Lugemis-kirjutuspea

Lugemis-kirjutuspea ehk universaalpea (inglise read-and-write head) on kõvaketta seadme ketta kohal liikuv osa, milles kirjutuspeas elektrivoolu tekitatud magnetvoo tulemusena muudetakse kettal oleva magnetilise materjali polarisatsiooni (andmete kirjutamine) või vastupidi – ketta magnetmaterjal indutseerib elektrivoolu lugemispeas (andmete lugemine). Lugemis-kirjutuspea "lendab" väga madalal ketta kohal mõne nanomeetri kõrgusel. Mida lähemal pea kettale on, seda täpsemini saab kontrollida salvestamist ning seda suurema tihedusega saab salvestada andmeid. Madalat kõrgust aitab hoida õhkpadi, mis tekib pea ja ketta vahele. Selleks on spetsiaalne komponent, nn libiseja (slider), mis reguleerib kõrgust pea liikumisel üle pinna. Kui pea peaks ketast tabama, võib tulemuseks olla kõvaketta kasutuskõlbmatuks muutumine, kuna ketas pöörleb tuhandeid pöördeid minutis ja kokkupõrke tagajärjel tekivad ulatuslikud mehaanilised vigastused. Kõvaketastele kirjutatakse andmed elektromagnetilise induktsiooni abil. Magnetväli tekitatakse peas voolupoolis kulgeva elektrivoolu abil, see väli lõikub andmesalvestiga ja magnetiseerib selle, tekitades andmebiti. Magnetmaterjalist südamiku ümber on mähitud voolutraat ja selle materjali ülesanne on kontsentreerida indutseeritud magnetvoogu. Pilu kirjutuspooluste vahel laseb osal voost välja lekkida, tekitades äärevälju (fringing fields), mis tegelikult magnetiseerivadki salvestuskeskkonda. Kirjutuspea magnetmaterjalil peab olema suur magnetiline läbitavus suurte väljade genereerimiseks ja madal koertsitiivsus selleks, et pea magneetumust saaks kergelt ümber pöörata. Kõvaketaste lugemis-kirjutuspead sarnanesid algul väga kassettmagnetofoni omadega – lihtsad seadmed, mis olid tehtud väiksest C-kujulisest tugevast magneetikust, ferriidist, mille ümber oli keritud peenest traadist mähis. Kirjutamisel juhitakse mähisest vool läbi, mille tagajärjel C-kujulise magneetiku pilus tekib tugev magnetväli, mis magneedib lähedal asuva salvestuspinna. Antud pilus on magnetväli väga tugev ja võrdlemisi kitsas. Pilu laius on salvestuspinna magnetmaterjali paksusega samas suuruses ning määrab ära väiksema salvestusühiku suuruse. Lugemisel magneeditud materjal liigub peast mööda, ferriitsüdamik võimendab magnetvälja ning mähises tekib induktsioonivool. Ferriidist pead on suured ning nende võimaldatav andmetihedus on väike. Neid liigutatakse pinnast võrdlemisi kaugel, mis omakorda nõuab tugevaid magnetvälju ja suuri detaile. Traditsiooniliselt tehti kirjutuspead kuubilistest ferriitidest, mis on pehmed magnetmaterjalid ja mida saab kergelt magneetida. Siiski ei ole ferriitides küllastusmagneetumus kuigi suur ja väga suuri välju ei saa genereerida. Moodsamates peades kasutatakse metallisulameid nagu permalloi (NiFe…) millel on suurem küllastusvoo tihedus. Kõrgem küllastusvoog võimaldab kirjutamist suure koertsitiivsusega salvestuskeskkonda ja lubab kasutada kitsamaid kirjutusradasid ning seega suuremaid andmetihedusi. Siiski, modernsed kirjutuskiirused on nii suured, et metallpeades tekivad operatsioonikiirusi piiravad keerisvoolud (eddy currents). Sellepärast on suund lamineeritud õhukesekilelistele peadele, näiteks FeAlN, milles keerisvoolud on alla surutud lubades töötada kõrgetel sagedustel. Metallpiluga lugemis-kirjutuspead (Metal in Gap – MIG) on algupäraselt ferriitpead, kus on metall