التخزين المغناطيسي

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
التسجيل الطولي والتسجيل العمودي ، نوعان من رؤوس الكتابة على القرص الصلب

التخزين المغناطيسي أو التسجيل المغناطيسي هو تخزين البيانات على وسيط ممغنط . يستخدم التخزين المغناطيسي أنماطًا مختلفة من التمغنط في مادة قابلة للمغنطة 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 الحاسوب، بالإضافة إلى الإشارات الصوتية والمرئية . في مجال الحوسبة، يُفضّل استخدام مصطلح " التخزين المغناطيسي" ، بينما يُستخدم مصطلح "التسجيل المغناطيسي" بشكل أكثر شيوعًا في مجال إنتاج الصوت والفيديو . هذا التمييز ليس تقنيًا بقدر ما هو مسألة تفضيل شخصي. ومن الأمثلة الأخرى على وسائط التخزين المغناطيسية: الأقراص المرنة ، والأشرطة المغناطيسية ، والشرائط المغناطيسية على بطاقات الائتمان.

تاريخ

كانت الآلات الحاسبة القابلة للبرمجة من سلسلة HP-41 (من عام 1979) قادرة على تخزين البيانات عبر جهاز تخزين شريط مغناطيسي خارجي على أشرطة صغيرة .

نشر أوبرلين سميث تقنية التخزين المغناطيسي على شكل تسجيل سلكي - تسجيل الصوت على سلك - في عدد 8 سبتمبر 1888 من مجلة " العالم الكهربائي" . [ 1 ] وكان سميث قد سجل براءة اختراع في سبتمبر 1878، لكنه لم يجد فرصة لمتابعة الفكرة لانشغاله بصناعة أدوات الآلات. أما أول مسجل مغناطيسي عُرض علنًا، فكان في معرض باريس عام 1900 ، وقد اخترعه فالديمار بولسن عام 1898. سجل جهاز بولسن الإشارة على سلك ملفوف حول أسطوانة. وفي عام 1928، طور فريتز بفلومر أول مسجل شريط مغناطيسي . صُممت أجهزة التخزين المغناطيسية المبكرة لتسجيل الإشارات الصوتية التناظرية ، بينما تسجل الحواسيب، ومعظم أجهزة التخزين المغناطيسية الصوتية والمرئية حاليًا، البيانات الرقمية .

في الحواسيب، استُخدم التخزين المغناطيسي أيضًا للتخزين الأساسي على شكل أسطوانة مغناطيسية ، أو ذاكرة أساسية ، أو ذاكرة حبلية أساسية ، أو ذاكرة رقيقة الأغشية ، أو ذاكرة ملتوية ، أو ذاكرة فقاعية . وعلى عكس الحواسيب الحديثة، كان الشريط المغناطيسي يُستخدم غالبًا للتخزين الثانوي.

تصميم

تستخدم محركات الأقراص الصلبة الذاكرة المغناطيسية لتخزين الجيجابايت والتيرابايت من البيانات في أجهزة الكمبيوتر.

تُكتب المعلومات إلى وسيط التخزين وتُقرأ منه أثناء مرورها بأجهزة تُسمى رؤوس القراءة والكتابة، والتي تعمل على مسافة قريبة جدًا (غالبًا عشرات النانومترات) من السطح المغناطيسي. يُستخدم رأس القراءة والكتابة للكشف عن مغنطة المادة الموجودة أسفله مباشرةً وتعديلها. توجد قطبيتان مغناطيسيتان، تُستخدم كل منهما لتمثيل إما 0 أو 1.

