التخزين المغناطيسي

التخزين المغناطيسي أو التسجيل المغناطيسي هو تخزين البيانات على وسيط ممغنط . يستخدم التخزين المغناطيسي أنماطًا مختلفة من المغناطيسية في مادة قابلة للمغناطيس لتخزين البيانات وهو شكل من أشكال الذاكرة غير المتطايرة . يتم الوصول إلى المعلومات باستخدام رأس قراءة/كتابة واحد أو أكثر .

تُستخدم وسائط التخزين المغناطيسية، وخاصة الأقراص الصلبة ، على نطاق واسع لتخزين بيانات الكمبيوتر وكذلك إشارات الصوت والفيديو . وفي مجال الحوسبة، يُفضَّل استخدام مصطلح التخزين المغناطيسي ، وفي مجال إنتاج الصوت والفيديو، يُستخدم مصطلح التسجيل المغناطيسي على نطاق أوسع. والتمييز بينهما أقل تقنية ويعتمد أكثر على التفضيل. ومن الأمثلة الأخرى لوسائط التخزين المغناطيسية الأقراص المرنة والشريط المغناطيسي والأشرطة المغناطيسية على بطاقات الائتمان. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تم الإعلان عن التخزين المغناطيسي في شكل تسجيل سلكي - تسجيل صوتي على سلك - بواسطة أوبرلين سميث في عدد 8 سبتمبر 1888 من Electrical World . ^[1] كان سميث قد تقدم سابقًا بطلب براءة اختراع في سبتمبر 1878 لكنه لم يجد فرصة لمتابعة الفكرة حيث كان عمله هو أدوات الآلة. تم اختراع أول مسجل مغناطيسي تم عرضه علنًا (معرض باريس عام 1900) بواسطة فالديمار بولسن في عام 1898. سجل جهاز بولسن إشارة على سلك ملفوف حول أسطوانة. في عام 1928، طور فريتز فلومر أول مسجل شرائط مغناطيسي . تم تصميم أجهزة التخزين المغناطيسية المبكرة لتسجيل إشارات الصوت التناظرية . تسجل أجهزة الكمبيوتر ومعظم أجهزة التخزين المغناطيسية الصوتية والفيديوية الآن البيانات الرقمية . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في أجهزة الكمبيوتر، تم استخدام التخزين المغناطيسي أيضًا للتخزين الأساسي في شكل أسطوانة مغناطيسية ، أو ذاكرة أساسية ، أو ذاكرة حبلية أساسية ، أو ذاكرة غشاء رقيق ، أو ذاكرة تويستور أو ذاكرة فقاعية . وعلى عكس أجهزة الكمبيوتر الحديثة، غالبًا ما تم استخدام الشريط المغناطيسي أيضًا للتخزين الثانوي. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تُكتب المعلومات وتُقرأ من وسيط التخزين أثناء مرورها عبر أجهزة تسمى رؤوس القراءة والكتابة التي تعمل على مسافة قريبة جدًا (غالبًا عشرات النانومتر) فوق السطح المغناطيسي. يُستخدم رأس القراءة والكتابة للكشف عن مغناطيسية المادة الموجودة أسفله مباشرةً وتعديلها. هناك قطبان مغناطيسيان، يُستخدم كل منهما لتمثيل إما 0 أو 1. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

ينقسم السطح المغناطيسي مفهوميًا إلى العديد من المناطق المغناطيسية الصغيرة التي يقل حجمها عن الميكرومتر ، والتي يشار إليها باسم المجالات المغناطيسية، (على الرغم من أنها ليست مجالات مغناطيسية بالمعنى الفيزيائي الدقيق)، ولكل منها مغناطيسية موحدة في الغالب. ونظرًا للطبيعة المتعددة البلورات للمادة المغناطيسية، فإن كل منطقة مغناطيسية من هذه المناطق المغناطيسية تتكون من بضع مئات من الحبيبات المغناطيسية . يبلغ حجم الحبيبات المغناطيسية عادةً 10 نانومتر وتشكل كل منها مجالًا مغناطيسيًا حقيقيًا واحدًا . وتشكل كل منطقة مغناطيسية في المجموع ثنائي القطب المغناطيسي الذي يولد مجالًا مغناطيسيًا . في تصميمات محرك الأقراص الصلبة القديمة ، كانت المناطق موجهة أفقيًا ومتوازية مع سطح القرص، ولكن بدءًا من عام 2005 تقريبًا، تم تغيير الاتجاه إلى عمودي للسماح بمسافة أقرب بين المجالات المغناطيسية. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

