Головки чтения/записи накопителей HDD
Читайте продолжение статьи, начатой в предыдущем номере журнала. Первая часть статьи, в большей степени, была посвящена обзору технологий, которые на сегодняшний день встречаются крайне редко и с ними можно встретиться лишь в раритетных накопителях. Вторая же часть статьи, представляемая вашему вниманию, знакомит с новыми технологиями, которые используются в современных накопителях, и с технологиями, которые еще только ждут своего часа.
В предыдущем номере журнала, т.е. в первой части статьи, были рассмотрены следующие типы головок чтения/записи накопителей HDD:
- ферритовые головки чтения-записи (FH);
- головки чтения-записи с металлом в зазоре (MIG);
- тонкопленочные головки чтения-записи (TF);
- магниторезистивные головки чтения (MR).
Теперь переходим к современным технологиям, и наш обзор продолжают гигантские магниторезистивные головки.
Гигантские магниторезистивные головки
Гигантские магниторезистивные головки (Giant Magnitoresistive - GMR) начали применяться в накопителях в конце девяностых годов (например, IBM впервые выпустила диск с GMR-головкой в декабре 1997 года). Эти головки пришли на смену (A)MR-головкам, и имеют практически такой же основный принцип функционирования, однако в конструкции GMR-головок имеются некоторые изменения, значительно повышающие их чувствительность и уменьшающие габариты головок. Термин "гигантские" (Giant) относится не к размерам головок (их размеры, как раз, наоборот значительно уменьшились), а характеризует принцип, положенный в основу функционирования головки – гигантский магниторезистивный эффект, который был независимо открыт сразу двумя ученными: Питером Грюнбергом и Альбертом Фертом в конце 80-х годов двадцатого века. Суть их открытия заключается в том, что в тонких слоях самых различных материалов наблюдается очень большое изменение сопротивления, когда на эти вещества воздействует сильное магнитное поле.
Общий вид GMR-головки, а также конфигурация входящих в ее состав головки чтения и головки записи, представлены на рис.16.
Классическая GMR-головка чтения состоит из четырех слоев (рис.17).
1) Free Layer (свободный слой) – это чувствительный слой, изготовленный из железо-никелевого сплава. Именно этот слой осуществляет непосредственное считывание информации с диска. Принцип функционирования этого слоя полностью аналогичен принципу работы MR-головки чтения, который был рассмотрен ранее (см. рис.15). Однако в отличие от MR-сенсоров в слое Free Layer формируется импульс значительно большей амплитуды, т.е. GMR-сенсор является более чувствительным (этому способствует магнитное воздействие от Pinned Layer).
2) Spacer (разделительный слой) – это изолирующий слой, предназначенный для разделения двух магнитных слоев: Free Layer и Pinned Layer, имеющих различную магнитную ориентацию. Обычно, для этого слоя используют такой немагнитный материал, как медь.
3) Pinned Layer (укрепляющий слой, пин-слой) – это слой с фиксированной магнитной ориентацией, который изготавливается обычно из кобальта. Магнитная ориентация этого слоя "закрепляется" воздействием следующего слоя – Exchange Layer.
4) Exchange Layer (передающий, обменный слой) – слой с фиксированной магнитной ориентацией, выполненный из антиферромагнитного материала, обычно из сплава железа и марганца (MnFe). Функцией этого слоя является укрепление и фиксация магнитной ориентации слоя Pinned Layer.
Расположение GMR-головки относительно магнитной дорожки и направление электронных спинов в слоях головки показано на рис.18.
Принцип действия GMR-сенсора выглядит следующим образом. Через пин-слой протекает постоянный ток, и этому току GMR-сенсор создает некоторое сопротивление. Когда под головкой "пролетает" магнитный домен с поляризацией, условно обозначаемой как "1", электроны свободного слоя приобретают такой же спин, что и электроны пин-слоя. Это приводит к значительному уменьшению сопротивления пин-слоя и общему увеличению тока головки, т.е. формируется "положительный" импульс тока (рис.19). Когда же под головкой "пролетает" домен с обратной магнитной поляризацией, условно обозначаемой, как "0", электроны свободного слоя меняют свой спин на противоположный, т.е. теперь электроны пин-слоя и свободного слоя имеют разное направление. Это приводит к резкому увеличению сопротивления пин-слоя и уменьшению тока GMR-головки, т.е. приводит к формированию "отрицательного" импульса тока (рис.20). Так как спин электронов свободного слоя изменяет свое направление, GMR-головки часто называют еще "головками с вращающимся спином" – Spin Valve или SV-GMR.
GMR-головки превосходят по своим параметрам MR-головки в несколько раз. Так, например, самые современные MR-головки изменяли свое сопротивление при переходе от одной магнитной поляризации к другой на 2%, в то время как GMR-головки изменяют свое сопротивление на величину порядка 5-8%. Это означает, что GMR-головки могут улавливать более слабые сигналы, что ведет к еще большему увеличению поверхностной плотности записи накопителя. Кроме того, GMR-головки меньше "шумят" и в меньшей степени подвержены эффектам интерференции. И, самое главное, обычная GMR-головка значительно меньше размером, чем обычная MR-головка. Соотношение размеров MR-головок первого поколения и GMR-головок разных поколений представлено на рис.21.
GMR-головки использовались в накопителях с плотностью записи 10-15 Гигабит на квадратный дюйм и емкостью до 75 Гбайт. Последние поколения GMR-головок используются и в современных накопителях с поверхностными плотностями записи до 35 Гигабит на квадратный дюйм и емкостью до 200 Гигабайт.
На сегодняшний день, претерпев целый ряд модификаций и усовершенствований, GMR-головки являются, пожалуй, основным типом головок HDD-накопителей. GMR-головки, появившись в 1997 году, применялись в дисках с продольным методом записи, и эти головки обозначались как GMR CIP. Именно эта технология считается классической.
GMR-головки прошли долгий путь развития, который заключался в том, что постоянно совершенствовалась конструкция сенсора с целью повышения его чувствительности. Чувствительность сенсора увеличивалась за счет введения дополнительных слоев в классическую четырехслойную структуру. Кроме того, GMR-сенсоры стали разделять на два типа (рис.22):
1) Top Type (относительно подложки слои располагаются вверх, начиная со свободного слоя).
2) Bottom Type (относительно подложки слои располагаются вниз, т.е. свободный слой находится на самом верху).