يُقسّم السطح المغناطيسي، من الناحية النظرية، إلى مناطق مغناطيسية صغيرة عديدة، لا يتجاوز حجمها الميكرومتر ، تُعرف باسم النطاقات المغناطيسية (مع أنها ليست نطاقات مغناطيسية بالمعنى الفيزيائي الدقيق)، ولكل منها مغنطة منتظمة في الغالب. ونظرًا لطبيعة المادة المغناطيسية متعددة البلورات ، تتكون كل منطقة من هذه المناطق المغناطيسية من بضع مئات من الحبيبات المغناطيسية . يبلغ  حجم الحبيبات المغناطيسية عادةً 10 نانومتر، وتشكل كل منها نطاقًا مغناطيسيًا حقيقيًا واحدًا . وتشكل كل منطقة مغناطيسية في مجملها ثنائي قطب مغناطيسي يُولّد مجالًا مغناطيسيًا . في تصميمات محركات الأقراص الصلبة القديمة ، كانت هذه المناطق موجهة أفقيًا وموازية لسطح القرص، ولكن في الأقراص الأحدث، تم تغيير التوجيه إلى عمودي للسماح بتقارب النطاقات المغناطيسية. [ 2 ]

كانت محركات الأقراص الصلبة القديمة تستخدم أكسيد الحديد (III) (Fe 2 O 3 ) كمادة مغناطيسية، لكن الأقراص الحالية تستخدم سبيكة أساسها الكوبالت . [ 3 ]

لضمان تخزين البيانات بشكل موثوق، يجب أن تقاوم مادة التسجيل ظاهرة إزالة المغنطة الذاتية، والتي تحدث عندما تتنافر المجالات المغناطيسية. تتدهور المجالات المغناطيسية المكتوبة متقاربة جدًا في مادة ضعيفة المغنطة بمرور الوقت نتيجة دوران العزم المغناطيسي لمجال واحد أو أكثر لمعادلة هذه القوى. تدور المجالات جانبيًا إلى وضع متوسط ​​يُضعف قابلية قراءة المجال ويخفف من الإجهادات المغناطيسية.

يقوم رأس الكتابة بمغنطة منطقة معينة عن طريق توليد مجال مغناطيسي محلي قوي، بينما يكشف رأس القراءة عن مغنطة هذه المناطق. استخدمت محركات الأقراص الصلبة القديمة مغناطيسًا كهربائيًا لمغنطة المنطقة ثم قراءة مجالها المغناطيسي باستخدام الحث الكهرومغناطيسي . تضمنت الإصدارات اللاحقة من الرؤوس الحثية رؤوس المعدن في الفجوة (MIG) ورؤوس الأغشية الرقيقة . مع ازدياد كثافة البيانات، شاع استخدام رؤوس القراءة التي تعتمد على المقاومة المغناطيسية (MR)؛ حيث تتغير المقاومة الكهربائية للرأس تبعًا لقوة المغناطيسية الصادرة من القرص. استُخدمت تقنية الإلكترونيات الدورانية في التطورات اللاحقة ؛ ففي رؤوس القراءة، كان تأثير المقاومة المغناطيسية أكبر بكثير من الأنواع السابقة، وأُطلق عليه اسم المقاومة المغناطيسية "العملاقة" (GMR). في رؤوس اليوم، تكون عناصر القراءة والكتابة منفصلة، ​​ولكنها متقاربة، على جزء الرأس من ذراع المحرك. عادةً ما يكون عنصر القراءة مقاومًا مغناطيسيًا، بينما يكون عنصر الكتابة حثيًا من نوع الأغشية الرقيقة. [ 4 ]

يمنع الهواء المحيط بالقرص الدوار رؤوس التسجيل من ملامسته، إذ يتحرك هذا الهواء بسرعة تقارب سرعة القرص. تُثبّت رؤوس التسجيل والتشغيل على كتلة تُسمى المنزلق، ويُصمّم السطح المجاور للقرص الدوار بحيث يُبقيه على مسافة قريبة جدًا من سطح القرص. يُشكّل هذا نوعًا من المحامل الهوائية .