استخدمت محركات الأقراص الصلبة القديمة أكسيد الحديد الثلاثي (Fe ₂ O ₃ ) كمادة مغناطيسية، لكن الأقراص الحالية تستخدم سبيكة تعتمد على الكوبالت . ^[2]

لتخزين البيانات بشكل موثوق، يجب أن تقاوم مادة التسجيل إزالة المغناطيسية الذاتية، والتي تحدث عندما تتنافر المجالات المغناطيسية مع بعضها البعض. المجالات المغناطيسية المكتوبة بالقرب من بعضها البعض في مادة ضعيفة المغناطيسية سوف تتدهور بمرور الوقت بسبب دوران العزم المغناطيسي لمجال واحد أو أكثر لإلغاء هذه القوى. تدور المجالات جانبيًا إلى وضع منتصف الطريق مما يضعف قابلية قراءة المجال ويخفف الضغوط المغناطيسية. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يقوم رأس الكتابة بمغناطيسية المنطقة عن طريق توليد مجال مغناطيسي محلي قوي، ويكتشف رأس القراءة مغناطيسية المناطق. استخدمت محركات الأقراص الصلبة المبكرة مغناطيسًا كهربائيًا لمغنطة المنطقة ثم قراءة مجالها المغناطيسي باستخدام الحث الكهرومغناطيسي . تضمنت الإصدارات اللاحقة من الرؤوس الحثية رؤوسًا معدنية في الفجوة (MIG) ورؤوسًا رقيقة . مع زيادة كثافة البيانات، بدأ استخدام رؤوس القراءة التي تستخدم المقاومة المغناطيسية (MR)؛ حيث تغيرت المقاومة الكهربائية للرأس وفقًا لقوة المغناطيسية من القرص. استفاد التطوير اللاحق من الإلكترونيات الدورانية ؛ في رؤوس القراءة، كان التأثير المغناطيسي المقاوم أكبر بكثير مما كان عليه في الأنواع السابقة، وأطلق عليه اسم المقاومة المغناطيسية "العملاقة" (GMR). في رؤوس اليوم، تكون عناصر القراءة والكتابة منفصلة، ​​ولكن على مقربة من بعضها البعض، على جزء الرأس من ذراع المحرك. يكون عنصر القراءة عادةً مقاومًا للمغناطيسية بينما يكون عنصر الكتابة عادةً حثيًا بغشاء رقيق. ^[3]

يتم منع الرؤوس من ملامسة سطح القرص بواسطة الهواء القريب للغاية من القرص؛ حيث يتحرك الهواء بسرعة القرص أو بالقرب منها. يتم تثبيت رأس التسجيل والتشغيل على كتلة تسمى المنزلق، ويتم تشكيل السطح المجاور للقرص لإبقائه بعيدًا عن التلامس بالكاد. يشكل هذا نوعًا من محمل الهواء . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يعتمد التسجيل التناظري على حقيقة مفادها أن المغناطيسية المتبقية لمادة معينة تعتمد على حجم المجال المطبق. تكون المادة المغناطيسية عادةً على شكل شريط، مع إزالة المغناطيسية من الشريط في شكله الفارغ في البداية. عند التسجيل، يعمل الشريط بسرعة ثابتة. يقوم رأس الكتابة بمغناطيس الشريط بتيار متناسب مع الإشارة. يتم تحقيق توزيع مغناطيسي على طول الشريط المغناطيسي. أخيرًا، يمكن قراءة توزيع المغناطيسية، وإعادة إنتاج الإشارة الأصلية. يتم تصنيع الشريط المغناطيسي عادةً عن طريق تضمين جزيئات مغناطيسية (يبلغ حجمها حوالي 0.5 ميكرومتر ^[4] ) في رابط بلاستيكي على شريط فيلم بوليستر. كان أكسيد الحديديك هو الأكثر استخدامًا من بين هذه الجزيئات، على الرغم من استخدام ثاني أكسيد الكروم والكوبالت وجزيئات معدنية نقية لاحقًا. كان التسجيل التناظري هو الطريقة الأكثر شيوعًا لتسجيل الصوت والفيديو. ومع ذلك، منذ أواخر التسعينيات، انخفضت شعبية التسجيل على الشريط بسبب التسجيل الرقمي. ^[5]

