Szymon Barczentewicz


Aby wiedzieć, jak skutecznie usunąć dane, należy najpierw dobrze zrozumieć, na czym polega proces zapisu danych – ma on długą i bogatą historię. 1 grudnia 1898 r., duńskiemu technikowi Valdemarowi Poulsenowi udzielony został patent na telegrafon. Telegrafon to urządzenie, w którym nośnikiem informacji był drut stalowy o grubości 1 mm i koercji 40 Oe (Oerstedów), przesuwający się z prędkością 2 m/s. Pomysł rozwinęła firma British Ludwig Blattner Picture Corporatrrion, która stosując wzmocnienie elektroniczne dźwięku, usiłowała bez powodzenia zsynchronizować dźwięk z obrazem.

Prototyp telegrafonu (1898) [1]

Urządzenia te były prototypami późniejszego magnetofonu szpulowego z taśmą magnetyczną, najpierw papierową, a później z tworzyw sztucznych. Taśma magnetofonowa potrafiła zmieścić kompletne utwory muzyczne. Wymagało to jednak zwiększenia gęstości zapisu danych. Było to możliwe zarówno poprzez miniaturyzację głowicy zapisująco – odczytującej i stworzenie nowych materiałów magnetycznych, z których wytwarzane były taśmy. W latach trzydziestych XX wieku firma BASF rozpoczęła produkcję pierwszych taśm z tworzyw sztucznych z tlenkami żelaza, chromu i kobaltu. Zastosowany materiał i nanotechnologia proszków magnetycznych decydowała o gęstości zapisu danych na nośniku.

Popularne materiały tlenkowe i metaliczne stosowane do wytwarzania taśm magnetycznych [1]

Dzięki stopniowej miniaturyzacji i zwiększeniu gęstości zapisu danych, magnetofony stały się niekwestionowanym liderem na rynku zapisu danych od lat 40 do 80 XX wieku. Ukoronowaniem tej technologii był przenośny magnetofon o handlowej nazwie Sony Walkman. 25 października 2010 roku, firma Sony zakończyła seryjną produkcję Walkmanów kasetowych.

Zapis na dysku magnetycznym

Następnym krokiem w technologii zapisu danych był pierwszy dysk komputerowy, skonstruowany w 1956 roku przez IBM na potrzeby komputera IBM 305 RAMAC. Dysk ten składał się z 50 talerzy o średnicy 24 cali i całkowitej pojemności 4,4 MB. Koszt 1 GB pamięci w tamtych czasach to 10 mln USD. Gdy w dyskach magnetycznych wykorzystywano głowicę indukcyjną, wzrost upakowania pamięci wynosił 21% na rok. Kiedy wykorzystano magnetoresystor jako element odczytowy, uzyskano prawie trzykrotny większy wzrost upakowania informacji. Najpierw w głowicach odczytujących wykorzystano efekt AMR (Anizotropowej Magneto Rezystancji), potem GMR (Giga Magento Rezystacji), a obecnie wykorzystuje się TMR. Dzięki temu, udaje się utrzymać wzrost gęstości powierzchniowej wynoszący 57% na rok.

Porównanie pierwszego dysku twardego z współczesnym dyskiem twardym [1]

Bardzo duży przyrost zmian oporu w bardzo małym polu magnetycznym, jaki oferuje głowica (zawór spinowy) wykorzystująca efekt TMR, nie ogranicza procesu upakowania danych. Niestety, nie jest możliwy nieskończony wzrost gęstości upakowania informacji. Wynika to z minimalnego rozmiaru ziarna krystalitu w komórce bitowej, a więc podstawowej jednostce zapisu danych. Fizyczną granicę w procesie upakowania danych wyznacza tak zwany efekt superparamagnetyczny. Oznacza on, że dostarczona z zewnątrz energia cieplna nie może przewyższyć energii bariery (określonej anizotropią magnetyczną), rozdzielającej dwa minima energii namagnesowania o przeciwnych zwrotach.
Ziarnistość struktury krystalicznej warstwy magnetycznej dysku decyduje o tzw. stosunku sygnału do szumu. Typowym materiałem magnetycznym w formie zapisu podłużnego jest stop kobaltowy z dodatkami, powodujący właściwą ziarnistość.

