Los Platos Magnéticos
Platos es donde se almacena la
información en un
disco duro, son de un material rígido, en contraste con la delgada capa plástica de los disquetes Dichos platos son de
aluminio, con un diámetro que se ha ido reduciendo gradualmente, e la par que se he incrementado la capacidad de
almacenamiento: han pasado de 5.25 pulgadas en las primeras unidades a 3.5 de los discos más usuales en maquines de escritorio y e un tamaño de 2.5 ó 1.8 pulgadas para las maquinas portátiles.
Si bien el aluminio ha sido durante mucho
tiempo el material mas utilizado, conforme ha ido avanzando la
tecnología de
construcción de cabezas magnéticas, ha mostrado serias limitaciones, sobre todo en le
producción de superficies cada vez más planas y perfectamente lisas Ante este situación, los fabricantes de
discos duros están experimentando con nuevos
materiales, como el
vidrio y componentes cerámicos de alta tecnología. Por ahora, el problema de estos materiales alternos es su alto
costo.
Para almacenar información, la superficie de los platos es recubierta con un material capaz de grabar por tiempo indefinido campos magnéticos de niveles apreciables; en este especto, los fabricantes han utilizado dos
técnicas: le primera (utilizado desde los discos duros más antiguos) consiste en un depósito de partículas de óxido de
hierro sumergidas en una solución adhesiva, misma que se aplica en el centro de los platos girando e alta
velocidad, de tal manera que por
fuerza centrífuga el material se distribuye de manera uniforme sobre toda le superficie. Con esto se consigue une capa de aproximadamente 70- 80 micras de grueso, con un acabado
café opaco.
Los discos más nuevos utilizan una técnica mas avanzada, conocida como "de capa delgada", pues es más fina, a la vez que más consistente y uniforme que la anterior, permitiendo mayores densidades de grabación y una mayor durabilidad. Físicamente, pueden reconocerse por su acabado en espejo. La profundidad de la capa magnética que almacena los
datos es de unas 3-8 micras de espesor, dependiendo de la tecnología empleada para aplicar esta capa Estos tipos de platos son los que mas se utilizan en los discos actuales.
Cabezas de lectura/escritura
Existen diferentes tipos de cabeza de lectura/
escritura. Entre las primeras, se cuentan a la cabeza monolítica de ferrita y a la cabeza construida con un block, también de ferrita. Un avance posterior, se dio con el uso de cabezas compuestas, las cuales se fabrican con una mezcla de un material no magnético al que se le agrega una pequeña porción de ferrita.
Las cabezas son el componente mas costoso de un disco duro, y sus características ejercen gran impacto en el
diseño y rendimiento del disco duro. No obstante su alto costo, mantienen un diseño básico y un
objetivo relativamente simple:
una cabeza es una pieza de material magnético, cuya forma es parecida a una letra "C" con una pequeña abertura (gap); una bobina de alambre se enrolla en este núcleo para construir un electromagneto; de hecho, su
estructura es básicamente la misma que la de las cabezas empleadas en las grabadoras de audio convencionales.
Para la escritura en el disco, la corriente que circula por la bobina crea un campo magnético a través del gap, el cual magnetiza a la cubierta del disco bajo la cabeza. Para leer desde el disco, la cabeza sensa un pulso de corriente
electrónica que corre por la bobina cuando la abertura pasa por arriba de una reversión de flujo en el disco.
Estructura de una cabeza magnética
Gracias a las mejoras tecnológicas, en la actualidad los bits son empaquetados mas densamente, por lo que el espacio necesario para su grabación se ha ido reduciendo. El bit de información almacenado, da origen a la señal producida por la cabeza cuando esta lo lee; sin embargo, el reducido tamaño del bit ha implicado un mayor reto, pues las cabezas deben flotar aún más cerca del medio de almacenamiento, con el propósito de incrementar la amplitud de la señal.
El siguiente paso en la
evolución de las cabezas, fue el diseño de tipo MIG (Metal In Gap o Metal Insertado), en cuyo gap se le introduce una delgada capa metálica para aumentar la capacidad magnética. Esta tecnología también ha sido superada en nuestros días, siendo sustituida por la de cabezas de película delgada, que se describirá a continuación.
Actualmente, muchas unidades emplean cabezas de película delgada, cuya característica es que los elementos estructurales se depositan en un sustrato, de manera muy semejante a como son fabricados los microchips La tecnología de película delgada es un valioso recurso para los fabricantes de cabezas, ya que éstas pueden fabricarse con un menor tamaño y se les puede aplicar un mejor
control de
calidad.
La mas reciente tecnología de cabezas, llamada "magneto-resistiva" (MR), está diseñada para lograr
medios de almacenamiento de muy altas densidades de grabación, en el rango de 1 a 2 billones de bits por pulgada cuadrada (BPSI), en comparación con las densidades de menos de 200 millones BPSI ofrecidas por las tecnologías de cabeza tradicionales.
A diferencia de estas (que consisten en pequeños electromagnetos de
inducción), la tecnología MR emplea una forma distinta de realizar
la lectura, basándose en un material especial cuya
resistencia eléctrica se modifica ante la presencia de un campo magnético.
