Almacenamiento magnético

El almacenamiento magnético o grabación magnética es el almacenamiento de datos en un medio magnetizado . El almacenamiento magnético utiliza diferentes patrones de magnetización en un material magnetizable para almacenar datos y es una forma de memoria no volátil . Se accede a la información mediante uno o más cabezales de lectura/escritura .

Los medios de almacenamiento magnéticos, principalmente los discos duros , se utilizan ampliamente para almacenar datos informáticos , así como señales de audio y vídeo . En el campo de la informática, se prefiere el término almacenamiento magnético y, en el campo de la producción de audio y vídeo, se utiliza más comúnmente el término grabación magnética . La distinción es menos técnica y más una cuestión de preferencia. Otros ejemplos de medios de almacenamiento magnéticos incluyen disquetes , cintas magnéticas y bandas magnéticas en tarjetas de crédito. ^{[ cita requerida ]}

El almacenamiento magnético en forma de grabación por cable (grabación de audio en un cable) fue publicado por Oberlin Smith en la edición del 8 de septiembre de 1888 de Electrical World . ^[1] Smith había presentado previamente una patente en septiembre de 1878, pero no encontró la oportunidad de seguir adelante con la idea, ya que su negocio eran las máquinas herramienta. El primer grabador magnético demostrado públicamente (Exposición de París de 1900) fue inventado por Valdemar Poulsen en 1898. El dispositivo de Poulsen grababa una señal en un cable enrollado alrededor de un tambor. En 1928, Fritz Pfleumer desarrolló el primer grabador de cinta magnética . Los primeros dispositivos de almacenamiento magnético fueron diseñados para grabar señales de audio analógicas . Las computadoras y ahora la mayoría de los dispositivos de almacenamiento magnético de audio y video graban datos digitales . ^{[ cita requerida ]}

En las computadoras, el almacenamiento magnético también se utilizaba para el almacenamiento primario en forma de tambor magnético , memoria de núcleo , memoria de núcleo en espiral , memoria de película fina , memoria twistor o memoria de burbuja . A diferencia de las computadoras modernas, la cinta magnética también se utilizaba a menudo para el almacenamiento secundario. ^{[ cita requerida ]}

La información se escribe y se lee en el medio de almacenamiento a medida que pasa por dispositivos llamados cabezales de lectura y escritura que operan muy cerca (a menudo a decenas de nanómetros) de la superficie magnética. El cabezal de lectura y escritura se utiliza para detectar y modificar la magnetización del material que se encuentra inmediatamente debajo. Hay dos polaridades magnéticas, cada una de las cuales se utiliza para representar 0 o 1. ^{[ cita requerida ]}

La superficie magnética se divide conceptualmente en muchas regiones magnéticas pequeñas de tamaño submicrométrico , denominadas dominios magnéticos (aunque no son dominios magnéticos en un sentido físico riguroso), cada una de las cuales tiene una magnetización mayoritariamente uniforme. Debido a la naturaleza policristalina del material magnético, cada una de estas regiones magnéticas está compuesta por unos pocos cientos de granos magnéticos . Los granos magnéticos tienen un tamaño típico de 10 nm y cada uno forma un único dominio magnético verdadero . Cada región magnética en total forma un dipolo magnético que genera un campo magnético . En los diseños de unidades de disco duro (HDD) más antiguos, las regiones estaban orientadas horizontalmente y paralelas a la superficie del disco, pero a partir de 2005, la orientación se cambió a perpendicular para permitir un espaciado más cercano entre los dominios magnéticos. ^{[ cita requerida ]}

Las unidades de disco duro más antiguas utilizaban óxido de hierro (III) (Fe ₂ O ₃ ) como material magnético, pero los discos actuales utilizan una aleación a base de cobalto . ^[2]

Para un almacenamiento fiable de los datos, el material de grabación debe resistir la autodesmagnetización, que se produce cuando los dominios magnéticos se repelen entre sí. Los dominios magnéticos escritos demasiado cerca unos de otros en un material poco magnetizable se degradarán con el tiempo debido a la rotación del momento magnético de uno o más dominios para anular estas fuerzas. Los dominios giran lateralmente hasta una posición intermedia que debilita la legibilidad del dominio y alivia las tensiones magnéticas. ^{[ cita requerida ]}

