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 necesaria ]
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. La primera grabadora magnética demostrada públicamente (Exposición de París de 1900) fue inventada por Valdemar Poulsen en 1898. El dispositivo de Poulsen registraba una señal en un cable enrollado alrededor de un tambor. En 1928, Fritz Pfleumer desarrolló la primera grabadora de cinta magnética . Los primeros dispositivos de almacenamiento magnético se diseñaron para grabar señales de audio analógicas . Las computadoras y ahora la mayoría de los dispositivos de almacenamiento magnético de audio y video registran datos digitales . [ cita necesaria ]
En las computadoras, el almacenamiento magnético también se usaba para el almacenamiento primario en forma de tambor magnético , o memoria central , memoria de cuerda central , memoria de película delgada , memoria de torsión o memoria de burbuja . A diferencia de las computadoras modernas, la cinta magnética también se usaba a menudo como almacenamiento secundario. [ cita necesaria ]
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) sobre 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 necesaria ]
La superficie magnética está conceptualmente dividida en muchas pequeñas regiones magnéticas de tamaño submicrómetro , 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 suelen tener un tamaño 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 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 necesaria ]
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 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 juntos en un material débilmente magnetizable se degradarán con el tiempo debido a la rotación del momento magnético de uno o más dominios para cancelar estas fuerzas. Los dominios giran lateralmente hasta una posición intermedia que debilita la legibilidad del dominio y alivia las tensiones magnéticas. [ cita necesaria ]
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 para magnetizar la región y luego leer su campo magnético mediante inducción electromagnética . Las versiones posteriores de cabezales inductivos incluían cabezales Metal In Gap (MIG) y cabezales de película delgada . A medida que aumentó 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 las cabezas de lectura, el efecto magnetorresistivo era mucho mayor que en los tipos anteriores y se denominó magnetorresistencia "gigante" (GMR). En las cabezas actuales, los elementos de lectura y escritura están separados, pero muy próximos, en la parte de cabeza de un brazo actuador. El elemento de lectura suele ser magnetorresistivo , mientras que el elemento de escritura suele ser inductivo de película delgada. [3]
Los cabezales evitan que entren en contacto con la superficie del plato gracias al aire que está muy cerca del plato; que el aire se mueve a la velocidad del plato o cerca de ella. El cabezal de grabación y reproducción están montados en un bloque llamado control deslizante, y la superficie junto al plato tiene una forma para mantenerlo apenas fuera de contacto. Esto forma un tipo de cojinete de aire . [ cita necesaria ]
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 se presenta normalmente en forma de cinta, desmagnetizándose inicialmente la cinta en su forma en bruto. Al grabar, la cinta funciona a una velocidad constante. El cabezal de escritura magnetiza la cinta con una corriente proporcional a la señal. Se consigue una distribución de la magnetización a lo largo de la cinta magnética. Finalmente se puede leer la distribución de la magnetización reproduciendo la señal original. La cinta magnética normalmente se fabrica incorporando partículas magnéticas (de aproximadamente 0,5 micrómetros [4] de tamaño) en una carpeta de plástico sobre una cinta de película de poliéster. El más utilizado fue el óxido férrico, aunque también se utilizaron dióxido de cromo, cobalto y, más tarde, partículas de metal puro. La grabación analógica era el método más popular de grabación de audio y vídeo. Sin embargo, desde finales de la década de 1990, la popularidad de la grabación en cinta ha disminuido 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 discos duros ofrecen grandes capacidades a precios razonables; A partir de 2024 [update], los discos duros de consumo ofrecen almacenamiento de datos a un precio de entre 15 y 20 dólares por terabyte. [6]