В данный момент времени можно предложить следующую классификацию GMR-сенсоров:
1) Классический GMR-сенсор типа Top Type (используется в головках CIP GMR).
2) GMR-сенсор типа Bottom Type с синтетическим ферромагнетиком (используется в головках для перпендикулярной записи – CPP GMR).
3) Зеркальный GMR-сенсор типа Bottom Type.
4) Двойной зеркальный GMR-сенсор типа Bottom Type.
GMR-головки для перпендикулярной записи
Начиная с 2003 года, в накопителях стала применяться технология перпендикулярной записи (рис.23), значительно увеличившая плотность записи за счет того, что магнитные области располагаются под углом 90° к плоскости магнитного диска. Головки для перпендикулярной записи, обозначаемые как GMR CPP, в принципе, имеют такое же построение, что и классические GMR CIP головки, только со значительно меньшими размерами. Основное отличие касается конструкции головки чтения, т.е. GMR-сенсора.
В головках для перпендикулярной записи в основном используются GMR-сенсор типа Bottom Type с синтетическим ферромагнетиком. В головке чтения GMR CPP также имеется четыре базовых слоя, однако для повышения чувствительности добавлен еще один дополнительный пин-слой отделенный от основного слоем рутения. Два основных варианта построения CPP GMR сенсоров представлены на рис.23. Первый пин-слой часто называют еще опорным (базовым) слоем (Reference Layer). Опорный слой и второй пин-слой имеют разное направление намагниченности, т.е. имеют разное направление спинов. Таким способом
а) укрепляют намагниченность опорного слоя;
б) уменьшают ширину магнитостатической зоны между опорным и свободным слоем;
в) уменьшают степень намагниченности антиферромагнитного слоя;
г) снижают величину паразитных сопротивлений, возникающих на переходах между магнитными и немагнитными слоями;
д) повышают термическую стабильность сенсора.
Одним словом, структура, изображенная на рис.24 значительно повышает общую эффективность GMR-структуры и повышает чувствительность головки чтения.
Пин-слой в головках для перпендикулярной записи может изготавливаться из синтетических ферромагнетиков, а для свободного и опорного слоя могут использоваться сплавы кобальта (Co), железа (Fe), меди (Cu) и алюминия (Al) – CoFe, CoFeCu и CoFeAl. Применение новых материалов, улучшенная структура GMR-сенсора и использование метода перпендикулярной записи позволит повысить плотность записи до 300 Гбит на квадратный дюйм.
Зеркальные GMR-головки чтения
Зеркальные головки являются разновидностью обычных GMR-головок (см рис.16), с той лишь разницей, что изменениям подвергся GMR-сенсор, предназначенный для считывания информации. Зеркальные GMR-сенсоры (Specular Spin Valve) имеют большую чувствительность и являются сенсорами типа Bottom Type. Ток зеркального GMR-сенсора уменьшен за счет снижения толщины всех составляющих его слоев (свободного слоя, разделительного медного слоя и пин-слоя). Кроме того, снижение толщины основных слоев приводит и к такому негативному эффекту, как уменьшение рассеивания электронов, несмотря на то, что толщина других слоев (подложка, накрывающий слой и анти-ферромагнитный слой) несколько больше, чем в обычных GMR-сенсорах.
В структуре зеркальных GMR-сенсоров появляется зеркальный слой (Specular Layer) из золота (Au), серебра (Ag) или оксида, расположенный между накрывающим и свободным слоем (рис.25). Зеркальный слой также может внедряться и в пин-слой. Наличие зеркального слоя подавляет процесс уменьшения рассеивания электронов.
Двойные зеркальные GMR-головки чтения
Двойные зеркальные головки (Double Specular Spin Valve) являются дальнейшим развитием GMR-сенсоров. В структуру этих сенсоров вводится два зеркальных слоя, таких же, как и в предыдущем случае (рис.26). Один зеркальный слой находится между свободным слоем и накрывающим слоем, а второй вводится в состав пин-слоя, который называют еще опорным слоем (Reference Layer – см. CPP GMR головки).
Двойные зеркальные GMR-головки, имея еще большую чувствительность, позволяют достичь плотности записи 106 Гбит на квадратный дюйм.
Также, в современном мире, некоторые производителя заявляют, что они разработали и выпускают накопители на магнитных дисках с головками, созданными по технологии CMR – colossal MR, или колоссальная магниторезестивность, но, это не более, чем маркетинговый ход. Единственное, что делает их колоссальными, это несколько другой набор исходных материалов, но структура головки остается такой же, как и в декабре 1997 года.
Головки чтения/записи накопителей HDD
Читайте продолжение статьи . Первая часть статьи, в большей степени, была посвящена обзору технологий, которые на сегодняшний день встречаются крайне редко и с ними можно встретиться лишь в раритетных накопителях. Вторая же часть статьи, представляемая вашему вниманию, знакомит с новыми технологиями, которые используются в современных накопителях, и с технологиями, которые еще только ждут своего часа.
В первой части статьи, были рассмотрены следующие типы головок чтения/записи накопителей HDD:
- ферритовые головки чтения-записи (FH);
- головки чтения-записи с металлом в зазоре (MIG);
- тонкопленочные головки чтения-записи (TF);
- магниторезистивные головки чтения (MR).
Теперь переходим к современным технологиям, и наш обзор продолжают гигантские магниторезистивные головки.
Гигантские магниторезистивные головки
Гигантские магниторезистивные головки (Giant Magnitoresistive - GMR) начали применяться в накопителях в конце девяностых годов (например, IBM впервые выпустила диск с GMR-головкой в декабре 1997 года). Эти головки пришли на смену (A)MR-головкам, и имеют практически такой же основный принцип функционирования, однако в конструкции GMR-головок имеются некоторые изменения, значительно повышающие их чувствительность и уменьшающие габариты головок. Термин "гигантские" (Giant) относится не к размерам головок (их размеры, как раз, наоборот значительно уменьшились), а характеризует принцип, положенный в основу функционирования головки – гигантский магниторезистивный эффект, который был независимо открыт сразу двумя ученными: Питером Грюнбергом и Альбертом Фертом в конце 80-х годов двадцатого века. Суть их открытия заключается в том, что в тонких слоях самых различных материалов наблюдается очень большое изменение сопротивления, когда на эти вещества воздействует сильное магнитное поле.
Общий вид GMR-головки, а также конфигурация входящих в ее состав головки чтения и головки записи, представлены на рис.16.

