【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）超快磁記錄的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀-光信息科學(xué)與技術(shù)

畢 業(yè) 論 文 超快磁記錄的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 的研究 指導(dǎo)教師 徐初東 講師 學(xué)院名稱 理學(xué)院 專業(yè)名稱 光信息科學(xué)與技術(shù) 論文提交日期 2010 年 4 月 論文答辯日期 年 月 答辯委員會(huì)主席 _ 評(píng) 閱 人 _ 摘 要 本文介紹了不同時(shí)代信息存儲(chǔ)技術(shù)速度由慢到快的漸進(jìn)發(fā)展與不斷淘汰過(guò)程及現(xiàn)狀 ,從磁帶到磁盤(pán)光盤(pán)等技術(shù)的發(fā)展 ,以及未來(lái)短期內(nèi)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展方向 . 磁帶存儲(chǔ)是早期使用 最廣泛的磁存儲(chǔ)技術(shù)。由于磁帶記錄的可重放性、記錄方式的靈活多樣性及簡(jiǎn)單而廉價(jià)，使其作為輔助存儲(chǔ)設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。但磁帶的結(jié)構(gòu)使之只能順序存取，所以磁帶在應(yīng)用上受到了限制 ,也不能滿足日益發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)技術(shù)的要求 ,為此 ,人們?cè)?60代制造出了可以隨機(jī)存取的磁盤(pán)存儲(chǔ)器 特別是浮動(dòng)磁頭與垂直記錄的出現(xiàn) ,以磁頭與盤(pán)面相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)存取的磁盤(pán)存取速度迅猛發(fā)展 ,發(fā)展達(dá)到了每十年增加十倍的速度 . 60 年代激光器出現(xiàn)后也促進(jìn)了光盤(pán)存儲(chǔ)飛速發(fā)展 D 到 光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的一次重大飛躍，這個(gè)飛躍展 示了光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。目前以 代表的光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)正在迅速發(fā)展，向著高存儲(chǔ)密度、大容量、高數(shù)據(jù)傳輸率、可多次重寫(xiě)方向前進(jìn)。與磁存儲(chǔ)技術(shù)相比較，光存儲(chǔ)技術(shù)存在 著數(shù)據(jù)傳輸速率偏低的缺點(diǎn) 取時(shí)間也在 20 但其低廉的成本與高容量使得光盤(pán)與磁盤(pán)發(fā)展各有其優(yōu)點(diǎn) ,而且 ,光盤(pán)存儲(chǔ)還具有具大的發(fā)展?jié)摿?. 70 年代末催生了一種結(jié)合光盤(pán)與磁盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的超快存儲(chǔ)方式 它以激光照射在盤(pán)面存儲(chǔ)介質(zhì)上使其升溫讓材料的矯頑力急劇下降 ,在外磁場(chǎng)作用下存儲(chǔ)單位中的磁疇方向 快速轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ) 還另外介紹了幾種超快磁存儲(chǔ)方式 :利用垂直磁場(chǎng)脈沖進(jìn)行磁化進(jìn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)方式 ,自旋流注入磁化翻轉(zhuǎn) ,全光磁化翻轉(zhuǎn)等 . 關(guān)鍵詞 磁存儲(chǔ) 光盤(pán) 存儲(chǔ) 磁光存儲(chǔ) 超快磁 自旋流 全光記錄 英 文 縮 略 詞 中央處理器 不回零反轉(zhuǎn)格式 分響應(yīng)最大相似 盤(pán)組件 光存儲(chǔ)產(chǎn)品 小型數(shù)字唱片 只讀光盤(pán) 視頻壓縮盤(pán)片 數(shù)字多功能光盤(pán) 磁光記錄 和相變記錄 誤差檢驗(yàn)與校正 稀土 過(guò)渡金屬 目 錄 1 前言 . 1 引言 . 1 存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展 . 1 2 傳統(tǒng)信息存儲(chǔ)方式 . 3 磁帶存儲(chǔ)技術(shù) . 3 磁 盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù) 目前主流的磁存儲(chǔ)技術(shù) . 4 磁盤(pán)存儲(chǔ)器的組成 . 5 磁盤(pán)控制器 . 6 硬磁盤(pán)系統(tǒng) . 6 垂直磁記錄 當(dāng)前最主要的磁記錄方式 . 8 光存儲(chǔ)技術(shù) . 12 光盤(pán)的類型 . 13 光存儲(chǔ)技術(shù)特點(diǎn) . 14 光盤(pán)存儲(chǔ)器的工作原理 . 15 3 超快磁記錄 未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì) . 17 激光熱輔助稀土過(guò)渡金屬記錄技術(shù) . 18 磁光效應(yīng) . 18 磁光存儲(chǔ)寫(xiě)入原理 . 19 讀出原理 . 22 磁光記錄介質(zhì) . 23 在外加磁場(chǎng)的作用下實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) . 24 自旋流作用實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) . 25 全光磁化翻轉(zhuǎn) . 28 4 結(jié)語(yǔ) . 