リムーバブル ストレージの仕組み

リムーバブル ストレージは、コンピュータ自体とほぼ同じくらい歴史があります。初期のリムーバブル ストレージは、オーディオ カセットで使用されているような磁気テープをベースにしていました。それ以前は、情報を保存するために紙のパンチカードを使用していたコンピューターもありました。

私たちはパンチカードの時代から長い道のりを歩んできました。新しいリムーバブル ストレージ デバイスは、単一のディスク、カセット、カード、またはカートリッジに数百メガバイト (さらにはギガバイト) のデータを保存できます。この記事では、3 つの主要なストレージ テクノロジについて学びます。また、各テクノロジーを使用するデバイスと、このメディアの将来についても説明します。まずは、リムーバブル ストレージが必要な理由を見てみましょう。

ポータブルメモリ

リムーバブル ストレージが役立つ理由はいくつかあります。

最新のリムーバブル ストレージ デバイスには、標準的なフロッピーの 1.44 メガバイト (MB) から一部のポータブル ドライブの 20 ギガバイト (GB) 以上の容量まで、驚くほど多くのオプションが用意されています。これらのデバイスはすべて、次の 3 つのカテゴリのいずれかに分類されます。

次のセクションでは、これらの各テクノロジーについて詳しく見ていきます。

磁気ストレージ

リムーバブル ストレージ テクノロジの最も一般的で永続的な形式は、磁気ストレージです。たとえば、3.5 インチ ディスケットを使用する 1.44 MB フロッピー ディスク ドライブは約 15 年前から存在しており、現在でも販売されているほぼすべてのコンピュータに搭載されています。ほとんどの場合、リムーバブル磁気ストレージは、コンピューターに接続する機械デバイスであるドライブを使用します。実際に情報を保存する部分であるメディアをドライブに挿入します。

ハードドライブと同様に、リムーバブル磁気記憶装置で使用されるメディアは酸化鉄でコーティングされています。この酸化物は強磁性体であり、磁場にさらされると永久磁化されます。メディアは通常、ディスクまたはカートリッジと呼ばれます。ドライブはモーターを使用してメディアを高速回転させ、ヘッドと呼ばれる小さなデバイスを使用して保存された情報にアクセス (読み取り) します。

各ヘッドには小さな電磁石があり、ワイヤーが巻かれた鉄芯で構成されています。電磁石は媒体上の酸化物に磁束を加え、酸化物は見た磁束を永久に「記憶」します。書き込み中、データ信号はワイヤのコイルを介して送信され、コア内に磁場が生成されます。ギャップでは磁束が縞模様を形成します。このパターンがギャップを橋渡しし、磁束が媒体上の酸化物を磁化します。ドライブによってデータが読み取られるとき、読み取りヘッドはギャップ全体に変化する磁界を引き込み、コア内に変化する磁界を生成し、したがってコイル内に信号を生成します。この信号はバイナリ データとしてコンピュータに送信されます。

磁気: 直接アクセス

磁気ディスクまたは磁気カートリッジには、いくつかの共通点があります。

オーディオ カセットを使用したことがある方なら、オーディオ カセットには大きな欠点があることをご存知でしょう。それはシーケンシャルデバイスであるということです。テープには始まりと終わりがあり、テープを後の曲に移動するには、早送りボタンと巻き戻しボタンを使用して曲の始まりを見つける必要があります。これはテープヘッドが固定されているためです。

カセット テープと同様、ディスクまたはカートリッジは、両面に磁性材料がコーティングされた薄いプラスチックで作られています。ただし、細長いリボンではなく、円盤のような形をしています。トラックは同心円状に配置されているため、ソフトウェアはファイル 2 ～ 18 を早送りすることなく、「ファイル 1」から「ファイル 19」にジャンプできます。ディスクまたはカートリッジはレコードのように回転し、ヘッドが正しいトラックに移動します。いわゆるダイレクトアクセスストレージを提供します。一部のリムーバブル デバイスには、ハード ドライブのセットアップと同様に、実際には磁気ディスクのプラッターが搭載されています。テープは、サーバーのハードドライブのバックアップなど、データへの迅速なアクセスが必須ではない一部の長期ストレージに今でも使用されています。

