Stockage magnétique - Magnetic storage

Enregistrement longitudinal et enregistrement perpendiculaire , deux types de têtes d'écriture sur un disque dur.

Le stockage magnétique ou enregistrement magnétique est le stockage de données sur un support magnétisé . Le stockage magnétique utilise différents modèles de magnétisation dans un matériau magnétisable pour stocker des données et est une forme de mémoire non volatile . L'accès aux informations s'effectue à l'aide d'une ou plusieurs têtes de lecture/écriture .

Les supports de stockage magnétiques, principalement les disques durs , sont largement utilisés pour stocker des données informatiques ainsi que des signaux audio et vidéo . Dans le domaine informatique, le terme stockage magnétique est préféré et dans le domaine de la production audio et vidéo, le terme enregistrement magnétique est plus couramment utilisé. La distinction est moins technique et plus une question de préférence. D'autres exemples de supports de stockage magnétiques incluent les disquettes , les bandes magnétiques et les bandes magnétiques sur les cartes de crédit.

Histoire

Le stockage magnétique sous forme d' enregistrement sur fil (enregistrement audio sur un fil) a été publié par Oberlin Smith dans le numéro du 8 septembre 1888 de Electrical World . Smith avait déjà déposé un brevet en septembre 1878 mais n'a trouvé aucune opportunité de poursuivre l'idée car son entreprise était les machines-outils. Le premier enregistreur magnétique présenté publiquement (Exposition de Paris de 1900) a été inventé par Valdemar Poulsen en 1898. L'appareil de Poulsen enregistrait un signal sur un fil enroulé autour d'un tambour. En 1928, Fritz Pfleumer met au point le premier magnétophone . Les premiers dispositifs de stockage magnétique ont été conçus pour enregistrer des signaux audio analogiques . Les ordinateurs et maintenant la plupart des dispositifs de stockage magnétique audio et vidéo enregistrent des données numériques .

Dans les anciens ordinateurs, le stockage magnétique a également été utilisé pour le stockage primaire dans une forme de tambour magnétique ou la mémoire centrale , la mémoire de corde noyau , la mémoire à film mince , la mémoire twisteur ou mémoire à bulles . Contrairement aux ordinateurs modernes, la bande magnétique était également souvent utilisée pour le stockage secondaire.

Concevoir

Les disques durs utilisent la mémoire magnétique pour stocker des gigaoctets et des téraoctets de données dans les ordinateurs.

Les informations sont écrites et lues sur le support de stockage lorsqu'elles passent devant des dispositifs appelés têtes de lecture et d'écriture qui fonctionnent très près (souvent des dizaines de nanomètres) sur la surface magnétique. La tête de lecture et d'écriture est utilisée pour détecter et modifier l'aimantation du matériau immédiatement sous elle. Il existe deux polarités magnétiques, chacune étant utilisée pour représenter 0 ou 1.

La surface métallique est conceptuellement divisé en plusieurs petits sous - micromètre -sized régions magnétiques, appelés domaines magnétiques, (bien que ce ne sont pas des domaines magnétiques dans un sens physique rigoureux), dont chacune a une aimantation essentiellement uniforme. En raison de la nature polycristalline du matériau magnétique, chacune de ces régions magnétiques est composée de quelques centaines de grains magnétiques . Les grains magnétiques ont généralement une taille de 10 nm et forment chacun un seul véritable domaine magnétique . Chaque région magnétique forme au total un dipôle magnétique qui génère un champ magnétique . Dans les anciennes conceptions de disques durs (HDD), les régions étaient orientées horizontalement et parallèlement à la surface du disque, mais à partir d'environ 2005, l'orientation a été modifiée en perpendiculaire pour permettre un espacement plus étroit des domaines magnétiques.

Les disques durs plus anciens utilisaient de l'oxyde de fer (III) (Fe 2 O 3 ) comme matériau magnétique, mais les disques actuels utilisent un alliage à base de cobalt .

Pour un stockage fiable des données, le matériau d'enregistrement doit résister à l'auto-démagnétisation, qui se produit lorsque les domaines magnétiques se repoussent. Les domaines magnétiques écrits trop près les uns des autres dans un matériau faiblement magnétisable se dégraderont avec le temps en raison de la rotation du moment magnétique d'un ou plusieurs domaines pour annuler ces forces. Les domaines tournent latéralement jusqu'à une position à mi-chemin qui affaiblit la lisibilité du domaine et soulage les contraintes magnétiques.