بدلاً من إنشاء توزيع مغناطيسي في التسجيل التناظري، يحتاج التسجيل الرقمي فقط إلى حالتين مغناطيسيتين مستقرتين، وهما +Ms و-Ms في حلقة الهستيريسيس . ومن أمثلة التسجيل الرقمي الأقراص المرنة ومحركات الأقراص الصلبة (HDDs) ومحركات الأشرطة . توفر محركات الأقراص الصلبة سعات كبيرة بأسعار معقولة؛ اعتبارًا من عام 2024 ^[update]، توفر محركات الأقراص الصلبة المخصصة للمستهلكين تخزين البيانات بحوالي 15-20 دولارًا أمريكيًا لكل تيرابايت. ^[6]

تتم عملية الكتابة/القراءة بالتسجيل المغناطيسي البصري بصريًا. عند الكتابة، يتم تسخين الوسط المغناطيسي محليًا بواسطة الليزر ، مما يؤدي إلى انخفاض سريع في المجال القسري. بعد ذلك، يمكن استخدام مجال مغناطيسي صغير لتبديل المغناطيسية. تعتمد عملية القراءة على تأثير كير المغناطيسي البصري . عادةً ما يكون الوسط المغناطيسي عبارة عن أغشية رقيقة غير متبلورة من R-Fe-Co (R هو عنصر نادر من العناصر الأرضية). التسجيل المغناطيسي البصري ليس شائعًا جدًا. أحد الأمثلة الشهيرة هو Minidisc الذي طورته شركة Sony . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تُسمى ذاكرة انتشار المجال أيضًا بذاكرة الفقاعة . والفكرة الأساسية هي التحكم في حركة جدار المجال في وسط مغناطيسي خالٍ من البنية الدقيقة. تشير الفقاعة إلى مجال أسطواني مستقر. ثم يتم تسجيل البيانات من خلال وجود/غياب مجال الفقاعة. تتمتع ذاكرة انتشار المجال بعدم حساسية عالية للصدمات والاهتزازات، لذا فإن تطبيقها يكون عادةً في الفضاء والطيران. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يمكن تصنيف وسائط التخزين المغناطيسية إما على أنها ذاكرة وصول متسلسلة أو ذاكرة وصول عشوائي ، على الرغم من أنه في بعض الحالات لا يكون التمييز واضحًا تمامًا. يمكن تعريف وقت الوصول على أنه متوسط ​​الوقت اللازم للوصول إلى السجلات المخزنة. في حالة السلك المغناطيسي، لا يغطي رأس القراءة/الكتابة سوى جزء صغير جدًا من سطح التسجيل في أي وقت معين. يتضمن الوصول إلى أجزاء مختلفة من السلك لف السلك للأمام أو للخلف حتى يتم العثور على نقطة الاهتمام. يعتمد وقت الوصول إلى هذه النقطة على مدى بعدها عن نقطة البداية. أما حالة ذاكرة نواة الفريت فهي عكس ذلك. يمكن الوصول إلى كل موقع نواة على الفور في أي وقت معين. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

لا تندرج الأقراص الصلبة ومحركات الأشرطة الحديثة ذات الشكل الخطي ضمن أي من الفئتين بدقة. فكلاهما يحتوي على العديد من المسارات المتوازية عبر عرض الوسائط، وتستغرق رؤوس القراءة/الكتابة وقتًا للتبديل بين المسارات والمسح داخل المسارات. وتستغرق نقاط مختلفة على وسائط التخزين فترات زمنية مختلفة للوصول إليها. وبالنسبة للقرص الصلب، يكون هذا الوقت أقل من 10 مللي ثانية عادةً، ولكن الأشرطة قد تستغرق ما يصل إلى 100 ثانية. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

لا تستطيع رؤوس الأقراص المغناطيسية ورؤوس الأشرطة المغناطيسية تمرير التيار المستمر، لذا فإن مخططات الترميز لكل من بيانات الشريط والقرص مصممة لتقليل إزاحة التيار المستمر . تستخدم معظم أجهزة التخزين المغناطيسية تصحيح الأخطاء . ^[7]

تستخدم العديد من الأقراص المغناطيسية داخليًا بعض أشكال الترميز المحدود بطول التشغيل وأقصى احتمال للاستجابة الجزئية . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

