ГлавнаяКонтактыКарта сайта
ЕПОС
О компанииКомпьютерная криминалистикаВосстановление информацииЗащита информацииПроизводство и ITСервисНаши разработки

Расследование инцидентов, компьютерная криминалистика, информационная безопасность

Книжная серия Взгляд на жесткий диск изнутри




Архив статей


22.01.2009
Технологии хранения информации на современных жестких дисках

Сергей Коженевский
Сергей Прокопенко

 

1. Система магнитной записи на жесткий диск

Упрощенная блок-схема системы магнитной записи на жесткий диск приведена на рис. 1.

 



Рис. 1. Блок-схема системы магнитной записи на жесткий диск

 

Основой системы магнитной записи является вращающийся магнитный носитель (магнитный диск). Скорость вращения современных жестких дисков зависит от области их применения и обычно находится в диапазоне 3600-15000 оборотов в минуту. Например, небольшие накопители, используемые в ноутбуках, обладают сравнительно низкой скоростью вращения – 4200 или 5400 об/мин. В настольных компьютерах применяются диски со скоростью вращения в среднем диапазоне – 7200 об/мин, а в высокопроизводительных серверных приложениях скорость вращения дисков достигает 10000-15000 об/мин.

Современные жесткие магнитные диски имеют сложную многослойную структуру, которая может содержать один или более магнитных (рабочих) слоев. Эти слои представляют собой тонкие пленки, содержащие магнитные частицы (зерна) средним диаметром 7-10 нм. Зерна изолированы друг от друга немагнитным материалом таким образом, что расстояние между ними находится в пределах 1 нм.

Записываемые на диск данные хранятся в двоичном виде. Каждый магнитный бит, соответствующий «1» или «0», представляет собой небольшой намагниченный участок на поверхности магнитного диска той или другой магнитной полярности (рис. 2). Эти участки имеют разнополярную намагниченность и расположены в определенной последовательности, создавая своего рода код.

 



Рис. 2. Упрощенное объяснение расположения намагниченных участков  на поверхности пластины жесткого диска

 

При записи данных на диск эти участки формируют концентрические дорожки. В современных жестких дисках типичный размер магнитного бита в направлении вдоль дорожки лежит в диапазоне от 30 до 50 нм. Это соответствует линейной плотности записи порядка 500-800 тысяч переходов намагниченности на дюйм. В исследовательских лабораториях магнитной записи были достигнуты еще более высокие значения линейной плотности – до 1 миллиона переходов намагниченности на дюйм. Ширина магнитного бита и соответственно дорожки в современных накопителях в несколько раз больше его длины и равна приблизительно 150-200 нм. Между дорожками обычно существует некоторое расстояние, чтобы устранить взаимные помехи (междорожечная интерференция) и предотвратить случайное стирание информации на смежных дорожках.

Значение плотности дорожек в современных накопителях составляет 100-150 тысяч дорожек на дюйм. В зависимости от конкретного сочетания линейной плотности записи и плотности дорожек, эти значения позволяют достичь поверхностной плотности записи порядка 50-100 Гб/кв.дюйм. Поверхностная плотность определяется произведением величин линейной плотности и плотности дорожек.

Линейная плотность записи определяет количество битовых ячеек на единицу длины дорожки жесткого диска и обычно измеряется в битах/дюйм (BPI – bits per inch), где 1 дюйм=25,4 мм. Плотность дорожек зависит от ширины и шага дорожек, определяет их количество на пластине, и измеряется в дорожках на дюйм (TPI – tracks per inch)(рис. 3).

 



Рис. 3. Схематическое расположение битовых ячеек на дорожке записи НЖМД
а) пояснение плотности записи информации
  б) фотография поверхности пластины при 800-х увеличении

 

Магнитная дорожка разбита на секторы хранения информации, так что запись и считывание информации происходит из заданного сектора на выбранной дорожке. В промежутке между секторами данных записывается сервоинформация, необходимая для определения физического расположения головки записи/чтения над поверхностью магнитного диска (рис. 4).

