Twoja wyszukiwarka

HENRYK LACHOWICZ
PAMIĘĆ TRWALSZA OD LUDZKIEJ
Wiedza i Życie nr 12/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 12/1998

CZY MOŻNA SOBIE WYOBRAZIĆ JUMBO JETA LECĄCEGO PONAD MILION KILOMETRÓW NA GODZINĘ ZALEDWIE KILKA MILIMETRÓW NAD ZIEMIĄ? A TAK WŁAŚNIE DZIAŁA DYSK TWARDY W KOMPUTERZE, NA KTÓRYM ZAPISYWANE SĄ DANE.

Pamięć magnetyczna lub - inaczej mówiąc - zdolność do przechowywania i odtwarzania informacji dzięki wykorzystaniu zjawisk magnetycznych znajduje liczne zastosowania. Taśmy magnetofonowe, magnetowidowe, urządzenia pamięciowe w komputerach (dyski, dyskietki i również taśmy), różnego rodzaju karty magnetyczne są tego doskonałymi przykładami. Niezwykle szybki rozwój wszelkich urządzeń z pamięciami magnetycznymi powoduje, że największy postęp dokonuje się właśnie w badaniach materiałów do zastosowań pamięciowych. Sprzedaż takich urządzeń przekracza 60 mld dolarów rocznie.

Pamięć magnetyczna jest najstarszą formą pamięci na Ziemi, chociaż wiemy o tym od niedawna. Skały wulkaniczne i osadowe w trakcie swego kształtowania w ciągu miliardów lat magnesowały się w polu ziemskim, zachowując pamięć jego kierunku i - w pewnym stopniu - również natężenia. Pole to ulega ciągłym zmianom. Na przykład deklinacja magnetyczna (kąt między południkiem geograficznym a magnetycznym w danym punkcie powierzchni Ziemi), mierzona w 1596 roku w Londynie, wynosiła 11° i do 1800 roku uległa zmianie o 35°, osiągając 224° (biegun magnetyczny był 24° na zachód od kierunku geograficznej północy). Wartość ta zmniejszyła się do 26° w 1963 roku.

Odkrycia te pokazały, że źródłem pola ziemskiego nie może być niewyobrażalnie wielki magnes trwały we wnętrzu Ziemi, jak sądził William Gilbert, lekarz królowej Anglii Elżbiety I, pisząc w 1600 roku w swym wiekopomnym dziele De Magnete: Magnus magnes ipse est globus terrestris (Glob ziemski sam w sobie jest wielkim magnesem). Dziś uważa się, że pole magnetyczne Ziemi jest wywołane gigantycznymi prądami elektrycznymi (o natężeniach miliardy razy większych od tych, z którymi spotykamy się na co dzień), płynącymi w ciekłym, metalicznym jądrze globu.

Historia dokonań ludzkich w wykorzystaniu zjawisk magnetycznych do zapamiętywania informacji rozpoczyna się zaledwie niecałe sto lat temu. W 1898 roku duński inżynier, Valdemar Poulsen, pracownik Kopenhaskiej Kompanii Telefonicznej, wpadł na pomysł zapamiętywania ludzkiej mowy za pomocą urządzenia będącego pierwowzorem współczesnych magnetofonów (21 lat po wynalezieniu fonografu przez Thomasa Alvę Edisona). W urządzeniu tym dźwięki mowy zapisywano w drucie stalowym (struna fortepianowa), magnesowanym przez elektromagnes, w którym prąd był wzbudzany przez mikrofon telefoniczny przetwarzający dźwięki na sygnał elektryczny. Słuchawka telefoniczna służyła w tym przypadku do odczytu zapisanego dźwięku. Rozwiązanie to przypominało bardziej kolejkę linową w dużym pomniejszeniu niż współczesny magnetofon. Urządzenia służące do zapisu i odczytu dźwięku (dziś powiedzielibyśmy "głowice") były ręcznie przesuwane - z możliwie tą samą prędkością - po rozwieszonym drucie stalowym. Jakość odtwarzania była daleka od osiąganej we współczesnych magnetofonach.