دروس التسجيل المغناطيسي

التسجيل التناظري

يعتمد التسجيل التناظري على حقيقة أن المغنطة المتبقية لمادة معينة تعتمد على شدة المجال المغناطيسي المُطبق. عادةً ما تكون المادة المغناطيسية على شكل شريط، ويكون الشريط في حالته الخام غير ممغنط في البداية. أثناء التسجيل، يدور الشريط بسرعة ثابتة. يقوم رأس الكتابة بمغنطة الشريط بتيار يتناسب مع الإشارة. يتم الحصول على توزيع للمغنطة على طول الشريط المغناطيسي. وأخيرًا، يمكن قراءة توزيع المغنطة، مما يُعيد إنتاج الإشارة الأصلية. يُصنع الشريط المغناطيسي عادةً عن طريق تضمين جزيئات مغناطيسية (يبلغ حجمها حوالي 0.5 ميكرومتر [ 5 ] ) في مادة رابطة بلاستيكية على شريط من فيلم البوليستر. كان أكسيد الحديديك أكثر هذه المواد استخدامًا، على الرغم من استخدام ثاني أكسيد الكروم والكوبالت، ولاحقًا جزيئات معدنية نقية. كان التسجيل التناظري الطريقة الأكثر شيوعًا لتسجيل الصوت والفيديو. مع ذلك، ومنذ أواخر التسعينيات، تراجع استخدام التسجيل على الشريط بسبب التسجيل الرقمي. [ 6 ]

التسجيل الرقمي

بدلاً من إنشاء توزيع مغناطيسي في التسجيل التناظري، لا يحتاج التسجيل الرقمي إلا إلى حالتين مغناطيسيتين مستقرتين، وهما +Ms و-Ms على حلقة التخلف المغناطيسي . ومن أمثلة التسجيل الرقمي الأقراص المرنة ، ومحركات الأقراص الصلبة (HDDs)، ومحركات الأشرطة . توفر محركات الأقراص الصلبة سعات كبيرة بأسعار معقولة؛ اعتبارًا من عام 2024توفر محركات الأقراص الصلبة المخصصة للمستهلكين مساحة تخزين بيانات بسعر يتراوح بين 15 و 20 دولارًا أمريكيًا لكل تيرابايت. [ 7 ]

التسجيل المغناطيسي البصري

تعتمد تقنية التسجيل المغناطيسي البصري على الكتابة والقراءة الضوئية. أثناء الكتابة، يُسخّن الوسط المغناطيسي موضعيًا بواسطة الليزر ، مما يُحدث انخفاضًا سريعًا في المجال القسري. بعد ذلك، يُمكن استخدام مجال مغناطيسي صغير لعكس اتجاه المغنطة. وتعتمد عملية القراءة على تأثير كير المغناطيسي البصري . عادةً ما يكون الوسط المغناطيسي عبارة عن طبقة رقيقة غير متبلورة من R-Fe-Co (حيث R عنصر من العناصر الأرضية النادرة). لا تحظى تقنية التسجيل المغناطيسي البصري بشعبية واسعة، ومن الأمثلة الشهيرة عليها قرص MiniDisc الذي طورته شركة سوني .

ذاكرة انتشار المجال

تُعرف ذاكرة انتشار المجال أيضًا باسم ذاكرة الفقاعة . وتتلخص فكرتها الأساسية في التحكم بحركة جدران المجال المغناطيسي في وسط مغناطيسي خالٍ من البنية المجهرية. تشير الفقاعة إلى مجال أسطواني مستقر. ويتم تسجيل البيانات بناءً على وجود/غياب مجال الفقاعة. تتميز ذاكرة انتشار المجال بحساسية منخفضة للصدمات والاهتزازات، لذا فإن تطبيقاتها شائعة في مجالي الفضاء والطيران.