Рис.16
Классическая GMR-головка чтения состоит из четырех слоев (рис.17).

Рис.17
1) Free Layer (свободный слой) – это чувствительный слой, изготовленный из железо-никелевого сплава. Именно этот слой осуществляет непосредственное считывание информации с диска. Принцип функционирования этого слоя полностью аналогичен принципу работы MR-головки чтения, который был рассмотрен ранее (см. рис.15). Однако в отличие от MR-сенсоров в слое Free Layer формируется импульс значительно большей амплитуды, т.е. GMR-сенсор является более чувствительным (этому способствует магнитное воздействие от Pinned Layer).
2) Spacer (разделительный слой) – это изолирующий слой, предназначенный для разделения двух магнитных слоев: Free Layer и Pinned Layer, имеющих различную магнитную ориентацию. Обычно, для этого слоя используют такой немагнитный материал, как медь.
3) Pinned Layer (укрепляющий слой, пин-слой) – это слой с фиксированной магнитной ориентацией, который изготавливается обычно из кобальта. Магнитная ориентация этого слоя "закрепляется" воздействием следующего слоя – Exchange Layer.
4) Exchange Layer (передающий, обменный слой) – слой с фиксированной магнитной ориентацией, выполненный из антиферромагнитного материала, обычно из сплава железа и марганца (MnFe). Функцией этого слоя является укрепление и фиксация магнитной ориентации слоя Pinned Layer.
Расположение GMR-головки относительно магнитной дорожки и направление электронных спинов в слоях головки показано на рис.18.

