1. معرفی عملکرد دیسک‌های سخت
با پیشرفت فناوری روز به روز بر اهمیت افزاره‌های ذخیره اطلاعات افزوده می‌شود. هاردهای مغناطیسی یکی از مهم‌ترین افزاره‌های ذخیره اطلاعات هستند. امروز یکی از نیازها، افزایش ظرفیت این افزاره‌هاست. این افزایش ظرفیت جز با کمک فناوری نانو امکان‌پذیر نیست. از این‌رو این مقاله مزایا و چالش‌هایی که در مسیر توسعه حافظه‌های مغناطیسی با نانوفناوری وجود دارد را مورد بررسی قرار می‌دهد.

اساس کار هاردهای مغناطیسی، ذخیره‌سازی اطلاعات به شکل صفر و یک (ذخیره‌سازی بر مبنای دو) است. هر بیت اطلاعات شامل یکی از اعداد صفر و یک است و هر هشت بیت یک بایت را می‌سازد. دومین‌های مغناطیسی، صفر و یک را در هاردها ایجاد می‌کنند. این تصور که دو جهت مختلف دومین یکی صفر و دیگری یک را تشکیل می‌دهد و همچنین این تصور که مغناطیسی بودن یا نبودن یک دومین نشان‌دهنده صفر و یک اطلاعات است، هر دو تصوراتی اشتباه هستند. در واقع صفر و یک اطلاعات با تغییر جهت مغناطش تعریف می‌شود. اگر هنگام گذر از یک دومین به دومین مجاور تغییری در جهت مغناطش ایجاد شود، این تغییر جهت یک در نظر گرفته شده و عدم تغییر جهت هنگام گذر از یک دومین به دومین مجاور معادل صفر در هر بیت اطلاعات است.

شکل 1 نحوه عملکرد هارد مغناطیسی را نشان می‌دهد. یک هد با ایجاد جریان الکتریکی، جهت مغناطش را در ماده مغناطیسی تنظیم می‌کند. این هد، هد نوشتن (Writing Head) نامیده می‌شود. مکانیزم عملکرد این هد بر اساس قوانین ماکسول است که جریان الکتریکی می‌تواند میدان مغناطیسی ایجاد کند و این میدان مغناطیسی در ماده مغناطیسی زیرین (ماده‌ای که به‌عنوان ذخیره‌ساز اطلاعات استفاده می‌شود)، مغناطش را در جهت دلخواه تنظیم می‌کند. می‌توان جهت جریان را در یکی از دو جهت دلخواه تنظیم کرد و می‌توان بسته به نیاز در دو جهت مختلف در ماده، مغناطش ایجاد کرد.

شکل 1: نمایش ایجاد سیگنال صفر و یک با هد نوشتن و نمایش خواندن صفر و یک‌ها با سیگنال خواندن

خواندن اطلاعات نیز با کمک یک هد دیگر به نام هد خواندن (Reading Head) صورت می‌گیرد. دلیل این‌که تغییر جهت مغناطش و عدم تغییر جهت به‌ترتیب صفر و یک را ایجاد می‌کند، به این مرتبط است که برای ایجاد ولتاژ (سیگنال) در هد خواندن، باید تغییر جهتی در شار مغناطیسی به‌وجود آید و تغییر شار نیز فقط در هنگام تغییر جهت مغناطش به‌وجود می‌آید. شکل 2 نحوه اطلاعات ایجاد شده بر روی ماده مغناطیسی را نشان می‌دهد. همان‌گونه که مشخص است هر بیت اطلاعات، ناحیه گذار از یک دومین به دومین مجاور است و نه خود دومین.

برخلاف یک CD یا DVD، در یک هارد مغناطیسی، در یک بیت بارها اطلاعات جدید نوشته و خوانده می‌شود. بنابراین باید بتوان صفرها و یک‌ها را در صورتی‌که نیاز به نوشتن اطلاعات جدید باشد، تغییر داد. از این‌رو ماده مغناطیسی باید به اندازه کافی سخت باشد تا اطلاعات در اثر میدان‌های مغناطیسی ناخواسته از بین نرود و از طرفی به اندازه کافی نرم باشد تا میدان مغناطیسی ناشی از هد نوشتن، بتواند جهت مغناطش را درون یک دومین مغناطیسی تنظیم کند.

