電磁気学とデータの出会い
Tom's HardwareとQue Publishingが提携し、スコット・ミューラー著『Upgrading And Repairing PCs, 20th Edition』から4章をお届けします。また、Tom's Hardware読者の中から幸運な10名様に本書をプレゼントいたします。応募はコンテストフォームにご記入ください。ご応募は1回限りとなりますのでご注意ください（先週出版した『Computer History 101』にご応募いただいた方は、すでにご応募を受け付けております）。
305 RAMACドライブは、直径24インチという驚異的な大きさのディスク50枚に、500万文字（そう、たったの5MB！）ものデータを保存できました。個々のビットはわずか2KB/平方インチという密度で保存されていました。テープドライブとは異なり、RAMACの記録ヘッドは、ディスク上の任意の位置に直接アクセスでき、その間にあるすべての情報を読み取る必要はありませんでした。このランダムアクセス性は当時のコンピュータの性能に大きな影響を与え、テープに保存した場合よりもはるかに高速にデータを保存・取得できるようになりました。
電磁気学は1819年、デンマークの物理学者ハンス・クリスチャン・エルステッドによって発見されました。エルステッドは、電流を流す電線にコンパスの針を近づけると、北を指していた針が振れてしまうことを発見しました。電流を止めると、コンパスの針は地球の磁場と再び一直線になり、再び北を指しました。
導線によって発生する磁場は、磁場内の磁性体に影響を与える可能性があります。電流の向きや極性が反転すると、磁場の極性も反転します。例えば、電気モーターは電磁力を利用して、回転軸に取り付けられた磁石に押し引きする力を加えます。
電磁気学のもう一つの作用は、1831年にマイケル・ファラデーによって発見されました。彼は、導体を移動する磁場の中を通過させると電流が発生することを発見しました。磁場の極性が変化すると、電流の方向も変化します（図8.2参照）。
例えば、自動車に用いられる発電機の一種であるオルタネーターは、シャフト上の電磁石を固定された導線コイルの周りで回転させることで動作し、その結果、導線に大量の電流が発生します。電磁気は双方向に作用するため、モーターは発電機にもなり、発電機はモーターにもなります。この電磁気の双方向作用を磁気記憶装置に適用すると、ディスクにデータを記録し、後でそのデータを読み出すことが可能になります。記録時には、ヘッドが電気インパルスを磁場に変換し、読み取り時には、ヘッドが磁場を再び電気インパルスに変換します。
磁気記憶装置の読み取り/書き込みヘッドは、U字型の導電性材料で構成されており、U字の両端はデータ記憶媒体の表面の真上（または隣接）に配置されています。U字型のヘッドには、電流を流すためのコイルまたは導線の巻線が巻かれています（下図参照）。ドライブロジックがこれらのコイルに電流を流すと、ドライブヘッド内に磁場が発生します。電流の極性を反転させると、発生する磁場の極性も変化します。つまり、ヘッドは電圧の極性を瞬時に切り替えられる電磁石なのです。
実際の記憶媒体を構成するディスクまたはテープは、何らかの形の基板材料 (フロッピー ディスクの場合はマイラー、ハード ディスクの場合はアルミニウムまたはガラス) の上に磁化可能な材料の層が堆積されています。この材料は通常、さまざまな他の要素が追加された酸化鉄の形です。記憶媒体上の個々の磁性粒子はそれぞれ独自の磁場を持っています。媒体が空の場合、これらの磁場の極性は通常、ランダムに乱れた状態にあります。個々の粒子の磁場がランダムな方向を向いているため、それぞれの小さな磁場は反対方向を向いている磁場によって打ち消されます。この累積的な効果により、観測可能な磁場の極性がない表面になります。ランダムな方向の磁場が多数ある場合、純粋な効果として観測可能な統一された磁場または極性はありません。
ドライブの読み取り/書き込みヘッドが磁場を生成すると（ディスクへの書き込み時など）、磁場はU字型の両端の隙間を飛び越えます。磁場は空気中よりも導体をはるかに容易に通過するため、ヘッドの隙間から外側に曲がり、隣接する記憶媒体をギャップの反対側への最小抵抗経路として利用します。磁場がギャップの真下の媒体を通過すると、通過する磁性粒子が磁場と向き合うように分極します。磁場の極性または方向、つまり磁気媒体に誘起される磁場の極性または方向は、コイルを流れる電流の方向に基づいています。電流の方向が変わると、磁場の方向も変わります。磁気ストレージの開発において、読み取り/書き込みヘッドと媒体間の距離は劇的に短縮されました。これにより、ギャップを小さくすることができ、記録される磁区のサイズも小さくなりました。記録される磁区が小さいほど、ドライブに保存できるデータ密度は高くなります。
磁場が媒体を通過すると、ヘッドギャップの下の領域にある粒子は、ギャップから放射される磁場と同じ方向に整列します。粒子の個々の磁区が整列すると、粒子は互いに打ち消し合うことがなくなり、媒体のその領域に観測可能な磁場が発生します。この局所的な磁場は、多数の磁性粒子がチームとして機能し、統一された方向を持つ検出可能な累積磁場を生成することで生成されます。
