磁気ストレージ

磁気ストレージまたは磁気記録は、磁化された媒体にデータを保存することです。磁気ストレージは、磁化可能な材料のさまざまな磁化パターンを使用してデータを保存する、不揮発性メモリの一種です。情報には、1 つ以上の読み取り/書き込みヘッドを使用してアクセスします。

磁気記憶媒体、主にハードディスクは、コンピュータデータやオーディオ信号、ビデオ信号の保存に広く使用されています。コンピューティングの分野では、磁気記憶という用語が好まれ、オーディオおよびビデオ制作の分野では、磁気記録という用語がより一般的に使用されています。この区別は技術的なものではなく、好みの問題です。磁気記憶媒体の他の例としては、フロッピーディスク、磁気テープ、クレジットカードの磁気ストライプなどがあります。 ^[要出典]

ワイヤーレコーディング（ワイヤーへのオーディオ録音）の形態での磁気ストレージは、1888年9月8日発行のElectrical WorldでOberlin Smithによって発表されました。^[1] Smithは1878年9月に特許を申請していましたが、彼の仕事は工作機械だったため、このアイデアを追求する機会がありませんでした。初めて公に実証された磁気レコーダー（1900年のパリ万国博覧会）は、1898年にValdemar Poulsen によって発明されました。Poulsenの装置は、ドラムに巻き付けられたワイヤーに信号を記録しました。1928年にFritz Pfleumerが最初の磁気テープレコーダーを開発しました。初期の磁気ストレージデバイスは、アナログオーディオ信号を記録するために設計されました。コンピューター、そして現在ではほとんどのオーディオおよびビデオ磁気ストレージデバイスは、デジタルデータを記録します。^[要出典]

コンピュータでは、磁気記憶装置は、磁気ドラム、コアメモリ、コアロープメモリ、薄膜メモリ、ツイスターメモリ、バブルメモリなどの形で一次記憶装置としても使用されていました。現代のコンピュータとは異なり、磁気テープは二次記憶装置としてもよく使用されていました。^[要出典]

情報は、磁気表面の非常に近いところ（多くの場合数十ナノメートル）で動作する読み取り/書き込みヘッドと呼ばれるデバイスを通過するときに、記憶媒体に書き込まれ、読み取られます。読み取り/書き込みヘッドは、そのすぐ下にある材料の磁化を検出して変更するために使用されます。2 つの磁気極性があり、それぞれが 0 または 1 を表すために使用されます。^{[引用が必要]}

磁気表面は概念的に、サブミクロンサイズの多数の小さな磁気領域に分割され、これらは磁区と呼ばれます (ただし、これらは厳密な物理的意味での磁区ではありません)。各磁気領域はほぼ均一な磁化を持っています。磁性材料の多結晶性のため、これらの磁気領域はそれぞれ数百の磁性粒子で構成されています。磁性粒子は通常 10 nm の大きさで、それぞれが 1 つの真の磁区を形成します。各磁気領域は全体で磁気双極子を形成し、磁場を生成します。古いハードディスクドライブ(HDD) の設計では、領域は水平にディスク表面と平行に配置されていましたが、2005 年頃から、磁区の間隔を狭めるために方向が垂直に変更されました。 ^[要出典]

古いハードディスクドライブでは磁性材料として酸化鉄(III) (Fe ₂ O _{3 )が使用されていましたが、現在のディスクでは}コバルトベースの合金が使用されています。^[2]

信頼性の高いデータ保存のためには、記録材料は自己消磁に耐える必要があります。自己消磁は、磁区が互いに反発するときに発生します。磁化が弱い材料に磁区が近すぎる状態で書き込まれると、 1 つまたは複数の磁区の磁気モーメントが回転してこれらの力を相殺するため、時間の経過とともに劣化します。磁区は横向きに回転して中間位置になり、磁区の読み取りが弱まり、磁気ストレスが軽減されます。^{[引用が必要]}