اعتبارًا من عام 2021 ^[update]، فإن الاستخدامات الشائعة لوسائط التخزين المغناطيسية هي تخزين بيانات الكمبيوتر على الأقراص الصلبة وتسجيل أعمال الصوت والفيديو التناظرية على الشريط التناظري . نظرًا لأن الكثير من إنتاج الصوت والفيديو ينتقل إلى الأنظمة الرقمية، فمن المتوقع أن يزداد استخدام الأقراص الصلبة على حساب الشريط التناظري. تحظى الأشرطة الرقمية ومكتبات الأشرطة بشعبية لتخزين البيانات عالية السعة للأرشيفات والنسخ الاحتياطية. تشهد الأقراص المرنة بعض الاستخدام الهامشي، خاصة في التعامل مع أنظمة الكمبيوتر والبرامج القديمة. كما يستخدم التخزين المغناطيسي على نطاق واسع في بعض التطبيقات المحددة، مثل الشيكات المصرفية ( MICR ) وبطاقات الائتمان / الخصم ( الأشرطة المغناطيسية ). ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يتم إنتاج نوع جديد من التخزين المغناطيسي، يسمى ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية أو MRAM، والتي تخزن البيانات في بتات مغناطيسية بناءً على تأثير مقاومة مغناطيسية النفق (TMR). ميزتها هي عدم التقلب، وانخفاض استخدام الطاقة، وقوة الصدمات الجيدة. تم إنتاج الجيل الأول الذي تم تطويره بواسطة Everspin Technologies ، واستخدم الكتابة المستحثة ميدانيًا. ^[8] يتم تطوير الجيل الثاني من خلال طريقتين: التبديل بمساعدة الحرارة (TAS) ^[9] والذي يتم تطويره حاليًا بواسطة Crocus Technology ، وعزم دوران نقل الدوران (STT) الذي تعمل عليه Crocus و Hynix و IBM والعديد من الشركات الأخرى. ^[10] ومع ذلك، مع كثافة التخزين وأوامر السعة الأصغر من محرك الأقراص الثابتة ، فإن ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية مفيدة في التطبيقات التي تتطلب كميات معتدلة من التخزين مع الحاجة إلى تحديثات متكررة للغاية، والتي لا تستطيع ذاكرة الفلاش دعمها بسبب قدرتها المحدودة على التحمل أثناء الكتابة. ^{[ بحاجة لمصدر ]} يتم أيضًا تطوير ذاكرة الوصول العشوائي متعددة المستويات MRAM ذات ست حالات، والتي تحاكي خلايا ذاكرة الفلاش متعددة المستويات ذات أربعة بتات، والتي تحتوي على ستة بتات مختلفة، بدلاً من اثنين . ^[11]

يجري أليكسي كيميل أيضًا أبحاثًا في جامعة رادبود في هولندا ^[12] حول إمكانية استخدام إشعاع التيراهرتز بدلاً من استخدام النبضات الكهربائية القياسية لكتابة البيانات على وسائط التخزين المغناطيسية. باستخدام إشعاع التيراهرتز، يمكن تقليل وقت الكتابة بشكل كبير (أسرع بمقدار 50 مرة من استخدام النبضات الكهربائية القياسية). ميزة أخرى هي أن إشعاع التيراهرتز لا يولد أي حرارة تقريبًا، وبالتالي يقلل من متطلبات التبريد. ^[13]

• شريط الصوت الرقمي
• تخزين البيانات الرقمية
• تخزين القرص
• فجوة كارلكفيست
• ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية المقاومة (MRAM)
• طرق التسجيل المغناطيسي:
  • التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة (HAMR)
  • التسجيل المغناطيسي الطولي (LMR)
  • التسجيل المغناطيسي العمودي (PMR)، والمعروف أيضًا باسم التسجيل المغناطيسي التقليدي (CMR)
  • التسجيل المغناطيسي المسطح (SMR)
• مارفن كامراس (1916-1995)، مهندس كهربائي ومخترع أمريكي، مساهم رئيسي في تقنية التسجيل المغناطيسي

• تاريخ التسجيل المغناطيسي (BBC/H2G2)
• تاريخ مختار للتسجيل المغناطيسي
• أوبرلين سميث واختراع التسجيل الصوتي المغناطيسي
• تاريخ التسجيل المغناطيسي على موقع جامعة كاليفورنيا سان دييغو على شبكة الإنترنت (CMRR).
• التسلسل الزمني للتسجيل المغناطيسي.
• [1] "Science Reporter، ISSN  0036-8512 المجلد 43 العدد 7 يوليو 2006 "التسجيل المغناطيسي تقنية ثورية"
• "تعرف على وسائط التخزين الرقمية الخاصة بك: دليل لأكثر أنواع وسائط التخزين الرقمية شيوعًا الموجودة في الأرشيفات". الولايات المتحدة الأمريكية: جامعة تكساس في سان أنطونيو.