Zastosowanie GMR w dyskach twardych HDD i pamięci MRAM

Transkrypt

1 Część 3

2 Zastosowanie GMR w dyskach twardych HDD i pamięci MRAM wiadomości wstępne krótka historia dysków od czasu odkrycia GMR rozwój głowic MR i GMR odczyt danych, ogólna budowa głowicy budowa i działanie sensora głowicy odczytu efektywne czytanie danych budowa medium

3 Wiadomości wstępne Droga rozwoju dysków magnetycznych to stałe zwiększanie gęstości zapisywanych informacji. Wprowadzenie i następnie dalszy rozwój sensorów GMR uważa się za przełomowe ponieważ są one głównym powodem sukcesu HDD. Stały wzrost pojemności dysków w ostatnich latach wynika z szeregu udoskonaleń wprowadzanych z roku na rok np. anty równoległe sprzężone warstwy medium (ACF media) zapewniło gęstość informacji na nośniku przekraczającą 30Gbit/inch 2. Głowica odczytu (read head) przenoszona jest przez przesuwnik (actuator) tuż nad dyskiem z którego odczytywane są informacje.

4 Historia zastosowań głowic MR/GMR Pierwsze zastosowanie głowic typu MR, dokładnie AMR, miało miejsce w 1991 roku przez IBM co pozwoliło przekroczyć 1Gb pojemności dysków. Następnie głowice zapisu i odczytu zostały rozdzielone. Stało się tak ze względu na sprzeczne ze sobą kierunki udoskonalania. Osobny rozwój głowic zmniejsza liczbę ewentualnych kompromisów. Czujnik MR stosuje się tylko w głowicy odczytu. Dalszy rozwój zaowocował powstaniem głowicy typu GMR, która różni się sposobem wykonania i skomplikowaniem od AMR jednak ogólna koncepcja wykorzystania anizotropii materiałów pozostała taka sama. Pierwsza głowica GMR została wprowadzona w 1997 roku. Jak widać różnica miedzy czujnikiem GMR a MR polega na wstawieniu dodatkowej warstwy wymiany (Exchange layer) w przypadku GMR.

5 dalszy rozwój Następnymi kamieniami milowymi w rozwoju dysków było wprowadzenie zapisu prostopadłego oraz wykorzystanie zjawiska TMR. Widać, że sensor GMR to był ważny ale pośredni krok w dalszym rozwoju dysków. Zamiana zapisu podłużnego na prostopadły.

6 Rozwój głowic MR i GMR Porównanie tych dwóch typów głowic ma jednocześnie wskazać cechy i czynniki ważne dla większych możliwości odczytu. Podstawowe rozróżnienie dotyczy możliwości odczytu gęstego zapisu: Jak widać GMR był przełomowym osiągnięciem w stosunku do AMR. Oto wykres i porównanie z końca lat 90 : AMR max. gęstość zapisu to 3,3Gb/inch2 a GMR to już przynajmniej 10Gb/inch2 2 razy większa czułość na zmianę magnetyzacji sąsiednich pól o 30% mniejsza wymagana objętość dysku mniej błędów przy odczycie

7 cd. od MR do GMR Ilustracja obok to kolejne wersje głowic z zaznaczonym przejściem od technologii AMR do GMR.

8 Odczyt danych i ogólna budowa głowicy Odczyt bitu odbywa się z chwilą przejścia miedzy dwoma polami gdzie zmiana polaryzacji to logiczna jedynka a brak zmiany to logiczne zero. Prąd płynący przez element GMR wykazuje zmianę jego rezystancji poprzez napięcie odczytywane z czujnika. Czerwony element to sensor GMR służący do odczytu informacji. Większe upakowanie informacji niesie ze sobą konieczność zmniejszenia grubości elementu GMR do 15 warstw atomowych. Ograniczania w zmniejszaniu rozmiarów głowicy wprowadzają tarcze izolacyjne które nie mogą być zmniejszane ze względu na pełnioną przez nie funkcje ekranowanie.

9 Warstwy sensora głowicy odczytu, ich role i Warstwy: Exchange layer ustala namagnesowanie trwały warstwy pinned layer Pinned layer warstwa o stałym namagnesowaniu Spacer miedź oddzielająca warstwy namagnesowane Free layer warstwa z elektronami o spinach zależnych od namagnesowania medium (komórki pamięci)

10 ...materiały składowe sensora Materiały i grubość ich warstw: Exchange layer antyferromagnetyk (PtMn, NiMn, FeMn), 15nm Pinned layer ferromagnetyk (NiFe, CoFe), 3nm Spacer materiał nie magnetyczny (Cu), 2.5nm Free layer ferromagnetyk (NiFe, CoFe), 5nm

11 Efektywne czytanie danych Napięcie V GMR zależy od 3 czynników, zgodnie ze wzorem: V GMR =J medium *S sensor *e kd gdzie: J medium opisuje magnetyczne właściwości medium, kształt histerezy przejścia S sensor czułość sensora odczytu e kd człon wnoszony przez odległość głowicy od dysku Najważniejszym parametrem dla jak najlepszego wykorzystania efektu GMR jest odległość d. Dąży się do ciągłego zmniejszania tej wartości. Problemy stwarzała chropowatość powierzchni dysku oraz miejscowe ocieranie czujnika o medium.

12 Budowa medium Typowo jest to: smar węglowa osłona (C) warstwa magnetyczna (CoPtCr) przedzielona przez warstwę rutenu (Ru) o grubości 6 A (ansztremów) warstwa spodnia, miękki ferromagnetyk (Cr) podłoże (AlMg + 10um NiP lub szkło) Warstwa smaru oraz płaszcz węglowy pełnią rolę ochronną. Warstwa magnetyczna to właściwy nośnik informacji, jest ona przedzielona cienką warstwą rutenu w celu wywołania sprzężenia (ACF media) i w efekcie poprawę własności magnetycznych medium. Obecność warstwy spodniej również wpływa na poprawę wł. magnet.

13 MRAM (Magnetoresistive RAM) Komórka pamięci MRAM wykorzystuje efekt TMR. W zależności od polaryzacji free layer komórka wykazuje większą lub mniejszą rezystancję co przekłada się na wartości logiczne. MRAM jest uważana za pamięć uniwersalną która ma możliwość wyparcia pamięci SRAM, DRAM, EEPROM i Flash. Pamięć ta łączy ze sobą cechy gęstości DRAM i podobieństwo pracy do SRAM przy czym zużywa mniej energii.