Конспект лекций «Элементная база РЭС» (стр. 13 )

Наибольшее распространение получили полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур, арсенида галлия и фосфида индия.

Лазеры подразделяются на одномодовые и многомодовые. Одномодовые могут излучать строго на одной длине волны.

Чаще всего сейчас используются лазеры на двойной гетероструктуре. В этих устройствах материал с более узкой шириной ЗЗ располагается между 2мя слоями материала с более широкой шириной ЗЗ. Основным примером является бутерброд AlGaAs | GaAs | AlGaAs. Такая гетероструктура способна излучать свет с длиной волны от 750 нм до 900 нм. Для излучения в ИК диапазоне (от 3 до 30 мкм) используют лазеры, изготовленные на основе полупроводниковых структур из халькогинидов свинца (свинец, олово, сера и др. материалы).

Жёсткий диск

Накопители на жёстких дисках (винчестера) – один из основных устройств хранения информации в настоящее время. HDD (Hard disk drive). ЖД основан на принципе магнитной записи. Запись информации идёт на жёсткие алюминиевые, либо стеклянные пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала (оксид хрома, оксид железа, кобальт и оксид марганца). В винчестерах используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин (расстояние от 10нм до единиц мкм). При этом тенденция, связанная с увеличением плотности записи предполагает, что расстояние должно быть минимальным. Зазор между головкой и диском обеспечивается благодаря прослойке набегающего воздуха, образующейся вследствие быстрого вращения диска. Отсутствие механического контакта между головкой и диском обеспечивает большой срок службы. При отсутствии вращения диска, головки находятся за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их контакт с поверхностью диска.

Характеристики:

- ёмкость: количество данных, которые могут храниться в накопителе. Предельно достижимая серийная ёмкость 3Тб.

- физический размер: 3,5” либо 2,5”. Существуют также 1,8 1,3 и 1. В настоящее время не производятся 5,25 и 8.

- время произвольного доступа: время, за которое винчестер выполняет операцию чтения или записи (2,5..16 мс). Как правило, минимальным временем обладают серверные диски.

- скорость вращения шпинделя: 4200, 5400, 7200 об/мин – для ноутбуков, для серверов 10000 и 15000 об/мин. Увеличению скорости вращения шпинделя в ноутбуках препятствует гироскопический эффект.

- сопротивляемость ударам: сопротивляемость накопителя резкому изменению ускорения.

- скорость передачи данных: 40..100 и более Мб/с.

- объём буфера: буфер – промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. 8..64 Мб.

Устройство жёсткого диска

РИС1 (конструкция)

Состоит из двух частей: гермозона (гермоблок) и блок электроники

Гермозона:

- корпус из прочного сплава

- диски с магнитным покрытием (в вакууме ионно-плазменным напылением)

- блок головок (коромысло из пружинистой стали, закреплённый на оси) с устройством позиционирования.

Большинство моделей имеют 1..2 пластины.

Пока диски не разогнались до крейсерской скорости, головки удерживаются в зоне парковки, что предотвращает падение на блин и повреждение пластин. Привод шпинделя – 3хфазный, смонтирован на оси шпинделя. Статор содержит 3 обмотки, включённые звездой. Ротор представляет собой постоянный магнит. Для обеспечения малого биения на высоких оборотах, а также для повышения удароустойчивости устройства, подшипники выполнены по гидродинамическому принципу. Гермозона заполнена очищенным и осушенным воздухом или нейтральным газом (азотом). Для выравнивания давления в гермозоне устанавливается тонкая металлическая или пластиковая мембрана. Иногда внутри гермозоны вкладывают силикогель для поглощения влаги, в других вариантах гермозона общается с окружающей средой небольшим отверстием с фильтром. Сборку гермозоны ЖД производят в «чистых комнатах». Уровень чистоты – порядка 100 пылинок/м3 воздуха. Выравнивание давления необходимо для ликвидации деформации при перепадах давления и при перепадах температуры.

Блок электроники.

В первых конструкциях ЖД блок электроники содержал только модуль аналоговой обработки и модуль управления двигателем. В современных устройствах кроме того, блок электроники содержит управляющий блок, ПЗУ, блок цифровой обработки сигнала, буферную память и интерфейсный блок.

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему, принимающую сигнал позиционирования головок и вырабатывающую управляющее воздействие на неё; коммутация информационных потоков с различных головок; управление скоростью вращения шпинделя; осуществляет обработку таких параметров, как угловые ускорения, давление и температура.

Блок запоминающего устройства хранит управляющие программы для блоков управления и в некоторых случаях служебную информацию жёсткого диска.