28 致 謝 . 30 參 考 文 獻(xiàn) . 31 . 32 1 1 前言 引言 現(xiàn)代社會(huì)的特征之一 ,就是信息的快速流動(dòng) ,并為 每個(gè)普通人所分享 . 這種信息的普及 ,是建立在發(fā)達(dá)的信息工業(yè)的基礎(chǔ)上的 . 龐大的信息工業(yè) ,可以分為信息的處理 (、信息的存儲(chǔ)、信息的傳輸 (通信、網(wǎng)絡(luò) ) 、信息的輸入輸出 (打印機(jī)、屏幕 ) 這四個(gè)部分 ,每個(gè)部分的硬件相對(duì)獨(dú)立 ,但是為了使一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn) ,需要這幾個(gè)部分組合起來(lái) . 電子化的信息存儲(chǔ) ,使得信息的快速?gòu)?fù)制、檢索、大量保存、快速處理成為可能 . 信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的三個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)分別是存取速度 (、單位價(jià)格 (、存儲(chǔ)容量 (,這正體現(xiàn)了現(xiàn)代人對(duì)信息的基本需求 . 信息存儲(chǔ)可以有三種主要的實(shí)現(xiàn)方式 :具有最高存取速度的半導(dǎo)體存儲(chǔ) (計(jì)算機(jī)內(nèi)存、 ) ,價(jià)格低廉、攜帶方便的光存儲(chǔ) (光盤(pán)、 ) ,以及具有最佳綜合性能的磁存儲(chǔ) (包括聲音記錄、圖像記錄、數(shù)據(jù)記錄三種 ) . 這三種信息存儲(chǔ)方式各有自己的適用范圍 ,互相不可替代 . 利用磁通變化和磁化電流進(jìn)行讀寫(xiě)的磁記錄技術(shù)發(fā)展起來(lái)后，磁帶和磁盤(pán)存儲(chǔ)器得到廣泛應(yīng)用。由于特別適宜于和計(jì)算機(jī)聯(lián)用，存儲(chǔ)信息極為方便、可靠，因而成為計(jì)算機(jī)的主要外存儲(chǔ)器，并且形成巨大的產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，磁存儲(chǔ) 技術(shù)仍然發(fā)展迅速，差不多每 5 年增加 10 倍。 2007 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就是授予兩位與高密度磁存儲(chǔ)技術(shù)有關(guān)兩位物理學(xué)家的所謂 “巨磁阻效應(yīng) ”的發(fā)現(xiàn)工作。 存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展 1898 年 ,丹麥電信工程師 造出了第一臺(tái)可以記錄聲音的鋼絲電話留言機(jī) 以來(lái) ,一直到 20 世紀(jì) 60 年代磁信息存儲(chǔ)在聲音記錄與圖像記錄方面取得了巨大的成功 并對(duì)社會(huì)生活引起巨大的變革 . 早期的電子計(jì)算機(jī) ,每一個(gè)新的應(yīng)用程序 ,都需要重新設(shè)計(jì)硬件與之配合 . 1950 年以后 ,出的程序數(shù)字計(jì)算機(jī)的概念改變了計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) ,計(jì)算機(jī)包括一個(gè)簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的處理器、一個(gè)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)、一個(gè)控制器、一個(gè)輸入輸出設(shè)備共四個(gè)部分 . 計(jì)算機(jī)變得更容易使用了 ,硬件和軟件變得相對(duì)獨(dú)立 ,同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提出了很高的要求 . 1 在 20 世紀(jì) 40 年代 ,美國(guó)的數(shù)據(jù)都是用打孔機(jī)記錄在數(shù)據(jù)紙上的 . 實(shí)際上在中國(guó) ,這種技術(shù)到五六十年代進(jìn)行 “兩彈一星 ”項(xiàng)目的時(shí)候還在使用 1948 年 ,美國(guó)軍方在德國(guó)的 音機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上 ,研發(fā)了磁鼓數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng) ( ,進(jìn)行2 比較快速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ) . 在 40 年代 ,國(guó)際商用機(jī)器公司 ( 一直在做打孔式紙帶的計(jì)算器 ,并有廣泛的客戶 . 到了 40 年代后期 , 始認(rèn)識(shí)到磁存儲(chǔ)的重要性 ,購(gòu)買(mǎi)了由司制造的美國(guó)第一臺(tái)數(shù)據(jù)磁帶機(jī) 統(tǒng) . 1951 年 , 礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出 720 磁帶機(jī) ,其中使用了類似于德國(guó) 醋酸纖維素 - 鐵氧體顆粒磁帶作為數(shù)據(jù)記錄媒體 ,另外 ,一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)格式為不回零反轉(zhuǎn)格式 (to 縮寫(xiě)為 ,磁頭中的電流在 +1和 其中每次反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)為二進(jìn)制數(shù) 1 ,否則為 0)提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度 . 