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磁気ストレージ、または磁気記録とは、磁化された媒体にデータを保存する方式です。磁気ストレージは、磁化可能な材料における様々な磁化パターンを利用してデータを保存する方式であり、不揮発性メモリの一種です。情報は、1つまたは複数の読み書きヘッドを使用してアクセスされます。
磁気記憶媒体、特にハードディスクは、コンピュータデータだけでなく、音声信号や映像信号の保存にも広く用いられています。コンピュータ分野では「磁気記憶」という用語が好まれ、音声・映像制作分野では「磁気記録」という用語がより一般的に使われています。この区別は技術的なものではなく、むしろ好みの問題と言えるでしょう。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挙げられます。
ワイヤー記録（ワイヤーへの音声記録）の形での磁気ストレージは、 1888 年 9 月 8 日のElectrical World誌でオーバリン・スミスによって公表された。[ 1 ]スミスは 1878 年 9 月に特許を出願していたが、彼の仕事が工作機械であったため、このアイデアを追求する機会がなかった。1900年のパリ万国博覧会で初めて公開された磁気レコーダーは、 1898 年にヴァルデマール・ポールセンによって発明された。ポールセンの装置は、ドラムに巻き付けられたワイヤーに信号を記録していた。1928 年、フリッツ・プフルーマーは最初の磁気テープレコーダーを開発した。初期の磁気ストレージデバイスは、アナログ音声信号を記録するように設計されていた。コンピュータ、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ている。
コンピュータでは、磁気記憶は磁気ドラム、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、主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。
情報は、磁気表面のごく近傍（数十ナノメートル程度）で動作する読み書きヘッドと呼ばれる装置を通過する際に、記憶媒体に書き込まれたり読み出されたりします。読み書きヘッドは、その直下の物質の磁化を検出し、変更するために使用されます。磁気極性は2種類あり、それぞれが0または1を表します。
磁気表面は概念的に、サブマイクロメートルサイズの多数の小さな磁気領域（磁気ドメインと呼ばれるが、これらは厳密な物理的意味での磁気ドメインではない）に分割され、それぞれの領域はほぼ均一な磁化を持つ。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個の磁性粒子で構成されている。磁性粒子は通常10 nmのサイズで、それぞれが単一の真の磁気ドメインを形成する。各磁気領域は全体として磁気双極子を形成し、磁場を生成する。古いハードディスクドライブ（HDD）の設計では、領域は水平方向にディスク表面に平行に配置されていたが、新しいディスクでは、磁気ドメインの間隔を狭くするために、向きが垂直に変更された。 [ 2 ]
古いハードディスクドライブは磁性材料として酸化鉄(III)（Fe 2 O 3 ）を使用していたが、現在のディスクはコバルトベースの合金を使用している。[ 3 ]
データの信頼性の高い保存には、記録媒体が自己消磁に耐える必要があります。自己消磁とは、磁気ドメイン同士が反発し合う現象です。磁化力の弱い材料に磁気ドメインが近接して書き込まれると、これらの反発力を打ち消すために1つまたは複数のドメインの磁気モーメントが回転し、時間の経過とともに劣化します。ドメインは横方向に回転して中間位置に達するため、ドメインの読み取り精度が低下し、磁気的なストレスが緩和されます。
書き込みヘッドは強い局所磁場を発生させて領域を磁化し、読み出しヘッドはその領域の磁化を検出します。初期のHDDは電磁石を使用して領域を磁化し、電磁誘導によってその磁場を読み出していました。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）ヘッドや薄膜ヘッドがありました。データ密度が増加するにつれて、磁気抵抗（MR）を利用した読み出し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からの磁力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利用され、読み出しヘッドの磁気抵抗効果は以前のタイプよりもはるかに大きくなり、「巨大」磁気抵抗（GMR）と呼ばれました。今日のヘッドでは、読み出し要素と書き込み要素は分離されていますが、アクチュエータアームのヘッド部分で近接しています。読み出し要素は通常磁気抵抗型で、書き込み要素は通常薄膜誘導型です。[ 4 ]
ヘッドがプラッター表面に接触しないように、プラッターのすぐ近くに空気が循環しています。この空気はプラッターの回転速度とほぼ同速で移動します。録音ヘッドと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面は、ヘッドがプラッターにわずかに接触しないように形状が工夫されています。これにより、一種のエアベアリングが形成されます。
アナログ記録は、特定の物質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最初に脱磁されます。記録時には、テープは一定速度で走行します。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形成されます。最後に、磁化分布を読み出すことで、元の信号を再現できます。磁気テープは通常、ポリエステルフィルムテープ上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[ 5 ]）を埋め込むことによって作られます。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、そして後に純金属粒子も使用されました。アナログ記録は、オーディオおよびビデオ記録の最も一般的な方法でした。しかし、1990年代後半以降、デジタル記録の普及により、テープ記録の人気は低下しました。[ 6 ]