Un cabezal de escritura magnetiza una región generando un fuerte campo magnético local, y un cabezal de lectura detecta la magnetización de las regiones. Los primeros discos duros utilizaban un electroimán tanto para magnetizar la región como para leer su campo magnético mediante inducción electromagnética . Las versiones posteriores de cabezales inductivos incluían cabezales Metal In Gap (MIG) y cabezales de película fina . A medida que aumentaba la densidad de datos, se empezaron a utilizar cabezales de lectura que utilizaban magnetorresistencia (MR); la resistencia eléctrica del cabezal cambiaba según la fuerza del magnetismo del plato. El desarrollo posterior hizo uso de la espintrónica ; en los cabezales de lectura, el efecto magnetorresistivo era mucho mayor que en los tipos anteriores, y se denominó magnetorresistencia "gigante" (GMR). En los cabezales actuales, los elementos de lectura y escritura están separados, pero muy próximos, en la parte del cabezal de un brazo actuador. El elemento de lectura suele ser magnetorresistivo , mientras que el elemento de escritura suele ser inductivo de película fina. ^[3]

Los cabezales no entran en contacto con la superficie del plato gracias al aire que se encuentra muy cerca de él; ese aire se mueve a la misma velocidad o cerca de ella. El cabezal de grabación y reproducción están montados sobre un bloque llamado deslizador, y la superficie junto al plato tiene una forma que la mantiene apenas fuera de contacto. Esto forma una especie de cojinete de aire . ^{[ cita requerida ]}

La grabación analógica se basa en el hecho de que la magnetización remanente de un material determinado depende de la magnitud del campo aplicado. El material magnético normalmente se presenta en forma de cinta, que inicialmente se desmagnetiza en su forma original. Al grabar, la cinta se mueve a una velocidad constante. El cabezal de escritura magnetiza la cinta con una corriente proporcional a la señal. Se logra una distribución de magnetización a lo largo de la cinta magnética. Finalmente, se puede leer la distribución de la magnetización, reproduciendo la señal original. La cinta magnética se fabrica típicamente incrustando partículas magnéticas (de aproximadamente 0,5 micrómetros ^[4] de tamaño) en un aglutinante plástico sobre una cinta de película de poliéster. El más utilizado de estos era el óxido férrico, aunque también se utilizaron dióxido de cromo, cobalto y, más tarde, partículas de metal puro. La grabación analógica fue el método más popular de grabación de audio y video. Sin embargo, desde fines de la década de 1990, la grabación en cinta ha perdido popularidad debido a la grabación digital. ^[5]

En lugar de crear una distribución de magnetización en la grabación analógica, la grabación digital solo necesita dos estados magnéticos estables, que son +Ms y −Ms en el bucle de histéresis . Ejemplos de grabación digital son los disquetes , las unidades de disco duro (HDD) y las unidades de cinta . Los HDD ofrecen grandes capacidades a precios razonables; a partir de 2024 ^[update], los HDD de consumo ofrecen almacenamiento de datos a unos 15-20 dólares estadounidenses por terabyte. ^[6]

La grabación magneto-óptica escribe/lee ópticamente. Al escribir, el medio magnético se calienta localmente mediante un láser , lo que induce una rápida disminución del campo coercitivo. Luego, se puede utilizar un pequeño campo magnético para cambiar la magnetización. El proceso de lectura se basa en el efecto magneto-óptico Kerr . El medio magnético suele ser una película delgada amorfa de R-Fe-Co (R es un elemento de tierras raras). La grabación magneto-óptica no es muy popular. Un ejemplo famoso es el Minidisc desarrollado por Sony . ^{[ cita requerida ]}

La memoria de propagación de dominio también se denomina memoria de burbuja . La idea básica es controlar el movimiento de las paredes de un dominio en un medio magnético libre de microestructura. La burbuja se refiere a un dominio cilíndrico estable. Los datos se registran entonces por la presencia o ausencia de un dominio de burbuja. La memoria de propagación de dominio tiene una alta insensibilidad a los golpes y las vibraciones, por lo que su aplicación suele ser en el espacio y la aeronáutica. ^{[ cita requerida ]}

Los medios de almacenamiento magnéticos pueden clasificarse como memoria de acceso secuencial o memoria de acceso aleatorio , aunque en algunos casos la distinción no es perfectamente clara. El tiempo de acceso puede definirse como el tiempo medio necesario para acceder a los registros almacenados. En el caso del cable magnético, el cabezal de lectura/escritura solo cubre una parte muy pequeña de la superficie de grabación en un momento dado. Para acceder a diferentes partes del cable es necesario enrollarlo hacia adelante o hacia atrás hasta encontrar el punto de interés. El tiempo para acceder a este punto depende de la distancia a la que se encuentre del punto de partida. El caso de la memoria con núcleo de ferrita es el opuesto. Se puede acceder inmediatamente a cada ubicación del núcleo en cualquier momento dado. ^{[ cita requerida ]}

