результаты работы П.Краусса и С.Чу (P.Krauss, S.Chou; Университет штата Миннесота, США), сумевших разместить на 1 см$ {}^2$ 64 Гбит! Успех последовал после применения оригинального метода нанолитографии, разработанного в этом университете. Авторы рекламируют свой метод, как достаточно простой, дешевый и производительный. Печать дисков может производиться по готовой матрице с помощью, так называемой, молдинг-технологии, которая уже стала стандартной. На поверхности демонстрационного диска элементы записи размером 10 нм разнесены на расстояния 40 нм.

В отличие от разработки ``IBM'' коммерческое освоение этих дисков пока сдерживается, поскольку здесь еще не найден эффективный способ считывания информации. По мнению Чу, реализовать считывание можно устройством, конструктивно похожим на профилометр, но работающим в режиме свободных колебаний наконечника. Тончайшая кремниевая игла движется вдоль поверхности диска на очень малом расстоянии от него. Имея высокую добротность, игла колеблется на частоте собственного механического резонанса. Однако взаимодействие с поверхностью диска вызывает вариации этой частоты, что фиксируется электронной схемой и позволяет различать элементы записи.

Измерение микропрофиля поверхности, а в более общем случае -- распределения величин, характеризующих физические (и химические) свойства поверхности, восходит к туннельному микроскопу. Затем были созданы атомно-силовой и магнитно-силовой микроскопы.

Вообще разработчики компакт-дисков полагают, что ближайшие новые образцы будут иметь диаметр всего 2 см, причем если на современном диске умещается лишь 10-минутный видеофильм среднего качества, то на этих маленьких гигантах -- 5-часовой, высококачественный!


Литература: ``Природа'' N5, 1999.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru

3.2 Носители информации

Вопрос: Какое максимальное количество информации возможно записать на магнито- оптический носитель в настоящее время?

Ответ: Технология, которая используется при создании обычных лазерных дисков (CD-rom) позволяет записать на один диск около 650 Мбайт информации. Ограничения чисто физические (нельзя создать бесконечно тонкий пучек света из-за дифракции). Если размер физический магнито-оптического диска сравним с размером CD, то ограничение на объем записи примерно такое же.

Сейчас идет становление нового формата для записи компакт дисков DVD-rom -- объем хранимой информации в несколько раз (от 4ех до 8ми) превышает объем CD дисков. DVD технология использует для записи сразу несколько слоев в одном диске (вместо 1го в CD), может быть скоро появится подобная технология и для магнитооптики.

P.S. Для хранения больших объемов данных, когда не критична скорость лучше всего использовать ленты (около 4Гб на кассете по объему меньше магнитофонной), если скорость доступа критична, то следует воспользоваться съемными носителями информации -- емкость от 250 Мб (дисководы Zip) до 2Гб (пока нет безусловного лидера). Магнитооптика не прижилась в силу своей относительной дороговизны.

(c) Балдин Е.М. E.M.Baldin@inp.nsk.su


3.3 Жесткие диски

Вопрос: Скажите, какого объема существуют жесткие диски, и какие фирмы их произвели?

Ответ: Теоретически можно сделать жесткий диск любого размера. Ограничения накладываются существующими стандартами интерфейсов жестких дисков (договоренностями между ведущими фирмами, которые воплощаются в железе).

На данный момент наиболее популярные интерфейсы для жестких дисков на персональных компьютерах это IDE и SCSI (читается как скази). Если компьютер стоит у вас дома, то с вероятностью 99,999% ваш диск использует интерфейс IDE. Диски, использующие интерфейс SCSI дороже, плюс к ним нужна дополнительная плата (сам интерфейс, в то время как поддержка IDE встроена в материнскую плату), но SCSI не ограничивает размер дискового пространства, можно цеплять любое количество SCSI устройств (ограничение для IDE, как правило, 4 диска). SCSI может быть быстрее IDE. С точки зрения рядового потребителя все достоинства SCSI перебиваются его ценой и проблемами с совместимостью. (Это только так говорят -- ``стандарт SCSI'', на самом деле это целое семейство стандартов: SCSI-I, SCSI-2, UltraSCSI и т.д. и т.п.).

Какие же ограничения накладывает использование интерфейса IDE. Если операционная система производит ввод- вывод через BIOS (как это делал DOS) и если у вас компьютер где-то 3-ех летней давности, то вы рискуете не увидеть диск емкостью более чем:

$\displaystyle \frac{1024s\mathchar8705\nobreak\discretionary{}{\usefont{OMS}{cm...
...har8705\nobreak\discretionary{}{\usefont{OMS}{cmsy}{m}{n}\char1}{}1024} = 504MB$

. В свое время (3-4 года назад) это было проблемой. Сейчас эта не проблема, благодаря появлению новых стандартов и договоренностей. Вот выдержка из файла ide.txt, распространяемого вместе с дистрибутивом ядра для операционной системы Linux: ``The ATA Interface spec for IDE disk drives allows a total of 28 bits (8 bits for sector, 16 bits for cylinder, and 4 bits for head) for addressing individual disk sectors of 512 bytes each (in ``Linear Block Address'' (LBA) mode, there is still only a total of 28 bits available in the hardware). This ``limits" the capacity of an IDE drive to no more than 128GB (Giga-bytes). All current day IDE drives are somewhat smaller than this upper limit, and within a few years, ATAPI disk drives will raise the limit considerably''.

То есть при использовании LBA моды у нас есть некий лимит в 128 Гигабайт. На данный момент для домашнего компьютера более чем достаточно диска в 5 GB (цены позволяют). В том же файле (ide.txt) автор советует использовать диски следующих производителей: ``In particular, I recommend Quantum FireBalls as cheap and exceptionally fast. The new WD1.6GB models are also cheap screamers''.

У меня стоит Quantum FireBalls5.1 - я им доволен, пару лет назад в Новосибирск была завезена очень большая партия бракованных WD1.2GB -- поэтому доверие к этой фирме незаслуженно упало.

Жесткие диски выпускают фирмы Fujitsu, IBM, Segate, и многие другие. Самыми популярными являются SeeGate и Quantium, производящие диски объемом от 2 до 10 Гигабайт. В нашей стране достаточно распространены диски меньших объемов (от 200 Килобайт до 2 Мегабайт), которые импортировались ранее, но до сих пор не распроданы. Если Вы намерены приобрести диск, то рекомендуем обратить внимание на следующие его параметры:

  • объем дискового пространства должен удовлетворять Вашим задачам (для современных персональных компьютеров - от 2 до 4 Гигабайт),
  • технологические особенности диска (например, не имеет смысла покупать SCSI-диск, если у Вас нет SCSI-устройства),
  • фирма-производитель (наиболее ``долгоживущими'' являются диски SeeGate и Quantium, именно этим объясняется их популярность).

(c) Балдин Е.М. E.M.Baldin@inp.nsk.su



E.M.Baldin@inp.nsk.su
23 Января 2000