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Introducción y análisis a dispositivos de almacenamiento magnético (I)

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Artículo cedido para publicación por su autor, Don José Manuel Monsalve, Facultad de Ingeniería, Departamento de electrónica, Pontificia Universidad Javeriana , Bogotá, Colombia.

Realizamos una introducción a los dispositivos de almacenamiento magnético incluyendo una descripción de la teoría física electromagnética que permite almacenar la información. Luego se focaliza la descripción en los discos duros, incluyendo la construcción física y la forma de almacenar y conseguir la información, abarcando los volúmenes, las particiones y los sistemas de archivos. Por último se hace una introducción al futuro de los dispositivos de almacenamiento magnéticos.

I. Introducción

La humanidad siempre ha tenido la necesidad de almacenar información, desde los inicios, los hallazgos arqueológicos muestran pictogramas que buscaban preservar la vida e historia de los pueblos. Los libros, escrituras antiguas, las fotografías y demás son igualmente demostraciones. Con la aparición del sistema binario y los sistemas digitales, se encontró una manera de convertir la información a conjuntos de bits que han permitido cifrarla en gran diversidad de formas. Por otro lado, la teoría electromagnética permitió dar cuenta de la magnetización de materiales y esto fue aprovechado para almacenar información en lo que hoy conocemos como dispositivos de almacenamiento magnético.

Los dispositivos de almacenamiento de datos son componentes que conservan la información, normalmente en forma binaria, por medio de una representación de los símbolos 1 y 0, por ejemplo, utilizando la óptica, el electromagnetismo y niveles de energía, entre otros. Estos se encuentran presentes en los sistemas digitales actuales siendo un elemento fundamental para el funcionamiento de la electrónica moderna, especialmente de las computadoras. Actualmente, cuando se trata de almacenar grandes cantidades de información, se usan principalmente dos tecnologías, las unidades de estado sólido, siendo la más reciente, y los discos duros; estos últimos, representando la mayoría de dispositivos de almacenamiento masivo.

Aunque el primer dispositivo reconocido con memoria magnética fue el telegráfono, inventado en 1898 por Valdemar Poulsen, y capaz de gravar sonidos [1]; no fue sino hasta 1955 que apareció el disco duro. Su primera versión se encontraba en el IBM 305 RAMAC, y llevaba su mismo nombre, IBM 305. Tenía una capacidad aproximada de 4.4 Mb, y tenía un peso cercano a los 1000 Kg [2]. Hoy en día se consiguen discos duros de capacidades de 1 Tb o más, y un peso alrededor de los 500 gr (Para unidades de 3.5”). Esto demuestra un avance considerable en la ciencia detrás de los dispositivos de almacenamiento masivos.

Este artículo comienza en la sección II con una descripción de la física electromagnética que hay detrás de los dispositivos de almacenamiento magnéticos; luego, en la sección III, presenta una descripción detallada de la construcción física de los discos duros, una explicación de los conceptos necesarios, y la manera que la información es almacenada; por último se habla del futuro de los dispositivos de almacenamiento magnético en la sección IV.

II. Física del problema

Cuando hablamos de electromagnetismo, inmediatamente se nos vienen a la cabeza las ecuaciones de Maxwell. Para poder resolver la física detrás es necesario tener conocimiento de dichas ecuaciones, adicionalmente, es necesario entender que ocurre dentro de los materiales ferromagnéticos y porqué estos tienen la capacidad de conservar su estado magnético.

Para empezar recordamos la ecuación de Ampère-Maxwell, mostrada a continuación, donde se observa que la densidad de flujo magnético (B) en una curva cerrada proviene de 2 fuentes, la primera, el cambio en el tiempo del campo eléctrico (E) a través de una superficie imaginaria; y la segunda la densidad total de corriente (J) que atraviesa dicha superficie. Este último presenta un gran interés para nuestro análisis, ya que corresponde tanto a las corrientes eléctricas que atraviesan la superficie, como a las corrientes de magnetización, generadas por las cargas magnéticas en los materiales y su polarización.

Ecuación de MaxwellA partir de esta ecuación, y teniendo algunas consideraciones, podemos obtener la ecuación 2 donde se puede observar con más claridad lo dicho anteriormente. En este punto es evidente que, así no haya un campo magnético presente, puede haber una densidad de flujo magnético gracias a la magnetización. En esta ecuación H representa el campo magnético, B la densidad de flujo magnético y M la magnetización. Sin embargo es necesario hablar un poco más en la naturaleza de esta magnetización. Para esto vale la pena recordar que el monopolo magnético no existo, y la mínima unidad magnética es el dipolo.