Los discos duros y las unidades de cinta serpentina lineales modernas no encajan exactamente en ninguna de las dos categorías. Ambos tienen muchas pistas paralelas a lo ancho del medio y los cabezales de lectura/escritura tardan un tiempo en cambiar de pista y en escanear dentro de las pistas. El acceso a diferentes puntos del medio de almacenamiento requiere un tiempo diferente. En el caso de un disco duro, este tiempo suele ser inferior a 10 ms, pero en el caso de las cintas puede tardar hasta 100 s. ^{[ cita requerida ]}

Los cabezales de los discos magnéticos y de las cintas magnéticas no pueden transmitir corriente continua (CC), por lo que los esquemas de codificación de los datos de cinta y disco están diseñados para minimizar la desviación de CC . La mayoría de los dispositivos de almacenamiento magnético utilizan corrección de errores . ^[7]

Muchos discos magnéticos utilizan internamente alguna forma de codificación limitada por longitud de ejecución y máxima verosimilitud de respuesta parcial . ^{[ cita requerida ]}

A partir de 2021 ^[update], los usos comunes de los medios de almacenamiento magnético son el almacenamiento masivo de datos informáticos en discos duros y la grabación de obras de audio y vídeo analógicas en cintas analógicas . Dado que gran parte de la producción de audio y vídeo se está trasladando a sistemas digitales, se espera que el uso de discos duros aumente a expensas de las cintas analógicas. Las cintas digitales y las bibliotecas de cintas son populares para el almacenamiento de datos de alta capacidad de archivos y copias de seguridad. Los disquetes tienen un uso marginal, especialmente en el manejo de sistemas informáticos y software más antiguos. El almacenamiento magnético también se utiliza ampliamente en algunas aplicaciones específicas, como cheques bancarios ( MICR ) y tarjetas de crédito/débito ( bandas magnéticas ). ^{[ cita requerida ]}

Se está produciendo un nuevo tipo de almacenamiento magnético, llamado memoria de acceso aleatorio magnetoresistiva o MRAM, que almacena datos en bits magnéticos basados ​​en el efecto de magnetorresistencia de túnel (TMR). Su ventaja es la no volatilidad, el bajo consumo de energía y una buena resistencia a los golpes. La primera generación que se desarrolló fue producida por Everspin Technologies y utilizó escritura inducida por campo. ^[8] La segunda generación se está desarrollando a través de dos enfoques: conmutación asistida térmicamente (TAS) ^[9] que actualmente está siendo desarrollada por Crocus Technology , y torque de transferencia de espín (STT) en el que están trabajando Crocus , Hynix , IBM y varias otras empresas. ^[10] Sin embargo, con una densidad de almacenamiento y una capacidad de órdenes de magnitud menores que un HDD , la MRAM es útil en aplicaciones donde se requieren cantidades moderadas de almacenamiento con la necesidad de actualizaciones muy frecuentes, que la memoria flash no puede soportar debido a su resistencia de escritura limitada. ^{[ cita requerida ]} También se está desarrollando una MRAM de seis estados, que imita las celdas de memoria flash multinivel de cuatro bits, que tienen seis bits diferentes, en lugar de dos . ^[11]

Aleksei Kimel, de la Universidad Radboud de los Países Bajos ^[12], también está investigando la posibilidad de utilizar radiación de terahercios en lugar de electropulsos estándar para escribir datos en medios de almacenamiento magnéticos. Al utilizar radiación de terahercios, el tiempo de escritura se puede reducir considerablemente (50 veces más rápido que con electropulsos estándar). Otra ventaja es que la radiación de terahercios casi no genera calor, lo que reduce los requisitos de refrigeración. ^[13]

• Cinta de audio digital
• Almacenamiento de datos digitales
• Almacenamiento en disco
• Brecha de Karlqvist
• Memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva (MRAM)
• Métodos de grabación magnética:
  • Grabación magnética asistida por calor (HAMR)
  • Grabación magnética longitudinal (LMR)
  • Grabación magnética perpendicular (PMR), también conocida como grabación magnética convencional (CMR)
  • Grabación magnética con tejas (SMR)
• Marvin Camras (1916-1995), ingeniero eléctrico e inventor estadounidense, importante contribuyente a la tecnología de grabación magnética

• Una historia de la grabación magnética (BBC/H2G2)
• Historia seleccionada de la grabación magnética
• Oberlin Smith y la invención de la grabación magnética del sonido
• Historia de la grabación magnética en el sitio web de la UC San Diego (CMRR).
• Una cronología de la grabación magnética.
• [1] " Science Reporter, ISSN  0036-8512 VOLUMEN 43 NÚMERO 7 JULIO DE 2006 "Grabación magnética: una tecnología revolucionaria"
• "Conozca sus medios de almacenamiento digital: una guía de los tipos más comunes de medios de almacenamiento digital que se encuentran en los archivos". EE.UU.: Universidad de Texas en San Antonio.