Методы визуализации магнитных полей носителей информации
С.Р. Коженевский
Рассмотрены современные методы визуализации магнитных полей рассеяния магнитных носителей информации и их приложения в технике цифровой магнитной записи. Приведены описание и результаты эксперимента по оценке эффективности уничтожения информации методом Биттера. визуализация магнитное поле биттер
Ключевые слова: визуализация, магнитный носитель, магнитная запись, метод Биттера, коллоидная суспензия, магнитооптический метод, визуализация на пленках феррит-гранатов, магнитооптческий кристалл, магнитная силовая микроскопия, восстановление информа-ции, уничтожение информации.
Информация, будь то игры, рабочие документы или корпоративная база дан-ных, является самой важной составляющей любой компьютерной системы. Еже-годно человечество производит порядка 5 экзабайт (5 миллиардов Гбайт) ориги-нальной информации, из этого огромного количества более 80 % передается и сохраняется при непосредственном участии накопителей, использующих принципы магнитной записи [1]. Для сравнения, 1 Мбайт данных соответствует приб-лизительно 300 стандартным текстовым страницам формата А4. При плотности записи 300 Гбайт/кв. дюйм, анонсированной недавно компанией Toshiba, на по-верхности площадью меньше троллейбусного талончика можно сохранить 90 миллионов листов печатных материалов.
Приведенные факты свидетельствуют о существовании у человечества, если так можно выразиться, «магнитно-информационной зависимости», вызванной от-сутствием в настоящее время технологий, которые могли бы стать реальной аль-тернативой магнитному хранению информации. По оценкам аналитиков, в обоз-римом будущем перспективы избавиться от такой зависимости в компьютерной индустрии не предвидится, более того, с каждым годом она только возрастает.
Достижения в технике цифровой магнитной записи опираются на результаты фундаментальных исследований, проводимых в последние десятилетия компаниями-производителями магнитных накопителей. Разработаны материалы, обладаю-щие высокой степенью однородности формы и размеров магнитных доменов, что позволило существенно снизить уровень структурного (магнитного) шума носи-теля и, вследствие этого, повысить плотность записи. Исследования магниторе-зистивного эффекта привели к созданию более чувствительных головок, способ-ных регистрировать намагниченность уменьшившихся битов.
Несмотря на бурный рост возможностей устройств хранения данных на маг-нитных носителях физические основы магнитной записи и стирания остаются неизменными.
Физические основы магнитной записи и стирания информации
В качестве среды записи в магнитных носителях выступают ферромагнетики, отличительной особенностью которых является наличие микроскопических одно-родно намагниченных объемов вещества, называемых доменами. В отсутствие внешнего поля хаотично ориентированные магнитные моменты отдельных доме-нов взаимно компенсируют друг друга, поэтому результирующее поле ферромаг-нетика близко к нулю.
Зависимость намагниченности ферромагнитных материалов от внешнего маг-нитного поля имеет нелинейный характер и описывается так называемой петлей гистерезиса (рис. 1).
Рис. 1. Петля гистерезиса ферромагнетика
При включении внешнего магнитного поля H домены, направление спонтан-ной намагниченности которых совпадает с направлением поля, начинают увели-чиваться в размерах, что приводит к отличной от нуля результирующей намагни-ченности М. При увеличении поля ферромагнетик переходит в состояние насыще-ния, при котором дальнейшее возрастание поля уже не приводит к изменениям в его доменной структуре и росту его намагниченности. В этом состоянии, которое характеризуется намагниченностью насыщения Ms, магнитные моменты всех до-менов ориентированы одинаково, вдоль направления внешнего магнитного поля. Если намагниченный до насыщения образец начать размагничивать, уменьшая внешнее поле, то из-за необратимого смещения границ доменов даже в его от-сутствие сохраняется некоторая намагниченность Mr, называемая остаточной [2].