読み取り/書き込みヘッド (「書き込み」とはストレージ メディアに新しい情報を保存すること) は、ヘッドがトラック間を移動するときにメディアに触れません。通常、ディスクまたはカートリッジへの書き込みを保護するために設定できる何らかのメカニズムが存在します。たとえば、電子光学系は、3.5 インチ ディスケットの下隅に開口部 (または 5.25 インチ ディスケットの側面にある切り込み) の存在をチェックして、ユーザーがデータの書き込みを禁止したいかどうかを確認します。 。

磁気: ジッパー

長年にわたり、磁気技術は大幅に進歩しました。フロッピー ディスクは非常に人気があり、低コストであるため、大容量のリムーバブル ストレージはフロッピー ドライブを完全に置き換えることはできませんでした。しかし、それ自体で非常に人気のある代替手段が数多くあります。その一例が Iomega のZipです。

Zip ディスクとフロッピー ディスクを区別する主な要素は、使用されている磁気コーティングです。 Zip ディスクでは、コーティングの品質がはるかに高くなっています。高品質のコーティングは、Zip ディスクの読み取り/書き込みヘッドをフロッピー ディスクよりも大幅に (10 分の 1 程度) 小さくできることを意味します。ヘッドが小さいということは、ハードディスクで使用されているものと同様のヘッド位置決め機構と組み合わせることで、Zip ドライブがディスク表面に 1 インチあたり数千のトラックを詰め込むことができることを意味します。また、Zip ドライブは、ディスク領域を最大限に活用するために、トラックごとに可変のセクター数を使用します。これらすべての機能を組み合わせると、膨大な量のデータ (現時点では最大 750 MB) を保持するフロッピー ディスクが作成されます。

磁気: カートリッジ

リムーバブル ストレージに磁気テクノロジーを使用するもう 1 つの方法は、基本的にハードディスクを取り出して、それを内蔵ケースに入れることです。この方法を使用してより成功した製品の 1 つが Iomega Jaz です。各ジャズ カートリッジは基本的に、ハード プラスチック ケースに収められた複数のプラッターを備えたハードディスクです。カートリッジには、ディスクを回転させるためのヘッドもモーターも含まれていません。これらのアイテムは両方ともドライブユニット内にあります。

磁気: ポータブル ドライブ

完全に外付けのポータブル ハード ドライブは、 USBテクノロジーのおかげで急速に人気が高まっています。これらのユニットは、一般的な PC 内のユニットと同様に、ドライブ機構とメディアがすべて 1 つの密閉ケースに収められています。ドライブは USB ケーブルを介して PC に接続され、ドライバー ソフトウェアが初めてインストールされると、Windows によって利用可能なドライブとして自動的にリストされます。

別のタイプのポータブル ハード ドライブは、マイクロドライブと呼ばれます。これらの小型ハード ドライブはPCMCIA カードに組み込まれており、ラップトップ コンピュータなどの PCMCIA スロットを持つあらゆるデバイスに接続できます。

磁気ストレージの詳細については、 「ハードディスクの仕組み」および「テープ レコーダーの仕組み」を参照してください。光ストレージ技術について詳しくは、次のページをご覧ください。

光ストレージ

私たちのほとんどがよく知っている光記憶装置は、コンパクト ディスク(CD) です。 CD は、非常に安価に製造できる非常に小さな表面に大量のデジタル情報 (783 MB) を保存できます。これを可能にする設計は単純です。CD の表面は、長くしっかりと巻かれた螺旋状に配置された数十億の小さな突起で覆われた鏡です。 CD プレーヤーは、正確なレーザーで凹凸を読み取り、情報をデータのビットとして解釈します。

CD の凹凸の螺旋は中心から始まります。 CD トラックは非常に小さいため、ミクロン(100 万分の 1 メートル) 単位で測定する必要があります。 CD トラックの幅は約 0.5 ミクロンで、トラック間の間隔は 1.6 ミクロンです。細長いバンプはそれぞれ幅 0.5 ミクロン、長さは最小 0.83 ミクロン、高さは 125ナノメートル(10 億分の 1 メートル) です。

CD の質量の大部分は、厚さ約 1.2 ミリメートルの透明なポリカーボネート プラスチックの射出成形品です。製造中に、このプラスチックには、長い螺旋状のトラックを構成する微細な凹凸が形成されます。次に、ディスクの上部に薄い反射アルミニウム層がコーティングされ、バンプが覆われます。 CD テクノロジーの難しい部分は、すべての小さなバンプを適切な順序で、適切な速度で正しく読み取ることです。これらすべてを行うには、CD プレーヤーがバンプのトラックにレーザーの焦点を合わせる際に、非常に正確である必要があります。