Udoskonalona wersja wynalazku Poulsena, która została pokazana na Wystawie Światowej w Paryżu w 1900 roku, zdobyła główną nagrodę. W wersji tej drut był ułożony w rowku wyciętym na powierzchni walca, podczas gdy "głowicę zapisu" (elektromagnes z mikrofonem i zasilającą baterią) umocowano na pręcie równoległym do jego osi w sposób umożliwiający synchroniczne jej przesuwanie z obrotami walca. W "drutofonie", bo tak można nazwać wynalazek Poulsena, z czasem wprowadzono przewijanie drutu na szpulach za pomocą silnika elektrycznego, co upodobniło go do współczesnych nam rozwiązań.

Przełom w zapamiętywaniu dźwięku nastąpił w ostatnich latach II wojny światowej, kiedy to w Niemczech wynaleziono taśmę magnetyczną. Zachodnich aliantów zdumiała wówczas jakość odtwarzania radiowych przemówień Hitlera, które, jak o tym dobrze wiedziano, nie były nadawane "na żywo". Zagadkę tę rozwiązano, gdy w czasie walk w Europie w ręce aliantów wpadło urządzenie, które można uznać za prototyp współczesnego magnetofonu. Okazało się bowiem, że tak dobrą jakość dźwięku - jak na ówczesne czasy - uzyskano dzięki taśmie magnetycznej wykonanej z cienkiego celuloidu pokrytego bardzo rozdrobnionymi cząstkami (granulkami o rozmiarach rzędu mikrometrów) tlenku żelazowego w zawiesinie spoiwa pokrywającego taśmę.

Współczesne magnetofony, również te o wysokiej jakości odtwarzania - stereo- i kwadrofoniczne - działają na tej samej zasadzie, co urządzenie, które wpadło w ręce aliantów. Wszystkie rodzaje pamięci magnetycznej, również te służące do zapisu i odtwarzania obrazu oraz informacji cyfrowej, wykorzystują to samo zjawisko, które od miliardów lat utrwala informacje o zachowaniu się ziemskiego pola magnetycznego.

Dyktafon z XIX wieku

Fot. Krzysztof Kaliński
eksponat pochodzi ze zbiorów Muzeum Techniki w Warszawie

Przez ponad 50 lat magnetofon i nieco krócej również magnetowid (pojawił się w 1956 roku jako urządzenie wówczas nazywane "ampeksem" od nazwy firmy amerykańskiej Ampex) były wciąż udoskonalane. Poprawa jakości tych urządzeń i ich miniaturyzacja były możliwe dzięki m.in. pojawieniu się nowych materiałów magnetycznych. Pozwalało to wytwarzać lepsze taśmy i głowice, w których materiał magnetyczny odgrywa zasadniczą rolę.

Niezmiernie szybki rozwój pamięci magnetycznych nastąpił dopiero z chwilą pojawienia się komputerów. W latach czterdziestych były to ogromne urządzenia na lampach elektronowych i podzespołach elektromechanicznych, wymagające dużej energii do zasilania. Te wczesne komputery liczyły w systemie dziesiętnym - tym samym, którym posługujemy się na co dzień, i w którym dowolną liczbę można przedstawić za pomocą powszechnie znanych dziesięciu cyfr. Szybko okazało się jednak, że dla maszyn liczących system ten nie jest wygodny. Znacznie lepszy okazał się system dwójkowy (binarny), w którym każdą liczbę wyraża się za pomocą ciągu dwóch cyfr - zera i jedynki.

Ciąg taki może reprezentować nie tylko liczby - dzięki odpowiednim kodom również litery alfabetu oraz w ogóle dowolne symbole, na przykład znajdujące się na klawiaturze komputera osobistego. W konsekwencji system dwójkowy umożliwia nie tylko obliczenia, lecz pozwala również wykorzystywać komputer do wielu innych zastosowań, z których do prostszych można na przykład zaliczyć pisanie i redagowanie tekstów.

