Magnetische serpentines; Op één DigaMax-cassette past zeven uur digitale video

Deze week annonceert Philips samen met het bedrijf Exabyte in New York de DigaMax. Deze recorder kan 13 gigabyte wegschrijven op een magneetband met een lengte van 300 meter.

VORIG JAAR BEGROEF Philips eindelijk zijn digitale compact cassette, DCC. Dit doodgeboren kindje blijkt nu een broertje te hebben. Deze opvolger is er niet voor muziekliefhebbers, maar voor computergebruikers. Om die te verwennen hebben onderzoekers van Philips Research de technologie voor het opslaan van enen en nullen op tape sterk verfijnd. De nieuwe recorder is er om reservekopieën te maken van de harde schijf, archieven aan te leggen of om digitale video op PC's af te spelen.

Jarenlang bepaalden magneetbanden het gezicht van de computer. Tot ver in de jaren tachtig betekende een wand met draaiende spoelen in speelfilms: dit is de rekenkamer. De eerste amateurcomputers lazen hun bits van doodgewone cassettebandjes. Maar uiteindelijk bleek de trage magneetband niet opgewassen tegen de harde schijven die hun gegevens veel sneller tevoorschijn konden toveren. Toch hebben tapes de tand des tijds goed doorstaan. Ze zijn uitgegroeid tot de digitale magazijnen, brandkasten, rommelhokken en datakerkhoven van systeembeheerders.

Ook kleinschalige computeraars raken weer geïnteresseerd in tape nu de harde schijven in sommige PC's 1 gigabyte (miljard bytes) overstijgen. Zulke hoeveelheden informatie dupliceren op floppy's is ondoenlijk. Voor 1 Gbyte zouden bijna 700 diskettes van 1,44 megabyte nodig zijn. Met een magneetband is daar wel in één klap een reservekopie van te maken. Tussen de tientallen keuzes in backup-systemen is tape weliswaar langzaam, maar goedkoop en weinig bewerkelijk: u drukt op een knop en gaat koffie drinken.

Philips ontwikkelde samen met het bedrijf Exabyte een nieuwe recorder die 13 gigabyte kan wegschrijven op een band met een lengte van 300 meter. Op 6 centimeter van die tape past de hele Van Dale en de hele lengte is voldoende voor 7 uur digitale video van hoge kwaliteit. Korter kan ook (5 en 10 Gbyte), allemaal in tapehouders zo groot als een muziekcassettedoosje.

Van binnen en van buiten lijken de recorders niet meer op de DCC, maar de schrijf- en magneetgevoelige elementjes in de kop bouwen wel voort op dezelfde technische principes. De gevoelige elementen zijn zo'n vier keer kleiner. De DigaMax schrijft sporen met een breedte van 37,5 micrometer, drie keer dunner dan een mensenhaar. Dat is best indrukwekkend. De Magstar-tapes die IBM twee jaar geleden voor professionele systemen introduceerde hebben 90 micron-brede, haar-dikke sporen. In 1995 gold dat als een hele prestatie.

Er liggen 192 sporen naast elkaar op de 8 millimeter brede DigaMax-tape (een dunne strook aan de zijkanten wordt niet beschreven). In de kop zitten acht lees- en acht schrijfelementen naast elkaar. Om de hele breedte van de tape te lezen of te schrijven verschuift de kop over de breedte van de band. Hij veegt de bits met serpentine-schrijven - 24 keer op en neer - op de tape.

Met het oog op de versmelting van de pc en de tv is de motoriek geschikt gemaakt voor het afspelen van digitale video. De Digamax kan de tapesnelheid aanpassen naargelang er behoefte is aan bits. Dat is handig voor beelden die zijn ingedikt volgens MPEG2. Deze compressiestandaard gooit van opnames met nieuwslezers meer bits weg dan van actieve basketbalspelers. De gecondenseerde bitstroom kan daardoor uiteenlopen van zo'n 3 tot 7 miljoen bits per seconde. Door middel van terugkoppeling kan de DigaMax zijn leessnelheid variëren tussen de 4 en 16 megabit/s. “Dat is eleganter”, zegt dr.ir. Steven Luitjens, onderzoeker bij de groep Storage and Retrieval van Philips Research. “Bij een constante leessnelheid zou je een groter buffergeheugen nodig hebben en steeds moeten stoppen. Bij het starten zou je ook steeds weer moeten zoeken naar de goede plek op de band.”

Het is een hele toer geworden om de kop niet te laten ontsporen. Fabrikanten houden meestal ruimte op de tape vrij met positie-gegevens. Bijvoorbeeld op de Magstar-tapes van IBM zit die servo-informatie op 240 micron (0,24 millimeter) brede banen naast de 90 micron brede sporen met data. Onderzoekers van Philips bedachten echter een oplossing die niet ten koste gaat van de opslagcapaciteit. De positie-informatie en bits zijn op elkaar gestapeld: de spoor-gegevens onder, met daaroverheen de bits als een mooi geordende hagelslag.

