Perkembangan desain head baca/tulis terjadi bersamaan dengan perkembangan teknologi disk drive. Head paling awal hanyalah inti besi sederhana dengan kumparan (electromagnet). Dibanding standar saat ini, desain head awal memiliki ukuran fisik yang sangat besar dan dioperasikan pada kerapatan perekaman yang sangat rendah. Selama bertahun-tahun, desain head berkembang dari desain pertama yang berupa inti ferit sederhana menjadi beberapa tipe dan teknologi yang tersedia saat ini. Bagian ini membahas berbagai tipe head yang terdapat dalam drive hard disk PC, termasuk pula aplikasi, kekuatan relative, dan kelemahan masing-masing.
Berikut ini lima tipe utama head yang telah digunakan dalam drive hard disk selama bertahun-tahun:
- Ferrite
- Thin-Film (TF)
- Metal-In-Gap (MIG)
- Magneto-resitive (MR)
- Giant magneto-resitive (GMR)
- Ferrite
Head ferrit (atau ferit), tipe tradisional desain head-magnetic, berkembangdari drive IBM 30-30 Wincester awal. Head ini memiliki inti oksida besi dililit dengan kumparan elektromagnetik. Drive menghasilkan medan magnetic dengan cara memberi power pada kumparan atau melewatkan medan magnetic di dekatnya, sehingga head mendapat kemampuan penuh untuk baca/tulis. Head ferit lebih besar dan lebih berat dibandingkan dengan head thin-film dan karena itu memerlukan ketinggian pengambanganyang lebih besar untuk menghindari kontak dengan disk pada saat berputar.
Produsen telah membuat banyak perbaikan terhadap desain head ferit (monolitik) awal. Salah satu tipe head ferit, yang disebut head ferit komposit, memiliki inti ferit yang lebih kecil yang diikat dengan kaca dalam sebuah kotak keramik. Desain ini mengizinkan penggunaan celah head yang lebih kecil, sehingga memungkinkan kerapatan track yang lebih tinggi. Head ini lebih tahan terhadap medan magnetik stray dibanding head desain monolitik
Selama tahun 1980-an, head ferit komposit popular pada banyak drivelow-end, misal Seagate ST-225. Permintaan terhadap kerapatan yang lebih tinggi semakin meningkat, sehingga desain MIG dan thin-film menggantikan ferit, yang sekarang telah usang. Head ferit tidak dapat menulispada media yang memiliki coercivity 3 tinggi yang diperlukan pada desian disk kerapatan tinggi dan head ferit memiliki respon frekuensi yang buruk pada tingkat derau tinggi. Kelebihan utama head ferit adalah sebagai satu-satunya tipe termurah yang ada.
Metal-In-Gap
Head Metal-in-Gap merupakan versi perbaikan dari desain ferit komposit. Dalam head MIG, suatu substansi logam terdapat pada celah perekam head. Terdapat dua versi head MIG: single-sided dan double sided. Head MIG single-sided didesain dengan lapisan paduan magnetic di sepanjang pinggir luar celah. Desain head MIG double-sided menggunakan lapisan pada kedua sisi celah. Paduan logam dimasukkan dengan menggunakan proses deposisi vakum yang disebut sputtering.
Thin Film
Head thin-film diproduksi dengan cara yang mirip dengan pembuatan chip semikonduktor-melalui proses fotolitografi. Proses ini menghasilkan ribuan head pada wafer4 sirkuler tunggal dan menghasilkan produk sangat kecil berkualitas tinggi.
Head TF memiliki celah head yang sangat tipis dan teratur dihasilkan dari sputtering bahan aluminium keras. Karena bahan ini sepenuhnya menutup celah,maka area tersebut terlindungi dengan baik, meminimalisasi kemungkinan kerusakan karena kontak dengan disk yang berputar.Inti tersebut merupakan kombiasi paduan besi dan nikel yang memilki dua atau empat kali power magnetik disbanding inti head ferit.