Une tête d'écriture magnétise une région en générant un fort champ magnétique local, et une tête de lecture détecte la magnétisation des régions. Les premiers disques durs utilisaient un électro-aimant à la fois pour magnétiser la région et pour lire ensuite son champ magnétique en utilisant l'induction électromagnétique . Les versions ultérieures des têtes inductives comprenaient des têtes Metal In Gap (MIG) et des têtes à couche mince . Au fur et à mesure que la densité de données augmentait, des têtes de lecture utilisant la magnétorésistance (MR) sont devenues utilisées ; la résistance électrique de la tête changeait en fonction de la force du magnétisme du plateau. Le développement ultérieur a utilisé la spintronique ; dans les têtes de lecture, l'effet magnétorésistif était beaucoup plus important que dans les types précédents, et a été surnommé la magnétorésistance « géante » (GMR). Dans les têtes d'aujourd'hui, les éléments de lecture et d'écriture sont séparés, mais à proximité immédiate, sur la partie tête d'un bras d'actionnement. L'élément de lecture est typiquement magnétorésistif tandis que l'élément d'écriture est typiquement inductif à couche mince.

Les têtes sont empêchées d'entrer en contact avec la surface du plateau par l'air qui est extrêmement proche du plateau ; que l'air se déplace à ou près de la vitesse du plateau. La tête d'enregistrement et de lecture sont montées sur un bloc appelé curseur, et la surface à côté du plateau est façonnée pour le maintenir à peine hors de contact. Cela forme un type de palier à air .

Cours d'enregistrement magnétique

Enregistrement analogique

L'enregistrement analogique est basé sur le fait que la magnétisation résiduelle d'un matériau donné dépend de l'amplitude du champ appliqué. Le matériau magnétique se présente normalement sous la forme d'une bande, la bande sous sa forme vierge étant initialement démagnétisée. Lors de l'enregistrement, la bande défile à vitesse constante. La tête d'écriture magnétise la bande avec un courant proportionnel au signal. Une distribution d'aimantation est réalisée le long de la bande magnétique. Enfin, la distribution de l'aimantation peut être lue, reproduisant le signal d'origine. La bande magnétique est généralement fabriquée en incorporant des particules magnétiques (environ 0,5 micromètre de taille) dans un liant plastique sur une bande de film polyester. Le plus couramment utilisé d'entre eux était l'oxyde ferrique, bien que du dioxyde de chrome, du cobalt et, plus tard, des particules de métal pur aient également été utilisés. L'enregistrement analogique était la méthode la plus populaire d'enregistrement audio et vidéo. Depuis la fin des années 1990, cependant, l'enregistrement sur bande a perdu de sa popularité en raison de l'enregistrement numérique.

Enregistrement numérique

Au lieu de créer une distribution de magnétisation en enregistrement analogique, l'enregistrement numérique n'a besoin que de deux états magnétiques stables, qui sont les +Ms et -Ms sur la boucle d'hystérésis . Des exemples d'enregistrement numérique sont les disquettes et les disques durs (HDD). L'enregistrement numérique a également été effectué sur des bandes. Cependant, les disques durs offrent des capacités supérieures à des prix raisonnables ; au moment de la rédaction (2020), les disques durs grand public offrent un stockage de données à environ 0,03 $ par Go.

Les supports d'enregistrement dans les disques durs utilisent une pile de films minces pour stocker des informations et une tête de lecture/écriture pour lire et écrire des informations vers et depuis le support ; divers développements ont été réalisés dans le domaine des matériaux usagés.

Enregistrement magnéto-optique

L'enregistrement magnéto-optique écrit / lit optiquement. Lors de l'écriture, le support magnétique est chauffé localement par un laser , ce qui induit une diminution rapide du champ coercitif. Ensuite, un petit champ magnétique peut être utilisé pour commuter la magnétisation. Le processus de lecture est basé sur l' effet Kerr magnéto-optique . Le support magnétique est typiquement un film mince de R-Fe-Co amorphe (R étant un élément des terres rares). L'enregistrement magnéto-optique n'est pas très populaire. Un exemple célèbre est Minidisc développé par Sony .

Mémoire de propagation de domaine

La mémoire de propagation de domaine est également appelée mémoire à bulles . L'idée de base est de contrôler le mouvement des parois du domaine dans un milieu magnétique exempt de microstructure. La bulle fait référence à un domaine cylindrique stable. Les données sont ensuite enregistrées par la présence/absence d'un domaine de bulle. La mémoire de propagation de domaine a une grande insensibilité aux chocs et aux vibrations, donc son application est généralement dans l'espace et l'aéronautique.