SERVOINFORMATIE

Bij onbeschreven DigaMax-tapes zit de positie-informatie opgeslagen in een magnetische laag van 2 micron dik. De recorder schrijft zijn data alleen in de bovenste 0,2 micron van de magneetlaag, de servoinformatie blijft bewaard in de onderliggende laag van 1,8 micron. Dat servo-signaal is een soort magnetische golfbeweging die elke halve millimeter terugkeert. Twee naast elkaar liggende sporen bevatten precies de tegenovergestelde servo-informatie, waardoor het opgetelde signaal wegvalt als een magneetgevoelig element zich precies op de scheiding van twee servosporen bevindt. Door het zwakste servosignaal te zoeken blijven de magneetsensoren op het juiste pad (servo-informatie en bits zijn dus een halve spoorbreedte van elkaar verschoven).

Zeven uur film op een tape met een oppervlak ter grootte van een deur is nog maar het begin. De technologie kan nog worden opgerekt naar opslagdichtheden van honderden en zelfs duizenden gigabytes. Het wordt echter steeds moeilijker om de micromagneetjes op de band te detecteren. Sterk vergroot zien de kleine gemagnetiseerde gebiedjes eruit als dunne reepjes van 0,35 micron bij 37,5 micron die dwars op het informatiespoor liggen, als bielzen op een spoorrails.

Grotere opslagdichtheden betekent dat deze magnetische vlekjes verder moeten krimpen. Om de bits te kunnen blijven detecteren zijn er twee mogelijkheden. De conventionele aanpak is een kop met een klein spoeltje als sensor-element. Kleinere bits betekent dat dit spoeltje sneller langs het gemagnetiseerde bielsje moet scheren. De spanning die in de winding wordt opgewekt is immers recht evenredig met de verandering van het magneetveld in het spoeltje. Dat is ook de reden waarom VHS-videorecorders en DAT-spelers werken met de helical scan-techniek waarbij een snel roterende trommel met koppen de bits leest en schrijft. Om steeds kleinere bits te kunnen lezen moeten zulke cilinders steeds sneller draaien. “Helical scan zal het moeilijk krijgen in de toekomst”, zegt George Purrio, technisch managar voor dataopslag bij de Duitse R&D-vestiging van Imation in Neuss.

TAPECASSETTES

Toch is helical scan nog niet ter ziele. Afgelopen april introduceerde Ampex uit Redwood City, Californië, nog tapecassettes en -stations met een opslagcapaciteit van 330 gigabyte. Deze tapes zijn 19 millimeter breed en zitten in cassettes zo groot als een folio-blok. Onder meer NASA is grootgebruiker van deze digitale archiefkasten.

Maar helical scan is duur, onder meer door de kwetsbare draaiende kop. Alle goedkopere tapedrives die als backup-systemen voor PC's op de markt komen lezen hun bits met behulp van magneetveld-gevoelige materialen. De sensorelementen in de koppen van deze recorders bevatten een stukje magnetoresistief materiaal waarvan de weerstand daalt onder invloed van een magneetveld. Deze systemen kunnen uit de voeten met een stilstaande kop, omdat het magneetveld zelf wordt gemeten en niet de verandering.

Net als bij DCC zijn de magneetsensoren in de kop van de DigaMax-speler uitgevoerd in permalloy, een legering van nikkel en ijzer waarvan de weerstand met maximaal 2 procent daalt onder invloed van een magneetveld. Onderzoekers van de Université Paris-Sud en het Forschungsinstituut Jülich ontdekten in 1988 echter een veel sterker magnetoweerstands-effect in afgewisselde dunne lagen ijzer en chroom. In deze multilagen kan de weerstand met een grote sprong afnemen, soms meer dan de helft. Ze noemden het giant magnetoresistance (GMR). Met behulp van het magnetoweerstands-effect slagen fabrikanten zoals IBM en Seagate erin om de opslagdichtheid van hun harde schijven met ruim 60 procent per jaar te doen toenemen. Met GMR kan die ontwikkeling nog jaren doorgaan en tape profiteert van dezelfde ontwikkeling.

Het magnetische materiaal waarin de bits op harde schijven en tapes worden opgeslagen vormen voorlopig geen bottleneck in de gang naar meer capaciteit. Op de DigaMax-tapes bestaat dit medium net als bij VHS-banden uit kleine korrels in een laklaag. Door in de toekomst over te stappen op dunne metaalfilms kunnen deze lagen helemaal magnetisch worden. Luitjens verwacht dat gebiedjes van 0,01 vierkante micron nog voldoende magnetisch stabiel zijn om één bit op te slaan. Dat betekent dat de inhoud van een stevig pocketboek gemakkelijk kan worden weggeschreven op de punt achter dit verhaal.