Головка чтения-записи диска

Головка чтения-записи диска — это крошечная часть жёсткого диска, которая движется над поверхностью диска и преобразует магнитное поле пластины в электический ток (чтение диска) или наоборот, преобразует электрический ток в магнитоное поле (запись на диск)^[1]. С годами головки прошли через ряд измененй.

Головка и рычаг жёсткого диска на пластине

Микрофотография головки жёсткого диска. Размер переднего края составляет около ${\displaystyle 0,3\times 1,2}$ мм. Функциональная часть головки круглая оранжевая структура в середине. Также обратите внимание на соединительные провода, прикреплённые к позолоченным площадкам.

Головка чтения–записи 3 ТБ жёсткого диска, изготовленного в 2013 году. Тёмные прямоугольные компоненты — это башмак-ползун длиной 1,25 мм. Поверхность диска движется мимо головки справа налево.

В жёстком диске головки летят над поверхностью диска с просветом менее 3 нанометров. Высота полёта головки^?! уменьшается с каждым новым поколением технологии для обеспечения более высокой поверхностной плотности^[англ.]. Высота полёта головки контролируется конструкцией воздушного подшипника вытравленного на поверхности башмака-ползуна, обращённой к диску. Роль воздушной подушки заключается в поддержании постоянной высоты полёта, когда головка перемещается над поверхностью диска. Воздушные подшипники тщательно спроектированы так, чтобы сохранять одинаковую высоту полёта по всей поверхности диска, несмотря на различные скорости в зависимости от расстояния головки от центра диска^[2]. Если головка коснётся поверхности диска, это может привести к катастрофическому крушению головки^[англ.], поскольку головки часто имеют покрытие из углерода, подобного алмазу^[3].

Индуктивные головки

Индуктивные головки используют один и тот же элемент как для чтения, так и для записи.

Традиционная головка

Изначально головки были похожи на головки магнитофонов — простые устройства, состоящие из крошечного С-образного элемента из высокомагнитных материалов (пермалоя или феррита), обмотанного тонкой проволочной катушкой. При записи катушка находится под напряжением, в зазоре С-образного элемента образуется сильное магнитное поле, которое намагничивает поверхность записи, прилегающую к зазору. При чтении намагниченный материал вращается мимо головок, ферритовый сердечник ферритовый сердечник концентрирует поле и в катушке генерируется электрический ток. В зазоре поле очень сильное и довольно узкое. Этот зазор примерно равен толщине магнитного носителя на поверхности записи. Зазор определяет минимальный размер записанной области на диске. Ферритовые головки крупные и записывают довольно крупные элементы. Они также должны находиться на некотором расстоянии от поверхности, что требует более сильных полей и более крупных головок^[4].

Головки с металлическим зазором

Головки с металлическим зазором (Metal-in-gap, MIG) — это ферритовые головки с маленьким кусочком металла в зазоре головки, который концентрирует поле. Это позволяет считывать и записывать более мелкие элементы. Головки MIG были вытеснены тонкопленочными головками.

Тонкоплёночные головки

Технология тонких плёнок, впервые появившаяся в 1979 году в дисководе IBM 3370^[англ.], использует фотолитографические методы, аналогичные применяемым в полупроводниковых устройствах, для изготовления головок жёстких дисков. В то время эти головки были меньше и точнее, чем использовавшиеся тогда ферритовые головки. Они были электронно схожи с ними и использовали ту же физику. Тонкие слои магнитных (Ni–Fe) материалов, изоляционных материалов и медной проводки наносились на керамические подложки, которые затем физически разделялись на отдельные головки чтения/записи, интегрированные с воздушным подшипником, что значительно снизило производственные затраты на единицу продукции^[5]. Тонкоплёночные головки были намного меньше головок типа MIG поэтому позволяли использовать меньшие записанные элементы. Тонкоплёночные головки позволили дисководам размером 3,5 дюйма достичь ёмкости 4 ГБ в 1995 году. Геометрия зазора головки представляла собой компромисс между оптимальными условиями для чтения и записи^[4].

Магниторезистивные головки

Подробное рассмотрение темы: Гигантское магнетосопротивление

Следующим улучшением в дизайне головки стало разделение элемента записи и элемента чтения, что позволило оптимизировать тонкоплёночный элемент для записи и отдельный тонкоплёночный элемент для чтения. Отдельный элемент чтения использует эффект магниторезистивности (magnetoresistance, MR), при котором изменяется сопротивление материала в присутствии магнитного поля. Эти MR-головки способны надёжно считывать очень маленькие магнитные особенности, но не могут создавать сильное поле, необходимое для записи. Термин AMR (Анизотропная MR) используется для различения его от позднее введенного улучшения в технологии MR, называемого GMR (гигантское магнетосопротивление) и TMR (туннельная магниторезистивность).

Переход на перпендикулярную магнитную запись^[англ.] (PMR) имеет серьёзные последствия для процесса записи и элемента записи в структуре головки, но в меньшей степени для MR-сенсора чтения в этой структуре^[6].

Головки AMR

Внедрение головки AMR в 1990 году компанией IBM^[7] привело к периоду быстрого увеличения плотности записи примерно на 100% в год.

Головки GMR

в 1997 году головки GMR, головки гигантского магнетосопротивления, начали вытеснять головки AMR^[7].

С 1990-х годов было проведено множество исследований, посвященных эффектам колоссального магнетосопротивления (Colossal magnetoresistance, CMR), которые потенциально могут обеспечить ещё более значительное увеличение плотности записи. Однако на данный момент это не привело к практическому применению из-за необходимости низких температур и больших габаритов оборудования^[8][9].

Головки TMR

В 2004 году Seagate представила первые жёсткие диски с головками, использующими туннельное MR (Tunnel magnetoresistance, TMR) ^[7], что позволило создавать накопители ёмкостью 400 ГБ с тремя магнитными пластинами. Seagate внедрила головки TMR с интегрированными микроскопическими нагревательными спиралями для регулирования формы области преобразователя головки во время работы. Нагреватель может быть активирован перед началом операции записи, чтобы обеспечить близость записывающего полюса к носителю. Это улучшает записанные магнитные переходы, гарантируя, что записывающее поле головки полностью насыщает^[англ.] магнитный носитель диска. Тот же подход с термическим приводом может использоваться для временного уменьшения зазора между носителем диска и считывающим датчиком во время процесса считывания, тем самым улучшая силу сигнала и разрешение. К середине 2006 года другие производители начали применять аналогичные подходы в своей продукции.

См. также

• Applied Magnetics Corporation^[англ.], когда-то крупнейший поставщик дисковых головок
• Ленточная магнитная головка^[англ.]