В основе процесса записи информации на магнитные носители лежит исполь-зование зависимости остаточного намагничивания ферромагнитных материалов от величины внешнего намагничивающего поля. Запись информации осуществ-ляется путем последовательного воздействия внешнего магнитного поля, изменя-ющегося по закону информационного сигнала, на различные участки носителя, а ее считывание -- путем последовательной регистрации остаточного намагничи-вания этих участков.
При пропускании тока через обмотку записывающей головки вокруг нее воз-никает магнитное поле рассеяния, которое воздействует на прилегающую к ней область ферромагнитного рабочего слоя движущегося магнитного носителя. Под воздействием этого поля происходит переориентация элементарных магнитных полей доменов. Домены, намагниченность которых ориентирована вдоль направ-ления внешнего поля, начинают расти, поглощая соседние, состояние которых ме-нее энергетически выгодно. После прекращения воздействия поля записи изме-нения в размерах и ориентации магнитных доменов частично сохраняются. При периодическом изменении поля записи в рабочем слое носителя возникает це-почка чередующихся участков с противоположными направлениями намагничен-ности, которые соприкасаются друг с другом одноименными полюсами (рис. 2в).
а)
б)
в)
г)
Рис. 2. Эпюры сигналов записи, считывания и зоны смены знака намагниченности в носителе:
а) ток записи; б) изменение намагниченности; в) распределение намагниченности;
г) напряжение считывания
Таким образом формируется магнитная сигналлограмма -- последователь-ность намагниченных участков на рабочей поверхности носителя, однозначно соответствующая временному распределению амплитуд информативного сигнала. Именно это пространственное распределение зон остаточной намагниченности регистрирует затем головка считывания [2]. Следует отметить, что в цифровой магнитной записи при считывании детектируются не сами зоны остаточной намагниченности той или иной полярности, а переходы между ними (рис. 2г).
Задача уничтожения информации на магнитном носителе, заключающаяся в разрушении созданных при записи следов остаточной намагниченности, решается либо перемагничиванием носителя, либо намагничиванием его до состояния насыщения.
На практике первое решение (перемагничивание) реализуют применением специальных головок стирания, которые воздействуют на носитель постоянным или переменным магнитным полем. В технике цифровой магнитной записи, в частности в жестких дисках, головка стирания, как правило, не используется -- новая информация записывается непосредственно поверх старой, затирая ее. Эти способы достаточно просты, но, кроме значительных затрат времени (сопоста-вимых со временем записи), они не обеспечивают высокой надежности унич-тожения информации. Возможными причинами этого могут быть недостаточно высокий уровень стирающего поля, несовпадение форматов записи и стирания, неточность позиционирования головки в последовательных циклах записи, дефек-ты носителей и головок и др.
Для решения второй задачи (намагничивания магнитных носителей до состояния насыщения) обычно используются специализированные устройства -- намагничиватели, принцип действия которых состоит в воздействии на носитель одним или серией мощных импульсов магнитного поля. Напряженность создавае-мого намагничивателем поля может изменяться в зависимости от типа накопи-теля, но она всегда превышает значение поля насыщения Hs для конкретного материала рабочего слоя. Поэтому носитель равномерно намагничивается до на-сыщения по всей поверхности, что обеспечивает полное уничтожение инфор-мации. Недостатком такого подхода является то, что некоторые типы накопи-телей, например, жесткие диски, при таком воздействии выходит из строя и дальнейшее их использование становится невозможным.
Методы визуализации магнитных полей носителей
В некоторых случаях, например, в случае гарантийной замены неисправного накопителя, содержащего конфиденциальную информацию, необходимо сущест-вование уверенности в том, что информация гарантировано уничтожена с магнит-ного носителя. Под этим будем понимать такое изменение его магнитной струк-туры, при котором невозможно считывание информации стандартными средст-вами накопителя, а ее восстановление с помощью специальных средств и методов экономически нецелесообразно. Таким образом, чтобы оценить надежность уда-ления данных, необходим инструмент, позволяющий зарегистрировать и изме-рить происходящие в процессе уничтожения изменения.