В качестве буферной памяти используется быстродействующая статическая ОЗУ, принципиально позволяет увеличивать быстродействие накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала

РИС2

Поверхность пластины делится на дорожки – концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на секторы. Все дорожки в заданной зоне имеют одинаковое количество секторов. Цилиндр – совокупность дорожек, равноотстоящая от центра на всех пластинах диска. Дорожки как правило сгруппированы в несколько зон, в пределах которых количество секторов одинаково для дорожек. Традиционный размер сектора равен 512 байтам.

Для считывания используется головка с магниторезистивным эффектом. При этом изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления.

1956 – первый HDD IBM, ёмкость 3,5мб, вес 900кг

1980 – первый HDD размером 5, 25”, 5 Мб

1991 – достигнута ёмкость 100 Мб

2002 – 137 Гб

2006 – появление первых гибридных жёстких дисков (накопитель на ЖД совмещён с флеш-памятью)

2007 – первый коммерческий 1Тб диск Hitachi

2009 – WD объявила о создании 2,5” HDD объёмом 1Тб

2010 – Seagate анонсировал 3Тб диск

Теоретические основы записи информации на HDD

Магнитная запись базируется на ферромагнитных свойствах некоторых веществ, заключающихся в способности сохранять намагниченное состояние в условиях отсутствия магнитного поля. В случае, когда это состояние не сохраняется (вероятность сохранения недостаточно высока), запись информации невозможна. Если размер магнитного домена становится слишком малым, то возможно наступление т. н. суперпарамагнитного эффекта, т. е. несохранение намагниченного состояния в результате случайного движения частиц в домене. Если вещество намагничено, то его частицы имеют определённый магнитный порядок, устойчивость которого зависит от размеров домена. При этом частицы вещества находятся в движении (скорость движения пропорциональна температуре), и если размер домена слишком мал, энергия магнитного взаимодействия становится сравнимой с температурной энергией, и магнитный порядок может нарушаться. Таким образом, размер домена имеет определённый физический предел. Этот предел зависит от:

1) От температуры. Чем меньше температура, тем меньше суперпарамагнитный эффект. Использовать эту зависимость для практических целей тяжело. Поэтому для увеличения плотности записи существует несколько других путей. Направление развития HDD связано с разработкой новых веществ с приемлемой константой магнитной анизотропии. Константа магнитной анизотропии – это величина, показывающая, какую коэрцетивную силу нужно приложить к веществу для изменения его намагниченности. Чем больше величина силы, тем стабильнее ведёт себя вещество и тем меньше его суперпарамагнитный эффект. Однако использование таких материалов приводит к усложнению процесса записи.

РИС3

Три пути увеличения плотности записи:

1) параллельная и перпендикулярная запись

При продольной записи информация записывается с помощью магнитной головки, которая, проходя над поверхностью диска, намагничивает домены. При этом вектор намагниченности домена параллелен поверхности диска. Каждый домен является нулём либо единицей в зависимости от направления.

При перпендикулярной записи биты информации сохраняются в вертикально намагниченных доменах, что позволяет увеличить скорость записи, но при этом требуются более сильные магнитные поля. Если посмотреть на конкретный домен в отдельности, то в обоих случаях суперпарамагнитный предел не зависит от направления намагниченности, но причина более высокой плотности записи при перпендикулярной записи объясняется не внутренними характеристиками одного домена, а силами взаимодействия между доменами. При технологии параллельной записи силы магнитного взаимодействия между соседними доменами гораздо больше, чем при перпендикулярной записи (т. к. «магниты» расположены полюсами друг к другу).

Особенность перпендикулярной записи – необходимость дополнительного слоя, а также принципиально других двухсторонних головок, способных генерировать более сильное магнитное поле. Физический предел перпендикулярной записи – 1Тбит/дюйм2.

Структурированный носитель. В обычных носителях каждый магнитный домен состоит из нескольких десятков структурных элементов – зёрен, каждое из которых теоретически способно выполнять функции домена и содержать в себе 1 бит информации. Структурированная запись заключается в том, чтобы уменьшить количество зёрен в одном домене для того, чтобы уменьшить погрешность в одном элементе при суперпарамагнитном эффекте. Для носителей, использующих принцип структурирования записи, необходим технологический процесс, определяющий размер домена. Дело в том, что для достижения плотности записи 1Тбит/дюйм2, необходимо формировать домены с линейным размером порядка 30 нм.

Второй способ реализации структурированных носителей – это использование самооргнаизующихся материалов. Один из таких материалов – железо-платина. В этом направлении работают Hitachi и Seagate (2008г.).

Третий метод – термоассестируемая магнитная запись (Heat Assisted Magnetic Recording).

Термоассестируемая магнитная запись сочетает 2 способа отвода суперпарамагнитного эффекта:

1) изменение температуры в момент записи