這臺(tái)磁帶機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率為 7500s ,比打孔的紙帶機(jī)快 ,但是仍然跟不上計(jì)算機(jī)需要的數(shù)據(jù)速率 . 雖然如此 ,磁帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還是由此成為了計(jì)算機(jī)的外存之一 . 1957 年 ,出了革命性的隨機(jī)存取計(jì)算和控制方法 (of 50 計(jì)算機(jī)硬盤(pán) . 硬盤(pán)的基底是 1厚的鋁合金圓盤(pán) ,表面用 - 形顆?；煸谟推嶂?,用旋轉(zhuǎn)涂覆 ( 方法制備磁記錄層 . 硬盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與鼓形數(shù)據(jù)磁帶機(jī)類似 ,新設(shè)計(jì)了一個(gè)噴氣旋轉(zhuǎn)軸承和磁頭 - 磁盤(pán)之間的空氣間隙 (,磁頭在硬盤(pán)上的飛行速度很快 ,實(shí)現(xiàn)了 2數(shù)據(jù)記錄面密度 ,同時(shí)存取速度得到了很大的提高 . 20 世紀(jì) 70 年代末出現(xiàn)了光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)。它的存儲(chǔ)容量比磁盤(pán)高 l2 個(gè)數(shù)量級(jí)，使用力命長(zhǎng)，信息可保存 10 年以 上，系統(tǒng)可靠 ,光頭與 記錄介質(zhì)不接觸 擦重寫(xiě)的光盤(pán)材料已經(jīng)出現(xiàn)，讀寫(xiě)速度和查找數(shù)據(jù)速度正在改進(jìn)，但低于磁盤(pán)。 在 1985 年和 1991 年 ,別在數(shù)據(jù)磁帶系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬盤(pán)系統(tǒng)中使用了磁阻磁頭 . 使用了磁阻磁頭以后 ,1991 年的 盤(pán) ,存儲(chǔ)面密度達(dá)到了 90總存儲(chǔ)容量達(dá)到了 11986 年 ,金屬多層薄膜 r/巨磁阻效應(yīng)被德國(guó)物理學(xué)家 發(fā)現(xiàn) ,同時(shí)受到科學(xué)界和工業(yè)界的重視 . 到了 1996 年 ,在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中 ,巨磁阻多層 膜代替了一般的磁阻薄膜 ,大幅度提高了感應(yīng)磁場(chǎng)信號(hào)的靈敏度 ,使得巨磁阻磁頭(成為了讀磁頭 ,數(shù)據(jù)記錄面密度由此超過(guò)了 1 到 1997 年 ,計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的密度達(dá)到了 2. 640 年之內(nèi) ,面密度大約每?jī)赡攴环?,一共增長(zhǎng)了一千多萬(wàn)倍 ,而到 2003 年 計(jì)算機(jī)硬盤(pán)在實(shí)驗(yàn)室中的存儲(chǔ)密度已經(jīng)超過(guò)了100磁盤(pán)的存取時(shí)間達(dá)到了 4據(jù)速率 也 提高到 400到 500Mb/ 在計(jì)算機(jī)硬盤(pán) 40 多年的發(fā)展歷史中 ,有幾項(xiàng)技術(shù)起了關(guān)鍵性的作用 ,其中包 括薄膜寫(xiě)磁頭、磁阻和巨磁阻讀磁頭 ,高矯頑力的薄膜硬盤(pán) ,以及部分響應(yīng)最大相似 ( 信號(hào)處理系統(tǒng) ,其中多項(xiàng)技術(shù)與凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的發(fā)展有很大的關(guān)系 . 2 傳統(tǒng)信息存儲(chǔ)方式 磁帶存儲(chǔ)技術(shù) 磁帶存儲(chǔ)是早期使用最廣泛的 磁 存儲(chǔ)技術(shù)。由于磁帶記錄的可重放性、記錄方式的靈活多樣性及簡(jiǎn)單而廉價(jià)，使其作為輔助存儲(chǔ)設(shè)備得到了廣 泛的應(yīng)用。目前 ,存儲(chǔ)速度與密度更高的磁盤(pán)在基本上 取代了磁帶的地位 紹一下 . 磁帶可按使用場(chǎng)合、裝帶方式、帶寬尺寸、功能、磁性材料、用途等進(jìn)行分類。按用途可以分錄音磁帶、錄像磁帶、計(jì)測(cè) (儀器 )磁帶、計(jì)算機(jī)磁帶等。本節(jié)著重介紹計(jì)算機(jī)磁帶，其他磁帶的存儲(chǔ)原理和方式與計(jì)算機(jī)磁帶相似。 磁帶主要是由磁性材料、帶基、粘結(jié)劑及各種添加劑等三部分組成。作為磁記錄媒體與磁記錄直接有關(guān)的是磁性材料；但是粘結(jié)劑和帶基以及將這三部分構(gòu)成整體的技術(shù)對(duì)于充分發(fā)揮磁性材料所具有的磁性能具有很大的作用 . 討算機(jī)磁帶記錄是通過(guò)磁帶機(jī) (又稱走帶機(jī)構(gòu) )來(lái)完成的，它實(shí)際上是數(shù)據(jù)記錄儀。磁帶以 個(gè)固定的速度通過(guò) 磁頭時(shí)才能進(jìn)行讀寫(xiě)。當(dāng)磁帶從靜止計(jì)始啟動(dòng)時(shí)，它不能立即加速到這個(gè)速度，必須花費(fèi)一定的時(shí)間并通過(guò) 段磁帶后才能達(dá)到，這使得數(shù)據(jù)塊之間的間隔必須具有一定的長(zhǎng)度。標(biāo)準(zhǔn)間隔塊的長(zhǎng)度為 密度磁帶的間隔塊長(zhǎng)度可小于 主要特點(diǎn)是在計(jì)算機(jī)控制下具有瞬時(shí)起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)的能力。計(jì)算機(jī)能在很短的時(shí)間內(nèi)請(qǐng)求磁帶機(jī)運(yùn)行，然后停機(jī)等待計(jì)算機(jī)的請(qǐng)求或繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)塊讀出后磁帶即停止運(yùn)行，當(dāng)它重新起動(dòng)時(shí)又必須在下一個(gè)數(shù)據(jù)塊開(kāi)始就達(dá)到正常的線速度，否則就要產(chǎn)生讀出錯(cuò)誤。