磁気ストレージ
ハードディスクの書き込みヘッドには、長手方向記録と垂直方向記録の2種類がある。

磁気記憶装置または磁気記録は、磁化された媒体にデータを保存する技術です。磁気記憶装置は、磁化可能な材料の異なる磁化パターンを用いてデータを保存する不揮発性メモリの一種です。情報へのアクセスは、1つまたは複数の読み取り/書き込みヘッドを用いて行われます。

磁気記憶媒体、主にハードディスクは、コンピュータデータだけでなく、音声・映像信号の保存にも広く利用されています。コンピューティング分野では「磁気ストレージ」という用語が好まれ、音声・映像制作分野では「磁気記録」という用語が一般的に用いられています。この区別は技術的なものではなく、むしろ好みの問題です。磁気記憶媒体の他の例としては、フロッピーディスク、磁気テープ、クレジットカードの磁気ストライプなどがあります。

歴史

HP-41 シリーズ(1979 年以降)のプログラム可能な計算機は、ミニカセットの外部磁気テープ記憶装置を介してデータを保存できました。

ワイヤーレコーディング（ワイヤーへのオーディオ録音）という形の磁気ストレージは、 1888年9月8日発行のElectrical WorldでOberlin Smithによって発表されました。[ 1 ] Smithは1878年9月に特許を申請していましたが、彼の仕事が工作機械だったため、このアイデアを追求する機会がありませんでした。1900年のパリ万博で初めて公開された磁気レコーダーは、1898年にValdemar Poulsenによって発明されました。Poulsenの装置は、ドラムに巻き付けられたワイヤーに信号を記録しました。1928年にFritz Pfleumerが最初の磁気テープレコーダーを開発しました。初期の磁気ストレージデバイスは、アナログオーディオ信号を記録するように設計されていました。コンピューター、そして現在のほとんどのオーディオおよびビデオ磁気ストレージデバイスは、デジタルデータを記録します。

コンピュータでは、磁気記憶装置は磁気ドラム、コアメモリ、コアロープメモリ、薄膜メモリ、ツイスターメモリ、バブルメモリといった形で一次記憶装置としても使用されていました。現代のコンピュータとは異なり、磁気テープは二次記憶装置としてもよく使用されていました。

デザイン

ハードドライブは磁気メモリを使用して、ギガバイトおよびテラバイト単位のデータをコンピューターに保存します。

情報は、磁気面の非常に近い位置（多くの場合数十ナノメートル）で動作する「読み書きヘッド」と呼ばれる装置を通過する際に、記憶媒体に書き込まれ、読み取られます。読み書きヘッドは、その直下にある物質の磁化を検出し、変化させるために使用されます。磁気には2つの極性があり、それぞれが0または1を表します。

磁気表面は概念的に、磁区と呼ばれるサブミクロンサイズの多数の小さな磁気領域に分割されます（ただし、これらは厳密な物理的意味での磁区ではありません）。各磁気領域はほぼ均一な磁化を持っています。磁性材料の多結晶性のため、これらの磁気領域はそれぞれ数百の磁性粒子で構成されています。磁性粒子は通常10 nmの大きさで、それぞれが単一の真の磁区を形成します。各磁気領域は全体で磁気双極子を形成し、磁場を生成します。古いハードディスクドライブ（HDD）の設計では、領域は水平かつディスク表面と平行に配置されていましたが、新しいディスクでは、磁区の間隔を狭めるために方向が垂直に変更されました。 [ 2 ]

昔のハードディスクドライブでは磁性材料として酸化鉄(III) (Fe 2 O 3 ) を使用していましたが、現在のディスクではコバルトベースの合金が使用されています。[ 3 ]

信頼性の高いデータ保存のためには、記録材料は自己減磁に耐える必要があります。自己減磁は、磁区同士が反発し合うことで発生します。磁化の弱い材料に磁区が近すぎる状態で記録されると、磁区の磁気モーメントが回転してこれらの力を相殺するため、時間の経過とともに磁区の劣化が進行します。磁区は中間位置まで横向きに回転し、磁区の読み取り性能を低下させ、磁気ストレスを軽減します。

書き込みヘッドは強力な局所磁場を発生させることで領域を磁化し、読み取りヘッドは領域の磁化を検出します。初期のHDDでは、電磁石を用いて領域を磁化し、電磁誘導を利用してその磁場を読み取りました。誘導型ヘッドの後継機種には、メタル・イン・ギャップ（MIG）ヘッドや薄膜ヘッドなどがあります。データ密度が高まるにつれて、磁気抵抗効果（MR）を利用した読み取りヘッドが使用されるようになりました。ヘッドの電気抵抗は、プラッターからの磁力の強さに応じて変化します。その後の開発ではスピントロニクスが活用され、読み取りヘッドの磁気抵抗効果は以前のタイプよりもはるかに大きくなり、「巨大」磁気抵抗効果（GMR）と呼ばれました。今日のヘッドでは、読み取り素子と書き込み素子はアクチュエータアームのヘッド部分に分離されていますが、近接して配置されています。読み取り素子は通常磁気抵抗効果型で、書き込み素子は通常薄膜誘導効果型です。[ 4 ]

ヘッドはプラッターのすぐ近くに設置された空気によってプラッター表面に接触することなく保持されます。この空気はプラッターの速度とほぼ同速度で移動します。録音・再生ヘッドはスライダーと呼ばれるブロックに取り付けられており、プラッターに接する面は、ヘッドがプラッターに接触しないようギリギリの形状になっています。これは一種のエアベアリングを形成します。

磁気記録クラス

アナログ録音

アナログ録音は、与えられた物質の残留磁化が印加磁場の強さに依存するという事実に基づいています。磁性体は通常テープ状で、ブランク状態のテープは最初に消磁されます。録音時、テープは一定速度で走行します。書き込みヘッドは信号に比例した電流でテープを磁化します。磁気テープに沿って磁化分布が形成されます。最終的に磁化分布を読み出すことで、元の信号を再生することができます。磁気テープは通常、ポリエステルフィルムテープ上のプラスチックバインダーに磁性粒子（約0.5マイクロメートル[ 5 ]の大きさ）を埋め込むことで作られます。最も一般的に使用されたのは酸化鉄でしたが、二酸化クロム、コバルト、そして後に純金属粒子も使用されるようになりました。アナログ録音は、オーディオおよびビデオ録音の最も一般的な方法でした。しかし、1990年代後半以降、デジタル録音の普及により、テープ録音の人気は低下しました。[ 6 ]

デジタル録音

アナログ記録では磁化分布を作り出すのに対し、デジタル記録ではヒステリシスループ上の+Mと-Mという2つの安定した磁気状態のみが必要です。デジタル記録の例としては、フロッピーディスク、ハードディスクドライブ（HDD）、テープドライブなどが挙げられます。HDDは大容量でありながら手頃な価格で提供されており、2024年現在、一般消費者向けHDDは1テラバイトあたり約15～20米ドルでデータストレージを提供しています。[ 7 ]

磁気光記録

磁気光記録は光学的に書き込み／読み取りを行います。書き込み時には、磁気媒体をレーザーで局所的に加熱し、保磁力の急激な減少を引き起こします。その後、小さな磁場を用いて磁化を切り替えることができます。読み取りプロセスは磁気光カー効果に基づいています。磁気媒体は通常、アモルファスR-Fe-Co薄膜（Rは希土類元素）です。磁気光記録はあまり普及していません。有名な例としては、ソニーが開発したミニディスクがあります。

ドメイン伝播メモリ

ドメイン伝播メモリはバブルメモリとも呼ばれます。基本的な考え方は、微細構造のない磁性媒体における磁壁の動きを制御することです。バブルとは、安定した円筒状の磁区を指します。データはバブル磁区の有無によって記録されます。ドメイン伝播メモリは衝撃や振動に対する耐性が非常に高いため、主に宇宙航空分野で応用されています。

技術的な詳細

アクセス方法

磁気記憶媒体は、シーケンシャルアクセスメモリとランダムアクセスメモリのいずれかに分類できますが、場合によってはその区別が完全に明確ではありません。アクセス時間は、保存された記録にアクセスするのに必要な平均時間と定義できます。磁気ワイヤの場合、読み取り/書き込みヘッドは、特定の時点で記録面のごく一部しかカバーしません。ワイヤのさまざまな部分にアクセスするには、目的のポイントが見つかるまでワイヤを前後に巻き付けます。このポイントにアクセスする時間は、開始点からの距離によって異なります。フェライトコアメモリの場合は逆です。すべてのコア位置に、特定の時点ですぐにアクセスできます。

ハードディスクと現代のリニアサーペンタインテープドライブは、どちらのカテゴリにも正確には当てはまりません。どちらもメディアの幅全体にわたって多数の平行トラックを有しており、読み取り/書き込みヘッドはトラック間の切り替えとトラック内のスキャンに時間がかかります。ストレージメディア上の場所によってアクセス時間は異なります。ハードディスクの場合、この時間は通常10ミリ秒未満ですが、テープでは最大100秒かかる場合があります。

コーディングスキーム

磁気ディスクヘッドと磁気テープヘッドは直流電流を通さないため、テープとディスクの両方のデータの符号化方式は直流オフセットを最小限に抑えるように設計されています。ほとんどの磁気記憶装置はエラー訂正機能を使用しています。[ 8 ]

