Искусство квантового скачка.

Изобретение сверхмагниторезистентной головки - научный прорыв, в результате которого емкость компьютерных жестких дисков возросла с нескольких гигабайт до сотни и более, - стало итогом случайного наблюдения, фундаментальных исследований и утомительного поиска подходящих материалов. Этот пример ясно указывает на то, что компаниям необходимо поддерживать тесные связи между своими исследовательскими лабораториями и подразделениями по разработке новых товаров.

История магнитных материалов, являющихся основой компьютерной технологии, - длительная и захватывающая. Уже в древности китайцы и греки были осведомлены о притягивающих свойствах железной руды. В XIV в. итальянские мореплаватели начали использовать в навигации свойство минералов четко указывать направление на север. Но лишь в XVII в. английский ученый Уильям Гилберт доказал, что Земля сама по себе является гигантским магнитом.

За исключением навигации, коммерческое использование явления магнетизма началось только в XIX в. Отправной точкой стало наблюдение, сделанное лордом Кельвином, об изменении электрических свойств куска железа после его помещения в магнитное поле. Эффект, названный магниторезистентностью, - результат изменения ориентации атомов металла под действием магнитного поля. Сегодня магниторезистентность нашла широкое применение в магнитных датчиках и считывающих головках компьютерных жестких дисков. Не будет преувеличением сказать, что магниторезистентность более, чем другие разделы физики, приблизила нас к информационному обществу.

Но остановись на этом прогресс, компьютерная промышленность уже давно столкнулась бы с дефицитом емкости носителей информации. К счастью, около 10 лет назад был обнаружен новый феномен магниторезистентности. Независимо друг от друга две группы физиков - одна из Франции, под руководством Алберта Ферта, другая из Германии, во главе с Петером Грюнбергом, - обнаружили, что в тонких пластинах из магнитного материала, подвергающихся воздействию магнитного поля, эффект магниторезистентности значительно возрастает. Результаты исследований были настолько ошеломляющими, что новое открытие сразу же получило название сверхмагниторезистентности (СМР).

Учеными двигала лишь научная любознательность. Одним из первых, кто осознал возможность применения СМР в создании компьютерных дисков большой емкости, был Стюарт Паркин из научного центра Almaden (Сан-Хосе, Калифорния), принадлежащего IBM. Открытие действительно сделало возможным резко увеличить емкость магнитных носителей информации. Жесткие диски (винчестеры) быстро преодолели дистанцию от нескольких гигабайт емкости до десятков, а сегодня и сотен гигабайт, в результате чего даже ноутбуки обладают возможностью хранить объем информации, сопоставимый с Библиотекой Конгресса США.

Вне всякого сомнения, появление считывающих СМР-головок до сих пор остается одной из наиболее значимых инноваций в компьютерной технике. Но еще важнее то, что технология разработки, в результате использования которой появилось изобретение, нашла применение во всех областях бизнеса высоких технологий. Далее - рассказ о том, как СМР изменила представления о принципах хранения информации.

Чтение, запись и арифметика В персональных компьютерах данные хранятся на магнитных дисках винчестеров в виде последовательности разноориентированных микроскопических намагниченных областей, которые образуют единицы информации, называемые битами (от английского binary digits - двоичные числа). Датчик, называемый считывающей головкой, скользит над поверхностью вращающегося диска на воздушной подушке толщиной не более тысячной доли дюйма. В процессе записи на головку подается электрический ток, который быстро включается и выключается, представляя поток нулей и единиц и изменяя полярность магнитных областей на поверхности диска. Если электрический ток включен, бит информации получает значение "1", а если ток выключен, то - "0". Для считывания информации используется обратный процесс.

Первый жесткий диск был представлен компанией IBM в 1956 г. Он был размером с холодильник и весил около тонны. В нем было 50 магнитных дисков диаметром 24 дюйма и общей емкостью 5 гигабайт. Значительным усовершенствованием разработки IBM стало изобретение тонкопленочной индукционной считывающей головки. Главным достижением здесь было объединение функций чтения и записи в одном устройстве. Во время записи электрический ток проходил через катушку индуктивности, в результате чего возникало магнитное поле, которое воздействовало на поверхность вращающегося диска. В процессе чтения магнитное поле на границах соседних битов диска индуцировало малые электрические токи в катушке головки.

Гениальная по своей сути концепция, к сожалению, имела весьма ограниченные возможности масштабирования. По мере того как емкость жестких дисков росла, магнитные области должны были все сильнее уменьшаться в размерах, для того чтобы их количество на диске можно было увеличивать. В результате токи, индуцируемые битами, становились все слабее, подобно голосам, тонущим в гуле толпы. Если бы так продолжалось и дальше, головки начали бы записывать биты меньшего размера, чем они могли прочесть. Этот предел установил границу емкости дискового пространства.

Все изменилось в 1991 г., когда IBM представила анизотропную магниторезистентную (АМР) считывающую головку. Компания поставила себе цель достичь плотности хранения информации в один гигабит на квадратный дюйм каждого диска винчестера. И добилась своего. В отличие от обычной головки, считывающей биты напрямую с диска, АМР-головка в зависимости от ориентации бита изменяла свое сопротивление. Поэтому в режиме чтения она была более чувствительной к слабым сигналам малых битов.

Благодаря появлению АМР-головок производители жестких дисков в течение 90-х гг. увеличили плотность хранения информации на 60%. Но и это чудо было не вечным. Изменения в сопротивлении, на которых базировался принцип работы АМР-головки, составляли лишь несколько процентов. Это не позволяло достичь той степени миниатюризации, которая требовалась для создания более емких жестких дисков.

Метод "научного тыка" в действии Весной 1988 г. Стюарт Паркин отправился во Францию для участия в научной конференции. Там он познакомился с результатами работы Алберта Ферта, который обнаружил значительные (до 50%) изменения в сопротивлении многослойных магнитных структур.

Правда, были свои подводные камни. Изготовление многослойных структур требовало временных затрат и тщательности, что означало высокую стоимость производства. Хуже всего было то, что эффект СМР наблюдался только при температуре, близкой к абсолютному нулю (-273 градуса по Цельсию), и магнитном поле, в тысячу раз более мощном, чем магнитное поле Земли. Поистине прокрустово ложе для производителей винчестеров!

Стюарт Паркин в то время в поисках возможности увеличить емкость носителей информации экспериментировал с экономичной высокопроизводительной технологией напыления. При использовании этой технологии материал покрытия наносится не прямо на носитель, а вдувается в сосуд, разбрызгиваясь по поверхности носителя. Аналогичный эффект наблюдается, если стрелять дробью в ведро с краской, покрывая брызгами потолок.

Всеобщим убеждением было то, что технология напыления не может применяться в материалах со сложной структурой, которые использовались для исследования эффекта СМР. К счастью, Паркин не разделял этого мнения.

" The Economist 2001 Публикуется в соответствии с соглашением об эксклюзивной синдикации материалов в еженедельном журнале "Русский Фокус" на территории России. На сайте статья приведена в сокращенном варианте. Окончание читайте в печатной версии журнала.

  00:04 10.12