因此，磁 帶加速和減速運(yùn)行的長(zhǎng)度必須小于間隔塊長(zhǎng)度。 圖 1 是典型的真空緩沖高速磁帶機(jī)的示意圖。磁帶機(jī)除了接收大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)外，還必須盡可能快地提供所需要的信息，這就要求驅(qū)動(dòng)器有很高且均勻的速度。此外，在磁帶啟動(dòng)和停止走動(dòng)時(shí)，應(yīng)盡可能地縮短啟一停時(shí)間，以提高數(shù)據(jù)傳遞速度，增加存儲(chǔ)容量。帶盤(pán) (供帶盤(pán)和卷帶盤(pán) )相對(duì)于 段磁帶來(lái)說(shuō)質(zhì)量較重，若直接驅(qū)動(dòng)帶盤(pán)，不僅速度慢， 且在突然加速和減速的情況下會(huì)扯壞磁帶。使用低壓真空室后，在突然加速和減速時(shí) (磁帶啟一停時(shí) )，低壓室起到一個(gè)磁帶緩沖器的作用，它減緩了卷繞部件對(duì)磁帶的作用 . 4 圖 1 高速真空緩沖磁帶機(jī)示意圖 123456,137891011121415 磁盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù) 目前主流的磁存儲(chǔ)技術(shù) 磁帶存儲(chǔ)的突出優(yōu)點(diǎn)是比其他存儲(chǔ)方法便宜，而 且 由于數(shù)據(jù)載體可以更換所以存儲(chǔ)容量可以隨意擴(kuò)充。但磁帶的結(jié)構(gòu)使之只能順序存取，所以磁帶在應(yīng)用上受到了限制。 與此相反，磁盤(pán)不僅可以順序存取數(shù)據(jù)，而且還能直接隨機(jī)存取所需數(shù)據(jù)，存取時(shí)間比磁帶更短，也可隨意更換裁體，擴(kuò)充容量 . 目前 ,磁存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)非常成熟 ,繼磁帶存儲(chǔ)之后 ,已成為 20世紀(jì) 90年代到現(xiàn)在最主要的、使用最廣泛的存儲(chǔ)技術(shù) . 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用 ,不僅要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而且還要根據(jù)要求隨時(shí)選取特定地址上存儲(chǔ)的信息。這種隨機(jī)存取的工作方式是要求按指令去選擇特定地址，進(jìn)行記錄和重放，而不是像磁帶那樣只能按照前后次序來(lái)確定地址。這種要求只有磁盤(pán)的記錄方式才能滿足。 1955 年，美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司 (出了世界上第一臺(tái)磁盤(pán)存儲(chǔ)器，使磁記錄設(shè)備成為計(jì)算機(jī)的重要外存設(shè)備。 20 世紀(jì) 6070 年代以來(lái)，人們對(duì)原有的磁記錄裝置進(jìn)行了大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究，5 使各類磁記錄裝置的整機(jī)性能都有了大幅度的提高。 1962年 頭。1973 年 司前首先推 出溫徹斯特 (盤(pán)系統(tǒng)。同 時(shí)，雙面倍密度 8 英寸 (1磁盤(pán)、 寸 小型盤(pán)相繼 問(wèn)世，薄膜磁頭實(shí)現(xiàn)商品化 ，日本的巖崎俊 一提出了一 種高密度記錄方式 垂自磁記錄，引起了人們極大的興趣。 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始，磁存儲(chǔ)密度與速度的發(fā)展達(dá)到了每十年增加十倍的速度。出現(xiàn)了 寸軟磁盤(pán)和垂直記 錄軟盤(pán)機(jī)。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代后磁存儲(chǔ)密度更以每十年增加百倍的發(fā)展速度迅猛增加 頭材料和結(jié)構(gòu)以及伺服定位、磁頭盤(pán)界面等方面都有重大突破，使磁盤(pán)每個(gè)記錄單元 (比特 )下，盤(pán)徑己小于 2 英寸 .2 磁盤(pán)存儲(chǔ)器的組成 磁盤(pán)存儲(chǔ)器由磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、磁盤(pán)控制器和磁盤(pán)片組成。主機(jī) (過(guò)磁盤(pán)控制器與 磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器相接 不直接控制磁盤(pán)操作 ,而是以命令的形式發(fā)送給磁盤(pán)控制器 ,由磁盤(pán)控制器產(chǎn)生若干控制信號(hào)送給磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 由磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器將磁盤(pán)控 制器送來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)盤(pán)的各種電氣和機(jī)械的動(dòng)作 ,驅(qū)動(dòng)磁盤(pán)完成 令所要求的操作 磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器還將磁盤(pán)的現(xiàn)行狀態(tài)傳送給磁盤(pán)控制器 ,作為 磁盤(pán)控制器正確控制磁盤(pán)操作的條件 . 