التفاصيل الفنية

طريقة الوصول

يمكن تصنيف وسائط التخزين المغناطيسية إلى ذاكرة وصول تسلسلي وذاكرة وصول عشوائي ، مع أن التمييز بينهما قد لا يكون واضحًا تمامًا في بعض الحالات. يُعرَّف زمن الوصول بأنه متوسط ​​الوقت اللازم للوصول إلى السجلات المخزنة. في حالة الأسلاك المغناطيسية، لا يغطي رأس القراءة/الكتابة سوى جزء صغير جدًا من سطح التسجيل في أي لحظة. يتطلب الوصول إلى أجزاء مختلفة من السلك لفه للأمام أو للخلف حتى الوصول إلى النقطة المطلوبة. يعتمد زمن الوصول إلى هذه النقطة على بُعدها عن نقطة البداية. أما في حالة ذاكرة النواة الفريتية، فالوضع معكوس، إذ يمكن الوصول إلى كل موقع في النواة فورًا في أي وقت.

لا تُصنّف الأقراص الصلبة ومحركات الأشرطة الخطية الحديثة بدقة ضمن أي من الفئتين. فكلاهما يحتوي على مسارات متوازية متعددة تمتد على عرض الوسائط، وتستغرق رؤوس القراءة/الكتابة وقتًا للتبديل بين المسارات ومسحها. وتختلف مدة الوصول إلى نقاط مختلفة على وسائط التخزين. بالنسبة للقرص الصلب، عادةً ما تكون هذه المدة أقل من 10 مللي ثانية، بينما قد تصل مدة الوصول إلى الأشرطة إلى 100 ثانية.

أنظمة الترميز

لا تستطيع رؤوس الأقراص المغناطيسية ورؤوس الأشرطة المغناطيسية تمرير التيار المستمر، لذا صُممت أنظمة التشفير لبيانات كل من الشريط والقرص لتقليل انحراف التيار المستمر . وتستخدم معظم أجهزة التخزين المغناطيسية تصحيح الأخطاء . [ 8 ]

تستخدم العديد من الأقراص المغناطيسية داخليًا شكلاً من أشكال الترميز المحدود بطول التشغيل وأقصى احتمالية للاستجابة الجزئية .

الاستخدام الحالي

اعتبارًا من عام 2021تُستخدم وسائط التخزين المغناطيسية بشكل شائع لتخزين كميات هائلة من بيانات الحاسوب على الأقراص الصلبة، وتسجيل الأعمال الصوتية والمرئية التناظرية على أشرطة تناظرية . ونظرًا لأن جزءًا كبيرًا من إنتاج الصوت والفيديو يتحول إلى الأنظمة الرقمية، فمن المتوقع أن يزداد استخدام الأقراص الصلبة على حساب الأشرطة التناظرية. وتحظى الأشرطة الرقمية ومكتبات الأشرطة بشعبية واسعة لتخزين البيانات ذات السعة العالية للأرشيفات والنسخ الاحتياطية. أما الأقراص المرنة، فتُستخدم بشكل محدود، لا سيما في التعامل مع أنظمة وبرامج الحاسوب القديمة. كما يُستخدم التخزين المغناطيسي على نطاق واسع في بعض التطبيقات المحددة، مثل الشيكات المصرفية ( MICR ) وبطاقات الائتمان/الخصم ( الشرائط المغناطيسية ).

مستقبل

يجري إنتاج نوع جديد من التخزين المغناطيسي، يُسمى ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية المقاومة (MRAM)، والذي يخزن البيانات في بتات مغناطيسية بالاعتماد على تأثير المقاومة المغناطيسية النفقية (TMR). تتميز هذه الذاكرة بعدم تقلب البيانات، وانخفاض استهلاك الطاقة، ومقاومتها العالية للصدمات. أنتجت شركة Everspin Technologies الجيل الأول منها ، والذي اعتمد على الكتابة المُستحثة بالمجال. [ 9 ] ويجري تطوير الجيل الثاني من خلال نهجين: التبديل المُعزز حراريًا (TAS) [ 10 ] ، والذي تُطوره حاليًا شركة Crocus Technology ، وعزم نقل الدوران (STT)، الذي تعمل عليه شركات Crocus و Hynix و IBM والعديد من الشركات الأخرى. [ 11 ] ومع ذلك، ونظرًا لأن كثافة التخزين وسعة الذاكرة أقل بكثير من القرص الصلب ، فإن ذاكرة MRAM تُعد مفيدة في التطبيقات التي تتطلب كميات تخزين متوسطة مع الحاجة إلى تحديثات متكررة للغاية، وهو ما لا تستطيع ذاكرة الفلاش دعمه بسبب قدرتها المحدودة على الكتابة. يجري أيضاً تطوير ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية ذات الست حالات، والتي تحاكي خلايا ذاكرة الفلاش متعددة المستويات ذات الأربع بتات، والتي تحتوي على ستة بتات مختلفة، بدلاً من اثنين. [ 12 ]