System dwójkowy - ponieważ operuje tylko dwiema cyframi - jest niezwykle dogodny ze względów technicznych. Do zapamiętywania wyrażonej w nim informacji wystarczy mieć elementy, w których można wytworzyć dwa stabilne i dobrze rozróżnialne stany (np. prąd płynie-nie płynie, lampka świeci-nie świeci), łatwe do zrealizowania. Tego rodzaju stany łatwo również uzyskać w elementach magnetycznych - takich, które wykazują właściwości słabych, trwałych magnesów, na przykład dwa stany różniące się zwrotami namagnesowania. Zapis na taśmie magnetycznej stosowano w dawnych komputerach (są również używane dzisiaj jako pamięci zewnętrzne o bardzo dużych pojemnościach).

Rejestrator parametrów lotu BUR-1-2 z taś-mą lawsanową (magnetofonową, metalizowaną o podwyższonej wytrzymałości)

Fot. Krzysztof Kaliński

Zasadniczy przełom w konstrukcji magnetycznych systemów pamięciowych nastąpił dopiero na początku lat pięćdziesiątych. Wówczas w jednym z najlepszych ośrodków na świecie w badaniach nowoczesnych technologii, słynnym MIT w Cambridge (USA), podjęto projekt o nazwie Whirlwind (w pierwszym znaczeniu "trąba powietrzna", ale również "szybki", i to najlepiej oddaje jego ideę), którego celem było skonstruowanie bardzo szybkiej, jak na owe czasy, maszyny liczącej. Projekt ten uznano wówczas za najambitniejszy i najbardziej innowacyjny w dziedzinie komputerów.

W konstruowanej maszynie zastosowano wtedy po raz pierwszy magnetyczną pamięć rdzeniową. Pamięć ta, zawierająca tysiące rdzeni magnetycznych mających kształt maleńkich pierścionków (o średnicy 2 mm), pozwalała na bardzo szybki, jak na tamte czasy, dostęp do zapisanej informacji. W przypadku pamięci taśmowej jest on rzędu tysięcznych części sekundy, podczas gdy dla pamięci rdzeniowej jest tysiąckrotnie szybszy. Maleńkie rdzenie wykonano z ferrytu, tlenku magnetycznego, "bliskiego kuzyna" magnetytu. Dzięki odpowiedniemu składowi chemicznemu oraz procesom technologicznym charakterystyka magnesowania (zależność momentu magnetycznego lub indukcji magnetycznej od przykładanego pola magnetycznego) ma kształt prostokątnej pętli jak na ryc. 1.

Doniosłość odkrycia magnetycznej pamięci rdzeniowej została doceniona. W Muzeum Komputerów w Bostonie (USA), którego logo ma postać właśnie elementu pamięci rdzeniowej, można znaleźć następującą sentencję: Rdzenie ferrytowe pozwoliły wyposażyć komputery w pierwsze, bardzo szybkie, w pełni niezawodne i zapewniające bezpośredni dostęp, urządzenie pamięciowe. Umożliwiło to komputerom ujawnienie swych dotychczas jedynie potencjalnych możliwości jako narzędzia zwielokrotniającego ludzkie możliwości.

Magnetyczne pamięci rdzeniowe zostały już wiele lat temu wyparte przez znacznie nowocześniejsze pamięci magnetyczne, przede wszystkim tzw. twarde dyski. Choć pamięci na rdzeniach ferrytowych znajdują jeszcze zastosowanie w bardzo specjalistycznych i jednostkowych urządzeniach, to jednak już dawno osiągnęły kres swych możliwości pod względem gęstości zapisu informacji (nawet dla rdzeni tak małych jak dziś produkowane o średnicach około 0.3 mm). Gęstość ta jest wyrażana liczbą bitów, którą można zmieścić (upakować) na jednostkowej powierzchni (lub w objętości) nośnika informacji (np. warstwy magnetycznej pokrywającej dysk lub taśmę).