C-kujulise pea pilus, kuhu magnetväli on kontsentreeritud. See lubab palju väiksemaid salvestuspindasid kasutada (suurendades andmetihedust). Hiljem arenesid need õhukestest materjalikihtidest koosnevateks laminaatpeadeks, mida tehti fotolitograafiaga, mis lubab väga õhukeste materjalikihtide ja väikeste detailide loomist. Uuemal tehnoloogial valmistatud pead olid palju väiksemad. Tänu sellele suudeti 1995. aastal esmakordselt 3,5-tolliste kõvaketaste mahtuvust kasvatada 4 gigabaidini. Kuna ideaalne geomeetria lugemis- ja kirjutusprotsessiks ei ole sama, siis kasutatakse lugemiseks erinevaid sensoreid (vt "Lugemispead"). Ristsuunalise magnetsalvestuse (perpendicular magnetic recording – PMR) puhul orienteeritakse magnetdomeenid pinnaga risti, s.t pinnanormaali suunas, erinevalt traditsioonilisest pikisalvestusest, kus magneetumus on pinna tasandis. Tänu sellele saavutatakse suurem andmetihedus ja parem stabiilsus. Optimaalne salvestuskeskkonna paksus ristsalvestuse korral on suurem kui pikisalvestuse korral; samuti kuna geomeetria on efektiivsem, kirjutusväli keskkonna juures on tugevam. See meetod nõuab teistmoodi lähenemist kirjutusprotsessile ja kirjutuspea struktuurile ning salvestusmeediumi disainile, muutused lugemissensorile on väiksemad. Kui pikisuunalise salvestuse pea on C-kujuline, siis ristsuunalise pea on "monopoolne", mis tähendab, et magnetväli on koondatud väga järsult ühe pooluse tippu, mitte see ei ole homogeenne pilu ulatuses. Seda on tarvis, et täpselt koondada magnetväli ühele salvestusbitile ning ristsuunas pinnaga. Meetod võeti kommertsiaalselt kasutusele 2005. aastal. Soojusabistatud magnetsalvestuse (Heat-assisted magnetic recording – HAMR) puhul kasutatakse väikest laserit, et soojendada seda ketta osa, kuhu kirjutatakse. Soojus eemaldab superparamagnetilise efekti, muutes materjali magnetomadusi ja koertsiivsust lühikeseks ajaks, mil toimub kirjutamine. Meetod lubab kirjutada andmeid palju väiksemale pinnale kui kunagi varem, suurendades märkimisväärselt andmetihedust. 2014. aasta seisuga ei ole ühtegi kommertsiaalselt müüdavat HAMR-kõvaketast saadaval, lubatavasti jõuavad need turule 2015. aasta lõpus või kaugemal tulevikus. Minevikus kasutati lugemispeades samu materjale nagu kirjutuspeadeski. Sellel oli kindlasti eelis salvestuspeade komponentide arvu vähendamise mõttes. Siiski on väljad, mis emiteeruvad salvestatud andmebittidest, küllalt väikesed ja sellepärast on lugemispeas elektromagnetilise induktsiooni läbi genereeritud signaalid nõrgad. Tänapäeval kasutatakse biti detekteerimiseks eraldi komponenti, mis põhineb anisotroopseks magnetotakistuseks (anisotropic magnetoresistance – ARM) või nn. gigantseks magnetotakistuseks (giant magnetoresistance – GMR) kutsutaval nähtusel, mitte niivõrd magnetilisel induktsioonil. Magnettakistuse tõttu materjali takistus muutub magnetvälja mõjul. Magnetotakistusel põhinevad pead suudavad lugeda väga väikeseid elemente, aga neid ei saa kasutada andmete kirjutamiseks, kuna nendega ei saa luua piisavalt tugevaid magnetvälju. Esialgu kasutati (anisotroopsel) magnetotakistusel põhinevaid lugemispäid, hiljem hakati kasutama kvantmehaanikal põhinevat efekti nn. gigantset ehk hiiglaslikku magnetotakistust. ARM pead võeti kasutusele 1996. aastal IBMi poolt, koos sellega hakkas andmetihedus kõvaketastes kasvama ligi 100% aastas. 