按照盤(pán)片的不同 ,磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器有軟磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和硬磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器之分 . 軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器與硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器都是外存儲(chǔ)器 ,它們的基本結(jié)構(gòu)大體相同 完成讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的放大和處理電路 ;為指定位置執(zhí)行存取操作的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制電路等 . 磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的功能結(jié)構(gòu)主要由讀寫(xiě)系統(tǒng) ,磁頭定位系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成 . (1)讀寫(xiě)系統(tǒng) 片和讀 寫(xiě)電路構(gòu)成 ,其基本功能是將控制器送來(lái)的一串編碼的脈沖序列經(jīng)過(guò)寫(xiě)電路由磁頭轉(zhuǎn)換成介質(zhì)磁層磁化翻轉(zhuǎn)記錄在盤(pán)片上 ;也可將版畫(huà)片上記錄的磁化狀態(tài)經(jīng)過(guò)磁頭、讀電路檢讀出數(shù)據(jù)和時(shí)鐘混合脈沖送到數(shù)據(jù)分高電路 ,最后還原成為數(shù)據(jù)序列 軟磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器一般裝有 1磁頭 ,硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器磁頭數(shù)目多數(shù)在兩只以上 . (2)磁頭定位系統(tǒng) 行機(jī)構(gòu)、控制電路和檢測(cè)部件等組成 ,其基本功能是將磁頭迅速、準(zhǔn)確地定位于磁道中心位置 . 磁頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要采用步進(jìn)電機(jī)和音圈電機(jī) 、磁頭移動(dòng)支架等構(gòu)件組成 使磁頭在盤(pán)片上作徑向運(yùn)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)器中的檢測(cè)部件有檢測(cè)磁頭移動(dòng)速度的速度檢測(cè)器和檢測(cè)碰頭移動(dòng)位置的位置檢測(cè)器 . 上述這些控制環(huán)節(jié)加上控制電路構(gòu)成完整的定位系統(tǒng)?？焖俣ㄎ幌到y(tǒng)的工作過(guò)程一般分為速度控制和位置控制兩個(gè)階段首先以最快速度使磁頭由現(xiàn)行磁道移動(dòng)到目標(biāo)磁道。在磁頭移動(dòng)過(guò)程中，利用速度檢測(cè)器反饋回來(lái)的速度信號(hào) ,定位系統(tǒng)不斷修正磁頭移動(dòng)速度 ,這是速度控制過(guò)程 據(jù)反饋回來(lái)的位置信號(hào)，將磁頭定位于磁道中心 這是位置控制過(guò)程。 (3)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 軸部件和穩(wěn)速系統(tǒng)組成。其基本功能是以恒定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)盤(pán)片旋轉(zhuǎn)，使磁頭擁對(duì)磁道有個(gè)穩(wěn)定的切向速度進(jìn)行正確地讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。 磁盤(pán)控制器 作為主機(jī)和磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器之間接口設(shè)備的磁盤(pán)控制器有多種類型 ,與驅(qū)動(dòng)器相連的界面也有多種標(biāo)準(zhǔn)接口 ,但其基本組成和工作原理大體相同，大都包括以下幾個(gè)部分： (1)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線相連的控制邏輯電路主要由寄存器、緩沖器、鎖存器和地址譯碼器以及中斷邏輯組成 . (2)控制器的核心器件 一微處理器。 (3)完成讀出數(shù)據(jù)分離及寫(xiě) 入數(shù)據(jù)預(yù)補(bǔ)償?shù)淖x寫(xiě)數(shù)據(jù)解碼和編碼電路。 (4)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)碼校驗(yàn)以及對(duì)出錯(cuò)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正的數(shù)據(jù)檢錯(cuò)及糾錯(cuò)電路。 (5)根據(jù)主機(jī)發(fā)來(lái)的命令，對(duì)數(shù)據(jù)傳送、串并轉(zhuǎn)換及格式化等進(jìn)行邏輯控制的電路。 (6)存放磁盤(pán)基本輸入輸出程序的 于數(shù)據(jù)交換的緩沖區(qū) 硬磁盤(pán)系統(tǒng) 軟盤(pán)攜帶萬(wàn)便，但存儲(chǔ)容量小，同時(shí)，讀寫(xiě)速度也慢。為解決上述問(wèn)題，微機(jī)一般都裝有硬盤(pán)。 硬磁盤(pán)系統(tǒng)由硬磁盤(pán) (組 )、磁頭 (組件 )、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和軟件等構(gòu)成。它是驅(qū)動(dòng)磁盤(pán)、定位磁頭和按指令通過(guò)磁頭進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的磁盤(pán)存儲(chǔ)器。磁頭分 為固定磁頭和浮動(dòng)磁頭 . 