شکل 2: نمایش بیت‌های اطلاعات (دیتا) در یک محیط مغناطیسی ذخیره اطلاعات

2. محیط‌های ذخیره‌سازی ذره‌ای در فلاپی دیسک‌ها
در نسل قدیمی حافظه‌های مغناطیسی که از فلاپی دیسک‌ها استفاده می‌شد، از یک سری ذرات سوزنی شکل، با ابعاد میکرومتری، از نوع فری‌مغناطیس و با ناهمسانگردی بالا استفاده می‌شد. جنس این اکسیدها Fe₂O₃ بود که در یک زمینه پلیمری پراکنده شده بودند. این ذرات بین 20 تا 25 درصد حجمی را در یک زمینه پلیمری از جنس PET تشکیل می‌دادند. هر کدام از این ذرات تک دومین بودند. شکل 3 روش تهیه این حافظه‌های مغناطیسی را نشان می‌دهد. با توجه به شکل 3 برای تنظیم کردن جهت ذرات در جهت محور آسان مغناطیسی، در حین ساخت از یک میدان مغناطیسی استفاده می‌شد.

شکل 3: نمایش نحوه ساخت فلاپی دیسک‌ها

با توجه به شکل 2 مشخص است که ظرفیت به تعداد بیت‌ها بر روی سطح وابسته است. بنابراین پارامتر مهم برای ظرفیت، چگالی سطحی (Areal Density) است که در حافظه‌های امروزی با واحدهایی مانند گیگابیت و ترابیت بر اینچ مربع (یا همچنین گیگابیت و ترابیت بر میلی‌متر مربع) مشخص می‌شود. در حافظه‌های مغناطیسی تلاش بر این است که ظرفیت ذخیره‌سازی افزایش یابد. مشکل محیط‌های ذخیره‌سازی اطلاعات در فلاپی دیسک‌ها، پایین بودن ظرفیت ذخیره‌سازی است. طبق شکل 4 ظرفیت یک حافظه مغناطیسی به تعداد دومین‌ها بستگی دارد. چون در این‌جا هر ذره خود یک تک دومین است و چون چگالی ذرات اندک است، بنابراین این نوع حافظه‌ها، ظرفیت پایینی دارند.

شکل 4: نمایش نحوه وابستگی بین ظرفیت حافظه مغناطیسی به تعداد دومین‌ها

3. محیط‌های ذخیره‌سازی دانه‌ای در دیسک‌های سخت
به‌دلیل پایین بودن ظرفیت ذخیره‌سازی در محیط‌های ذره‌ای، محیط‌های دانه‌ای (یا با نام دیگر محیط‌های لایه نازک) به‌عنوان جایگزین مطرح شده‌اند که ظرفیت‌های به مراتب بالاتری را ارائه می‌دهند. محیط ذخیره‌سازی اطلاعات در این‌جا یک لایه نازک با ضخامتی بین 10 تا 50 نانومتر است. این لایه دارای دانه‌های نانومتری کمتر از 30 نانومتر است که هر کدام از این دانه‌ها تک دومین هستند. جنس این لایه نازک از موادی مغناطیسی مانند CoCrTa و CoPtCr است که با روش‌های لایه‌نشانی (عمدتاً اسپاترینگ) تهیه می‌شود. در این‌جا و به‌طور کلی در محیط‌های ذخیره‌سازی اطلاعات، هر چه از مواد مغناطیسی سخت‌تر استفاده شود، ماندگاری اطلاعات بیشتر خواهد بود؛ چون عوامل مختلف مزاحم قادر نخواهند بود جهت مغناطش دومین‌ها را تغییر دهند. شکل 5 تصویری از بالای یک محیط نانودانه‌ای را نشان می‌دهد.

شکل 5: تصویری از بالای یک محیط ذخیره‌سازی اطلاعات نانودانه‌ای

بر خلاف تصور، در این محیط‌ها هر بیت اطلاعات از هنگام گذر از یک دانه به دانه مجاور ایجاد نمی‌شود. در شکل 6، دومین‌ها و نواحی گذار با خط مشکلی نشان داده شده است. در این محیط‌ها با اعمال میدان مغناطیسی خارجی (میدان هد نوشتن) تعداد زیادی از دانه‌ها در یک جهت، مغناطیسی می‌شوند و می‌توان گفت تعدادی از دانه‌ها، تقریباً یک دومین را می‌سازند و بیت‌ها هنگام گذر از این دومین‌ها ایجاد می‌شود.