Ecuación de Campo magnéticoLa magnetización es un campo vectorial que representa la densidad de momentos dipolares magnéticos; en otras palabras, gracias a la alineación de los dipolos magnéticos en un material, se da un aporte al campo magnético, cuyo valor depende de las propiedades de dicho material. La propiedad del material se llama susceptibilidad magnética y es representada con la letra griega  y es relativo a la permeabilidad magnética.

Los materiales pueden ser divididos en 3 categorías en cuanto a su comportamiento frente a campos magnéticos. Los ferromagnéticos, donde los dipolos magnéticos del material pueden alinearse en forma paralela; los anti-ferromagnéticos, que orientan sus dipolos de forma anti-paralela (un dipolo determinado está en dirección contraria al dipolo anterior y posterior); y los paramagnéticos, donde la interacción entre las moléculas es mínima y no hay un ordenamiento definido de los dipolos. Su clasificación está relacionada con el valor de susceptibilidad magnética que a su vez es calculado de acuerdo a 2 valores. La constante de Curie, diferente para cada material y dependiente de la interacción cuántica de los átomos de este, y la temperatura; debido a esta última dependencia, un mismo material puede encontrarse en diferentes clasificaciones. Por ejemplo, un ferromagnético puede convertirse en paramagnético si la temperatura aumenta más allá de la temperatura de Curie.

Los ferromagnéticos tienen la capacidad de ser magnetizados en presencia de campos. Una curva de histéresis, como la que se ve en la figura 1, es presentada para cada material. Para explicar este comportamiento supongamos un material ferromagnético en estado inicial. Cuando le aplicamos un campo magnético (H), la magnetización empieza a incrementarse (ver línea azul). Una vez llegue al campo de saturación  y se retire el campo externo, la magnetización va a generar una densidad de flujo igual a  llamado campo remanente. Sería necesario aplicar un campo, llamado coercividad, para poder desmagnetizar el material. Por lo general estas curvas son simétricas, de modo que se puede generar campos iguales pero en sentido contrario.

Figura 1 Curva de histéresis de magnetizaciónFigura 1 Curva de histéresis de magnetización [5]

Dentro de un material ferromagnético se encuentran divisiones llamadas dominios magnéticos como se ve en la figura 2. Cada dominio está definido por un conjunto de dipolos magnéticos alineados en la misma dirección. la suma de todos los dominios en un material no magnetizado genera un campo nulo. Cuando se aplica un campo magnético, los dominios empiezan a unirse, hasta que se forma un único dominio. En este punto se encuentra la magnetización de saturación. Las paredes de los dominios tienen la característica de presentar una energía adicional, gracias a la interacción de los dipolos en diferentes direcciones. Esta propiedad es altamente utilizada en los discos duros como veremos a continuación.

Figura 2 Dominios magnéticos de los ferromagnéticosFigura 2 Dominios magnéticos de los ferromagnéticos [6]

Otros conceptos del electromagnetismo son utilizados en los discos duros. En los motores y actuadores se encuentran circuitos magnéticos complejos para generar velocidades y posiciones constantes, predecibles y precisas. En la cabeza del disco duro también se pueden identificar un par de circuitos electromagnéticos que se utilizan para cambiar la dirección de una parte del material ferromagnético y para leer los cambios entre los dominios.

Un disco duro está hecho de materiales ferromagnéticos. Los dominios del material es organizado de manera que un 1 es representado por un cambio de dominio y un 0 por una conservación del dominio en un ciclo de reloj. Cuando la cabeza de lectura pasa por la pared de un dominio, se genera un salto en el campo magnético que se ve reflejado en el circuito magnético y por ende en una señal que es procesada y tomada como un 1. Los tiempos de giro, el reloj de lectura y escritura y las posiciones en el material son controladas con alta precisión, sólo así se puede garantizar que los datos sean leídos en los lugares donde fueron escritos.

A partir de este comportamiento físico se pueden evidenciar varios posibles causantes de error en un disco duro. El primero, la temperatura. Un incremento en la temperatura de un disco duro podría causar que el material ferromagnético pase temporalmente a un estado paramagnético. El segundo, un golpe generado por una caída o un movimiento brusco puede darle la energía suficiente a los dipolos para reorganizarse. Y tercero, la presencia de un campo magnético externo podría reorientar los dipolos, cambiando los dominios. Cualquiera de estas tres circunstancias generaría perdida irreparable de la información, y en algunos casos daños irreparables en el disco.

Continúa en Introducción y análisis a dispositivos de almacenamiento magnético (y II)

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