固定磁頭磁盤(pán)機(jī)記錄的每條磁跡對(duì)應(yīng)著一個(gè)固定磁頭 (圖 2)。磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由固定磁頭進(jìn)行讀或?qū)憽?浮動(dòng)磁頭被固定在能向磁盤(pán)圓心方向伸縮的磁頭臂上。磁頭借助磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的氣流而 “飄浮 ”于磁盤(pán)表面。當(dāng)磁盤(pán)高速旋轉(zhuǎn) (數(shù)千轉(zhuǎn)每分至上萬(wàn)轉(zhuǎn)每分 )時(shí) ,磁頭離開(kāi)磁層表面約幾微米 (即飄浮高度 ),進(jìn)行非接觸式記錄 (圖 3). 7 圖 2 固定磁頭磁盤(pán)記錄 硬磁盤(pán)的存取速度比軟磁盤(pán)快，其存儲(chǔ)容量與磁跡密度、線密度以及浮動(dòng)高度密切相關(guān)。目前大容量磁盤(pán)存儲(chǔ)器的磁跡密度為 2436 條 /密度可達(dá) 470b/頭浮動(dòng)高度為 ，記錄密度隨磁頭浮動(dòng)高度的減小而線性增加，變化范圍為仍601998 年，硬磁盤(pán)容量已達(dá) 均搜尋時(shí)間為 9硬磁盤(pán)存儲(chǔ)器發(fā)展很快，種類繁多，且結(jié)構(gòu)差異很大，但其基本組成相似。目前使用最普遍的是溫徹斯持 (盤(pán)，簡(jiǎn)稱溫盤(pán)。溫盤(pán)技術(shù)由美國(guó) 司于 1973年首先推出，這是一種高可靠性、大容量磁盤(pán)技術(shù)，其基本特征是： (1)采用全封閉結(jié)構(gòu)。溫盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的磁頭和盤(pán)片是作為 個(gè)整體被密封在盤(pán)腔內(nèi)，稱為頭盤(pán)組件 (典型的溫盤(pán)存儲(chǔ)器基本結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。 件、搖臂或小車、步進(jìn)電機(jī)、位置傳感器、以及讀寫(xiě)預(yù)放大器 (件 )等采用全封閉結(jié)構(gòu)。封閉室內(nèi)有超凈化過(guò)濾，自循環(huán)系統(tǒng)散熱等措施使室內(nèi)保持 100 級(jí)潔凈度和自動(dòng)冷卻。由于 件裝在頭盤(pán)腔中，放大器離磁頭很近，避免了高頻信號(hào)干擾，提高了讀出信號(hào)的信噪比。 (2)采用體積小、重量輕、負(fù)荷小的新磁頭 (溫盤(pán)磁頭重僅 5g)，磁層表面有氟碳潤(rùn)滑層，使磁頭按接觸起停方式在低浮動(dòng)高度下 (品中 第二種情形為外加磁場(chǎng) 過(guò)渡金屬整體的矯頑場(chǎng) 從常溫到激光加熱到溫度大于 但到了樣品的熱量擴(kuò)散冷卻過(guò)程中 ,樣品中 而又由于 能把 這一種磁化翻轉(zhuǎn)過(guò)程所需要的時(shí)間已經(jīng)達(dá)到了亞皮秒的數(shù)量級(jí) .1314 因此，研 究激光加熱鐵磁系統(tǒng)時(shí)的磁化動(dòng)力學(xué)過(guò)程，測(cè)量激光感應(yīng)超快退磁及其磁 化恢復(fù)時(shí)間，對(duì)于探索光輔助磁記錄中的光 磁相互作用機(jī)制，促進(jìn)記錄介質(zhì)的改進(jìn)和優(yōu)化具有現(xiàn)實(shí)意義。 22 圖 15 稀土 過(guò)渡金屬熱輔助磁化翻轉(zhuǎn)過(guò)程 讀出原理 磁光記錄信息的讀出是利用磁光克爾效應(yīng)進(jìn)行的 . 對(duì)于一個(gè)已寫(xiě)入信息的 磁光介質(zhì)來(lái)說(shuō) ,介質(zhì)中磁疇的磁化方向有正反兩種情況 6,一束激光照射在介質(zhì)表面的某一位23 置時(shí) ,如該處對(duì)應(yīng)的磁疇為正向磁化 ,則反射光的克爾轉(zhuǎn)角為 + K ;如該處對(duì)應(yīng)的磁疇為反 圖 16 讀出原理 向磁化 ,則反射光的克爾轉(zhuǎn)角為 - K. 因此 ,若偏振光分析器的軸向放置恰好與垂直于記錄介質(zhì)的平面成 K 夾角 ,則在介質(zhì)上反向磁化處的反射光將不能通過(guò)偏振光分析器 ,而在介質(zhì)上正向磁 化處 ,反射光可以通過(guò)偏振光分析器 ,這就證明偏振面轉(zhuǎn)過(guò)了 2 K 角度 在通過(guò)介質(zhì)表面反射的反射光光路上放一探測(cè)器 ,就可以方便地檢測(cè)出反射處是正向磁化還是反向磁化 ,即讀出了 “0”和 “1”. 如果磁光介質(zhì)安裝在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)上 ,就成為磁光盤(pán) . 磁光盤(pán)可以象目前計(jì)算機(jī)上普遍采用的磁盤(pán)一樣旋轉(zhuǎn) ,進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取工作 . 磁光存儲(chǔ)系統(tǒng)如圖 17 所示 ,高功率半導(dǎo)體激光器發(fā)出調(diào)制激光束 ,半導(dǎo)體激光器的特征橢圓光輪廓經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直并變圓 ,以便能明銳地聚焦到磁光盤(pán)上 偏振分光器 反射光轉(zhuǎn)向 ,同時(shí)減少對(duì)激光器的反饋 讀取數(shù)據(jù) 一旦存在偏差 ,即產(chǎn)生誤差訊號(hào) ,反饋到伺服電機(jī) ,以糾正偏差 .1516 磁光記錄介質(zhì) 自從本世紀(jì) 50 年代末有人提出磁光記錄原理以來(lái) ,人們一直在關(guān)注著它的發(fā)展 . 60 年代 ,不少人研究過(guò) 料 ,由于熱穩(wěn)定性差和制備困難 ,后來(lái)被放棄了 . 整個(gè) 70 年代 ,人們把努力方向主要瞄準(zhǔn)在對(duì)各種材料性能的了解和試驗(yàn)上 . 