Рис.18
Принцип действия GMR-сенсора выглядит следующим образом. Через пин-слой протекает постоянный ток, и этому току GMR-сенсор создает некоторое сопротивление. Когда под головкой "пролетает" магнитный домен с поляризацией, условно обозначаемой как "1", электроны свободного слоя приобретают такой же спин, что и электроны пин-слоя. Это приводит к значительному уменьшению сопротивления пин-слоя и общему увеличению тока головки, т.е. формируется "положительный" импульс тока (рис.19).

Рис.19
Когда же под головкой "пролетает" домен с обратной магнитной поляризацией, условно обозначаемой, как "0", электроны свободного слоя меняют свой спин на противоположный, т.е. теперь электроны пин-слоя и свободного слоя имеют разное направление. Это приводит к резкому увеличению сопротивления пин-слоя и уменьшению тока GMR-головки, т.е. приводит к формированию "отрицательного" импульса тока (рис.20). Так как спин электронов свободного слоя изменяет свое направление, GMR-головки часто называют еще "головками с вращающимся спином" – Spin Valve или SV-GMR.

Рис.20
GMR-головки превосходят по своим параметрам MR-головки в несколько раз. Так, например, самые современные MR-головки изменяли свое сопротивление при переходе от одной магнитной поляризации к другой на 2%, в то время как GMR-головки изменяют свое сопротивление на величину порядка 5-8%. Это означает, что GMR-головки могут улавливать более слабые сигналы, что ведет к еще большему увеличению поверхностной плотности записи накопителя. Кроме того, GMR-головки меньше "шумят" и в меньшей степени подвержены эффектам интерференции. И, самое главное, обычная GMR-головка значительно меньше размером, чем обычная MR-головка. Соотношение размеров MR-головок первого поколения и GMR-головок разных поколений представлено на рис.21.

Рис.21
GMR-головки использовались в накопителях с плотностью записи 10-15 Гигабит на квадратный дюйм и емкостью до 75 Гбайт. Последние поколения GMR-головок используются и в современных накопителях с поверхностными плотностями записи до 35 Гигабит на квадратный дюйм и емкостью до 200 Гигабайт.
На сегодняшний день, претерпев целый ряд модификаций и усовершенствований, GMR-головки являются, пожалуй, основным типом головок HDD-накопителей. GMR-головки, появившись в 1997 году, применялись в дисках с продольным методом записи, и эти головки обозначались как GMR CIP. Именно эта технология считается классической.
GMR-головки прошли долгий путь развития, который заключался в том, что постоянно совершенствовалась конструкция сенсора с целью повышения его чувствительности. Чувствительность сенсора увеличивалась за счет введения дополнительных слоев в классическую четырехслойную структуру. Кроме того, GMR-сенсоры стали разделять на два типа (рис.22):
1) Top Type (относительно подложки слои располагаются вверх, начиная со свободного слоя).
2) Bottom Type (относительно подложки слои располагаются вниз, т.е. свободный слой находится на самом верху).

