Компьютерный жесткий диск: второе рождение?

Накопитель на жестком магнитном диске

Технология магнитной записи информации, используемая в современных накопителях на жестких дисках, практически достигла предела в своем развитии. Дальнейшее увеличение емкости дисков требует новых решений.

 

Физическое явление, известное теперь как "гигантское магнитосопротивление", было открыто в 1988 году французом Альбером Фертом (Albert Fert) и немцем Петером Грюнбергом (Peter Grünberg). Спустя 19 лет это открытие удостоилось Нобелевской премии, однако практическое применение обнаруженный эффект нашел гораздо быстрее. Оказалось, что он словно специально создан природой для того, чтобы резко увеличить емкость и уменьшить размеры компьютерных накопителей информации на жестких магнитных дисках, поскольку позволяет изготовить более миниатюрные сенсорные головки для записи и считывания данных.

Эксперты американской компании IBM сразу же осознали потенциал открытия, и уже в 1997 году на рынке появился первый жесткий диск с блоком инновационных головок, в конструкции которых был использован этот самый эффект гигантского магнитосопротивления. С тех пор технология производства таких накопителей информации развивается поистине невиданными темпами. Благодаря миниатюризации, позволяющей записывать информацию все более плотно, емкость жестких дисков продолжает расти. В Германии евро за семьдесят уже можно купить жесткий диск емкостью в 2 терабайта, то есть в 2000 гигабайт.

Физические границы технологии

Однако было бы крайне наивно думать, что процесс миниатюризации будет и далее идти столь же высокими темпами. Потенциал эффекта гигантского магнитосопротивления почти исчерпан, и без новых физических эффектов - или хотя бы новых технических подходов - тут не обойтись. Лукас Герхард (Lukas Gerhard), инженер Технологического института в Карлсруэ, поясняет: "Производство жестких дисков сегодня наталкивается на физические пределы - в том смысле, что если я хочу продолжать миниатюризацию и при этом сохранить каждый бит информации (а кому же нужны жесткие диски, с которых данные пропадают!), то мне понадобится еще более стабильный в магнитном отношении материал".

Исследователь имеет в виду поверхность носителя информации. Отдельные биты представляют собой крошечные участи этой поверхности, миниатюрные "островки", намагниченные специальной головкой в одном из двух возможных направлений. Чтобы информации на жестком диске поместилось больше, островки должны быть меньше, значит, и намагничивающая их головка должна стать еще миниатюрнее, а напряженность используемого при записи магнитного поля - еще выше. "Однако мы не можем произвольно повышать напряженность магнитного поля, посредством которого мы записываем биты на жестком диске, - говорит Лукас Герхард. - Сегодня этот предел уже практически достигнут. Дальнейшее уменьшение физических размеров битов при нынешней технологии возможно лишь за счет снижения их стабильности, то есть надежности хранения информации".

Вместо магнитного поля - электрическое

Биты образуют на жестком диске тонкую спиралевидную информационную дорожку. Слишком плотное расположение витков этой информационной дорожки в сочетании со слишком высокой напряженностью магнитного поля в записывающей головке может привести при нынешней технологии к тому, что в процессе записи данных на одном витке дорожки окажутся повреждены соседние.

И вот теперь инженеры Технологического института в Карлсруэ совместно с учеными университета в Галле и специалистами тамошнего Института физики микроструктур Общества имени Макса Планка взялись за разработку новой технологии. В ее основе - магнитная запись посредством электрического поля. "Мы исследовали тончайшие, толщиной в 2 атомных слоя, железные пленки на медной подложке и пытались изменить их намагниченность с помощью электрического поля, - поясняет Лукас Герхард. - Коллеги из Галле произвели теоретические расчеты, а мы занимались экспериментальными исследованиями с помощью сканирующего туннельного микроскопа".

Не преодолели, а обошли

Новая технология основана на магнитоэлектрических взаимодействиях. Природа этих взаимодействий понятна пока не до конца, но это не помешало инженерам из Карлсруэ вполне успешно использовать в своей экспериментальной модели одно из таких взаимодействий - эффект возникновения в кристалле намагниченности под воздействием электрического поля. До сих пор этот эффект в конструкции накопителей на жестких дисках не применялся, поскольку в макрокристаллических структурах он проявляется слишком слабо. Однако в кристалле железа толщиной в два атомных слоя эффект оказался достаточно сильным.

"Нам удалось, во-первых, показать в расчетах, а во-вторых, доказать экспериментально, что при приложении внешнего электрического поля к нашей железной нанопленке происходит ее намагничивание, - говорит Лукас Герхард. - Изменяя полярность поля, мы изменяем направление вектора намагниченности на противоположное. Важно также, что после снятия внешнего поля остаточная намагниченность сохраняется. То есть мы получаем одно из двух возможных состояний - если хотите, нуль или единицу, и это состояние достаточно прочно. Но это и есть ничто иное, как магнитная запись информации в двоичной форме с помощью электрического поля".

Значит, процесс записи в новых жестких дисках будет протекать так же, как он протекает в нынешних, - с той лишь разницей, что записывающие головки будут генерировать не магнитное, а электрическое поле. То есть наметившуюся было физическую границу в технологии магнитной записи ученым из Карлсруэ и Галле удалось элегантно обойти. Теперь инженеры надеются, что уже в ближайшие годы их разработка перешагнет из исследовательской лаборатории в производственный цех. Если это произойдет, то дальнейший быстрый рост емкости жестких дисков в следующем десятилетии, можно считать, обеспечен.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман