Fizikai Szemle 2006/5. B3. o.
DIGITÁLIS ADATTÁROLÁS - I.
Forgó lemezek
Az információs technológia évtizedek óta tartó, szinte
elképzelhetetlen ütemű folyamatos fejlődésének fontos
részét jelenti az adathordozók tárolókapacitásának bővülése,
sebességük növekedése. Ennek előnyeit áttételesen
is érezzük. A szórakoztató-elektronikában dominálnak
a CD-n vagy DVD-n rögzített műsorok, a digitális
fényképezés kiszorította a hagyományos "nedves"
képrögzítést, a mobiltelefonok adattárolási képességének
fejlődése pedig egyre több funkció összevonását
teszi lehetővé (fényképezés, internethasználat, MP3-
lejátszás).A hitelkártyával való fizetés természetes mozdulata
sem létezne a banki rendszerek hatalmas - és
biztonságos - adatbázisai nélkül.
A most induló, háromrészes cikksorozatban csak röviden
vázoljuk a legfontosabb adattárolók felépítését, de
igyekszünk kiemelni egy-egy érdekes fizikai elvet, amelyek
az eszközök működésénél felhasználásra kerülnek.
A "rovásírás" ősi módszerét testesíti meg a CD és a DVD.
A technika fejlődését a jelek sűrűsége jelenti: az információt
azok a mélyedések hordozzák, melyeket egy polikarbonát-
műanyag lemez felületére egy spirálvonal mentén
alakítanak ki a lemez öntése során (1. ábra). Egy DVD-ben
a lyukak 0,4 µm széles és ugyanilyen rövid, vagy hosszabb,
1 µm-es alakzatot formáznak (0 és 1 bit).A spirálvonalak
távolsága 0,75 µm, így egy kommersz 4,7 GB-os
DVD-n a spirál teljes hossza 12 km. Az adatok kiolvasása a
forgó lemezről lézerfénnyel történik. Most jön a fizika! A
lemez felületét egy nagyon vékony (100 Â) alumíniumréteggel
borítják. Az alumínium jó fényvisszaverő, s bár emiatt
várhatnánk, hogy a közel merőlegesen beeső lézersugár
mindenhonnan egyformán tükröződik, ez nem így történik.
A gödrök mélysége ugyanis úgy van kialakítva, hogy
megegyezzen a lézer hullámhosszának 1/4 részével. A fény
hullámtermészete nyilvánul meg abban, hogy a gödör aljáról
és a felső felületről visszavert hullám kioltja egymást (az
útkülönbség éppen a hullámhossz fele).Emiatt a gödrök
feketének látszanak (1.b ábra).A forgó lemezről visszavert
lézersugárban a gödör hosszának megfelelően rövid és
hosszú kioltások váltakoznak, így olvasható ki a felületre
rögzített információ.
Az írható lemezek felülete csak a lézerfény megvezetését
biztosító spirálvonalat tartalmazza, gödrök nélkül. A
lemezre egy olyan lakkréteget visznek fel, amelyet az
íráshoz használt, nagyobb teljesítményű lézer fénye a
megvilágított ponton felmelegít, és megszünteti átláthatóságát.
Az így kialakított pontok hordozzák az információt,
amelyet az író-lézernél sokkal kisebb teljesítményű
olvasó-lézerrel detektálnak.
Az újraírható lemezeken az adatok törlését is meg kell
oldani. Ehhez még eggyel több lézerre, és egy olyan speciális
tulajdonságú rétegre van szükség, amelyben gödröket
lehet kialakítani és szükség esetén törölni. Az ehhez
használt anyag egy réz-indium-antimon-tellúr ötvözet,
melynek 600 °C-ról történő gyors lehűlésekor egy nagyobb
sűrűségű, amorf szerkezet alakul ki. A nagyteljesítményű
lézerrel megvilágított ponton a lehűlés után egy
mélyedés alakul ki (a rétegvastagság alkalmas választása
esetén ennek mélysége az olvasó-lézer hullámhosszának
körülbelül negyede).Törléskor egy közepes teljesítményű
lézer az ötvözetet mintegy 200 °C-ra melegíti fel, ahonnan
lehűlve az anyag az eredeti sűrűségű kristályos szerkezetet
veszi fel. Ez utóbbi folyamat persze lejátszódhat egy
napsütésnek kitett lemezen vagy a kandalló párkányán
felejtett példányon is, ezért a folyamatot ismerő fizikusok
az újraírható lemezeket kisebb lelkesedéssel használják.
A mágneses merevlemez (winchester) a DVD-hez hasonlóan
egy forgó lemez, a kiolvasás sebessége viszont
közel százszor nagyobb. A tipikus számítógépes tevékenységnél
- "homokóra" nézése - már egy kettes faktort
is jelentősnek érzünk, a több nagyságrendnyi különbség
így mindenképpen értékelendő. A nagy sebesség
az elektronikus kiolvasás következménye, nincs
szükség lézerekre, speciális optikákra.
A merevlemezen az adatok tárolása mágneses jelek
formájában történik. Azok a µm alatti méretű tartományok,
melyek mágnesezettségi iránya a 0 és 1 biteknek
felel meg, szintén egy spirál mentén helyezkednek el. Az
adatok írása (törlése és újraírása) a forgó lemezhez közel
helyezett mikrométeres tekercs segítségével történik, az
áram iránya határozza meg a lemez anyagának felmágnesezését.
A mágneses lemezen tárolható hatalmas adattömeg
gyors kiolvasását az olvasófejben alkalmazott "spinszelep"
biztosítja, ez teszi a 2. ábrán szétszedett állapotban
mutatott merevlemez olvasót (HDD) a jelenleg létező
legnagyobb teljesítményű adattároló eszközzé.
Érdemes közelebbről megvizsgálni a két mágneses rétegből
kialakított spin-szelep működését (3.a ábra). A
könnyen mágnesezhető réteg érzékeli a lemez mágneses
terét, és ahogyan az alatta forgó spirálszakaszon váltakozik
a mágnesezés iránya, ugyanúgy billeg a mágnesezettsége.
A spin-szelep billegő mágnesezettségű rétege egy rögzített
mágnesezettségű réteg alatt helyezkedik el. Egy ilyen elrendezés
elektromos ellenállása függ attól, hogy a két réteg
egyformán, vagy ellentétesen van mágnesezve, így egyszerű
ellenállásméréssel lehet a billegő mágnes jelét detektálni.
Ez teszi lehetővé, hogy 1 bit kiolvasása néhány nanomásodperc
(1 ns = 10-9 s) alatt megtörténjen.
A spin-szelep működéséhez feltétlenül meg kell akadályozni,
hogy a két réteg együtt billegjen, jóllehet közel
azonos teret éreznek, ráadásul a billenő réteg is szeretné a
saját irányába fordítani a másik réteget. A mágnesség mikroszkopikus
elméletéig és a mágneses jelenségek kvantummechanikai
megértéséig nyúlik vissza az a megoldás,
ahogy a "nem-billegő" réteg mágnesezettségét rögzítik. A
3.b ábra szemlélteti a megoldást: a rögzítést egy antiferromágneses
anyag szélső mágneses atomrétegéhez történő,
atomi pontosságú illesztés biztosítja. Az antiferromágnesben
a rétegek mágnesezettségének iránya váltakozik, kifelé
az anyag nem is tűnik mágnesesnek. Atomjai azonban
mágnesesek, ráadásul mágneses kölcsönhatásuk nem a
szokásos klasszikus dipólkölcsönhatás (mint pl. iránytűk
között), hanem annál tízezerszer erősebb. Ezek az erők -
az atomok megválasztásától függően - az atomsorok mágnességének
ellentétes (antiferromágneses), illetve egyező
(ferromágneses) rendeződését is előidézhetik. Napjaink
csúcstechnológiai megoldásai teszik lehetővé a 3.b ábra
atomrétegeinek megvalósítását, amikor is atomsor pontossággal
cserélődik fel az antiferromágneses és ferromágneses
kölcsönhatás a két anyag rétegei között.
Végül nézzünk meg egy, a merevlemez-olvasóban
alkalmazott klasszikus fizikai megoldást is, ami a lemez
forgásához kapcsolódik. Könnyű kiszámolni, hogy csak
akkor tudjuk a néhány tized ?m távolságra lévő biteket
néhány ns alatt kiolvasni, ha az olvasófej alatt a lemez 
10-7m/10-9 s, azaz körülbelül 300 km/óra sebességgel
halad el. És ez valóban így van! Felvetődik a kérdés,
hogy ilyen sebességek mellett milyen szabályozó-rendszerrel
lehet biztosítani azt, hogy az olvasófej néhányszor
10 Â pontossággal, mintegy 200 Â távolságra helyezkedjen
el a lemez felett? (Az arányokat tekintve: ha egy 2,5"-es
notebooklemez sugarát a Föld sugarára nagyítjuk, a
fenti kívánalom annak felelne meg, hogy egy repülőgép
a Föld felszínét 2 méter magasan, 10 cm pontossággal
kövesse!) A megoldás nem egy bonyolult szabályozórendszer,
hanem áramlástan: az olvasófej alakja van úgy
kialakítva, hogy a nagy sebességnél keletkező légpárna a
rugalmas olvasókart a kellő magasságba emelje, majd az
áramláskor keletkező erők stabilan ott tartsák.
A terület olyan gyorsan fejlődik, hogy csak gyakran
frissített anyagokat érdemes olvasni róla. A magyar nyelvet
kedvelőknek a http://hu.wikipedia.org/ cím ajánlható.(
Nem azonos az angol Wikipedia fordításával!)
Az alábbi címeken igen sok angol nyelvű információ található:
http://electronics.howstuffworks.com/
és http://en.wikipedia.org/wiki/
Mihály György
BME, TTK, Fizikai Intézet