Jumbo jet w mikroskali

Wszechobecne żółte światło spłaszcza przedmioty i zmienia postrzeganie kolorów. Ręce pocą się niemiłosiernie w gumowych rękawicach, maski na twarzy utrudniają oddychanie, a workowe kombinezony uniemożliwiają rozpoznanie ludzi.

Wszechobecne żółte światło spłaszcza przedmioty i zmienia postrzeganie kolorów. Ręce pocą się niemiłosiernie w gumowych rękawicach, maski na twarzy utrudniają oddychanie, a workowe kombinezony uniemożliwiają rozpoznanie ludzi.

Nie, to nie sceneria filmu o podboju Wenus ani obrazki z fabryki procesorów, lecz codzienność dla pracowników zakładu produkcyjnego firmy Seagate w Springtown w Irlandii Północnej. Myliłby się jednak ten, kto sądziłby, że wytwarza się tam układy scalone sterujące pracą twardych dysków - wbrew pozorom, skala miniaturyzacji typowych specjalizowanych scalaków wcale nie jest tak duża.

Co w takim razie może wymagać równie sterylnych warunków produkcji i wysokiej precyzji wykonania, znacznie większej nawet niż w przypadku procesorów najnowszej generacji? Odpowiedź zaskoczy wielu z tych, dla których twardy dysk jest jedynie blaszanym pudełkiem pozwalającym magazynować dziesiątki gigabajtów danych: otóż tym najbardziej zaawansowanym technologicznie elementem jest nic innego, jak głowica odczytująco-zapisująca. Maleńki element o powierzchni niecałego 1 mm2 odpowiedzialny za umieszczenie na magnetycznym nośniku, a potem odczytanie pojedynczych bitów informacji w ciągu ułamka milisekundy.

Mikropoduszkowiec

Głowica to zestaw dwóch fizycznie rozdzielonych elektromagnesów - osobno do zapisu i odczytu - unoszących się kilkanaście nanometrów nad powierzchnią talerza za sprawą aerodynamiki, a konkretnie dzięki poduszce powietrznej powstającej w wyniku dużej szybkości obrotowej dysku. Dla lepszego zobrazowania warunków pracy głowic wystarczy powiedzieć, że przy takich odległościach, rozmiarach elementów i prędkościach nawet cząsteczka dymu papierosowego mogłaby doprowadzić do poważnego uszkodzenia głowicy, nie mówiąc już o tym, jakie spustoszenia wywołałby zwykły kurz. Wyobrażenie skali dobrze oddaje też często spotykany przykład jumbo jeta lecącego z kilkakrotną prędkością dźwięku 1-2 metry nad ziemią - takie są proporcje panujące w hermetycznym świecie twardych dysków.

Wafel krzemowy zawierający 20 tys. elementów co chwila poddawany jest inspekcji - bynajmniej nie wzrokowej.

Wafel krzemowy zawierający 20 tys. elementów co chwila poddawany jest inspekcji - bynajmniej nie wzrokowej.

Wzrost gęstości powierzchniowej - współczynnika wyznaczającego pojemność napędów - możliwy jest dzięki ciągłemu zmniejszaniu rozmiaru głowic i odległości, w jakiej poruszają się nad dyskiem, a także modyfikowaniu struktury magnetycznej warstwy rejestrującej na talerzu. Jednak podobnie jak w innych dziedzinach pecetowego rozwoju, także w projektowaniu głowic i nośnika trwa nieustanna walka z ograniczeniami wynikającymi z praw fizyki i chemii. Bariery technologiczne co rok są przełamywane, dzięki czemu wciąż oddala się zapowiadany od dawna kres możliwości rozwoju pamięci magnetycznych. Gdy typowe indukcyjne głowice magnetyczne osiągnęły granicę miniaturyzacji, pojawiły się głowice magnetorezystywne (MR), które umożliwiły użycie węższych ścieżek danych na talerzu, a więc jeszcze większe upakowanie danych. Po nich zaś przyszła kolej na głowice wysokiej magnetorezystywności (GMR).

Zabawy atomami

To stosowane od kilku lat rozwiązanie opiera się na zjawiskach kwantowych elektronów, dlatego wymaga wyjątkowo precyzyjnego cyklu produkcyjnego. Operuje się w nim warstwami materiałów o grubości kilku do kilkunastu atomów, nanoszonymi na supergładki wafel krzemowy, a następnie żłobionymi w ten sam sposób, co w przypadku układów scalonych, czyli m.in. metodami fotolitograficznymi. Jednak o ile najnowsze procesory, takie jak Pentium 4 z jądrem Prescott, wytwarzane są w technologii 90 nm, a zakłady produkcyjne Intela dopiero rozpoczynają migrację do 65 nm, to głowice twardych dysków już teraz powstają w maszynach litograficznych zdolnych do kontroli wymiarów na poziomie 25 nm (za pomocą wiązki elektronów) i w urządzeniach umożliwiających nanoszenie ultracienkich warstw metali - dosłownie atom po atomie (tu stosuje się technologie próżniowe i wiązki jonowe).

Cały proces nakładania warstw przewodników, izolatorów i elementów magnetycznych oraz tworzenia w nich kształtów jest na każdym etapie kontrolowany. Oczywiście do weryfikacji jakości niezbędny jest zaawansowany sprzęt mikroskopowy, w tym mikroskopy elektronowe, a kontrola polega najczęściej na automatycznym porównywaniu badanego obszaru z wzorcem zapisanym w systemie.

W ostatniej fazie testowej wafel wielkości płyty CD, mieszczący 20 tys. głowic, przechodzi optyczne skanowanie powierzchni, podczas którego specjalizowane urządzenie sprawdza efekt końcowy. Wadliwe elementy oznaczane są na cyfrowej mapie wafla stanowiącej wraz z innymi informacjami zapisanymi w trakcie procesu produkcyjnego swoisty "dowód tożsamości" krążka przechowywany w centralnej bazie firmy. Po inspekcji wafle umieszczane są w hermetycznych pojemnikach, oznaczane etykietami identyfikującymi produkt w bazie, a następnie wysyłane do azjatyckich filii, w których wafel cięty jest na pojedyncze zestawy głowic.

Szybki wolny rynek

W najnowszych dyskach 2,5-calowych Travelstar 7K60, przeznaczonych głównie do notebooków, Hitachi wprowadził kolejną generację głowic zwaną Femto - mniejszych o 30 proc. od obecnie stosowanych. Aby nie zostać w tyle za konkurencją, zakłady Seagate'a również przestawiają się na format Femto. A za rok znów pojawią się mniejsze głowice...


Zobacz również