Head TF menghasilkan pulsa magnetic yang tajam sehingga memungkinkan penulisan dengan kerapatan sangat tinggi. Karena tidak menggunakan kumparan knventional, maka head TF lebih tahan terhadap variasi impedansi kumparan. Head yang ringan dan kecil ini dapat mengambang lebih rendah daripada head ferit dan MIG; pada beberapa desain, tinggi pengambangan adalah 2mikro-inci atau kurang. Karena pengurangan tinggi tersebut memungkinkan head untuk mengambil dan menstrasmisi sinyal yang lebih kuat dari piringan, maka rasio singnal-to-noise dan akurasi meningkat. Pada track dan kerapatan linier tinggi dibeberapa drive, head ferit standar tidak akan mampu mengambil sinyal data dari derau latar. Keuntungan lain menggunakan head TF adalah ukurannya yang kecil memungkinkan piringan untuk disusun lebih berdekatan, sehingga lebih banyak piringan dapat dimasukkan dalam ruang yang sama.
Hingga beberapa tahun terakhir ini, head TF relative mahal disbanding dengan teknologi sebeloumnya, missal ferit dan MIG. Akan tetapi teknik produksi yang lebih baik dan kebutuhan kerapatan yang lebih tinggi, telah mengarahkan pasar untuk menggunakan head TF. Penyebarluasan penggunaan head ini menyebabkan biayanya kompotitif, jika tidak disebut lebih murah, daripada head MIG.
Head Magneto-Resistive
Perkembangan yang lebih baru dalam perekaman magnetik – atau lebih spesifiknya dalam fase pembacaannya pada perekaman magnetic – adalah head magneto-resistive, yang juga sering disebut head anisotropic magneto-resistan (AMR). Pada beberapa tahun terakhir, sebenarnya semua desain hard disk modern telah bergeser menggunakan head MR. Head MR mampu meningkatkan kerapatan empat kali atau lebih dibanding head inductive-only sebelumnya. IBM memperkenalkan drive dengan head MR yang tersedia secara komersial pertama kali pada tahun 1991, dengan model 1GB 3.5”.
Semua head adalah detector:; yang berarti semua head didesain untuk mendeteksi transisi fluks dalam media dan mengkonversinya kembali menjadi sinyal listrik yang dapat diinterprestasikan sebagai data. Satu masalah pada perekaman magnetic adalah keinginan untuk mendapatkan peningkatan kerapatan yang lebih tinggi dan lebih tinggi lagi, sehingga dapat memasukkan lebih banyak informasi (transisi fluks) pada ruang yang lebih kecil dan lebih kecil lagi. Apabila domain magnetik pada disk semakin kecil, sinyal dari head selama opersi baca semakin lemah; sehingga akan semakin sulit untuk membedakan sinyal sebenarnya dengan derau acak ataumedan stray yang ada. Sehingga diperlukan head baca yang lebih efisien untuk mendeteksi transisi pada disk secara lebih efisien.
Efek magnetik lain yang terkenal saat ini digunakan pada drive modern. Pada saat suatu kawat melalui medan magnet ik, kawat tersebut tidak hanya membangkitkan arus, tetapi juga mengalami perubahan resistans. Head baca standar menggunakan head tersebut sebagai generator mini, berdasarkan fakta bahwa head tersebut akan membangkitkan arus berpulsa pada saat melalui transisi fluks magnetik. Sebaliknya pada desain tipe head baru yang dirintis oleh IBM, mendasarkan pada fakta bahwa pada kawat terjadi juga perubahan resistansi.
Head magneto-resistive menggunakan head sebagai resistor daripada menggunakan head untuk membangkitakan arus yang sangat kecil, yang kemudian harus difilter, diperkuat, dan didekode. Sebuah sirkuit melewatkan suatu tegangan melalui head dan mengamati perubahan tegangan yang akan terjadi pada saat resistansi head berubah saat melalui pembalikan fluks pada media. Mekanisme dengan menggunakan head inni menghasilkan sinyal yang lebih kuat dan lebih jelas daripada yang terdapat pada media dan memungkinkan peningkatan kerapatan.
Head MR mengandalkan fakta bahwa resistansi konduktor sedikit berubah saat muncul medan eksternal. Head normal akan mengatasinya dengan melewatkan tegangan melalui pembalikan fluks medan magnetic, sedangkan head MR akan menggunakan pembalikan fluks tersebut dan mengubah resistansi. Sedikit arus akan mengalir melalui head, keberadaan arus ini akan mempengaruhi perubahan resistansi. Desain ini menghasilkan keluaran dengan kekuatan tiga kali atau lebih dibanding head TF selama proses baca. Akibatnya, head MR adalah head yang berkekuatan baca, yang bertindak lebih sebagai sensor daripada generator.