 



Рис. 4. Схематическое изображение сектора жесткого диска

 

Переходы намагниченности, в которых закодированы пользовательские данные, записываются и считываются комбинированной магнитной головкой. Такая головка состоит из двух отдельных  элементов: головки записи и датчика считывания, размещенных на общем слайдере на воздушной подушке (рис. 5).

 



Рис. 5. Принцип работы комбинированной головки записи/чтения

 

Размеры головок записи и чтения соответствуют типовым значениям ширины дорожки (150-200 нм). Головка записи преобразует электрические сигналы тока в направленное магнитное поле, воздействующее на магнитную поверхность. Датчик считывания магнитной головки чувствителен к внешнему магнитному полю, он преобразует изменения магнитного поля в напряжения на контактах головки чтения. Работа современных датчиков считывания основана на применении гигантского магниторезистивного эффекта (GMR).

Магнитная головка записи/чтения формируется в специальном слайдере на воздушной подушке   (рис. 6).

 



Рис. 6. Конструкция слайдера с тонкопленочными магнитными головками
а) внешний вид слайдера
б) торец слайдера, с выполненными на нем магнитными головками

 

Головка движется над поверхностью магнитного носителя на очень маленькой высоте. В современных накопителях высота полета головки обычно составляет 10 нм и менее. Головка крепится на специальном поводке привода головки, к которому подключаются электрические провода от усилителей канала чтения/записи. Поводок закрепляется на поворотном позиционере, который перемещает блок головок над носителем (рис. 7).

 



Рис. 7. Поводок головки и поворотный позиционер жесткого диска (вид сверху)

 

Ток на головку записи поступает от усилителя записи. Усилитель записи генерирует сигналы тока прямоугольной формы с заданной амплитудой и длительностью. При изменении полярности тока записи соответственно изменяется и направление магнитного поля головки, при этом участок носителя под зазором головки записи изменяет свою намагниченность на противоположную. Таким образом в носителе формируются переходы намагниченности, соответствующие магнитным битам. Изменение тока записи в современных усилителях записи занимает доли наносекунд (150-300 пс), типичные значения отклика головки имеют такой же порядок – 300-600 пс. Современные жесткие диски имеют скорость передачи данных более 1 Гбит/сек. Это означает, что на поверхности магнитного диска за одну секунду может быть записано 109 переходов намагниченности.

Какие именно последовательности магнитных битов будут записаны на диск, определяется кодером. Кодер – это специальная подсистема накопителя, которая устанавливает соответствие между данными пользователя и реально записываемыми на диск переходами намагниченности. Кодирование информации необходимо по нескольким причинам. Например, нельзя записывать на носитель очень длинную последовательность одинаковых входных битов. Эта последовательность будет соответствовать неизменной намагниченности носителя на длинном участке, т.е. очень длинному магниту. При считывании такого участка теряется синхронизация. Поэтому исходная последовательность битов данных пользователя всегда преобразуется по специальным правилам в новую кодированную последовательность, полностью отличающуюся от входной. Кодирование добавляет также специальные контрольные биты проверки четности, снижающие вероятность ошибок при детектировании данных.

При считывании данных головка регистрирует изменения направления намагниченности на поверхности носителя. Считанные переходы намагниченности (амплитудные пики) преобразуются в сигнал чтения. Усилитель сигнала чтения усиливает полученный с головок сигнал и подает его в канал детектирования. Большинство современных жестких дисков используют канал детектирования, основанный на специальном детекторе PRML (Partial Response Maximum Likelihood – максимальное правдоподобие при неполном отклике).

2. Магнитный носитель

Современный магнитный носитель имеет сложную многослойную структуру. Он состоит из подложки (стеклянной или алюминиевой) и ряда подстилающих слоев. В подстилающих слоях данные не хранятся. Эти слои необходимы для обеспечения однородности магнитных свойств основного магнитного рабочего слоя, в который и записывается информация.  Толщина рабочего слоя составляет 10-50 нм. Как говорилось ранее, он состоит из большого количества небольших магнитных частиц – зерен, разделенных немагнитным заполнителем. Магнитный рабочий слой покрывается углеродным слоем для защиты от царапин, коррозии, и слоем смазки, для обеспечения гладкой поверхности и защиты от износа.