Struktura warstwowa dysku. [2]


Pierwotnie, dane na dyskach twardych były zapisywane w strukturze podłużnej. Aby zwiększyć gęstość zapisu danych, wykorzystano zapis prostopadły. Dzięki temu zmniejszono obszar przejściowy. Schemat idei zapisu podłużnego i prostopadłego z użyciem głowicy indukcyjno-magnetorezystancyjnej, przedstawiono na poniższym rysunku.

Struktura warstwowa dysku. [3]

Kolejną metodą zwiększenia upakowania danych jest technologia thermally assined recording, która polega na tym, że wspomagając zapis impulsem laserowym, zmieniamy pole koercji i niejako przesuwamy granicę efektu superparamagnetycznego. Kolejnym rozwiązaniem jest patterned media. W technologii tej określa się dokładnie lokalizację każdego bitu, dzięki czemu można zwiększać gęstość zapisu danych bez narażania jej integralności.

Demagnetyzacja

Znając metody zapisu danych na nośnikach magnetycznych, można również rozważyć skuteczne i bezpieczne metody usuwania informacji. Jedną z metod kasowania danych z nośników magnetycznych jest wykorzystanie zjawiska demagnetyzacji. Jest to proces zmniejszenia lub wyeliminowania resztkowego pola magnetycznego.
Podczas drugiej wojny światowej okazało się, że kadłuby okrętów nawodnych i podwodnych, zbudowane z materiałów ferromagnetycznych (stali), pływając w polu magnetycznym ziemi, po jakimś czasie namagnesowują się w sposób uporządkowany. Ułatwiało to namierzanie okrętów przez stronę przeciwną konfliktu. W odpowiedzi na ten proces, opracowano technologię demagnetyzacji. Poniższy rysunek przedstawia schemat ideowy i proces demagnetyzacji okrętów. Polega on na zamknięciu obiektu demagnetyzowanego w polu, najczęściej w środku elementu indukcyjnego (cewki), oraz poddaniu obiektu na działanie tego pola.

Demagnetyzacja okrętów

Ze względu na krzywą magnesowania, nie da się do zera wyeliminować pola resztkowego. Poniżej przedstawiono krzywą magnesowania, a więc zależność wektora natężenia pola od indukcji pola magnetycznego.

Krzywa namagnesowania [1]

Poniżej znajduje się ilustracja obrazująca proces demagnetyzacji. Przed demagnetyzacją widzimy bardzo regularne i uporządkowane bieguny magnetyczne. Dzięki zamknięciu materiału magnetycznego w polu magnetycznym o indukcji magnetycznej, dokonujemy niemalże przypadkowego namagnesowania materiału.

Namagnesowanie materiału magnetycznego przed i po demagnetyzacji [Center for Magnetic Recording Research (CMRR)]

Sygnał wykorzystywany do demagnetyzacji.

Nośnikiem danych w dyskach HDD jest materiał magnetyczny. Aby skutecznie zdemagnetyzować dysk twardy, należy wygenerować takie pole magnetyczne (odpowiednio duże), które będzie w stanie zmienić namagnesowanie poszczególnych komórek danych. Poniższa tabela przedstawia minimalne wartości pola magnetycznego, potrzebnego do demagnetyzacji różnych nośników danych.

Koercja i minimalne pole magnetyczne wymagane do demagnetyzacji wybranych nośników magnetycznych

Poniżej przedstawiono sygnał indukcji pola magnetycznego generowanego w demagnetyzerze. Jeśli wartość pola będzie większa niż minimalne wymagane pole do demagnetyzacji, to znaczy, że proces usuwania danych został przeprowadzony skutecznie.

Wartość indukcji magnetycznej generowanej w demagnetyzerze

Referencje:

[1] T. Stobiecki, „Urządzenia elektroniki spinowej”, Kraków 2012

[2] R. Wase, „Nanoelectronics ans Information technology” , Weinheim 2003

[3] https://www1.hitachigst.com/hdd/reasearch/storage/pm/index.html