Предисловие
Моя предыдущая статья была посвящена внутреннему устройству чипа от Nvidia, да и, пожалуй, внутреннему устройству любого современного процессора. В этой статье мы перейдём к средствам хранения информации, и я расскажу, что представляют собой CD и HDD диски на микроуровне.
CD
Начнём с CD диска. Наш подопытный - простой CD-R от Verbatim. Обычный диск с записанной (а точнее, напечатанной) информацией состоит из 3 основных слоёв. Слой А – поликарбонатный диск, который отвечает сразу за несколько функций. Первое – основа диска, которая выдерживает огромные скорости вращения внутри дисковода.
Так в общих чертах можно представить строение CD диска [1]
Поликарбонатный диск, как оказалось, дополнительно покрывают специальным лаком, который защищает от легких механических повреждений внешнюю поверхность диска.
Слой лака выделен красным цветом, под ним «начинается» поликарбонат
Под пучком электронного микроскопа, слой защитного лака чувствует себя не очень хорошо
Второе – именно на поликарбонате, в прямом смысле этого слова, печатается информация с матрицы - будь то фильм, музыка или программы. Как сообщает нам Вики, поликарбонатная основа имеет толщину 1,2 мм и весит всего-навсего 15-20 грамм [1].
Естественно, что поликарбонат и лак прозрачны для лазерного излучения, поэтому «напечатанную» информацию для лазера необходимо сделать «видимой», для чего поверхность покрывают тонким слоем алюминия (слой B). Стоит отметить, что CD-ROM с «напечатанной» информацией, CD-R и CD-RW имеют незначительные отличия. В двух последних случаях, добавляется промежуточный слой между поликарбонатом и алюминием, который может изменять свои свойства под действием лазерного излучения определённой длины волны, а на поликарбонате печатаются пустые дорожки. Это могут быть либо красители в случае CD-R (что-то похожее на фоторезист), либо металлические сплавы в случае CD-RW. Именно поэтому перезаписываемые диски не рекомендуется подвергать действию прямых солнечных лучей и перегреву, который также может спровоцировать изменение оптических свойств.
Давайте сравним диск и алюминиевый слой, оторванный от него. Видно, что на поликарбонате есть «канавки» (питы), а на слое алюминия наоборот возвышения, которые полностью соответствуют канавкам:
Привычные углубления на поверхности поликарбоната (АСМ-изображение)
На защитном алюминиевом слое видны питы-«наоборот»: не канавки, а выступы (АСМ-изображение)
Далее полученный «пирог» покрывают специальным защитным слоем С, чья основная обязанность – защитить «нежный» алюминиевый отражающий слой. Далее на этот слой можно что-то наклеивать, писать маркером, наносить специальные дополнительные слои для печати и т.д. и т.п.
В данном видео представлены все технологические этапы производства CD дисков:
Запись на CD диске подобная записи на виниловой пластинке, т.е. дорожка с информацией идёт по спирали. Он берёт своё начало в центре диска и заканчивается у внешнего края. А вот прямо посреди диска «стыкуются» пустые участки и дорожки с записанной информацией:
Вот была запись, а вот её и нет. Сравнение пустых дорожек и дорожек с записанной информацией (СЭМ-микрофотографии)
Принципиальных отличий на микроуровне CD от DVD и, наверное, Blu-Ray нет. Разве что питы будут меньших размеров. В нашем случае размеры 1 минимального углубления составляют 330 нм в ширину и 680 нм в длину, при этом расстояние между дорожками ~930 нм.
N.B. Если у вас есть исцарапанный CD диск, который не читается ни в одном приводе, попробуйте его заполировать. Для этого подойдёт практически любая прозрачная полироль. Она заполнит углубления, которые мешают чтению информации, и Вы хотя бы сможете скопировать информацию с диска.
Как же всё-таки иногда причудливо изгибается слой алюминия (практически произведение искусства – чёрное и белое):
Чёрные и белые полосы нашей жизни. CD (СЭМ-микрофотография)
И напоследок ещё пара изображений CD, полученных с помощью оптического микроскопа:
Оптическая микроскопия: слева - алюминиевый отражающий слой, справа - слой Al (более светлая область) на поликарбонатном диске (более тёмная область)
HDD
Приступим теперь к жёсткому диску. Для меня всегда, ещё со времён дискет и VHS оставалось загадкой, как же всё-таки устроена магнитная память?! Перед написанием статьи, я попытался найти хоть какие-то видео и медиа материалы, которые демонстрировали бы, как в предыдущем ролике, основные этапы производства жёстких дисков, и был неприятно обрадован Вики: «Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения составляют коммерческую тайну» [2]. Пришлось смириться и не искать правды от производителей HDD (разве что, Seagate слегка приоткрыл свои секреты), тем более что с приходом эры SSD конкуренция на рынке ещё больше усилилась.