Una pequeña franja de material magnetoresistivo que se deposita en la estructura de la cabeza, pasa por arriba de los patrones magnéticos del disco, sensa la fuerza del
campo magnético y produce pulsos eléctricos que corresponden a las reversiones de flujo. Como este mecanismo no puede utilizarse para escribir, un elemento de escritura inductivo de película delgada es depositado a lo largo de uno de los lados de dicha franja.
La tecnología de la cabeza magneto-resistiva comenzó a aparecer en 1994, y dada su gran aceptación fue incorporada, un año después, en el diseño de discos duros. Asimismo, debido en gran parte al uso de las cabezas MR acopladas con canales de lectura PRML (Manifestación Máxima de Respuesta Parcial, técnica de
codificación y almacenamiento de datos), hizo posible que, utilizando un solo plato de almacenamiento, un drive de 1 gb o mas de capacidad fuese realidad.
Esta tecnología ha seguido evolucionando; de hecho, se han diseñado cabezas magneto-resistivas gigantes, las cuales se utilizan en discos duros de muy alta capacidad (arriba de 6 GB). Este nuevo estándar, desarrollado por IBM, promete ser la piedra angular de los discos duros en un futuro cercano, de modo que puedan seguir satisfaciendo la creciente
demanda de capacidad de almacenamiento de los usuarios de
computadoras personales.
Brazo del actuador y bobina de voz
Para mover las cabezas, es necesario un mecanismo que las desplace lateralmente a través del
radio de los platos mientras estos giran; para llevar a cabo este
movimiento, se han utilizado dos
métodos distintos: un
motor lineal y la bobina de voz.
Los discos mas antiguos se apoyaban en un mecanismo muy similar al utilizado en las unidades de diskette para el desplazamiento de cabezas; esto es, un motor de pasos conectado a un brazo encargado del movimiento del conjunto. Este
método resultó satisfactorio en unidades con un numero limitado de sectores, ya que en estos casos los tracks que se grababan eran lo suficientemente anchos como para que las ligeras fallas en el
posicionamiento de la cabeza (prácticamente inevitables por la misma
naturaleza de su movimiento) no afectaran de manera determinante el
proceso de grabación y recuperación de datos.
Sin embargo, este método de desplazamiento tenía una inconveniencia: si por cualquier razón el mecanismo se atoraba ligeramente y perdía su posición de referencia, de ahí en adelante todas las lecturas o escrituras se efectuarían en forma incorrecta. Pero además, el mismo calentamiento de los discos por su operación normal, era suficiente para desalinear las cabezas en relación con los tracks en los platos; o algún
cambio en la postura de la unidad podía afectar el proceso de recuperación de información (precisamente, en estos discos había que tomar precauciones como formatearlos exactamente en la posición en que fueran a trabajar, y no había que moverlos mientras estuvieran funcionando). Por estas razones, el método del motor de pasos pronto fue desechado y sustituido por las modernas bobinas de voz.
Este método funciona de manera muy similar a como trabajan las bocinas convencionales: una bobina sumergida en un poderoso campo magnético, y a través de la cual circula una corriente cuidadosamente calculada produciendo así una fuerza que desplaza a las cabezas magnéticas sobre la superficie de los platos.
La gran ventaja de este método en comparación con el anterior, es que se trata de un
sistema dinámico realimentado, donde en los mismos tracks en que se almacenan los datos también se graban ciertas
marcas que le sirven de referencia al sistema de posicionamiento de cabezas; de este modo, conforme se lee o escribe un
archivo, el circuito de movimiento de brazo detecta si la posición de las cabezas es la adecuada, y en caso contrario envía ligeras variaciones a la corriente aplicada en la bobina de voz, corrigiendo así la diferencia.
Gracias a este método, los discos duros modernos pueden utilizarse en cualquier posición, absorber vibraciones externas e incluso golpes de varios "G" de intensidad (G, fuerza con que nos atrae la gravedad hacia el piso), sin interferir en la lectura y escritura de datos. Y no sólo ello, gracias a su característica de auto corrección, es posible grabar tracks mucho más finos que con el método anterior, lo que finalmente se traduce en discos de mayor capacidad con un numero reducido de platos.
Partes que componen una bobina de voz típica:
1.-Brazo actuador, donde van montadas las cabezas magnéticas
2.-Bobina de desplazamiento
3.-Conjunto de imanes que producen al campo magnético necesario para el desplazamiento de la bobina.
Por lo que se refiere al brazo del actuador, tan sólo se trata de una palanca metálica en cuyo extremo se encuentran las cabezas magnéticas, sostenidas con un resorte que las impulsa fuertemente contra la superficie de los platos. Todas las cabezas están fijas en el brazo del actuador, por lo que si una de ellas se desplaza, digamos al track 250, todas las demás cabezas efectúan exactamente el mismo movimiento. Es por esta razón que en discos duros no se habla de tracks, sino de "cilindros", ya que todas las cabezas leyendo al mismo tiempo una determinada posición nos remiten precisamente a dicha forma.