Aby uzmysłowić sobie, z jakimi gęstościami mamy do czynienia w nowoczesnych systemach pamięciowych, przypomnę, że gęstość zapisu w dziś dostępnych twardych dyskach wynosi 50 mln bitów na centymetrze kwadratowym. Tak więc dysk twardy może mieć pojemność rzędu miliardów bitów. Dla porównania - oszacowana pojemność ludzkiego mózgu jest milion razy większa. Na pocieszenie konstruktorów pamięci komputerowych można dodać, że te ogromne możliwości pamięci gatunku Homo sapiens są wykorzystywane zwykle tylko w niewielkim stopniu.

Dyski twarde mają postać sztywnych krążków składających się z podłoża z metalu lub szkła (dlatego nazywane są "twardymi"), na których jest osadzona warstwa materiału magnetycznego, będąca nośnikiem informacji. W początkowym okresie ich rozwoju warstwę magnetyczną tworzyły drobne granulki tlenku żelazowego (Fe2O3), podobnie jak w taśmach magnetycznych. Z czasem materiał granulowany ustąpił miejsca cienkim warstwom stopów metali (lub ich strukturom wielowarstwowym), w których głównym składnikiem jest zwykle kobalt. Warstwy te pokrywają całą czynną powierzchnię dysku. Dzięki swym lepszym właściwościom magnetycznym warstwy pozwalają osiągać znacznie większe gęstości zapisu informacji.

Ryc. 1. Zasada działania i sposób uzwajania płatu magnetycznej pamięci rdzeniowej

Informacja jest zapisywana na dysku przez głowicę, która wytwarza impulsy pola magnetycznego w postaci ciągów, odpowiadających reprezentacji binarnej zapisywanych informacji. Odczytuje ta sama głowica, w której wskutek ruchu dysku jest indukowane napięcie w postaci podobnego ciągu impulsów. Ten sposób odczytywania informacji jest nazywany indukcyjnym. Jego wadą jest konieczność stosowania różnych gęstości zapisu - tym mniejszych, im bliżej środka dysku.

Wynika to z faktu, że przy stałej prędkości obrotowej dysku prędkość liniowa na jego powierzchni wzdłuż ścieżek pamięciowych, mających postać współśrodkowych okręgów, jest tym mniejsza, im bliżej środka są one usytuowane (napięcie indukowane w głowicy jest wprost proporcjonalne do prędkości zmian pola magnetycznego). Z tego względu stosuje się dziś tzw. głowice magnetooporowe, w których odczytywanie nie zależy od prędkości przesuwu ścieżki, a od natężenia pola magnetycznego. Efekt magnetooporowy przejawia się zmianami oporności elektrycznej materiału pod wpływem działania nań pola magnetycznego. Efekt ten w konwencjonalnych magnetykach jest niewielki. W najlepszym wypadku wynosi około 3% dla stopów żelaza z niklem (tzw. permaloje). Mimo to całkowicie wystarcza dla poprawnej pracy głowic. Na ryc. 2 przedstawiono konstrukcję typowego dysku twardego stosowanego we współczesnych komputerach.

Zapisywanie (i odczytywanie) informacji na dysku o dużej gęstości i dużej prędkości jego obrotu nie jest łatwym zadaniem. Szczególnie gdy uwzględnić fakt, że prędkość liniowa na powierzchni dysku przekracza 100 km/h, a odległość unoszącej się nad nim głowicy wynosi zaledwie 50 milionowych części milimetra (50 nm). Lepsze wyobrażenie o skali trudności, z jaką spotykają się konstruktorzy dysków twardych, może dać obraz pasażerskiego jumbo jeta: gdyby powiększyć głowicę do rozmiarów samolotu, to wówczas leciałby on z prędkością ponad miliona kilometrów na godzinę kilka milimetrów nad ziemią.

Kłopoty z zachowaniem możliwie najmniejszej odległości głowicy od dysku stały się mało istotne z chwilą wynalezienia pamięci, w których są wykorzystywane tzw. zjawiska termomagneto-optyczne. Tam zasadniczą rolę odgrywa laser półprzewodnikowy. Głowica laserowa może znajdować się dość daleko od powierzchni dysku, rzędu milimetrów - nasz jumbo jet leciałby już wtedy kilkaset metrów nad ziemią. Choć zasada działania systemów pamięciowych wykorzystujących wspomniane zjawiska była znana już bardzo dawno, przeszkodą na drodze do ich skonstruowania był brak odpowiednich laserów.