دانه‌ها در این محیط‌ها به‌صورت تصادفی تشکیل شده‎اند، از این‌رو دارای شکل و اندازه کاملاً یکسان نیستند. اگر هر دومین (بعد از اعمال میدان خارجی با هد نوشتن) یک تک دانه بود و اطلاعات از گذر از بین دانه‌ها ایجاد می‌شد، دومین‌های هم‌اندازه‌ای وجود نداشت؛ در حالی‌که هد مغناطیسی به اندازه مشخصی حرکت می‌کند و نمی‌تواند تشخیص دهد که اندازه دانه‌ها (که در این حالت برابر اندازه دومین است) چقدر است. بنابراین هد خواندن و نوشتن مجموعه‌ای از دانه‌ها را به‌عنوان یک دومین در نظر می‌گیرند.

یک مشکل دیگر این است که دانه‌ها اندازه بسیار کوچکی دارند، در حالی‌که هد مغناطیسی ابعاد به مراتب بالاتری دارد و نمی‌تواند در هر لحظه تنها یک دانه را در جهت دلخواه مغناطیسی کند. از طرفی میدان مغناطیسی ناشی از یک دانه آن‌قدر کوچک است که سیگنال آن برای تشخیص در هد خواندن مشکل است. به همین دلایل مجموعه‌ای از دانه‌های تقریباً هم‌جهت یک دومین را می‌سازند و بیت اطلاعات هنگام گذر از این دومین‌ها ایجاد می‌شود. ذکر این نکته مهم لازم است که شاید نتوان تعریف دومین را برای مجموعه چندین دانه هم‌جهت که در شکل 6 نشان داده شده است، به‌کار برد. اگرچه گذار از این دانه‌های هم‌جهت به مجموعه دیگری از دانه‌های هم‌جهت، موجب شکل‌گیری بیت اطلاعات است، ولی همان‌گونه که در شکل 6 مشخص است، دقیقاً همه دانه‌ها در یک جهت قرار ندارند تا بتوان به‌طور دقیق اصطلاح دومین را برای این مجموعه دانه‌ها استفاده کرد، ولی برای سادگی در این‌جا، این مجموعه دانه‌ها یک دومین در نظر گرفته می‌شوند.

شکل 6 : نمایش نواحی گذار و دومین‌های موجود در یک محیط نانودانه‌ای

همان‌گونه که شکل 6 گویای آن است، ناحیه گذار از یک دومین به دومین مجاور به شکل یک خط مستقیم نیست و یک حالت زیگزاگی دارد. این حالت زیگزاگی موجب می‌شود که مرکز ناحیه گذار کاملاً مشخص و به شکل یک خط مستقیم نباشد، که در نتیجه آن یک نوع نویز به نام ژیتر (Jitter) در سیستم ایجاد می‌شود.

هر چه تعداد دانه‌های سازنده یک دومین بیشتر باشد، ناحیه گذار به خط مستقیم نزدیک‌تر شده و این نویز کاهش می‌یابد. با کم شدن نویز ژیتر، نسبت سیگنال به نویز (SNR) که یک پارامتر مهم در حافظه‌های مغناطیسی است، بهبود می‌یابد. رابطه بین SNR و تعداد دانه‌ها به‌صورت لگاریتمی است. اگرچه بسته به عوامل مختلف، تعداد دانه‌های سازنده یک دومین متفاوت گزارش شده است، ولی حداقل در هر دومین 100 دانه احتیاج است تا بتوان SNR مناسبی داشت.

تعداد بالای دانه‌های موجود در یک دومین، گرچه موجب بهبود SNR می‌شود، اما این تعداد بالا از ظرفیت حافظه مغناطیسی می‌کاهد. یک راه حل برای جلوگیری از کاهش ظرفیت (و حتی افزایش آن)، کاهش اندازه دانه‌هاست تا به ازای یک تعداد مشخص دانه‌ها درون تک دومین، ابعاد دومین‌ها کاهش یابد و ظرفیت بیشتر شود. شکل 7 تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری دو دیسک سخت یکی با دانه‌های بزرگ‌تر برای سال 2008 و دیگری با دانه‌های کوچک‌تر را برای سال 2010 نشان می‌دهد. مشخص است که کاهش اندازه دانه‌ها موجب شده ظرفیت از 250Gb/in² به مقدار 500Gb/in² برسد.