Pembuatan head MR membutuhkan biaya yang lebih banyak dan proses yang lebih rumit disbanding head tipe lain karena adanya beberapa fitur atau langkah yang harus ditambahkan:
Harus ada kabel tambahan dari dan ke head untuk membawa sensecurrent.
Diperlukan empat hingga lima langkah masking.
Karena head MR yang sangat sensitif, sehingga rentan terhadap medan magnetick stray, maka harus di-shielded.
Karena prinsip MR hanya dapat digunakan untuk menyimpan data dan tidak digunakan untuk menulis, maka head MR sebenarnya adalah dua head dalam satu head. Assembly tersebut juga menyertakan head TF induktif standar untuk menulis data dan head MR untuk menulis. Karena dua head terpisah digabung dalam satu assembly, maka tiap head dapat dioptimisasi untuk melakukan tugasnya. Head Ferit, MIG, dan TF dikenal sebagai head celah tunggal karena menggunakan celah yang sama untuk membaca dan menulis, sedangkan head MR menggunakan celah yang terpisah untuk tiap operasi.
Masalah pada celah tunggal adlah panjang celah selalu merupakan hasil kompromi antar panjang terbaik untuk baca dan untuk tulis. Fungsi baca memerlukan celah yang lebih tipis untuk mendapatkan resolusi tinggi; funsi tulis membutuhkan celah yang lebih lebar untuk penetrasi fluks yang lebih dalam saat berganti media. Pada head MR dua celah, celah baca dan tulis dapat mengoptimisasikan dua fungsi tersebut secara mandiri. Celah tulis (TF) menuliskan track yang lebih lebar daripada saat celah baca (MR) membaca. Sehingga head baca lebih sedikit dalam mengambil informasi magnetic stary dari track terdekat.
Head Giant Magneto-Resistive
Untuk mendapatkan kerapatan yang lebih besar, IBM memperkenalkan tipe head MR baru pada tahun 1997. Sekalipun disebut head giant magneto-resistive, tetapi secara fisik head tersebut lebih kecil disbanding head MR standar, nama tersebut berasal dari efek GMR yang mendasari pembuatan head ini. Desain kedua head tersebut sangat mirip; namun terdapat lapisan tambahan yang menggantikan lapisan NiFe tunggal pada desain MR konvensional. Pada head MR, lapisan NiFe mengalami perubahan resistansi sebagai respon terhadap pembalikan fluks pada media. Pada head GMR, dua film (dipisahkan dengan lapisan penghantar berupa tembaga yang sangat tipis) melakukan fungsi ini.
Efek GMR ditemukan pertama kali tahun 1988 pada sample kristal yang terpapar medan magnetic power tinggi (1.000 kali besar medan yang digunakan dalam HDD). Pada saat itu diketahui bahwa terjadi perubahan resistansi yang cukup besar dalam material yang terdiri dari berbagai lapisan elemen logam yang sangat tipis. Struktur utama dalam material GMR adalah lapisan pemisah yang berupa logam nonmagnetic yang berada diantara dua lapisan logam magnetic. Salah satu lapisan magnetic tersebut di-pin, yang berarti memiliki orientasi magnetic paksa. Lapisan magnetic yang lain bebas, yang berarti bebas untuk berubah orientasi atau arah. Material magnetic cenderung untuk mensejajarkan diri pada arah yang sama. Maka jika lapisan pemisah cukup tipis, lapisan yang bebas akan memilki orientasi yang sama denga lapisan yang di-pin. Yang ditemukan pada saat itu adalah arah magnetic dari lapisan yang bebas akan berayun secara periodic dari arah magnetic yang samadengan lapisan yang di-pin ke arah magnetic yang berlawanan. Resistansi secara keseluruhan relative rendah pada saat kedua lapisan berada pada arah yang sama relative tinggi saat keduanya pada arah magnetic yang berlawanan.
Pada saat suatu medan magnetic lemah, misal yang berasal dari suatu bit pada hard disk, melalui bagian bawah head GMR, orientasi magnetic pada lapisan magnetic bebas berotasirelatif terhadap yang lain dan menghasilkan perubahan resistansi listrik yang signifikan dalam kaitannya dengan efek GMR. Karena sifat fisik perubahan resistansi ditetapkan sebagai akibat dari putaran relative electron pada lapisan yang bebeda, maka head GMR sering disebut head spin-valve.