Рис.22
В данный момент времени можно предложить следующую классификацию GMR-сенсоров:
1) Классический GMR-сенсор типа Top Type (используется в головках CIP GMR).
2) GMR-сенсор типа Bottom Type с синтетическим ферромагнетиком (используется в головках для перпендикулярной записи – CPP GMR).
3) Зеркальный GMR-сенсор типа Bottom Type.
4) Двойной зеркальный GMR-сенсор типа Bottom Type.
GMR-головки для перпендикулярной записи
Начиная с 2003 года, в накопителях стала применяться технология перпендикулярной записи (рис.23), значительно увеличившая плотность записи за счет того, что магнитные области располагаются под углом 90° к плоскости магнитного диска. Головки для перпендикулярной записи, обозначаемые как GMR CPP, в принципе, имеют такое же построение, что и классические GMR CIP головки, только со значительно меньшими размерами. Основное отличие касается конструкции головки чтения, т.е. GMR-сенсора.
В головках для перпендикулярной записи в основном используются GMR-сенсор типа Bottom Type с синтетическим ферромагнетиком. В головке чтения GMR CPP также имеется четыре базовых слоя, однако для повышения чувствительности добавлен еще один дополнительный пин-слой отделенный от основного слоем рутения. Два основных варианта построения CPP GMR сенсоров представлены на рис.23.

Рис.23
Первый пин-слой часто называют еще опорным (базовым) слоем (Reference Layer). Опорный слой и второй пин-слой имеют разное направление намагниченности, т.е. имеют разное направление спинов. Таким способом
а) укрепляют намагниченность опорного слоя;
б) уменьшают ширину магнитостатической зоны между опорным и свободным слоем;
в) уменьшают степень намагниченности антиферромагнитного слоя;
г) снижают величину паразитных сопротивлений, возникающих на переходах между магнитными и немагнитными слоями;
д) повышают термическую стабильность сенсора.
Одним словом, структура, изображенная на рис.24 значительно повышает общую эффективность GMR-структуры и повышает чувствительность головки чтения.

Рис.24
Пин-слой в головках для перпендикулярной записи может изготавливаться из синтетических ферромагнетиков, а для свободного и опорного слоя могут использоваться сплавы кобальта (Co), железа (Fe), меди (Cu) и алюминия (Al) – CoFe, CoFeCu и CoFeAl. Применение новых материалов, улучшенная структура GMR-сенсора и использование метода перпендикулярной записи позволит повысить плотность записи до 300 Гбит на квадратный дюйм.
Зеркальные GMR-головки чтения
Зеркальные головки являются разновидностью обычных GMR-головок (см рис.16), с той лишь разницей, что изменениям подвергся GMR-сенсор, предназначенный для считывания информации. Зеркальные GMR-сенсоры (Specular Spin Valve) имеют большую чувствительность и являются сенсорами типа Bottom Type. Ток зеркального GMR-сенсора уменьшен за счет снижения толщины всех составляющих его слоев (свободного слоя, разделительного медного слоя и пин-слоя). Кроме того, снижение толщины основных слоев приводит и к такому негативному эффекту, как уменьшение рассеивания электронов, несмотря на то, что толщина других слоев (подложка, накрывающий слой и анти-ферромагнитный слой) несколько больше, чем в обычных GMR-сенсорах.
В структуре зеркальных GMR-сенсоров появляется зеркальный слой (Specular Layer) из золота (Au), серебра (Ag) или оксида, расположенный между накрывающим и свободным слоем (рис.25).

Рис.25
Зеркальный слой также может внедряться и в пин-слой. Наличие зеркального слоя подавляет процесс уменьшения рассеивания электронов.
Двойные зеркальные GMR-головки чтения
Двойные зеркальные головки (Double Specular Spin Valve) являются дальнейшим развитием GMR-сенсоров. В структуру этих сенсоров вводится два зеркальных слоя, таких же, как и в предыдущем случае (рис.26).

Рис.26
Один зеркальный слой находится между свободным слоем и накрывающим слоем, а второй вводится в состав пин-слоя, который называют еще опорным слоем (Reference Layer – см. CPP GMR головки).
Двойные зеркальные GMR-головки, имея еще большую чувствительность, позволяют достичь плотности записи 106 Гбит на квадратный дюйм.
Также, в современном мире, некоторые производителя заявляют, что они разработали и выпускают накопители на магнитных дисках с головками, созданными по технологии CMR – colossal MR, или колоссальная магниторезестивность, но, это не более, чем маркетинговый ход. Единственное, что делает их колоссальными, это несколько другой набор исходных материалов, но структура головки остается такой же, как и в декабре 1997 года.