到了 80 年代 ,由于電子設(shè)計(jì)、光學(xué)驅(qū) 動(dòng)器技術(shù)的發(fā)展 ,生產(chǎn)設(shè)備的更新 ,使磁光記錄材料有了較大突破 . 這主要是指非晶態(tài)稀土 這種材料有較好的磁各向異性 ,其薄膜介質(zhì)既適合居里點(diǎn)24 寫(xiě)入又適合補(bǔ)償點(diǎn)寫(xiě)入 . 稀土過(guò)渡金屬（ 金是一類出色的磁光記錄材料，一般采用 材通過(guò)濺射沉積而成，因此可以方便的控制組分，調(diào)節(jié)介質(zhì)的磁性能，從而容易獲得高矯頑力、高垂直磁各向異性，同時(shí)兼具良好磁光和溫度特性的優(yōu)異介質(zhì)。 料主要分為兩大類：一類是鐵基，如 三元合金 ；另一類是鈷基，如 三元合金 。 目前，可用于光輔助磁記錄的 儲(chǔ)材料主要是在重稀土 過(guò)渡族（ 金的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。 非晶垂直磁化膜具有良好的光輔助擦寫(xiě)特性，室溫下具有很高的 激光照射下 迅速下降。由于磁光記錄采用的是磁光克爾效應(yīng)讀出，因此飽和磁化強(qiáng)度 低不影響其讀出；而作為磁光混合記錄介質(zhì)，由于采用頭讀出， 低則信號(hào)較弱，將對(duì)磁頭的靈敏度提出更高要求?，F(xiàn)有報(bào)道用雙層介質(zhì)膜進(jìn)行改進(jìn)，采用富 為讀出層，富 為寫(xiě)入層，或 雙層結(jié)構(gòu)介質(zhì)均可獲得較好的記錄性能。 重稀土元素鋱（ 過(guò)渡族金屬鐵（ 鈷（ 成的非晶態(tài) 膜是磁光記錄領(lǐng)域的主流介質(zhì)。非晶態(tài)的優(yōu)點(diǎn)在于其組分可以連續(xù)變化，不像晶態(tài)結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)特定的相，易于獲得均勻的合金系，因此可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)介質(zhì)的磁性能參數(shù)，如飽和磁化強(qiáng)度（ 補(bǔ)償溫度（ 矯頑力（ ；另一方面，非晶態(tài)材料因無(wú)晶界噪聲，容易產(chǎn)生垂直磁化各向異性 有較大的克爾轉(zhuǎn)角 k。 于有較強(qiáng)的 的 近于 1 的矩形比，適中的居里溫度 優(yōu)異性能而被廣泛關(guān)注。 磁光信息存儲(chǔ) ,要求磁光介質(zhì)具有下列性能 :1)足夠大的磁光效應(yīng) ;2)材料均勻 ,表面噪聲低 ;3)垂直各向異性 ;4)矯頑力大 ,以便有盡量大的存儲(chǔ)密度及抗外界磁場(chǎng)影響 ;5)居里溫度在 400600K 之間 ,以保證記錄功率適中 ;6)磁疇長(zhǎng)期穩(wěn)定 ;7)濺射溫度低 ,速率高 . 具有 分的非晶稀土過(guò)渡金屬是能滿足上述要求的最佳磁光材料 . 5 在外加磁場(chǎng)的作用下實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) 實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)方法是外加反向磁場(chǎng) ,如圖 18 . 利用外加反向磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的磁化反 轉(zhuǎn)根據(jù)信息位的寫(xiě)入原理還可分為直接磁化反轉(zhuǎn)、進(jìn)動(dòng)磁化反轉(zhuǎn)和熱助磁化反轉(zhuǎn)三種形式。直接磁化反轉(zhuǎn)，利用高頻的寫(xiě)入電流脈沖，依靠記錄磁頭產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)可以直 接反轉(zhuǎn)磁性材料記錄位的信息，由于磁疇晶核的形成和壁移、轉(zhuǎn)動(dòng)等磁化過(guò)程的限制，這種磁化反轉(zhuǎn)過(guò)程速度相對(duì)較慢，發(fā)生在 級(jí)。同時(shí)，當(dāng)進(jìn)一步提高直接磁化反轉(zhuǎn)的記錄速率，會(huì)碰到一個(gè)嚴(yán)重并且不可避免的鐵磁共振問(wèn)題，即數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速率在接近或超過(guò)讀寫(xiě)25 磁頭的本征鐵磁共振頻率極限時(shí)（ 1 3磁化反轉(zhuǎn)過(guò)程不能繼續(xù)進(jìn)行。 圖 17 磁光存 儲(chǔ)系統(tǒng) 運(yùn)用進(jìn)動(dòng) ,外加一個(gè)與磁疇原始方向相互垂直的磁場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)動(dòng) ,磁疇的磁化方向可以很容易就翻轉(zhuǎn)半個(gè)進(jìn)動(dòng)過(guò)程 ,如圖 19 速度上快 1 到 2 個(gè)數(shù)量級(jí)以及消耗較少的能量就能實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)的磁化進(jìn)動(dòng)開(kāi)關(guān)或者彈道開(kāi)關(guān)前景非常廣闊 運(yùn)用這種方法把磁疇 M 的方向轉(zhuǎn)換回來(lái)時(shí)不用反復(fù)的改變垂直脈沖磁場(chǎng)的方向 ,而是再簡(jiǎn)單地調(diào)整下開(kāi)關(guān)脈沖就可以了 ,控制進(jìn)動(dòng)開(kāi)關(guān)因素的只有垂直脈沖磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度跟脈沖持續(xù)時(shí)間 在幾百皮秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間足夠短且強(qiáng)度足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)脈沖相當(dāng)困難 ,在一般情況下，產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng) 可以通過(guò)電器線圈，肖特基二極管或通過(guò)光纖交換機(jī)（所謂的奧斯頓開(kāi)關(guān)），它可以產(chǎn)生相對(duì)較短脈沖 而 且 在 時(shí)間尺度上 這種方法 要快兩個(gè)數(shù)量級(jí)，將來(lái)有可能發(fā)展到亞皮秒尺度。 