Détails techniques

Méthode d'accès

Les supports de stockage magnétiques peuvent être classés comme mémoire à accès séquentiel ou mémoire à accès aléatoire , bien que dans certains cas, la distinction ne soit pas parfaitement claire. Le temps d'accès peut être défini comme le temps moyen nécessaire pour accéder aux enregistrements stockés. Dans le cas d'un fil magnétique, la tête de lecture/écriture ne couvre qu'une très petite partie de la surface d'enregistrement à un instant donné. L'accès à différentes parties du fil consiste à enrouler le fil vers l'avant ou vers l'arrière jusqu'à ce que le point d'intérêt soit trouvé. Le temps d'accès à ce point dépend de la distance qui le sépare du point de départ. Le cas de la mémoire à noyau de ferrite est l'inverse. Chaque emplacement central est immédiatement accessible à tout moment.

Les disques durs et les lecteurs de bande serpentine linéaires modernes ne rentrent pas précisément dans l'une ou l'autre catégorie. Les deux ont de nombreuses pistes parallèles sur toute la largeur du support et les têtes de lecture/écriture mettent du temps à basculer entre les pistes et à balayer à l'intérieur des pistes. Différents endroits sur le support de stockage prennent des durées différentes pour y accéder. Pour un disque dur, ce temps est généralement inférieur à 10 ms, mais les bandes peuvent prendre jusqu'à 100 s.

Schémas de codage

Les têtes de disque magnétique et les têtes de bande magnétique ne peuvent pas laisser passer le courant continu (courant continu). Ainsi, les schémas de codage des données sur bande et sur disque sont conçus pour minimiser le décalage CC . La plupart des dispositifs de stockage magnétiques utilisent la correction d'erreurs .

De nombreux disques magnétiques utilisent en interne une certaine forme de codage à durée limitée et de probabilité maximale de réponse partielle .

Utilisation actuelle

À partir de 2020, les utilisations courantes des supports de stockage magnétiques sont le stockage de masse de données informatiques sur des disques durs et l'enregistrement d'œuvres audio et vidéo analogiques sur bande analogique . Étant donné qu'une grande partie de la production audio et vidéo passe aux systèmes numériques, l'utilisation des disques durs devrait augmenter au détriment des bandes analogiques. Les bibliothèques de bandes et de bandes numériques sont très appréciées pour le stockage de données haute capacité des archives et des sauvegardes. Les disquettes connaissent une utilisation marginale, en particulier lorsqu'elles traitent des systèmes informatiques et des logiciels plus anciens. Le stockage magnétique est également largement utilisé dans certaines applications spécifiques, telles que les chèques bancaires ( MICR ) et les cartes de crédit/débit ( mag stripes ).

Avenir

Un nouveau type de stockage magnétique, appelé mémoire à accès aléatoire magnétorésistive ou MRAM, est en cours de production et stocke les données dans des bits magnétiques basés sur l' effet de magnétorésistance tunnel (TMR). Son avantage est la non-volatilité, la faible consommation d'énergie et une bonne résistance aux chocs. La 1ère génération qui a été développée a été produite par Everspin Technologies et a utilisé l'écriture induite par le champ. La 2e génération est développée à travers deux approches : la commutation à assistance thermique (TAS) qui est actuellement développée par Crocus Technology , et le couple de transfert de spin (STT) sur lequel travaillent Crocus , Hynix , IBM et plusieurs autres sociétés. Cependant, avec une densité de stockage et des ordres de grandeur de capacité inférieurs à ceux d'un disque dur , la MRAM est utile dans les applications nécessitant des quantités modérées de stockage nécessitant des mises à jour très fréquentes, que la mémoire flash ne peut pas prendre en charge en raison de son endurance d'écriture limitée. Une MRAM à six états est également en cours de développement, faisant écho à des cellules de mémoire flash multi-niveaux à quatre bits, qui ont six bits différents, au lieu de deux .

Des recherches sont également menées par Aleksei Kimel à l'Université Radboud sur la possibilité d'utiliser le rayonnement térahertz plutôt que d'utiliser des électropulses standard pour écrire des données sur des supports de stockage magnétiques. En utilisant le rayonnement térahertz, le temps d'écriture peut être considérablement réduit (50 fois plus rapide que lors de l'utilisation d'électropulses standard). Un autre avantage est que le rayonnement térahertz ne génère presque pas de chaleur, réduisant ainsi les besoins de refroidissement.

Voir également

Les références

Liens externes