CD を再生すると、レーザー ビームが CD のポリカーボネート層を通過し、アルミニウム層で反射して、光の変化を検出する光電子デバイスに当たります。バンプは、ランドと呼ばれるアルミニウム層の平らな部分とは異なる方法で光を反射します。光電子センサーはこれらの反射率の変化を検出し、CD プレーヤー ドライブの電子機器がその変化をデータ ビットとして解釈します。

光学式: CD-R/CD-RW

これが通常の CD の仕組みであり、パッケージ化されたソフトウェアには最適ですが、独自のファイルのリムーバブル ストレージとしてはまったく役に立ちません。そこで登場するのが、 CD 書き込み可能(CD-R) とCD 書き換え可能(CD-RW) です。

CD-R は、通常の CD のアルミニウム層を有機色素化合物で置き換えることによって機能します。この化合物は通常は反射性ですが、レーザーがスポットに焦点を合わせて特定の温度に加熱すると、染料が「燃焼」して暗くなります。 CD-R に書き込んだデータを取得する場合、レーザーはディスク上を後方に移動し、焼けた各スポットを隆起であるとみなします。この方法の問題は、CD-R にデータを 1 回しか書き込めないことです。染料が部分的に焼けてしまうと、元に戻すことはできません。

CD-RW は、アンチモン、インジウム、銀、テルルの非常に特殊な混合物に依存する相変化を使用することでこの問題を解決します。この特定の化合物には驚くべき特性があります。ある温度まで加熱すると、冷えるにつれて結晶化し、非常に反射率が高くなります。別のより高い温度に加熱すると、化合物は冷えても結晶化しないため、外観が鈍くなります。

CD-RW ドライブには、この特性を利用するための 3 つのレーザー設定があります。

DVDなど、CD 標準から逸脱する他の光学デバイスは、CD-R および CD-RW と同等のアプローチを採用しています。光磁気(MO) と呼ばれる古いハイブリッド技術は、現在ではほとんど使用されていません。 MO はレーザーを使用してメディアの表面を加熱します。表面が特定の温度に達すると、磁気ヘッドが媒体上を移動し、必要に応じて粒子の極性を変更します。

ソリッドステートストレージ

デジタル カメラやPDAなどの小型デバイス用のリムーバブル ストレージの非常に一般的なタイプは、フラッシュ メモリです。フラッシュ メモリはソリッド ステート テクノロジの一種であり、基本的には可動部品がないことを意味します。チップ内には列と行のグリッドがあり、グリッド上の各交点に 2 つのトランジスタ セルがあります。 2 つのトランジスタは薄い酸化物層によって分離されています。トランジスタの 1 つはフローティング ゲートとして知られ、もう 1 つはコントロール ゲートとして知られています。フローティング ゲートの行またはワード線への唯一のリンクは、コントロール ゲートを介するものです。このリンクが存在する限り、セルの値は「1」になります。

セルの値を「0」に変更するには、ファウラー・ノルドハイム・トンネリングと呼ばれる興味深いプロセスが必要です。トンネリングは、フローティング ゲート内の電子の配置を変更するために使用されます。通常 10 ～ 13 ボルトの電荷がフローティング ゲートに印加されます。電荷は列またはビット線から来て、フローティング ゲートに入り、グランドに排出されます。

この電荷により、フローティング ゲート トランジスタが電子銃のように動作します。励起されて負に帯電した電子は押し出され、酸化物層の反対側に捕獲され、酸化物層は負の電荷を帯びます。電子は、コントロール ゲートとフローティング ゲートの間の障壁として機能します。セルセンサーと呼ばれるデバイスは、フローティングゲートを通過する電荷のレベルを監視します。ゲートを通過する流量が電荷の 50 パーセントを超える場合、値は「1」になります。通過する電荷が 50 パーセントのしきい値を下回ると、値は「0」に変わります。