Pierwsza pamięć tego rodzaju, aczkolwiek jeszcze nie magnetyczna, pojawiła się na początku lat osiemdziesiątych. Była nią dzisiaj dobrze nam znana płyta kompaktowa, która stanowiła rewolucję pod względem wierności zapisu i odtwarzania dźwięku, a również gęstości zapisu informacji. Odkrycie to zawdzięczamy badaczom i konstruktorom holenderskiego Philipsa, choć niezależnie płytę kompaktową pokazali również Japończycy z koncernu Sony. Wysoką jakość odtwarzania, cieszącą ucho melomana, płyta kompaktowa zawdzięcza cyfrowemu zapisowi dźwięku.

Ryc. 2. Konstrukcja typowego dysku twardego stosowanego we współczesnych komputerach

Z chwilą pojawienia się odpowiednich laserów półprzewodnikowych możliwa stała się również konstrukcja pamięci magnetycznych - dysków komputerowych wykorzystujących zjawiska termomagnetooptyczne. W tych pamięciach, w odróżnieniu od płyt kompaktowych, można wielokrotne zapisywać informację cyfrową poprzez wymazywanie uprzednio wpisanej. Wykorzystuje się tu zależność od temperatury koercji materiału magnetycznego [patrz: Magnetyki amorficzne, "WiŻ" nr 9/1997] pokrywającego dysk.

Współdziałanie lasera, nagrzewającego lokalnie warstwę magnetyczną, z polem magnetycznym umożliwia zapisywanie informacji. Ten sam laser służy do odczytywania informacji (emitowana w tym przypadku wiązka światła ma energię znacznie mniejszą niż przy zapisie, bo warstwa nie musi być wtedy nagrzewana). Rozróżnienie cyfr binarnych (zera bądź jedynki) jest możliwe dzięki zmianie polaryzacji światła wiązki laserowej, zależnej od kierunku lokalnego namagnesowania w miejscach na ścieżce informacyjnej odpowiadających pojedynczym bitom.

Zogniskowanie wiązki światła (rozmiar plamki świetlnej decyduje o gęstości zapisywanej informacji) zależy od długości jego fali i jest ograniczone przez zjawisko dyfrakcji. Im krótsza fala, tym plamka może być mniejsza. Stąd też w wielu laboratoriach na świecie trwają dziś intensywne badania nad laserami półprzewodnikowymi emitującymi światło niebieskie. Liczący się udział w tych badaniach mają również polscy uczeni skupieni w Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN [patrz: Niebieski laser, "WiŻ" nr 8/1997]. Lasery niebieskie, w porównaniu do dziś używanych, świecących światłem czerwonym lub podczerwonym, pozwoliłyby czterokrotnie zwiększyć gęstość zapisu na dyskach magnetooptycznych, tj. do około kilkuset milionów bitów na centymetrze kwadratowym. Badania te, ze względu na konkurencję, są utrzymywane w ścisłej tajemnicy. Z dostępnych w literaturze doniesień można jednak wywnioskować, iż są one na tyle zaawansowane, że powinny zaowocować nowymi dyskami magnetooptycznymi na początku przyszłego stulecia.

Ryc. 3. Podstawowe właściwości różnych systemów pamięci cyfrowych stosowanych we współczesnych komputerach

Główna pamięć współczesnych komputerów (tzw. operacyjna) wykorzystuje półprzewodniki. Cechuje się większą szybkością i pozwala uzyskiwać większą gęstość zapisu informacji niż pamięć dyskowa. Jest jednak droga (jeśli porównać cenę za jeden bit) i ma przykrą wadę - traci zapisaną informację za każdym razem, gdy wyłączamy zasilanie komputera. Pamięć magnetyczna, podobnie jak w wypadku skał, nie wykazuje tej kłopotliwej cechy i dlatego służy w komputerze jako ważna pamięć pomocnicza, w której są gromadzone wszelkie informacje, potrzebne każdorazowo dla właściwego działania komputera (np. wielokrotnie używane programy). Jest poza tym znacznie tańsza, a jedyną wadę stanowi znacznie mniejsza szybkość działania niż pamięci półprzewodnikowej. Łatwo się o tym przekonać, zapisując np. napisany tekst na dyskietce. Może to trwać nawet kilka sekund.

