Almacenamiento magnético

El almacenamiento magnético o grabación magnética es el almacenamiento de datos en un medio magnetizado. El almacenamiento magnético utiliza diferentes patrones de magnetización en un material magnetizable para almacenar datos y es una forma de memoria no volátil. Se accede a la información utilizando uno o más cabezales de lectura/escritura.

Los medios de almacenamiento magnético, principalmente los discos duros, se utilizan ampliamente para almacenar datos informáticos, así como señales de audio y video. En el campo de la computación, se prefiere el término almacenamiento magnético y en el campo de la producción de audio y video, se usa más comúnmente el término grabación magnética. La distinción es menos técnica y más una cuestión de preferencia. Otros ejemplos de medios de almacenamiento magnético incluyen disquetes, cintas magnéticas y bandas magnéticas en tarjetas de crédito.

Historia

El almacenamiento magnético en forma de grabación por cable (grabación de audio en un cable) fue publicado por Oberlin Smith en la edición del 8 de septiembre de 1888 de Electrical World. Smith había presentado previamente una patente en septiembre de 1878, pero no encontró la oportunidad de seguir con la idea ya que su negocio eran las máquinas herramienta. La primera grabadora magnética demostrada públicamente (Exposición de París de 1900) fue inventada por Valdemar Poulsen en 1898. El dispositivo de Poulsen grabó una señal en un cable enrollado alrededor de un tambor. En 1928, Fritz Pfleumer desarrolló la primera grabadora de cinta magnética. Los primeros dispositivos de almacenamiento magnético se diseñaron para grabar señales de audio analógicas. Las computadoras y ahora la mayoría de los dispositivos de almacenamiento magnético de audio y video registran datos digitales.

En las computadoras, el almacenamiento magnético también se utilizó para el almacenamiento primario en forma de tambor magnético, o memoria de núcleo, memoria de cuerda de núcleo, memoria de película delgada, memoria de torsión o memoria de burbuja. A diferencia de las computadoras modernas, la cinta magnética también se usaba a menudo para almacenamiento secundario.

Diseño

La información se escribe y lee desde el medio de almacenamiento a medida que pasa por dispositivos llamados cabezales de lectura y escritura que operan muy cerca (a menudo decenas de nanómetros) sobre la superficie magnética. El cabezal de lectura y escritura se utiliza para detectar y modificar la magnetización del material inmediatamente debajo de él. Hay dos polaridades magnéticas, cada una de las cuales se usa para representar 0 o 1.

La superficie magnética se divide conceptualmente en muchas regiones magnéticas pequeñas de tamaño submicrométrico, denominadas dominios magnéticos (aunque estos no son dominios magnéticos en un sentido físico riguroso), cada uno de los cuales tiene una magnetización mayoritariamente uniforme. Debido a la naturaleza policristalina del material magnético, cada una de estas regiones magnéticas está compuesta por unos cientos de granos magnéticos. Los granos magnéticos suelen tener un tamaño de 10 nm y cada uno forma un solo dominio magnético verdadero. Cada región magnética en total forma un dipolo magnético que genera un campo magnético. En los diseños de unidades de disco duro (HDD) más antiguos, las regiones estaban orientadas horizontalmente y paralelas a la superficie del disco, pero a partir de 2005, la orientación se cambió a perpendicular para permitir un espacio de dominio magnético más cercano.

Las unidades de disco duro más antiguas usaban óxido de hierro (III) (Fe ₂ O ₃) como material magnético, pero los discos actuales usan una aleación a base de cobalto.

Para un almacenamiento fiable de datos, el material de grabación debe resistir la autodesmagnetización, que se produce cuando los dominios magnéticos se repelen entre sí. Los dominios magnéticos escritos demasiado juntos en un material débilmente magnetizable se degradarán con el tiempo debido a la rotación del momento magnético de uno o más dominios para cancelar estas fuerzas. Los dominios giran lateralmente hasta una posición intermedia que debilita la legibilidad del dominio y alivia las tensiones magnéticas.

Un cabezal de escritura magnetiza una región generando un fuerte campo magnético local y un cabezal de lectura detecta la magnetización de las regiones. Los primeros HDD usaban un electroimán tanto para magnetizar la región como para leer su campo magnético usando inducción electromagnética. Las versiones posteriores de cabezales inductivos incluyeron cabezales Metal In Gap (MIG) y cabezales de película delgada. A medida que aumentó la densidad de datos, se empezaron a usar cabezales de lectura que usaban magnetorresistencia (MR); la resistencia eléctrica de la cabeza cambió según la fuerza del magnetismo del plato. El desarrollo posterior hizo uso de la espintrónica; en los cabezales de lectura, el efecto magnetorresistivo fue mucho mayor que en los tipos anteriores y se denominó magnetorresistencia "gigante" (GMR). En los cabezales actuales, los elementos de lectura y escritura están separados, pero muy próximos, en la parte del cabezal de un brazo actuador.

Se evita que las cabezas entren en contacto con la superficie del plato por el aire que está extremadamente cerca del plato; ese aire se mueve a la velocidad del plato o cerca de ella. El cabezal de grabación y reproducción están montados en un bloque llamado deslizador, y la superficie al lado del plato tiene forma para mantenerlo apenas fuera de contacto. Esto forma un tipo de cojinete de aire.

Clases de grabacion magnetica

Grabación analógica

La grabación analógica se basa en el hecho de que la magnetización remanente de un material determinado depende de la magnitud del campo aplicado. El material magnético está normalmente en forma de cinta, estando inicialmente desmagnetizada la cinta en su forma virgen. Al grabar, la cinta corre a una velocidad constante. El cabezal de escritura magnetiza la cinta con corriente proporcional a la señal. Se consigue una distribución de magnetización a lo largo de la cinta magnética. Finalmente, se puede leer la distribución de la magnetización, reproduciendo la señal original. La cinta magnética generalmente se fabrica incorporando partículas magnéticas (aproximadamente 0,5 micrómetrosde tamaño) en una carpeta de plástico en cinta de película de poliéster. El más utilizado de estos fue el óxido férrico, aunque también se utilizaron partículas de dióxido de cromo, cobalto y, más tarde, de metal puro. La grabación analógica fue el método más popular de grabación de audio y video. Sin embargo, desde finales de la década de 1990, la grabación en cinta ha perdido popularidad debido a la grabación digital.

Grabación digital

En lugar de crear una distribución de magnetización en la grabación analógica, la grabación digital solo necesita dos estados magnéticos estables, que son +Ms y -Ms en el bucle de histéresis. Ejemplos de grabación digital son los disquetes y las unidades de disco duro (HDD). La grabación digital también se ha llevado a cabo en cintas. Sin embargo, los discos duros ofrecen capacidades superiores a precios razonables; en el momento de escribir este artículo (2020), los discos duros de consumo ofrecen almacenamiento de datos a unos 0,03 $ por GB.

Los medios de grabación en HDD utilizan una pila de películas delgadas para almacenar información y un cabezal de lectura/escritura para leer y escribir información desde y hacia los medios; En el área de materiales usados ​​se han llevado a cabo diversos desarrollos.

Grabación magneto-óptica

La grabación magneto-óptica escribe/lee ópticamente. Al escribir, el medio magnético es calentado localmente por un láser, lo que induce una rápida disminución del campo coercitivo. Luego, se puede usar un pequeño campo magnético para cambiar la magnetización. El proceso de lectura se basa en el efecto Kerr magneto-óptico. El medio magnético es típicamente una película delgada amorfa de R-Fe-Co (siendo R un elemento de tierras raras). La grabación magneto-óptica no es muy popular. Un ejemplo famoso es Minidisc desarrollado por Sony.

Memoria de propagación de dominio

La memoria de propagación de dominio también se denomina memoria de burbuja. La idea básica es controlar el movimiento de la pared del dominio en un medio magnético libre de microestructura. Bubble se refiere a un dominio cilíndrico estable. Luego, los datos se registran por la presencia/ausencia de un dominio de burbuja. La memoria de propagación de dominio tiene una alta insensibilidad a golpes y vibraciones, por lo que su aplicación suele ser en el espacio y la aeronáutica.

Detalles técnicos

Método de acceso

Los medios de almacenamiento magnético se pueden clasificar como memoria de acceso secuencial o memoria de acceso aleatorio, aunque en algunos casos la distinción no es del todo clara. El tiempo de acceso se puede definir como el tiempo promedio necesario para acceder a los registros almacenados. En el caso del cable magnético, el cabezal de lectura/escritura solo cubre una parte muy pequeña de la superficie de grabación en un momento dado. Acceder a diferentes partes del cable implica enrollar el cable hacia adelante o hacia atrás hasta encontrar el punto de interés. El tiempo para acceder a este punto depende de lo lejos que esté del punto de partida. El caso de la memoria con núcleo de ferrita es el contrario. Cada ubicación central es inmediatamente accesible en cualquier momento.

Los discos duros y las unidades de cinta serpentina lineales modernas no encajan precisamente en ninguna categoría. Ambos tienen muchas pistas paralelas a lo ancho del medio y los cabezales de lectura/escritura tardan en cambiar entre pistas y escanear dentro de las pistas. Los diferentes lugares en los medios de almacenamiento toman diferentes cantidades de tiempo para acceder. Para un disco duro, este tiempo suele ser inferior a 10 ms, pero las cintas pueden tardar hasta 100 s.

Esquemas de codificación

Los cabezales de discos magnéticos y los cabezales de cintas magnéticas no pueden pasar CC (corriente continua), por lo que los esquemas de codificación para los datos de cinta y disco están diseñados para minimizar la compensación de CC. La mayoría de los dispositivos de almacenamiento magnético utilizan la corrección de errores.

Muchos discos magnéticos utilizan internamente alguna forma de codificación limitada de longitud de ejecución y probabilidad máxima de respuesta parcial.

Uso actual

A partir de 2021, los usos comunes de los medios de almacenamiento magnético son para el almacenamiento masivo de datos informáticos en discos duros y la grabación de trabajos de audio y video analógicos en cintas analógicas. Dado que gran parte de la producción de audio y video se está trasladando a sistemas digitales, se espera que aumente el uso de discos duros a expensas de la cinta analógica. Las cintas digitales y las bibliotecas de cintas son populares para el almacenamiento de datos de alta capacidad de archivos y copias de seguridad. Los disquetes tienen un uso marginal, particularmente cuando se trata de sistemas informáticos y software más antiguos. El almacenamiento magnético también se usa ampliamente en algunas aplicaciones específicas, como cheques bancarios (MICR) y tarjetas de crédito/débito (bandas magnéticas).

Futuro

Se está produciendo un nuevo tipo de almacenamiento magnético, llamado memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio o MRAM, que almacena datos en bits magnéticos basados ​​en el efecto de magnetorresistencia de túnel (TMR). Su ventaja es la no volatilidad, el bajo consumo de energía y la buena resistencia a los golpes. La primera generación que se desarrolló fue producida por Everspin Technologies y utilizó escritura inducida por campo. La segunda generación se está desarrollando a través de dos enfoques: la conmutación asistida térmicamente (TAS), que actualmente está desarrollando Crocus Technology, y el par de transferencia de espín (STT), en el que están trabajando Crocus, Hynix, IBM y varias otras empresas. Sin embargo, con una densidad de almacenamiento y una capacidad de órdenes de magnitud más pequeños que un HDD, la MRAM es útil en aplicaciones donde se requieren cantidades moderadas de almacenamiento con la necesidad de actualizaciones muy frecuentes, que la memoria flash no puede admitir debido a su resistencia de escritura limitada. También se está desarrollando MRAM de seis estados, que se hace eco de las celdas de memoria flash de varios niveles de cuatro bits, que tienen seis bits diferentes, en lugar de dos.

Aleksei Kimel también está investigando en la Universidad de Radboud en los Países Bajos sobre la posibilidad de usar radiación de terahercios en lugar de usar electropulsos estándar para escribir datos en medios de almacenamiento magnético. Mediante el uso de radiación de terahercios, el tiempo de escritura se puede reducir considerablemente (50 veces más rápido que cuando se utilizan electropulsos estándar). Otra ventaja es que la radiación de terahercios casi no genera calor, lo que reduce los requisitos de refrigeración.