يجري أليكسي كيميل أبحاثًا في جامعة رادبود بهولندا [ 13 ] حول إمكانية استخدام إشعاع التيراهيرتز بدلًا من النبضات الكهربائية التقليدية لكتابة البيانات على وسائط التخزين المغناطيسية. وباستخدام إشعاع التيراهيرتز، يمكن تقليل وقت الكتابة بشكل ملحوظ (أسرع بخمسين مرة من استخدام النبضات الكهربائية التقليدية). ومن المزايا الأخرى أن إشعاع التيراهيرتز لا يُولّد حرارة تُذكر، مما يقلل من متطلبات التبريد. [ 14 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ لي، ويلي (أغسطس 1965). "عمالقة المجرة" . لمعلوماتك. مجلة غالاكسي للخيال العلمي . الصفحات 130-142 . 
  2. ↑ بيراماناياغام، إس إن؛ سرينيفاسان، ك (2009). "بحث وسائط التسجيل لمحركات الأقراص الصلبة المستقبلية" (ملف PDF) . مجلة المغناطيسية والمواد المغناطيسية . 321 (6): 485-494 . Bibcode : 2009JMMM..321..485P . doi : 10.1016/j.jmmm.2008.05.007 .
  3. ↑ كانيلوس، مايكل (24 أغسطس 2006). "انقسام حول مستقبل محركات الأقراص الصلبة" . CNETNews.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يونيو 2010 .
  4. ↑ "رأس IBM OEM MR | التكنولوجيا | عصر رؤوس المقاومة المغناطيسية العملاقة" . Hitachigst.com. 27 أغسطس 2001. مؤرشف من الأصل في 5 يناير 2015. تم الاطلاع عليه في 4 سبتمبر 2010 .
  5. ↑ "التسجيل على شريط مغناطيسي" . Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28-01-2014 .
  6. ^ E. du Trémolete de Lacheisserie، D. Gignoux، and M. Schlenker (المحررين)، المغناطيسية: الأساسيات، سبرينغر، 2005
  7. ↑ "أسعار الأقراص (الولايات المتحدة)" . شركة البيانات الشرعية ذ.م.م. تم الاسترجاع في 10 مارس 2024 .تكون الأسعار أقل بالنسبة لمحركات الأقراص المستعملة/المجددة.
  8. ↑ ألين لويد. الدليل الكامل للوسائط الإلكترونية . 2004. ص 22.
  9. ↑ "خصائص تقنية MRAM" . مؤرشف من الأصل في 10 يونيو 2009.
  10. ↑ ظهور تقنية MRAM العملية "نسخة مؤرشفة" (PDF) . مؤرشفة من الأصل (PDF) بتاريخ 27-04-2011 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 20-07-2009 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link )
  11. ↑ «تاور تستثمر في كروكوس، وتلمح إلى صفقة مصنع ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية» . إي إي تايمز . مؤرشف من الأصل بتاريخ 19 يناير 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 يناير 2014 .
  12. ↑ "باحثون يصممون ذاكرة مغناطيسية سداسية الحالات" . phys.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23-05-2016 .
  13. ^ "البروفيسور كيميل (أليكسي) | جامعة رادبود" . www.ru.nl .
  14. ↑ مجلة كيك، 12، 2019