フラッシュ メモリはファウラー ノルドハイム トンネリングを使用します

電子の配置を変えるため。

フラッシュ メモリ チップのセル内の電子は、電界、つまり高電圧の充電を適用することによって、通常 (「1」) に戻すことができます。フラッシュ メモリは、回路内配線を使用して、この電界をチップ全体、またはブロックとして知られる所定のセクションに印加します。これにより、チップの対象領域が消去され、再書き込みが可能になります。フラッシュ メモリは、一度に 1バイトずつ消去するのではなく、ブロックまたはチップ全体を消去するため、従来の電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ(EEPROM) チップよりもはるかに高速に動作します。

ソリッドステート: カード

コンパクトフラッシュやスマートメディアカードなどのフラッシュ メモリ ストレージ デバイスは、今日最も一般的な形式の電子不揮発性メモリです。コンパクトフラッシュ カードは、1994 年にサンディスクによって開発されました。コンパクトフラッシュ カードは、2 つの重要な点でスマートメディア カードとは異なります。それは、より厚いことと、コントローラー チップを使用していることです。

CompactFlash は、フラッシュ メモリ チップと専用コントローラ チップを備えた小さな回路基板で構成されており、これらはすべて、スマートメディア カードよりも数倍厚い頑丈なシェルに収められています。カードの厚みが増すことで、より大きな記憶容量が可能になります。

CompactFlash のサイズは、8 MB から驚異的なサイズまでさまざまです。オンボード コントローラーは、特に遅いプロセッサを搭載したデバイスのパフォーマンスを向上させることができます。ただし、スマートメディア カードと比較すると、ケースとコントローラ チップにより、コンパクトフラッシュ カードのサイズ、重量、複雑さが増加します。

スマートメディアとして知られるソリッド ステート フロッピー ディスク カード(SSFDC) は、もともと東芝によって開発されました。スマートメディア カードは、2 MB ～ 128 MB の範囲の容量で使用できます。以下に示すように、カード自体は非常に小さいです。

スマートメディア カードは、そのシンプルさがエレガントです。平面電極はボンディングワイヤを使用してフラッシュメモリチップに接続されます。フラッシュメモリチップ、平面電極、ボンディングワイヤは、オーバーモールド薄型パッケージ（OMTP）と呼ばれる技術を用いて樹脂に埋め込まれています。これにより、はんだ付けを必要とせずに、すべてを単一のパッケージに統合することができます。

スマートメディア カードは、高速で信頼性の高いパフォーマンスを実現しながら、保持したいデータを指定できます。小型、軽量で使いやすいです。他の形式のリムーバブル ソリッド ステート ストレージに比べて堅牢性が低いため、取り扱いや保管には細心の注意を払う必要があります。詳細については、 「フラッシュ メモリの仕組み」を参照してください。

どこまで小さくできるのか？

リムーバブル ストレージの一般的な傾向の 1 つは、保存できるデータ量を増やしながら物理パッケージを小さくすることです。それぞれのタイプのテクノロジーの例を見てみましょう。

磁気

磁気ストレージは 2 つの平行な方向に移動します。メガバイト単位の容量を持つ小型カートリッジを使用する製品が発売されており、ギガバイト単位のポータブル ハード ドライブもあります。

光学

DataPlayという会社がマイクロ光学ドライブを導入しました。マッチ箱ほどの大きさのこの小さなドライブは、プラスチックのシェルに包まれた小さな光ディスクを使用します。各ディスクには 500 MB の情報を保存できます。ドライブは実際にディスクの両面を読み取ります。つまり、ディスクには片面あたり 250 MB が保存されます。

ソリッドステート

スマートメディアおよびコンパクトフラッシュ カードは、その小さなサイズを維持しながら容量が増加し続けています。 Sony のMemory Stickなど、他のソリッドステート メモリ デバイスはさらに小型です。

私たち全員にとって素晴らしいニュースは、物理サイズが縮小し続け、ストレージ容量が増加し続ける一方で、メガバイトあたりのコストが低下し続けているということです。 Iomega や Pockey Drives などの企業は、間もなくハード ドライブをコンピュータ間で持ち運べるようになり、カスタム セットアップ全体をどこにでも持ち運べるようになると予測しています。 DataPlay のマイクロ光学システムは、デジタル カメラからMP3 プレーヤー、 PDAに至るまで、あらゆるものにそのドライブが搭載されており、デスクトップ PC をはるかに超えて影響を与えるテクノロジーの好例です。