IBM memperkenalkan drive komersial yang mengguanakan head GMR pertama kali (drive 16.8GB 3,5”) pada Desember 1997. Sejak saat itu head GMR menjadi standar kebanyakan drive 20GB dan berikutnya. Drive GMR terbaru memiliki kerapatan data lebih dari 20GB per piringan, sehingga memungkinkan dibuatnya drive 80GB dalam standar form factor lebar 3,5”, tinggi 1”.
Head Slider
Istilah slider digunakan untuk menggambarkan kumpulan material yang mendukung head drive. Slider adalah sesuatu yang mengambang atau terpasang pada permukaan disk, yang mengarahkan head pada jarakyang tepat dari media untuk membaca atau menulis. Kebanyakan slider mirip dengan trimaran denagn dua outboard pod yang mengambang disepanjang permukaan media disk dan bagian central “hull” yang sebenarnya membawa head dan celah baca/tulis.
Kecendrungan ke arah drive dengan form factor yang semakin kecil dan semakin kecil telah memaksa slider untuk menjadi semakin kecil juga. Desain slider mini-Winchester berukuran sekitar 0,160”x0,034”. Kebanyakan produsen head telah bergeser ke nanoslider yang 50 % lebih kecil, atau picoslider yang 70 % lebih kecil. Dimensi sebuah nanoslider adalh sekitar 0,049”x0,039x0,012”. Picoslider dipasang denagn menggunakan teknologi flex interconnect cable (FIC) dan chip on ceramics (COC) sehingga memungkinkan proses tersebut sepenuhnya otomatis.
Slider yang lebih kecil mengurangi massa yang dibawa pada ujung lengan actuator head, sehingga meningkatkan akselerasi dan deselerasi serta meningkatkan waktu pencarian. Slider yang lebih kecil hanya memerlukan area sempit untuk zona pendaratan, sehingga meningkatkan area yang dapat digunakan pada piringan disk. Dan lagi, semakin kecil area kontak slider akan mengurangi slight wear pada permukaan piringan yang terjadi pada start up normal dan spin-down piringan drive.
Desain nanoslider dan picoslider yang lebih baru juga memiliki pola permukaan yang dimodifikasi secara khusus untuk menjaga agar tinggi pengambangan di atas permukaan disk tetap sama, sekalipun slider berada di silinder dalam atau luar. Slider konvensional menaik-turunkan tinggi pengambangannya menurut kecepatan putaran permukaan disk yang berada dibawahnya. Kecepatan dan pengambangan tertinggi adalah diatas silinder luar. Pengaturan seperti ini tidak diinginkan dalam desain yang lebih baru yang menggunakan zoned bit recording, di mana kerapataan bit disemua silinder sama. Pada saat kerapatn bit seragam diseluruh drive, maka ketinggian pengambangan harus relative konstan untuk mendapatkan performa maksimum. Pola permukaan bertekstur dan teknologi pembuatan khusus memungkinkan slider tersebut mengambang pada tinggi yang lebih konsisten, sehingga menjadi drive zoned bit recording ideal.
Skema Encoding Data
Penyimpanan magnetic pada intinya adalah media analog. Namun data yang disimpan oleh PC pada media tersebut adalh informasi digital – yaitu 1 dan 0. Pada saat drive mengirim informasi digital ke head perekam magnetic, head membuat domain magnetic pada media penyimpanan dengan polaritas tertentu sesuai tegangan positif dan negative yang diberikan drive ke head.
Pembalikan fluks membentuk batasan antara area polaritas negative dan positif yang digunakan kontroler drive untuk meng-enkode data digital ke media analog. Selam operasi baca, setiap mendeteksi adanya pembalikan fluks maka drive akan membangkitkan pulsa negative atau positif yang kemudian digunakan alat untuk merekonstruksi data biner asli.