Возможность записи и хранения магнитной информации на магнитном диске основывается на специфических свойствах магнитных зерен. Эти магнитные частицы имеют ось легкого намагничивания, т.е. обладают предпочтительным направлением намагниченности в отсутствии внешнего магнитного поля. Если подать сильное магнитное поле в направлении, противоположном оси легкого намагничивания, направление намагниченности зерна кардинально изменяется, происходит переключение зерна. При этом ориентация намагниченности остается противоположной исходному направлению даже после устранения воздействия поля (рис. 8).

 



а)б)


Рис. 8. Расположение полей магнитных зерен носителя
а) Поля магнитных зерен в размагниченном магнитном носителе
б) Суммирование полей магнитных зерен в намагниченном участке носителя

 

Характер двоичного переключения зерен сохраняется на больших участках носителя и статистически приводит к магнитному гистерезису магнитотвердого материала (рис. 9).

 



Рис. 9. Петля гистерезиса (петля Н-М) магнитотвердого материала на основе Со (кобальта)

 

Петля гистерезиса описывает зависимость намагниченности (М) носителя от приложенного внешнего магнитного поля (Н). Основным свойством магнитотвердого материала является то, что после превышения внешним магнитным полем Нвн, создаваемым магнитной головкой, некоторого критического значения Нс, называемого коэрцитивной силой носителя, намагниченность носителя изменяет свое направление на противоположную.

Когда величина поля превышает коэрцитивную силу, намагниченность достигает уровня насыщения Ms. Если рассматривать намагниченность насыщения участка, как результат сложения полей отдельных зерен (рис. 8), то это означает, что все зерна ориентированы одинаково. После удаления внешнего поля, намагниченность носителя возвращается к уровню остаточной намагниченности Mr, который по величине близок к намагниченности насыщения. При этом в массиве зерен происходят некоторые групповые и граничные обратимые процессы, сопровождающиеся незначительным вращением намагниченности отдельных зерен или их небольших групп в местах неоднородности массива. Таким образом, после того, как к носителю было приложено внешнее магнитное поле, превышающее его коэрцитивную силу, намагниченность носителя остается постоянной на уровне Mr.

Поэтому если головка записи создает магнитное поле, превышающее значение коэрцитивной силы (Нс), становится возможным создавать участки магнитного носителя с определенной намагниченностью и заданной направленностью. Путем изменения направления внешнего магнитного поля создаются участки с переменным направлением намагниченности носителя. Каждое изменение направления намагниченности носителя соответствует информационному биту (рис. 10).

 



Рис. 10. Процесс записи информации кольцевой головкой для одной дорожки
а) Трехмерный вид;
б) Сечение головки с показанным магнитным полем в зазоре

 

Когда в головку подается ток в соответствии с записываемым сигналом, выходящее из зазора магнитное поле намагничивает носитель (рис. 10 б). При постоянной скорости движения носителя пространственные изменения остаточной намагниченности вдоль длины носителя отражают временные изменения тока головки, и представляют собой запись сигнала. Обычно процесс записи обладает высокой нелинейностью, поскольку он основан на явлении гистерезиса.

При записи информации на поверхности носителя формируется структура намагниченных участков с внутренними и внешними магнитными полями, в простейшем случае аналогичная последовательности расположенных в ряд и соприкасающихся стержневых магнитов. При считывании датчик детектирует (определяет) изменения намагниченности поверхности носителя. При этом определяются положения магнитных переходов на дорожке или же величины и направления намагниченности участков.