شکل 7: نمایش چگالی سطحی (ظرفیت سطحی) در دو محیط، دیسک سمت چپ در سال 2008 و سمت راست در سال 2010

برای افزایش SNR و ظرفیت، نمی‌توان اندازه دانه‌ها را به هر مقدار دلخواهی کاهش داد. از جنبه مغناطیسی، بین دانه با ذره تفاوتی وجود ندارد، بنابراین مانند ذره، دانه هم می‌تواند وارد ناحیه سوپرپارامغناطیس شود. با ورود به ناحیه سوپرپارامغناطیس، گرما قادر خواهد بود جهت مغناطش ایجاد شده توسط هد در دانه را به‌صورت تصادفی تغییر دهد.

یک دیسک سخت باید بتواند اطلاعات را به مدت 10 سال درون خود نگهداری کند. بنابراین باید نسبت K_UV/k_BT که نشان‌دهنده پایداری دانه‌ها نسبت به اثر گرماست، حداقل بالاتر از 40 و حتی بالاتر از 60 باشد (این پارامترها در مقاله‌های "خواص مغناطیسی مواد" و "تأثیرات ورود به محدوده نانومتری بر خواص مغناطیسی" توضیح داده شده است). با کاهش حجم دانه (V) این نسبت از مقدار پذیرفته شده کمتر می‌شود و این یکی از مشکلات افزایش ظرفیت در دیسک‌های سخت نانودانه‌ای است. با توجه به این نکات، تنها راه‌حل افزایش ثابت ناهمسانگردی (K_U) است. افزایش ثابت ناهمسانگردی موجب افزایش کورسیویته ماده (H_K) می‌شود (ماده سخت‌تر می‌شود). این کورسیویته از فرمول H_k=2K_u/M_s به‌دست می‌آید. هد مغناطیسی باید بتواند بر این کورسیویته غلبه کند. در این رابطه M_s مقدار مغناطش اشباع است. برای این‌که میدان خارجی هد بتواند جهت مغناطش دانه را در جهت مناسب تغییر دهد، باید میدانی بزرگ‌تر از H_K اعمال کند. اعمال چنین میدانی در یک ناحیه کوچک نانومتری به‌سادگی توسط هد نوشتن امکان‌پذیر نیست.

4. مشکلات توسعه دیسک‌های سخت
سه مورد، اول نیاز به کاهش اندازه دانه‌ها (برای داشتن SNR و ظرفیت بالاتر)، دومی مشکل پدیده سوپرپارامغناطیس در ابعاد کوچک دانه‌ها و سومی مشکل توانایی در نوشتن، که هر سه در بالا اشاره شدند، مشکلاتی هستند که برای افزایش ظرفیت دیسک سخت وجود دارند. به‌ترتیب این سه مورد توانایی خواندن (Readability)، پایداری (Stability)، و توانایی نوشتن (Writability) نامیده می‌شوند. همان‌گونه که بیان شد توانایی در خواندن، به نسبت سیگنال به نویز مرتبط است که با کاهش اندازه دانه بهبود می‌یابد. این در حالی است که پایداری با کاهش اندازه دانه‌ها، به‌دلیل پدیده سوپرپارامغناطیس، کاهش می‌یابد. برای این‌که نیازهای این دو پارامتر با همدیگر برآورده شوند، باید ناهمسانگردی را افزایش داد که این افزایش موجب سخت‌تر شدن نوشتن اطلاعات (توانایی نوشتن) می‌شود. این سه نیاز متضاد که در شکل 8 نشان داده شده است، اصطلاحاً (magnetic trilemma) نامیده می‌شود. برآورده کردن این سه نیاز متضاد یکی از مشکلات پیش‌رو برای افزایش ظرفیت دیسک‌های سخت است. نانوفناوری راه‌کارهایی را برای غلبه بر این مشکلات پیش‌رو قرار داده است که در مقاله‌های بعدی این راه‎کارها معرفی شده است.

شکل 8: نمایش ویژگی‌های متضادی که برای توسعه ظرفیت یک هارد مغناطیسی وجود دارد.

5. جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
در این مقاله نحوه ذخیره‌سازی اطلاعات در دیسک‌های سخت بیان شد. مشخص شد که گذار از یک جهت مغناطیسی به جهت مجاور موجب شکل‌گیری بیت‌های اطلاعات می‌شود. دو فناوری ذره‌ای و دانه‌ای برای ذخیره‌سازی اطلاعات مطرح شد. مشخص شد که فناوری دانه‌ای ظرفیت بالاتری دارد. با این وجود، مشکل‌هایی برای توسعه ظرفیت این حافظه‌های مغناطیسی وجود دارد که در غالب سه چالش ایجاد هماهنگی بین قابلیت خواندن، قابلیت نوشتن و پایداری بیان شد.