2000. aastate alguses võeti kasutusele hiiglaslikul magnetotakistuse efektil töötavad GMR pead. Tüüpilised gigantse magnetotakistuse väärtused on suurusjärgu võrra kõrgemad kui AMR materjalides. GMR materjalides on õhukesed magnetmaterjalide kihid eraldatud mittemagnetilise materjali kihtidega. Sõltuvalt mittemagnetilise materjali kihtide paksusest, sidestuvad magnetilised kihid kas ferromagnetiliselt või antiferromagnetiliselt. Sidestumise mehhanismi detaile eriti ei tunta. Tunnelmagnetotakistus (tunneling magnetoresistance – TMR) on magnetotakistuslik efekt, mis esineb magnettunnelühenduses (magnetic tunnel junction – MTJ), mis on komponent, mis koosneb kahest insulaatoriga ühendatud ferromagneetikust. Kui insulaator on piisavalt õhuke (mõni nanomeeter), võivad elektronid tunnelleeruda ühest ferromagneetikust teise, tekitades induktsioonivoolu. Tegemist on kvantmehaanilisenähtusega. Elektroni tunnelleerumise tõenäosus on määratud ära kummagi magneetiku magneetumise suunaga. Kui magneetumus on samasuunaline, siis on tunnelleerumise tõenäosus suurem, kui vastassuunalise magneetumuse korral. Muutes magneetumust on seega võimalik muuta takistust; biti seisundit saab lugeda mõõtes tunnelvoolu. Esimesed kõvakettad, millel olid TMR-pead, tõi turule Seagate 2005. aastal, mahuks 400 GB. Neis kasutatavad pead olid varustatud küttepoolidega, et kontrollida täituri geomeetriat kasutuse ajal. Viimane aitab tagada lähedust kettale, et kirjutamise puhul magnetväljaga võimalikult täielikult magneetida magnetdomeenid kettal. Samasugune kontrollitud pea lähendamine kettale on ühtlasi hea ka lugemise puhul, et parandada signaalitugevust ning resolutsiooni. Turustamise terminites on maksumuse ja mahutavuse järgne lisategur andmete kirjutamise ja lugemise kiirus (data rate). See kiirus on määratud salvestuspea võimega bitte keskkonnas ümber lülitada. Magnetilised lülitusajad on u 10 nanosekundi suurusjärgus ja sellest allpool hakkavad nii peade kui ka keskkondade magnetomadused märgatavalt muutuma. Näiteks kõrgematel lülituskiirustel isegi laminaatpead hakkavad tekitama keerisvoole. Veel fundamentaalsem piirang seisneb selles, et bitid vajavad mõnda nanosekundit lülitumiseks magnetvälja rakendamise järel, sest lülitusprotsess sõltub välja poolt indutseeritud pretsessiooni allasurumisest. Probleem võimendub kui osakese suurus läheneb superparamagnetilisele piirile ja bitid muutuvad vähemstabiilseteks. Tavaline pidevsalvestuskeskkond koosneb üksikutest magnetiseeruvatest osakestest, mida saab sõltumatult ümber lülitada ja mis seega formeerivad magneetunud bitirakke. Osakese või kristalliidi suurus peab skaleeruma ühe biti salvestamiseks tarviliku regiooni suurusega ja mida väiksem see on, seda vähem on pindala tarvis ühe biti peale. Samas muutuvad liiga väikesed regioonid termiliselt/soojuslikult mittestabiilseteks (superparamagnetism). Kõvaketas Magnetism Pooljuhtketas V. Hanson, A. Tavast. Arvutikasutaja sõnastik. Ilo, 2003. Mee, C.; Daniel, Eric D. (1996). Magnetic recording technology. New York: McGraw-Hill. p. 7.1. ISBN 0-07-041276-6. Kaupo Kukli, õppeaine "Magnetmaterjalid" materjalid, 2014. Tartu Ülikool. http://www.forbes.com/sites/tomcoughlin/2014/10/14/the-attraction-of-magnetics/ https://storageservers.wordpress.com/2014/10/17/data-storage-evolution-with-15tb-and-50tb-hard-drives/ Lugemispea joonis Ristsuunalisest salvestamisest Andmetiheduse piiridest