Когда носитель с записью информации проходит под головкой чтения, излучаемый с поверхности носителя магнитный поток захватывается сердечником головки, и в ее обмотке наводится напряжение, пропорциональное скорости изменения этого потока. Это напряжение не повторяет форму сигнала записи, а представляет собой некоторое его отображение, которое с помощью соответствующей цифровой обработки можно трансформировать в исходный сигнал. В промежуток времени между записью и воспроизведением записанный сигнал может храниться бесконечно долго, при условии, что носитель не будет подвергаться воздействию магнитного поля, сопоставимого по напряженности с напряженностью поля записи. Однако в любое время, ставшая не нужной запись, может быть стерта, если приложить к носителю сильное магнитное поле. Это поле можно создать при помощи головки, которая использовалась для записи, или с помощью другой отдельной головки стирания, или же с помощью специального устройства стирания данных. После стирания на магнитный носитель можно опять записывать новые данные. Во многих случаях достаточно будет перезаписать старый сигнал новым. Перезапись обычно используется тогда, когда для записи и считывания информации применяется одна и та же головка.

Основными требованиями к магнитному носителю являются:

  • Достаточно высокая коэрцитивная сила Нс (в диапазоне 240-400 кА/м) необходима для достижения стабильности магнитных параметров носителя и получения резких переходов намагниченности, позволяющих обеспечить высокую плотность записи информации. Однако коэрцитивная сила носителя ограничивается размером магнитной головки и ее возможностью производить требуемую величину магнитного поля для записи информации на этот носитель.
  • Высокая остаточная намагниченность носителя и небольшая его толщина необходима для достижения достаточного уровня магнитных полей над поверхностью диска, и соответственно, обеспечения максимума величины уровня сигнала считывания, обеспечивая в то же время минимальное расстояние от головки до рабочего слоя носителя.
  • Магнитные зерна носителя должны быть однородные, небольшие, близко расположенные и магнитно-изолированные для уменьшения шумов носителя. В то же время размер зерен ограничивается так называемым суперпарамагнитным пределом. Суперпарамагнитный эффект заключается в том, что очень маленькие магнитные зерна становятся магнитно нестабильными и могут самопроизвольно изменять свою намагниченность из-за температурных колебаний.

Наиболее часто для магнитных слоев современных носителей используются сплавы на основе кобальта – Со, такие как кобальт – хром – платина (CoCrPt) или кобальт – хром – платина – бор (CoCrPtB).

Простейшая структура носителя с одним магнитным слоем для продольной записи показана на рис. 11. Этот тип носителя широко использовался несколько лет назад, сейчас он заменен более сложными структурами для оптимизации характеристик носителя.

 



Рис. 11. Типичная структура магнитного диска для продольной записи

 

Типы современных магнитных носителей

В настоящее время существуют и широко используются следующие типы магнитных носителей:

а) Многослойный носитель для продольной записи. Такой носитель обычно имеет несколько рабочих слоев разной толщины и состава, разделенных немагнитным материалом. Существует множество таких структур, содержащих слой материала с высоким магнитным моментом (закрепляющий слой над или под рабочим слоем записи) для улучшения характеристик записи, или имеющих несколько тонких магнитных слоев, позволяющих оптимизировать шумы носителя.

б) Носители с антиферромагнитой связью (AFC) для продольной записи и его многослойные версии. Носитель был разработан для улучшения характеристик продольной записи. Простейший AFC носитель состоит из двух магнитных слоев, разделенных очень тонким немагнитным слоем рутения (толщиной несколько атомных слоев).

в) Носители для перпендикулярной записи (однослойные и многослойные). Основное отличие носителей для перпендикулярной записи заключается в вертикальной ориентации магнитных зерен в рабочем слое и наличии специального подстилающего слоя. Этот слой формируется из магнитомягкого материала. Он необходим из-за специфических требований перпендикулярной записи к магнитному носителю и используется в качестве проводника магнитного потока.

3. Головки для продольной записи

Индуктивная магнитная головка для продольной записи состоит из сердечника, изготавливаемого из магнитомягкого материала и обмотки. Намагниченность магнитомягкого материала пропорциональна внешнему магнитному полю, поэтому он действует как проводник магнитного потока (рис. 12).