アナログ記録では磁化分布を作成する必要があるのに対し、デジタル記録ではヒステリシスループ上の+Msと-Msという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、 2024年現在、手頃な価格で大容量を提供しています。消費者向けHDDは、1テラバイトあたり約15 ～ 20米ドルでデータストレージを提供します。 [ 7 ]
光磁気記録は光学的に書き込み/読み出しを行う。書き込み時には、レーザー光によって磁性媒体を局所的に加熱し、保磁力を急速に低下させる。その後、微弱な磁場を用いて磁化を反転させることができる。読み出しプロセスは光磁気カー効果に基づいている。磁性媒体は通常、非晶質R-Fe-Co薄膜（Rは希土類元素）である。光磁気記録はあまり普及していない。有名な例としては、ソニーが開発したミニディスクが挙げられる。
ドメイン伝播メモリはバブルメモリとも呼ばれる。基本的な考え方は、微細構造のない磁性媒体における磁壁の動きを制御することである。バブルとは、安定した円筒形の磁区を指す。データは、バブル磁区の有無によって記録される。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、主に宇宙や航空分野で応用されている。
磁気記憶媒体は、シーケンシャルアクセスメモリとランダムアクセスメモリに分類できますが、場合によってはその区別は必ずしも明確ではありません。アクセス時間は、記録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、読み書きヘッドは、記録面のごく一部しか一度にカバーしません。ワイヤの異なる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取る必要があります。このポイントにアクセスするのにかかる時間は、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。コアのすべての位置にいつでもすぐにアクセスできます。
ハードディスクと最新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厳密には当てはまりません。どちらもメディアの幅方向に多数の並列トラックがあり、読み書きヘッドがトラック間を切り替えたり、トラック内をスキャンしたりするのに時間がかかります。ストレージメディア上の異なる場所にアクセスするには、それぞれ異なる時間がかかります。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秒にも及ぶことがあります。
磁気ディスクヘッドと磁気テープヘッドは直流（DC）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に対する符号化方式は、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。[ 8 ]
2021年現在磁気記憶媒体の一般的な用途としては、ハードディスクへのコンピュータデータの大量保存や、アナログテープへのアナログ音声・映像作品の記録などがあります。音声・映像制作の多くがデジタルシステムに移行しているため、アナログテープに代わっ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保存に人気があります。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際に、わずかながら使用されています。磁気記憶は、銀行小切手（MICR）やクレジットカード／デビットカード（磁気ストライプ）など、特定の用途でも広く使用されています。
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製造されており、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、および優れた耐衝撃性です。開発された最初の世代はEverspin Technologiesによって製造され、磁場誘起書き込みを利用しました。[ 9 ] 2番目の世代は、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）[ 10 ]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伝達トルク（STT）[ 11 ]という2つのアプローチで開発されています。しかし、ストレージ密度と容量がハードディスクよりも桁違いに小さいため、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、非常に頻繁な更新を必要とする中程度のストレージが必要なアプリケーションで役立ちます。6状態MRAMも開発されており、これは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彷彿とさせる。[ 12 ]
オランダのラドバウド大学のアレクセイ・キメル氏[ 13 ]も、磁気記憶媒体へのデータ書き込み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進めている。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した場合の50倍速い）。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、冷却の必要性が軽減されることである[ 14 ] 。
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