書き込みヘッドは、強力な局所磁場を発生させて領域を磁化し、読み取りヘッドは領域の磁化を検出します。初期の HDD では、電磁石を使用して領域を磁化し、電磁誘導を使用してその磁場を読み取りました。誘導ヘッドの後のバージョンには、メタル イン ギャップ (MIG) ヘッドと薄膜ヘッドが含まれます。データ密度が増加すると、磁気抵抗(MR) を使用した読み取りヘッドが使用されるようになりました。ヘッドの電気抵抗は、プラッターからの磁気の強さに応じて変化します。その後の開発では、スピントロニクスが使用されました。読み取りヘッドでは、磁気抵抗効果が以前のタイプよりもはるかに大きく、 「巨大」磁気抵抗(GMR)と呼ばれました。今日のヘッドでは、読み取り要素と書き込み要素は別々ですが、アクチュエータ アームのヘッド部分に近接しています。読み取り要素は通常、磁気抵抗性で、書き込み要素は通常、薄膜誘導性です。^[3]

ヘッドはプラッターのすぐ近くにある空気によってプラッター表面に接触しないように保たれます。この空気はプラッターの速度かそれに近い速度で動きます。録音および再生ヘッドはスライダーと呼ばれるブロックに取り付けられており、プラッターに隣接する表面は、ヘッドがプラッターに接触しないように形作られています。これは一種のエアベアリングを形成します。^[要出典]

アナログ録音は、与えられた材料の残留磁化が印加磁場の大きさに依存するという事実に基づいています。磁性材料は通常テープの形をしており、テープはブランク状態では最初に消磁されます。録音中、テープは一定の速度で走行します。書き込みヘッドは信号に比例した電流でテープを磁化します。磁気テープに沿って磁化分布が実現されます。最後に、磁化分布を読み出すことで、元の信号を再生できます。磁気テープは通常、ポリエステルフィルムテープのプラスチックバインダーに磁性粒子（サイズ約0.5マイクロメートル^[4]）を埋め込むことで作られています。最も一般的に使用されたのは酸化鉄でしたが、二酸化クロム、コバルト、後には純粋な金属粒子も使用されました。アナログ録音は、オーディオおよびビデオ録音の最も一般的な方法でした。しかし、1990年代後半以降、テープ録音はデジタル録音のために人気が低下しました。^[5]

アナログ記録では磁化分布を作り出すのに対し、デジタル記録ではヒステリシスループ上の+Mと-Mの2つの安定した磁気状態のみが必要です。デジタル記録の例としては、フロッピーディスク、ハードディスクドライブ（HDD）、テープドライブなどがあります。HDDは手頃な価格で大容量を提供し、2024年現在^[update]、消費者向けHDDは1テラバイトあたり約15～20ドルでデータストレージを提供しています。^[6]

磁気光記録は光学的に書き込み/読み取りを行います。書き込み時には、磁気媒体がレーザーによって局所的に加熱され、保磁力の急激な減少を引き起こします。次に、小さな磁場を使用して磁化を切り替えることができます。読み取りプロセスは、磁気光学カー効果に基づいています。磁気媒体は通常、アモルファス R-Fe-Co 薄膜です (R は希土類元素)。磁気光記録はあまり一般的ではありません。有名な例としては、ソニーが開発したミニディスクがあります。^[要出典]

ドメイン伝播メモリはバブルメモリとも呼ばれます。基本的な考え方は、微細構造のない磁気媒体内のドメイン壁の動きを制御することです。バブルとは、安定した円筒形のドメインを指します。データはバブルドメインの有無によって記録されます。ドメイン伝播メモリは衝撃や振動に対する耐性が非常に高いため、通常は宇宙や航空分野で使用されます。^[要出典]

磁気記憶媒体は、シーケンシャル アクセス メモリまたはランダム アクセス メモリのいずれかに分類できますが、場合によってはその区別が完全に明確ではありません。アクセス時間は、保存されたレコードにアクセスするために必要な平均時間として定義できます。磁気ワイヤの場合、読み取り/書き込みヘッドは、特定の時点で記録面の非常に小さな部分のみをカバーします。ワイヤのさまざまな部分にアクセスするには、目的のポイントが見つかるまでワイヤを前後に巻き付けます。このポイントにアクセスする時間は、開始点からの距離によって異なります。フェライト コア メモリの場合は逆です。すべてのコア位置にいつでもすぐにアクセスできます。^[要出典]