多くの磁気ディスクは、内部的に何らかの形式のランレングス制限コーディングと部分応答最大尤度を使用しています。

現在の使用状況

2021年現在、磁気ストレージメディアの一般的な用途は、ハードディスクへのコンピュータデータの大量保存と、アナログテープへのアナログオーディオおよびビデオ作品の記録です。オーディオおよびビデオ制作の多くがデジタルシステムに移行しているため、アナログテープを犠牲にしてハードディスクの使用が増加すると予想されています。デジタルテープとテープライブラリは、アーカイブやバックアップの大容量データストレージとして人気があります。フロッピーディスクは、特に古いコンピュータシステムやソフトウェアの処理において、ある程度の使用が見られます。磁気ストレージは、銀行小切手（MICR）やクレジット/デビットカード（磁気ストライプ）などの特定のアプリケーションでも広く使用されています。

未来

磁気抵抗ランダムアクセスメモリ、または MRAM と呼ばれる新しいタイプの磁気ストレージが生産されています。これは、トンネル磁気抵抗(TMR) 効果に基づいて磁気ビットにデータを保存します。その利点は、不揮発性、低消費電力、および衝撃に対する堅牢性です。開発された第 1 世代はEverspin Technologiesによって製造され、フィールド誘導書き込みを使用していました。[ 9 ]第 2 世代は、2 つのアプローチで開発されています。1つはCrocus Technologyによって現在開発されている熱アシストスイッチング(TAS) [ 10 ]で、もう 1 つはCrocus、Hynix、IBM 、およびその他のいくつかの企業が取り組んでいるスピントランスファートルク(STT)です。[ 11 ]ただし、ストレージ密度と容量がハードディスクよりも桁違いに小さいため、書き込み耐久性が限られているフラッシュメモリではサポートできない、非常に頻繁な更新が必要な中程度の量のストレージが必要なアプリケーションでは MRAM が役立ちます。 6状態MRAMも開発されており、2ビットではなく6つの異なるビットを持つ4ビットマルチレベルフラッシュメモリセルを反映しています。[ 12 ]

オランダのラドバウド大学のアレクセイ・キメル氏も、磁気記録媒体へのデータ書き込みに標準的な電気パルスではなくテラヘルツ放射を用いる可能​​性について研究を行っています[ 13 ]。テラヘルツ放射を用いることで、書き込み時間を大幅に短縮できます（標準的な電気パルスを用いる場合の50倍）。もう一つの利点は、テラヘルツ放射はほとんど熱を発生しないため、冷却の必要性が軽減されることです[ 14 ] 。

参照

参考文献

  1. ^レイ、ウィリー（1965年8月）「銀河の巨人」。参考までに。ギャラクシーサイエンスフィクション。pp.  130– 142。
  2. ^ Piramanayagam, SN; Srinivasan, K (2009). 「将来のハードディスクドライブのための記録媒体研究」(PDF) . Journal of Magnetism and Magnetic Materials . 321 (6): 485– 494. Bibcode : 2009JMMM..321..485P . doi : 10.1016/j.jmmm.2008.05.007 .
  3. ^ Kanellos, Michael (2006年8月24日). 「ハードドライブの将来をめぐる意見の対立」 . CNETNews.com . 2010年6月24日閲覧。
  4. ^ 「IBM OEM MRヘッド | テクノロジー | 巨大磁気抵抗ヘッドの時代」 Hitachigst.com、2001年8月27日。2015年1月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年9月4日閲覧。
  5. ^ 「磁気テープ録音」 Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . 2014年1月28日閲覧。
  6. ^ E. du Trémolete de Lacheisserie、D. Gignoux、および M. Schlenker (編集者)、磁気: 基礎、Springer、2005
  7. ^ 「ディスク価格（米国）」 Legitimate Data Company LLC . 2024年3月10日閲覧。中古/再生ドライブの価格は低くなります。
  8. ^アレン・ロイド.完全電子メディアガイド. 2004年. 22ページ.
  9. ^ 「MRAMテクノロジーの属性」 。2009年6月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  10. ^実用的MRAMの出現「アーカイブコピー」（PDF） 。 2011年4月27日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2009年7月20日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: アーカイブされたコピーをタイトルとして (リンク)
  11. ^ 「Tower社がCrocus社に投資、MRAMファウンドリ契約の可能性も示唆」 EE Times . 2012年1月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年1月28日閲覧。
  12. ^ 「研究者らが6状態磁気メモリを設計」 phys.org . 2016年5月23日閲覧。
  13. ^ “Kimel 教授、AV (Aleksei) | ラドバウド大学” . www.ru.nl。
  14. ^ Kijk誌、2019年12月
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