W 1988 roku grupa francuskich uczonych z Uniwersytetu Paris-Sud odkryła zjawisko tzw. gigantycznego magnetooporu. Występuje ono w strukturach wielowarstwowych, złożonych z na przemian osadzanych warstw magnetycznych, np. żelaza lub kobaltu, oraz metalu niemagnetycznego, np. miedzi lub srebra. Poszczególne warstwy mają niezmiernie małą grubość - od kilku do stu nanometrów. Przyłożenie pola magnetycznego wywołuje w takiej strukturze ogromne zmiany oporu elektrycznego sięgające nawet ponad 100%. Stąd też zjawisko nazwano "gigantycznym". Źródłem tego efektu, całkowicie odmiennego ze względu na mechanizmy fizyczne zań odpowiedzialne od dotychczas znanego zjawiska magnetooporowego, są procesy natury kwantowej, związane z przewodnictwem elektrycznym zależnym od stanu magnetycznego w strukturze wielowarstwowej.

Obserwowane dziś wielkie zainteresowanie tym niezwykle spektakularnym zjawiskiem wynika nie tylko z fascynacji i ciekawości uczonych, lecz przede wszystkim z ogromnych możliwości jego praktycznego wykorzystania zarówno w głowicach do odczytywania informacji zapisanej na dyskach, jak i w konstrukcjach nowych systemów pamięciowych o ogromnej szybkości działania, wyrażającej się czasem dostępu rzędu miliardowych części sekundy, a także szybszej od pamięci półprzewodnikowej i nie zapominającej zawartej w niej informacji. Biorąc pod uwagę ogromne środki zaangażowane w badania wspomnianych struktur, można oczekiwać, że komputery wkroczą w wiek XXI wyposażone już w te najnowsze pamięci magnetyczne.

Rycina 3 przedstawia te systemy we współrzędnych, pozwalających ocenić zarówno ich pojemność, jak i szybkość działania wyrażoną czasem dostępu do informacji. Pokazuje również pamięci inne niż magnetyczne oraz te, których nie omawiałem w artykule, ponieważ dziś mają one dla komputerów marginalne znaczenie.

Wartość urządzeń magnetycznych do zapisywania informacji, produkowanych rocznie w tzw. Dolinie Krzemowej (Silicon Valley) w Kalifornii, jest dziś większa niż urządzeń półprzewodnikowych, od których dolina wzięła nazwę. Widać, że "lobby magnetyczne" nie jest dostatecznie silne, aby zmienić nazwę na Dolina Magnetyczna... A szkoda, bowiem, parafrazując Hipokratesa, można powiedzieć: Omnium profecto artium, ars magnetica nobilissima (Zaiste, ze wszystkich nauk magnetyzm jest najszlachetniejszy), choć, być może, pogląd ten wynika jedynie z własnych, wieloletnich zainteresowań autora i może nie być powszechnie akceptowany.

Niektóre z podanych faktów dotyczących historii odkryć z dziedziny magnetyzmu autor zaczerpnął z niezwykle interesującej książki Jamesa D. Livingstone'a pt.: Driving Force; the Natural Magic of Magnets, Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 1996.

Prof. dr hab. HENRYK KONRAD LACHOWICZ kieruje Oddziałem Fizyki Magnetyków Instytutu Fizyki PAN w Warszawie. Opublikował już na naszych łamach artykuły: Magnetyki amorficzne, "WiŻ" nr 9/1997 oraz O igle magnetycznej i magnesach trwałych, "WiŻ" nr 11/1997.