ハードディスクと現代のリニア サーペンタイン テープ ドライブは、どちらのカテゴリにも正確には当てはまりません。どちらもメディアの幅全体に多数の平行トラックがあり、読み取り/書き込みヘッドがトラック間の切り替えやトラック内のスキャンを行うのに時間がかかります。ストレージ メディア上のさまざまな場所にアクセスするには、さまざまな時間がかかります。ハードディスクの場合、この時間は通常 10 ミリ秒未満ですが、テープの場合は 100 秒ほどかかることがあります。^{[引用が必要]}

磁気ディスクヘッドと磁気テープヘッドはDC（直流）を通すことができないため、テープとディスクの両方のデータのコーディング方式はDCオフセットを最小限に抑えるように設計されています。ほとんどの磁気ストレージデバイスはエラー訂正を使用しています。^[7]

多くの磁気ディスクは、内部的に何らかの形式のランレングス制限コーディングと部分応答最大尤度を使用しています。^[要出典]

2021年現在^[update]、磁気ストレージメディアの一般的な用途は、ハードディスクへのコンピュータデータの大量保存と、アナログテープへのアナログオーディオおよびビデオ作品の記録です。オーディオおよびビデオ制作の多くがデジタルシステムに移行しているため、アナログテープを犠牲にしてハードディスクの使用が増加すると予想されます。デジタルテープとテープライブラリは、アーカイブやバックアップの大容量データストレージに人気があります。フロッピーディスクは、特に古いコンピュータシステムやソフトウェアを扱う場合に、ある程度使用されています。磁気ストレージは、銀行小切手（MICR）やクレジット/デビットカード（磁気ストライプ）などの特定のアプリケーションでも広く使用されています。^[要出典]

磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（MRAM）と呼ばれる新しいタイプの磁気ストレージが生産されています。これは、トンネル磁気抵抗（TMR）効果に基づいて磁気ビットにデータを保存します。その利点は、不揮発性、低消費電力、および優れた衝撃耐性です。開発された第1世代は、Everspin Technologiesによって製造され、磁場誘導書き込みを使用していました。^[8]第2世代は、2つのアプローチで開発されています。現在Crocus Technologyによって開発されている熱アシストスイッチング（TAS）^[9]と、Crocus、Hynix、IBM、およびその他のいくつかの企業が取り組んでいるスピントランスファートルク（STT）です。 ^[10] ただし、ストレージ密度と容量がHDDよりも桁違いに小さいMRAMは、書き込み耐久性が限られているためフラッシュメモリではサポートできない、非常に頻繁な更新が必要な中程度のストレージが必要なアプリケーションに役立ちます。^{[要出典] 6状態MRAMも開発されており、} 2ビットではなく6つの異なるビットを持つ4ビットマルチレベルフラッシュメモリセルを反映している。^[11]

オランダのラドバウド大学のアレクセイ・キメル氏も、磁気記録媒体にデータを書き込む際に標準的な電気パルスではなくテラヘルツ放射を使用する可能性について研究を行っている^[12]。テラヘルツ放射を使用すると、書き込み時間を大幅に短縮できる（標準的な電気パルスを使用する場合よりも50倍高速）。もう1つの利点は、テラヘルツ放射はほとんど熱を発生しないため、冷却の必要性が減ることである^{[13] 。}

• デジタルオーディオテープ
• デジタルデータストレージ
• ディスクストレージ
• カールクヴィストギャップ
• 磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)
• 磁気記録方式:
  • 熱アシスト磁気記録（HAMR）
  • 縦磁気記録（LMR）
  • 垂直磁気記録(PMR)、従来型磁気記録 (CMR) とも呼ばれる
  • シングル磁気記録(SMR)
• マーヴィン・カムラス（1916年 - 1995年）、アメリカの電気技師、発明家、磁気記録技術の大きな貢献者

• 磁気記録の歴史 (BBC/H2G2)
• 磁気記録の歴史
• オバーリン・スミスと磁気録音の発明
• カリフォルニア大学サンディエゴ校の Web サイト (CMRR) の磁気記録の歴史。
• 磁気記録の年表。
• [1] 「サイエンス・レポーター、ISSN  0036-8512 巻43号7号2006年7月「磁気記録は革命的な技術」
• 「デジタル ストレージ メディアを理解する: アーカイブで見つかる最も一般的なタイプのデジタル ストレージ メディアに関するガイド」。米国: テキサス大学サンアントニオ校。