Задача гарантированного уничтожения информации встает далеко не перед каждым пользователем. А вот с проблемой ее восстановления приходилось стал-киваться многим. Обычно утерянные в результате ошибок оператора или дейст-вия вирусов данные восстанавливают с помощью специализированных утилит. Задача значительно усложняется при выходе накопителя из строя. В случае не-исправности его электронных компонентов ее можно решить заменой микросхе-мы, перепрошивкой firware и т.п. Если же повреждены рабочие поверхности, то стандартными методами восстановить информацию практически невозможно. Как и в случае гарантированного уничтожения, необходим инструмент, который обеспечил бы доступ к информации на физическом уровне.
Таким инструментом являются методы визуализации магнитных полей рассеяния, позволяющие создавать визуальное представление рабочих поверхностей носителя с разрешением, достаточным для побитового исследования ин-формации. В настоящее время разработано более десяти различных методов ви-зуализации. В отличие от принятого в технике магнитной записи трактования понятия «сигналограмма» как временного распределения амплитуд сигнала запи-си/считывания, техника визуализации данных на магнитных носителях исполь-зует другой подход. Под магнитной сигналограммой понимается пространст-венное распределение амплитуд остаточной намагниченности, что дает возмож-ность «увидеть» данные на носителе. В этой статье рассмотрены те методы визуа-лизации, которые наиболее часто используются для исследования магнитных полей рассеяния магнитных носителей.
Метод Биттера
Это самый старый из известных методов визуализации магнитных полей. Ф. Биттер использовал его для исследования магнитной структуры материалов еще в 1930 г., когда еще не была сформирована теория магнитных доменов, поэтому в публикациях говорилось просто о неоднородностях в ферромагнетиках.
То, что на полученных Биттером изображениях (рис. 3) были действительно домены, только в 1949 г. доказали ученые одной из исследовательских лабора-торий «Белл компани» [3].
Чтобы понять суть метода, достаточно вспомнить известный школьный экс-перимент, в котором на лист бумаги насыпают железные опилки, а внизу распо-лагают магнит. В результате можно «увидеть» магнитное поле магнита, посколь-ку опилки выстраиваются вдоль его силовых линий.
Биттер усовершенствовал эту технологию, применив вместо опилок коллоид-ную суспензию магнитных частиц, каждая из которых по форме напоминает мик-роскопическую иглу размерами всего несколько микрон. Пребывая во взвешен-ном состоянии и практически не испытывая трения, такие частицы могут быстро переориентироваться в зависимости от направления приложенного поля. Если нанести на намагниченную поверхность тонкий слой суспензии, то частицы кон-центрируются вдоль участков образца, где намагниченность меняет свой знак, формируя так называемые картины Биттера, которые можно наблюдать с по-мощью оптического микроскопа. Для достижения большего контраста образец иногда помещают в небольшое внешнее магнитное поле, направленное вдоль его поверхности [3].
Разрешение метода определяется, в основном, размерами магнитных частиц и составом раствора, и в меньшей мере разрешающей способностью используемого микроскопа. Раньше приготовление суспензии было одним из сложнейших этапов подготовки и проведения эксперимента -- получение продукта с заданными ха-рактеристиками требовало терпения и специальных навыков исследователя. Сейчас ее изготовление поставлено на промышленную основу. В лучших образцах коммерческих суспензий размеры магнитных частиц составляют порядка 10 нм, что лежит за пределом разрешающей способности оптических микроскопов. При проведении исследований с использованием таких суспензий оптические микроскопы заменяют электронными, а разрешение метода в этом случае достигает 100 нм.
Позволяя быстро и с достаточно высоким разрешением визуализировать магнитные поля, метод Биттера в то же время имеет существенный недостаток -- удалить магнитную суспензию с намагниченной поверхности абсолютно невоз-можно, т.е. метод Биттера является разрушающим. Тем не менее, он широко применяется на практике в приложениях контроля и оценки эффективности унич-тожения информации, хранящейся на магнитных носителях. Компания ЕПОС использовала этот метод при исследовании надежности уничтожения информации на жестких дисках станцией комплексного технического обслуживания накопи-телей СКТО НЖМД.