Сами пластины изготавливаются из немагнитных металлических сплавов. Основу этих сплавов составляют алюминий и магний, как самые лёгкие конструкционные материалы. Далее на них наносится тонкий, опять таки согласно Вики, 10-20 нм слой магнитного – тут, пожалуй, слово нанокристаллический будет уместно – материала, который затем покрывается небольшим слоем углерода для защиты. Так как диск NoName, и выполнен он по древней технологии параллельной записи информации, то я позволю себе привести здесь состав материала по данным EDX (рентгеноспектральный микроанализ): Co – 1,1 атомных %, Y – 1,53 ат. %, Cr – 2,38 ат. %, Ni – 45,81 ат. %. Содержание углерода 36,54 %. Откуда-то взялись Si и P, содержание которых составляет 0,46 ат. % и 12,25 ат. %, соответственно. Происхождение кремния – по всей видимости, в следовых количествах остался на поверхности после работы микротома и моей полировки, а фосфор – просто заляпал образец.
Честно, я пытался найти слой магнитного материала толщиной «10-20 нм», но безуспешно. Если исходить из того, что увидел я, то поверхностный слой имеет толщину примерно 12 микрометров:
Тот сам «тоненький» слой, который хранит информацию в наших жёстких дисках
Конечно, Вы можете в комментариях меня поправить, но:
1. диск довольно старый (т.е. дата его изготовления относится к началу прошлого десятилетия);
2. особенности EDX таковы, что глубина выхода сигнала лежит в пределах от 1 до 10 мкм;
таким образом, мне кажется, что эти 12 микрометров и есть магнитный слой, который сверху покрыт тончайшим слоем углерода (50-100 нм), который на срезе может быть и не виден.
Сама поверхность диска очень и очень гладкая, перепад высот лежит в пределах 10 нм, что сравнимо с шероховатостью поверхности монокристаллического кремния. А вот и изображения в режиме фазового контраста, которые соответствуют распределению магнитных доменов на поверхности, т.е. мы видим фактически отдельные биты информации:
АСМ-изображения поверхности жёсткого диска. Справа представлены изображения в фазовом контрасте
Немножко о фазовом контрасте: сначала игла АСМ-микроскопа «ощупывает» рельеф, затем зная рельеф и повторяя его форму игла делает второй проход на расстоянии 100 нм от образца, чтобы «заглушить» действие Ван-дер-Ваальсовых сил и «выделить» действие магнитных сил. Флешку о том, как это происходит можно посмотреть тут.
Кстати, заметили, что единичные магнитные домены вытянуты вдоль плоскости диска и параллельны ему?! Позволю себе пару слов о методах записи. На данный момент диски с перпендикулярным методом записи информации (т.е. такие у которых магнитные домены ориентированы перпендикулярно плоскости диска), появившиеся в 2005 году, практически полностью вытеснили диски с параллельной записью. Преимущество перпендикулярной записи очевидно – выше плотность записи, но тут есть один тонкий момент в связи с данными Вики о толщине магнитного слоя. Этот нюанс называется – суперпарамагнитный предел. Т.е. существует некоторый критический размер частицы, после которого ферромагнетик уже при комнатной температуре переходит в парамагнитное состояние. Т.е. тепловой энергии хватает, что проворачивать, переориентировать такой маленький магнитик. В случае магнитной записи часто поступают следующим образом: делают один из размеров «магнитика» больше, чем два остальных (это хорошо видно на картинке с распределением магнитных доменов), тогда в этом большем направлении магнитный момент сохраняется. Так вот, если в случае параллельной записи я ещё могу поверить, что слой магнетика десятки нанометров при размерах 1 бита в несколько микрометров, то в случае перпендикулярной записи – этого просто не может быть. Толщина такой намагничиваемой области при минимальных размерах в плоскости диска, просто обязана быть минимум несколько микрометров. Так что, возможно, Вики немножко подвирает. Либо наносят магнетик в виде наночастиц диаметром 10-20 нм, а уже потом каким-то «хитрым» образом разбивают диск на области, которые и отвечают за хранение информации. К сожалению, я не полностью удовлетворил своё любопытство и ответил на вопросы о магнитной записи информации, может быть кто-нибудь поможет?!
Сравнение параллельного и перпендикулярного методов записи информации на жётских дисках [2]
Хотел бы также поделиться тремя видео, которые нашлись на просторах Интернета и связаны с жёсткими дисками. Первое посвящено принципам работы HDD (How does it work?):
Может быть, кому-то понравится видео на английском от Seagate:
Последнее о том, как с 1995 года изменялась стоимость 1 Mb HDD диска и сколько дисков было выпущено:
Как и обещал, выкладываю видео о том, как проводилась съёмка на различных приборах (не забывайте читать описание к видео на YouTube и оставлять свои комментарии). Для статистики: съёмки заняли 4 дня (хотя всё можно было уложить в 2), длительность видео, которое подверглось монтажу – около 3 часов, в итоге получился 15 минутный ролик. Я надеюсь, что в скором будущем появятся английские субтитры для этого видео.
P.S.: Для всех заинтересованных посметителей выставки «Красота материалов», которая проводилась в рамках Фестиваля Науки, завершившегося 9 октября, были продемонстрированы препарированные образцы процессора, CD и жёсткого диска, а также флеш-памяти.
P.P.S.: Если кому-то будет интересно, то статья о чипе Nvidia была переписана в более научно-популярном формате и теперь представлена тут.
Источники:
1. Вики: CD
2. Вики: HDD