磁束とは、特定の方向または極性を持つ磁場を指します。ドライブヘッドの下を媒体表面が移動すると、ヘッドは媒体の特定の領域に、特定の極性を持つ磁束と呼ばれるものを発生させます。ヘッド内のコイルを流れる電流が反転すると、ヘッドギャップ内の磁場の極性、つまり磁束も反転します。ヘッド内で磁束が反転すると、ディスク媒体上の磁化粒子の極性も反転します。
磁束反転（または磁束遷移）とは、記憶媒体の表面にある整列した磁性粒子の極性の変化です。ドライブ ヘッドは、媒体上に磁束反転を作成してデータを記録します。ドライブが書き込む各データ ビット（またはビット群）について、ビット セルまたは遷移セルと呼ばれる特定の領域に、正から負、負から正への磁束反転のパターンを作成します。ビット セルまたは遷移セルは、媒体が移動する時間と速度によって制御される、ドライブ ヘッドが磁束反転を作成する媒体の特定の領域です。特定のデータ ビット（またはビット群）を格納するために使用される遷移セル内の磁束反転の特定のパターンは、エンコード方式と呼ばれます。ドライブ ロジックまたはコントローラは、格納するデータを受け取り、使用するエンコード方式で指定されたパターンに従って、一定期間にわたって一連の磁束反転としてデータをエンコードします。
注：磁気メディアで最も一般的に使用される2つのエンコード方式は、修正周波数変調（MFM）とランレングス制限（RLL）です。すべてのフロッピーディスクドライブと一部の古いハードディスクドライブはMFM方式を採用しています。今日のハードディスクドライブは、RLLエンコード方式のいくつかのバリエーションのいずれかを採用しています。これらのエンコード方式については、この章の「データエンコード方式」のセクションで後ほど詳しく説明します。
書き込みプロセス中、ヘッドに電圧が印加されます。この電圧の極性が変化すると、記録される磁場の極性も変化します。磁束遷移は、記録極性が変化するポイントに正確に書き込まれます。奇妙に思えるかもしれませんが、読み取りプロセス中、ヘッドは書き込まれた信号とまったく同じ信号を生成するわけではありません。その代わりに、ヘッドは磁束遷移を横切ったときにのみ電圧パルスまたはスパイクを生成します。遷移が正から負に変化するとき、ヘッドが検出するパルスは負の電圧です。遷移が負から正に変化するとき、パルスは正の電圧スパイクです。この効果は、電流が導体内で斜めの磁力線を通過するときにのみ生成されるために発生します。ヘッドはメディア上に作成した磁場と平行に移動するため、読み取り時にヘッドが電圧を生成するのは、極性または磁束遷移（磁束反転）を通過するときのみです。
本質的には、メディアからの読み取り中、ヘッドは磁束遷移検出器となり、遷移を通過するたびに電圧パルスを出力します。遷移のない領域ではパルスは生成されません。図8.4は、読み取り波形と書き込み波形と、ストレージメディアに記録された磁束遷移の関係を示しています。
書き込みパターンは、正または負の電圧レベルを持つ方形波形と考えることができます。電圧が正の場合、ヘッド内に磁場が生成され、磁気メディアが一方向に分極されます。電圧が負に変化すると、メディアに誘起される磁場の方向も変化します。波形が実際に正電圧から負電圧へ、あるいはその逆に遷移する箇所では、ディスク上の磁束の極性も変化します。読み取り時、ヘッドはこれらの磁束遷移を感知し、元の記録時に使用された連続的な正または負の波形ではなく、パルス状の正または負の波形を生成します。言い換えれば、ヘッドが磁束遷移を感知しない限り、読み取り時の信号は0ボルトです。磁束遷移を感知した場合は、それに応じて正または負のパルスが生成されます。パルスは、ヘッドがメディア上の磁束遷移上を通過しているときにのみ発生します。ドライブが使用するクロックタイミングを認識することで、コントローラ回路はパルス（つまり磁束遷移）が特定の遷移セル期間内に収まるかどうかを判断できます。
読み取りモードでヘッドが記憶媒体上を通過する際に発生する電気パルス電流は微弱で、大きなノイズを含む可能性があります。ドライブとコントローラアセンブリ内の高感度電子機器は、この信号をノイズレベル以上に増幅し、微弱なパルス電流列を（理論上）元の記録データと同一のバイナリデータにデコードします。
ハードディスクドライブやその他のストレージデバイスは、基本的な電磁気学の原理に基づいてデータの読み書きを行っています。ドライブは、電磁石（ドライブヘッド）に電流を流すことでデータを書き込み、媒体に磁場を蓄積します。ドライブは、ヘッドを媒体の表面上で再び通過させることでデータを読み取ります。ヘッドが蓄積された磁場の変化に遭遇すると、微弱な電流が発生します。この電流は、元々書き込まれた信号における磁束遷移の有無を示します。
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