例如最近被證明可行的渦核超快磁開(kāi)關(guān)可達(dá)到 40是目前能達(dá)到的進(jìn)動(dòng)開(kāi)關(guān)速度的 5 倍 ! 自旋流作用實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) 80 年前 ,英國(guó)天才理論物理學(xué)家狄拉克將新生的量子力學(xué)和愛(ài)因斯坦的相對(duì)論結(jié)合 , 26 圖 18 反向磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) 圖 19 垂直磁場(chǎng)進(jìn)行磁化進(jìn)動(dòng) 建立了相對(duì)論量子力學(xué) ,成功地解釋了電 子為什么會(huì)具有一種特別的磁性或角動(dòng)量 ,即自旋 27 (1)電子除了質(zhì)量和電荷外 ,還有一個(gè)內(nèi)稟角動(dòng)量 ,叫自旋 ; (2)每個(gè)電子自旋都有任意的兩個(gè)方向 h (就形成我們熟知的鐵磁體 ; (3)在磁場(chǎng)中 ,電子自旋平行或反平行于磁場(chǎng)時(shí) ,電子具有不同的能量 ; (4)定向運(yùn)動(dòng)的電子形成電流 電子自旋的指向是無(wú)規(guī)的 ,沒(méi)有自旋的性質(zhì) ; (5)定向相干運(yùn)動(dòng)的電子自旋形成自旋流 自旋流是傳輸和控制 自旋的載體和動(dòng)力 . 利用小范圍的強(qiáng)電子相互作用的自旋極化為操縱磁存儲(chǔ)系統(tǒng)在納秒數(shù)量級(jí)提供了一種全新的方法 0,在這里，包含不同自旋方向的電子流注入并通過(guò)不同薄層組成的圓柱面內(nèi) ,鐵磁 極化 層有著固定的磁化方向相當(dāng)于偏振片 (當(dāng)注入的電子流通過(guò)這 圖 20 注入自旋流實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) 一層后變成自旋極化電流 自旋極化電流進(jìn)入自由層并對(duì)這第二個(gè)鐵磁層產(chǎn)生一個(gè)扭 矩 另外 ,極化 層(自由層 (磁方面是相互獨(dú)立的 ,而且兩層之前由一層無(wú)磁性材料隔離開(kāi) 電子自旋流先進(jìn)入自由層 ,在將到達(dá)偏振層時(shí)由于自旋流方向與極化層磁矩相反而不能通過(guò)極化層并 被 極化 層反射回來(lái) 而 產(chǎn)生一個(gè)自旋積累 ,這些積累起來(lái)的自旋流子與傳輸過(guò)來(lái)的傳輸自旋流子方向相反地 擴(kuò)散 回到自由層28 并把自由層的磁化方向翻轉(zhuǎn)回到原來(lái)的狀態(tài) .1718 在理論上 ,這種技術(shù)的翻轉(zhuǎn)速度只取決于注入電流脈沖的幅度與時(shí)間 ,因?yàn)槠褡孕髅}沖的角動(dòng)量是直接傳輸?shù)綐悠反啪厣系?,避免了自旋晶格弛豫瓶頸 這種翻轉(zhuǎn)在實(shí)踐 中被證明在幾百皮秒數(shù)量級(jí) . 全光磁化翻轉(zhuǎn) 全光翻轉(zhuǎn)這技術(shù)只是運(yùn)用圓偏振光來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵磁材料的磁化翻轉(zhuǎn) ,如圖 相應(yīng)光子的不同角動(dòng)量狀態(tài)會(huì)改變磁化方向 唯一的不同是圓偏振光的角動(dòng)量代替了電子自旋流的角動(dòng)量 . 圖 21 運(yùn)用圓偏振光實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) 實(shí)驗(yàn)證明 ,運(yùn)用比較有代表性的材料 ,一個(gè) 40 飛秒的圓偏振激光脈沖就可以很好地實(shí) 現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) 的影響 1920 4 結(jié)語(yǔ) 社會(huì)的需求是技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力 容量發(fā)展到高速、高容量 從紙帶到磁帶 ,然后再到光盤(pán)與磁盤(pán) ,存儲(chǔ)技術(shù)的每一次改革無(wú)不伴隨著存儲(chǔ)速度與容量的質(zhì)的飛躍 外加垂直脈沖磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)超快翻轉(zhuǎn)記錄可29 達(dá)到 40右的翻轉(zhuǎn)時(shí)間 ,比一般的存儲(chǔ)速度快 5 倍 級(jí) 但這項(xiàng)技術(shù)離實(shí)用化還有一段比較長(zhǎng)的道路要走 特別是用激光熱輔助稀土 過(guò)渡金屬跨越補(bǔ)償點(diǎn)實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) ,存儲(chǔ)速度可以達(dá)到亞皮秒的 數(shù)量級(jí) 不難預(yù)見(jiàn) ,未來(lái)二十年信息存儲(chǔ)將是磁光存儲(chǔ)的世界 . 目前超快速信息存儲(chǔ)領(lǐng)域正出現(xiàn)百家爭(zhēng)鳴的狀態(tài) 除了 文中提到的 比較接近實(shí)用的磁光存儲(chǔ)技術(shù)以外 ,還有光子存儲(chǔ)、全息光存儲(chǔ)、近場(chǎng)光存儲(chǔ)等 未 來(lái)也可能同時(shí)存在多種超快存儲(chǔ)技術(shù) . 30 致 謝 本論文是在 徐初東老師 的精心指導(dǎo)和幫助下完成的， 感謝徐老師在論文的選定過(guò)程中對(duì)我的信任 在初期 ,徐老師表達(dá)出的對(duì)我的信任以及樂(lè)此不倦地給我講解各