Untuk mengoptimalkan penempatan transissi fluks selama penyimpanan magnetic, drive melewatkan data input digital yang belum diproses ke alat yang disebut encoder/decoder (endec), yang kemudian akan mengkonversi informasi biner tersebut menjadi suatu bentuk gelombang yang telah didesain untuk mengoptimalkan penempatan transisi fluks (pulsa) pada media. Selam operasi baca, endec membalik proses tersebut dan men-dekode deretan pulsa menjadi data biner awal. Selam bertahun-tahun telah dikembangkan beberapa skema untuk encode data dengan cara tersebut; ada beberapa yang lebih baik atau efisien dibanding yang lain,yang dapat Anda ketahui pada bagian berikut ini.
Deskripsi proses encode data yang lain mungkin lebih sederhana, tetapi justru menghilangkan fakta yang sangat penting dalam kaitannya dengan kehandalan hard drive, yaitu timing. Engineer dan desainer teris memaksakan untuk memasukkan lebih banyak dan lebih banyak lagi bit informasi dalam suatu paket transmisi data hingga batas kuantitas pembalikan fluks magnetic per inci. Sehingga hasil yang diperoleh adalah suatu desain dengan decode bit informasi bukan hanya berdasar keberadaan dan ketiadaan pembalikan fluks, tetapi juga dari timing antara pembalikan tersebut. Semakin akurat timing pembalikan maka semakin banyak informasi yang dapat di encode (dan sebagian lain di-dekode) dari informasi timing tersebut.
Penggunaan timing sangat signifikan pada setiap bentuk signaling biner. Pada saat mrngintertasi bentuk gelombang baca atau tulis, timing setiap transisi tegangan sangat penting. Timing adalah suatu sel bit atau transisi tertentu yaitu window waktu yang digunakan drive untuk membaca atau menulis suatu transisi. Jika timing di off, maka suatu trasisi tegangan mungkin akan dikenali pada waktu yang salah dengan dianggap sebagai bagian sel yang berbeda, sehingga konversi atau encode akan di off, mengakibatkan adanya bit yang hilang, ditambahkan, atau salah diinterpretasi. Untuk menjamin presisi timing, alat transmisi dan penerima harus berada dalam sinkronisasi yang sempurna. Misalnya, jika perekaman 0 dilakukan dengan meniadakan transisis pada disk selama suatu periode waktu atau sel tertentu, bayangkanlah perekaman sepuluh bit 0 dalam satu baris – Anda akan mendapatkan suatu peride panjang dari sepuluh periode atau sel waktu tanpa transisi.
Sekarang bayangkanlah clock dalam encoder terhenti sebentar saat membaca data dibanding saat data tersebut ditulis sebelumnya. Jika encoder ini cukup cepat, maka encoder akan menganggap perengangan 10 sel tanpa transisi ini sebagai 9 sel. Atau jika encoder ini lambat, maka akan menganggap ada 11 sel yang lewat. Kedua kasus tersebut akan mengakibatkan kesalahan pembacaan, yaitu bit tersebut tidak akan terbaca sama dengan yang ditulis sebelumnya. Untuk mencegah kesalahan timing dalam encoding/decoding drive diperlukan sinkronisasi sempurna antara proses baca dan tulis. Sinkronisasi ini sering dilakukan dengan menambahkan sinyal timing terpisah, disebut sinyal clock, pada transmisi dua alat. Sinyal clock dan data dapat juga dikombinasi dan ditransmisi sebagai sinyal tunggal. Sebagian besar skema encode data magnetic menggunakan tipe kombinasi sinyal clock edan data ini.
Penambahan sinyal clock pada data menjamin alat-alat yang berkomunikasi tersebut dapat menginterprestasikan secara akurat sel bit individu. Setiap sel bit terkait dengan dua sel lain yang berisi transisi clock. Pengiriman informasi clock bersama data akan membuat clock tetap sinkron, sekalipun media berisi string bit 0 identik yang panjang. Sayangnya, sel transisi yang digunakan untuk timing menyita ruang pada media yang sebenarnya dapat digunakan untuk data.
Karena jumlah transisi fluks yang dapat direkam drive pada suatu ruang dalam media dibatasi oleh sifat fisik atau kerapatan media dan teknolgi head, maka engineer drive mengembangkan berbagai cara encode data dengan menggunakan jumlah pembalikan fluks minimum (diperlukan pembalikan fluks yang hanya digunakan untuk clocking). Enkode sinyal memungkinkan system memaksimalkan penggunaan suatu teknologi hardware drive.
Posts
0 comments:
Post a Comment