Interacción plato-cabeza
Sabemos por lo mencionado anteriormente que por la
acción del resorte en el brazo del actuador, las cabezas magnéticas se encuentran en estrecho contacto con la superficie de los discos; también sabemos que los platos en los discos duros giran con una velocidad considerable (entre 3,600 y 10,000 RPM, dependiendo del
modelo específico de disco). Entonces, si la cabeza está en contacto con la superficie del disco y éste gira rápidamente, cabría suponer que la fricción entre ambos tarde o temprano provocaría la destrucción de alguno de estos elementos. ¿Cómo se hace para que esto no suceda?
Hay una
propiedad dinámica de los fluidos (
aire o líquidos), según la cual "no importa la rapidez con se desplace un fluido por una tubería, la velocidad relativa de las partículas adyacentes a las paredes de dicho tubo será prácticamente igual a cero". Dicho en otras palabras, si el aire corre con una velocidad muy alta sobre la superficie de un plato de metal, por fricción entre las moléculas del
gas y la superficie del plato, las partículas de aire que se encuentra inmediatamente tenderán a "pegarse" a él. Esta situación se repite exactamente en la situación contraria:
una cámara de aire estático con unos platos girando con gran velocidad. En resumen, sucede que junto con los platos, en su superficie, se mantiene girando una fina capa de aire.
Este pequeño "colchón de aire" es aprovechado por las cabezas magnéticas, que al poseer una forma aerodinámica obligan a esta pequeña capa a comprimirse debajo de ellas, produciendo la suficiente fuerza para elevar al conjunto unas cuantas micras sobre la superficie del plato evitando así el contacto entre ambos elementos y, por lo tanto, impidiendo la fricción.
Gracias a este fenómeno, los discos pueden durar varios años de
trabajo continuo, al final de cuya vida útil las cabezas llegan a "viajar" miles de kilómetros sobre la superficie de los platos ¿Pero que sucede cuando se apaga el sistema y los platos dejan de girar? Al no existir el colchón de aire que se forma entre cabeza y plato, estos elementos entran en contacto (en
lenguaje coloquial las cabezas "aterrizan"); si esto sucede en una porción del disco donde se tiene información grabada, su integridad puede ser afectada. Para evitar este problema, los discos duros más antiguos tenían fijada una posición de "estacionado" de cabezas (se daba de alta en el Setup) , y antes de apagar su sistema los usuarios debían tener la precaución de dar una orden de "estacionar cabezas" (el famoso comando PARK); entonces el conjunto se desplazaba hacia dicha posición sin datos, con lo que ya podía ser apagada la máquina.
En la actualidad, los fabricantes de discos duros han incorporado un sistema automático que lleva a cabo exactamente esa misma
función al momento del apagado .Para ello, se aprovecha la fuerza centrípeta que se genera en un disco Q, recuerda que en los tradicionales discos de audio de acetato, cuando la aguja ya estaba muy gastada. mediante una palanca que asegura al brazo del actuador en dicha posición; de este modo una vez que se ha apagado un disco duro, las cabezas quedan firmemente aseguradas en una posición donde no afectan la información grabada.
Electrónica integrada
Uno de los adelantos que contribuyeron a popularizar los discos duros de tecnología IDE, es que dentro de la estructura de la misma unidad se encuentra la circuitería electrónica necesaria para llevar a cabo una gran cantidad de
funciones distintas
-Controlar el flujo de datos desde y hacia el
microprocesador.
- Codificar y decodificar los datos que van a ser grabados en los platos.
-Controlar cuidadosamente la velocidad de giro de los discos.
-Controlar la corriente que circula por la bobina de voz, lo que a so vez se traduce en un posicionamiento exacto de las cabezas de lectura/ escritura.
- Verificar que todos los elementos de la unidad funcionen correctamente, mediante un microcontrolador dedicado a esa función.
- Soportar un bloque de
memoria que sirve como cache de datos en los
procesos de lectora y escritora de información (esto en casi todos los discos modernos).
Debido a que prácticamente todas las funciones principales del manejo del disco duro se han incorporado en esta sección electrónica, la interface entre la unidad y la
tarjeta madre es muy sencilla, al grado que se puede incluir en una tarjeta de bajo costo o (el caso mas común en la actualidad) en la misma tarjeta madre. Esto evita que los consumidores tengan que pagar el alto costo que implican las controladoras dedicadas, como sería el caso en las unidades con interface SCSI.
Conclusión
La tecnología de los discos duros modernos es considerablemente mas avanzada que la de los primeros discos que se utilizaron en la plataforma PC; sin embargo, el principio básico de funcionamiento de estas unidades sigue siendo prácticamente el mismo.
Viendo a futuro, podemos esperar que la capacidad de los discos siga aumentando a la par que disminuya el
precio por mb de almacenamiento; y mas adelante, cuando los
límites impuestos por la
física impidan el
desarrollo posterior de los discos magnéticos, seguramente se habrán desarrollado nuevas y sofisticadas tecnologías de almacenamiento masivo de información, que nos permitirán satisfacer las crecientes necesidades informáticas.
