Recording Density. Computer Applications. -..fflufe Dfss ETH. Limitations in. An Investigation of Binary. presented to.

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1 -..fflufe Dfss ETH An Investigation of Binary Recording Density Limitations in Computer Applications THESIS presented to THE SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZÜRICH for the Degree of Doctor of Technical Sciences by EMIL HOPNER Dipl. El. Eng. SFIT gv Citizen of USA Accepted on the Recommendation of Professor E. Baumann and Dr. A. P. Speiser Printed by International Business Machines Corporation Yorktown Heights, New York July 16, 1962

2 I. ZUSAMMENFASSUNG Speichergeraete der Datenverarbeitungsmaschinen die sich in kommerziellem Einsatz befinden, haben eine maximale Aufzeichnungsdichte von etwa 2000 Bits pro Zoll und benuetzen ein Saettigungsverfahren zur Speicherung. Theoretische Unter suchungen des magnetischen Materials zeigen jedoch eine physikalische Grenze der Aufzeichnungesdichte von etwa pro Zoll. Die Gruende fuer diesen Unterschied werden analysiert. Die analoge magnetische Aufzeichnungstechnik, die im linearen ungesaettigten Gebiet der Magnetisierungskurve arbeitet, ermoeglicht eine Aufzeichnungsdichte von Sinusschwingungen pro Zoll. Diese hohe Aufzeichnungsdichte zeigte sich praktisch durchfuehrbar und hat Anwendung in kommerziellen Geraeten gefunden. Die analoge magnetische Aufzeichnungstechnik wird vom Gesichtspunkt der Uebertragungstechnik untersucht und die entsprechenden Eigenschaften beschrieben: die Bandbreite, der Geraeuschabstand, Verzerrungen und die dynamischen Eigenschaften. Eine Anzahl von Modulationsverfahren wird untersucht, um die maximale Aufzeichnungs dichte des analogen Magnetkanals fuer digitale Anwendungen bei Gewaehrleistüng der noetigen Zuverlaessigkeit zu erforschen. