Informatikai eszközök fizikai alapjai Ádám Péter Mágneses adattárolás /Mágnesszalag, Ferritgyűrű, Buborékmemória/
Mágnesszalagos adattárolás I. Történeti áttekintés A mágnesszalagos adattárolás óriási utat járt be a technikai fejlődése során. Amikor bevezették a technológiát, már akkor is igen hasznos terméknek bizonyult, de bármily meglepő, napjainkban is igen elterjedten használják, hiszen nagy biztonságú adattárolást tesz lehetővé. Egyik úttörő volt a mágnesszalagos adattárolás kifejlesztésében az IBM-cég. Az ő példájukon keresztül mutatom be a mágnesszalagos adattárolás főbb fejlődési mérföldköveit. 1951-ben mutatták be az UNIVAC-I-es mágnesszalagos adattároló rendszer, mely méreteit tekintve akkora volt, mint egy szekrény, de csupán csak kevés adatmennyiséget volt képes tárolni és maga a technológia is rengeteg hibával bírt. 1952-ben jött ki az IBM az IBM-726-os tároló rendszerrel, ez is meglehetősen nagy, szekrény méretű volt, ennek ellenére csak közel 2 MB információ tárolására volt képet. Ezzel szemben manapság egy ekkora méretű mágnesszalagos tároló rendszer közel 125 Pb információmennyiséget képest tárolni. 1984-ben hoztak ki egy olyan kivitelt, ahol a mágnesszalag már nem csak egy sima orsóra volt feltekerve, hanem egy mai kazettához hasonlóan egy műanyag védőburkos tokban foglalt helyet. Ez volt az IBM-3840-es rendszer. 1992-ben már jelentős fejlesztések jelentek meg, ilyen volt a Tape Library Sytem, ami egy olyan rendszer volt, hogy könyvespolcszerűen voltak az adatkazetták egy tárolóban elhelyezve, majd amikor használatra kerültek, akkor egy 2
polcok között, sínen mozgó robotkar kivette a helyéről és az olvasóegységhez vittem. Egy kis ugrással 2000-et írunk, amikor az IBM-LTO technikát már piacra dobták, itt már akkoriban jelentős, 100 GB-os adattárolás vált elérhetővé. Nem sokkal ezután vált elérhetővé a 2010-ben a Linear Tape System, ami a drag and drop technológiát használva sokkal könnyebbé tette az adattárolók kezelését a tároló helyük és az író/olvasó egység között. Az alábbi ábra jól szemlélteti, hogy mekkora fejlődésen is ment keresztül az adattárolás e fajtája és kínál manapság is hatalmas lehetőségeket a hosszútávú, biztonságos adattárolásra, amellett, hogy a hétköznapi ember használatából már-már lassan kikoptak a mágnesszalagos tárolók (videókazetta, audió kazetta stb.), noha a mai napig lehet kapni házi használatra is külső mágneses adattárolókat. 1. sz. ábra: Történelmi áttekintés II. Működésének fizikai háttere: A mágnesszalagos adattárolás alapja hasonló, mint a legtöbb mágneses adattárolásé, azaz egy megfelelő adathordozón remanens mágneses változást hozunk létre, így a mágneses 3
indukció nagysága arányos lesz a mágneses anyagban rögzítendő jel nagyságával. Ez főként az analóg technikára volt jellemző. 2.sz. ábra: Mágneses hiszterézis görbe Bináris tárolás esetén a kétféle mágnesezettségi szint jelenti a kétféle jelformát, azaz a 0 vagy az 1-et. A rögzíthető maximális amplitúdójú jel nagysága függ a telítési indukció nagyságától. Ebben az esetben a remanencia vagy annak a változása hordozza az információt. Jól látható, hogy a mágnesszalagról olvasható jel/feszültség a menetszám és a fluxusváltozás függvénye. A digitális jelrögzítés többféle elven alapulhat, amelyek más más minőséget, adatrögzítési sebességet, jelminőséget eredményeznek. A nullára visszatérő (RZ) és alapra visszatérő (RB) módszerek voltak a legelső alkalmazott írási/olvasási módszerek. A nullára visszatérő mórszer lényege, hogy ha nincs jel, akkor a mágnesezettség értéke nulla, de ha a bit értéke 0, akkor a negatív maximálsi mágnesezettség értéke jelenik meg, ha a bit 1, akkor a maximális legnagyobb mágnesezettség értéke jelzi az információt. Az alapra visszatérő módszer lényege, hogy a jelszint a legalacsonyabb a negatív szinten van, kivéve akkor, ha a fej egy 1-es bithez ér, ilyenkor a 4
jelszint a maximális legnagyobb mágnesezettséget veszi fel. Ezeknél a módszereknél viszonylag alacsony jelsűrűség érhető el, 10 bit/mm. A módszert a 3.sz. ábra szemlélteti. 3.sz. ábra: RZ és RB módszerek Másik kettő ismert módszer a nullára nem visszatérő (NRZ) és a nullára nem visszatérő impulzusú (NRZI) módszerek. Az NRZ módszer lényege, hogy a remanencia változása csak a bináris értékek változásakor következik be, az információt a polaritás változása hordozza, NRZI módszer pedig az íróáram iránya csak abban az esetben változik, ha 1 az információ, 0-nál nem változik semmit! Ezeknél a módszereknél az információ azonosításához a kapujel szinkronizálására van szükség. Az elérhető jelsűrűség ebben az esetben 20-40 bit/mm. A módszer lényegét az alábbi 4. sz. ábra segít megérteni. 5
4.sz. ábra: NRZ és NRZI módszerek Végül a másik két módszer, amikkel igen nagy jelsűrűség növekedést, mint egy 70 bit/mm-t lehet elérni az a frekvencia (FM) és a fázis modulációs technikák (PM). Ennek a két módszernek a jobb megértését szolgálja a 5.sz. ábra. 5.sz. ábra: FM és PM módszerek 6
Mágneses buborékmemória I. Működésének fizikai háttere: Mágneses tulajdonságú anyagokban, vékonyrétegekben a mágneses domain-ek lb 50-50 %-ban irányulnak az egyik és a másik irányba, azaz, ha felülről nézzük, akkor azt látjuk, hogy a domain szerkezet egy labirintus-szerű mintázatot hoz létre. Ha külső mágneses teret kapcsolunk a lapkára, akkor a mágneses damainek elkezdenek beállni a külső mégneses tér irnyába, így a kis labirintus fala elkezdenek összehúzódni. Elérhetünk egy olyan állapotot, ahol már csak néhány domain irányultsága ellentéten a külső mágneses térrel, így felülről nézve úgy láthatjuk, hogy kis kör alakú alakzat van elszórva a felületen. Ha itt meg tudnunk állni, és stabilizálni a rendszert, akkor lehetőségünk nyílik binéris információ tárolására. Az ellentéte irányultságú kis mágneses domain hengerek jelentik az 1-et míg a hiányuk a 0-t. Megfelelő permaolly réteget alkalmazva egy shift-register típusú memóriát tudunk létrehozni. Megfelelő irányú feszültséget kapcsolva a sík irányában a rendszerre egy speciális kiolvasó technikával a külső mágneses térrel ellentétes irányú domainonkat elkezdtek vándorolni a vékonyréteg széle felé, ahova ha elértek, akkor mindig egy sort kiolvasva egy elektronika érzékeli a tárol információt, az 1-esek és 0-ák sorozatát. A megértést a következő ábrasor szemlélteti: 7
6.sz. ábra: Mágneses domainek térirányultsága külső mágneses tér hatására 7.sz. ábra: Információ kiolvasása buborékmemóriából 8
8.sz. ábra: Buborékmemória felépítése 9.sz. ábra: Buborékmemórai szerkezeti kialakítása 9
Felhasznált irodalom: [1] Mágnesszalagos, Mágneslemezes és Mágnesdobos Perifériák, Antoni Alfonz, Frigyes László, Vásony Sándor, Számítástechnikai Oktató Központ, 1973, Budapest [2] http://computerworld.hu/computerworld/60-eves-a-magnesszalag.html [3] Rádiótechnika Magazin, XXXI évf. 4. sz., Magyar Honvédelmi Szövetség1981, Budapest 10