La grabación magnetoóptica 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 Kerr magnetoóptico . El medio magnético suele ser una película delgada amorfa de R-Fe-Co (siendo R un elemento de tierras raras). La grabación magnetoóptica no es muy popular. Un ejemplo famoso es el Minidisc desarrollado por Sony . [ cita necesaria ]
La memoria de propagación de dominio también se denomina memoria de burbuja . La idea básica es controlar el movimiento de la pared del dominio en un medio magnético libre de microestructura. Burbuja se refiere a un dominio cilíndrico estable. Luego, los datos se registran mediante la presencia/ausencia de un dominio de burbuja. La memoria de propagación de dominio tiene una alta insensibilidad a los golpes y vibraciones, por lo que su aplicación suele ser en el espacio y la aeronáutica. [ cita necesaria ]
Los medios de almacenamiento magnéticos pueden clasificarse como memoria de acceso secuencial o memoria de acceso aleatorio , aunque en algunos casos la distinción no queda del todo clara. El tiempo de acceso se puede definir como el tiempo promedio necesario para obtener acceso a los registros almacenados. En el caso del cable magnético, el cabezal de lectura/escritura sólo cubre una parte muy pequeña de la superficie de grabación en un momento dado. Acceder a diferentes partes del cable implica enrollar el cable hacia adelante o hacia atrás hasta encontrar el punto de interés. El tiempo para acceder a este punto depende de lo lejos que se encuentre del punto de partida. El caso de la memoria con núcleo de ferrita es el contrario. Cada ubicación central es inmediatamente accesible en cualquier momento. [ cita necesaria ]
Los discos duros y las modernas unidades de cinta serpentina lineal 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 toman tiempo para cambiar entre pistas y escanear dentro de las pistas. Se necesita diferente tiempo para acceder a diferentes puntos del medio de almacenamiento. Para un disco duro, este tiempo suele ser inferior a 10 ms, pero las cintas pueden tardar hasta 100 s. [ cita necesaria ]
Los cabezales de disco magnético y de cinta magnética no pueden pasar CC (corriente continua), por lo que los esquemas de codificación para datos de cinta y disco están diseñados para minimizar la compensación de CC . La mayoría de los dispositivos de almacenamiento magnético utilizan corrección de errores . [7]
Muchos discos magnéticos utilizan internamente alguna forma de codificación de longitud limitada y máxima verosimilitud de respuesta parcial . [ cita necesaria ]
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 trabajos de audio y vídeo analógicos 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, particularmente cuando se trata de sistemas y software informáticos más antiguos. El almacenamiento magnético también se utiliza ampliamente en algunas aplicaciones específicas, como cheques bancarios ( MICR ) y tarjetas de crédito/débito ( mag stripes ). [ cita necesaria ]
Se está produciendo un nuevo tipo de almacenamiento magnético, llamado memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio o MRAM, que almacena datos en bits magnéticos basándose en el efecto de magnetorresistencia de túnel (TMR). Su ventaja es la no volatilidad, el bajo consumo de energía y la buena resistencia a los golpes. La primera generación desarrollada fue producida por Everspin Technologies y utilizó escritura inducida por el campo. [8] La segunda generación se está desarrollando a través de dos enfoques: conmutación asistida térmica (TAS) [9] que actualmente está siendo desarrollada por Crocus Technology , y torque de transferencia de giro (STT) en el que Crocus , Hynix , IBM y varios Otras empresas están trabajando. [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 necesaria ] También se está desarrollando MRAM de seis estados, haciéndose eco de las celdas de memoria flash multinivel de cuatro bits, que tienen seis bits diferentes, en lugar de dos . [11]
Aleksei Kimel también está realizando investigaciones en la Universidad de Radboud en los Países Bajos [12] sobre la posibilidad de utilizar radiación de terahercios en lugar de electropulsos estándar para escribir datos en medios de almacenamiento magnéticos. Usando radiación de terahercios, el tiempo de escritura se puede reducir considerablemente (50 veces más rápido que cuando se usan electropulsos estándar). Otra ventaja es que la radiación de terahercios casi no genera calor, lo que reduce los requisitos de refrigeración. [13]
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