Головка для продольной записи конструируется так, чтобы создавать максимальную составляющую магнитного поля вдоль дорожки. Схематическое изображение головки для продольной записи представлено на рис. 12.

 



Рис. 12. Схематическое представление головки для продольной записи

 

Когда через обмотку протекает ток записи Iз, он создает магнитный поток Ф, который распространяется через магнитомягкий сердечник. Сердечник магнитной головки изготавливается с  зазором, который представляет собой небольшой разрыв в сердечника. Магнитный поток подчиняется закону сохранения. Это значит, что общий поток в магнитном сердечнике Фс должен быть равен потоку в зазоре Фз. Магнитное поле в зазоре выходит за пределы сердечника. Типовое значение ширины зазора для современных головок продольной записи составляет 60-100 нм. Размер зазора в направлении поперек дорожки определяет ширину записываемой дорожки и составляет в настоящее время 150-200 нм.

Так как зазор головки очень мал по сравнению с глубиной зазора и линейным размером сердечника, распространяющееся вне сердечника магнитное поле описывается специальным уравнением, которое показывает, что двумерное распределение магнитного поля Н(х,у) вне участка зазора имеет круговую структуру. В этом случае, контуры Н(х)=const имеют форму дуговых линий, проходящих через углы зазора (рис. 13).

 



Рис. 13. Структура магнитного поля в зазоре

 

Участок, в котором поле в зазоре превышает коэрцитивную силу носителя, называется доменом записи. Именно  внутри этого участка магнитные зерна носителя изменяют свою намагниченность.

Продольное поле внутри зазора однородно, но за пределами зазора наблюдается заметная утечка поля (краевое поле) (рис. 14). Эти краевые поля имеют как продольную, так и поперечную составляющие. Хотя эти поля быстро затухают, участки других дорожек, прилегающих к обоим сторонам головки записи, могут быть размагничены краевыми полями. Краевое поле распространяется от головки записи на величину порядка нескольких величин ширины зазора. Оно определяется геометрией головки записи и материалом полюсного наконечника. Хотя эти слабые краевые поля не приводят к быстрому изменению намагниченности носителя, но после множества циклов записей на заданную дорожку они приводят к постепенной деградации данных, записанных на смежной дорожке. Эта проблема известна как междорожечная интерференция. Кроме того, поперечная (относительно дорожки) составляющая краевого поля создает краевые шумы и сдвиги сигнала при записи дорожки.

 



Рис. 14. Магнитное поле в зазоре

 

Из-за отличной от нуля высоты полета головки и существования защитных слоев, расстояние между головкой  и рабочей поверхностью носителя составляет как минимум 10-15 нм. Поэтому действительное магнитное поле в слое носителя оказывается меньше поля, создаваемого головкой внутри зазора. Чтобы увеличить поле головки записи, на полюса головки напыляются магнитные сплавы с большим магнитным моментом. Если на расстоянии 10нм от головки до рабочего слоя    напряженность поля в носителе составляет 480кА/м, то напыление на полюса пермаллоя (Ni45Fe55) позволяет увеличить это значение почти до 640 кА/м.

В современных головках продольной записи величина тока записи составляет 30-50 мА. Такой ток записи создает большую плотность тока в обмотке головки. Это приводит к значительному нагреву головки, особенно при большой частоте записи. Нагрев головки вызывает температурное расширение головки величиной порядка 1-3 нм. Такой эффект крайне нежелателен, поскольку температурное расширение создает механические напряжения в материале сердечника. В худшем случае оно может приводить к физическому соприкосновению головки с поверхностью диска и, соответственно, ее повреждению.

4. Головки для перпендикулярной записи

Конструкция головки для перпендикулярной записи приведена на рис. 15.

 



Рис. 15. Принцип работы головки для перпендикулярной записи

 

Конструкция головки перпендикулярной записи отличается по своей конструкции и принципу работы от головки продольной записи. В системе с перпендикулярной записью частью конструкции головки становится магнитный носитель.

Головка состоит из вертикального полюса записи, создающего перпендикулярную составляющую поля, и обратного (замыкающего) полюса. Магнитный поток распространяется через рабочий слой носителя в его магнитомягкий подстилающий слой и замыкается через более широкий обратный полюс в головку.

5. Головки чтения

Предыдущее поколение жестких дисков было основано на применении магниторезистивных  (MR) головок (датчиков) чтения. Магниторезистивный материал изменяет свое сопротивление в зависимости от направления прикладываемого к нему внешнего магнитного поля. Небольшой ток смещения постоянно протекает через MR элемент, так что напряжение U на выходе головки пропорционально сопротивлению (U = IR). Сопротивление R зависит от магнитного поля носителя Н как R(H). Поэтому выходное напряжение U(H) = IR(H) зависит от магнитного поля носителя и может регистрироваться электроникой накопителя.

В современных жестких дисках используются GMR (гигантские магниторезистивные) головки, которые являются следующим этапом развития технологии MR датчиков. Они были разработаны для получения более высокой чувствительности головки при одинаковой величине изменения внешнего магнитного поля. Чувствительность GMR датчиков в 4-10 раз выше по сравнению с MR датчиками.

Гигантский магниторезистивный (GMR) эффект проявляется в многослойных тонких пленках с антиферромагнитной связью. Антиферромагнитная связь является сложным физическим явлением, объясняемым только квантовой механикой. При отсутствии магнитного поля слои с антиферромагнитной связью имеют противоположную намагниченность и обладают высоким сопротивлением. Во внешнем магнитном поле намагниченность смежных магнитных слоев ориентируется в одну сторону и сопротивление GMR структуры существенно уменьшается.

Интегрированная головка состоит из двух отдельных головок: индуктивной головки записи и GMR датчика чтения. В комбинированной головке записи-чтения GMR датчик располагается между двумя экранами. Эти экраны изготавливаются из материалов с высокой магнитной восприимчивостью. Они «экранируют» GMR датчик от магнитных полей соседних переходов, чтобы GMR элемент экранированной головки мог считывать поток только одного ближайшего перехода. Ведущий полюс головки записи Р1 обычно используется в качестве одного из экранов GMR датчика (рис. 16).

 



Рис. 16. Упрощенная схема интегрированной головки чтения/записи

 

Головки GMR чувствительны к вертикальной составляющей магнитного поля, как для систем с продольной записью, так и для систем с перпендикулярной записью. Для продольной записи сигнал датчика чтения достигает максимума над переходом намагниченности, а для перпендикулярной записи выходной сигнал пропорционален вертикальной составляющей поля намагниченного участка носителя.

Поперечный размер современного GMR датчика (называемый также магнитной шириной считывания) меньше, чем физический размер записанной дорожки. Например, для дорожки записи с шириной записи 200 нм допустимо применять датчик чтения с магнитной шириной считывания приблизительно 150 нм. Это позволяет избежать значительной междорожечной интерференции и снизить шумы на краях дорожки. Чем шире датчик, тем выше уровень сигнала чтения. Поэтому ширина датчика тщательно оптимизируется для каждой конкретной системы записи для обеспечения наилучшего отношения сигнал/шум. Расстояние между экранами, так называемый зазор чтения, определяет разрешающую способность головки чтения. Более широкий зазор создает более широкие импульсы сигнала чтения. Типовые значения ширины зазора чтения у современных GMR головок находятся в диапазоне 50-100 нм.

Как и магниторезистивные головки, GMR датчики имеют ряд специфических искажений. Нелинейность сигнала чтения (асимметрия формы импульса) вызывается нелинейностью передаточной функции GMR датчика. Эти искажения приводят к различиям в  амплитуде и форме положительного и отрицательного импульсов сигнала чтения из-за нелинейности передаточной функции GMR датчика. Существуют также проблемы, связанные с «температурными неровностями». Если датчик чтения задевает пылинку внутри гермокамеры или же касается поверхности диска, то при этом его температура увеличивается и наблюдается искажение сигнала чтения.


Поделиться информацией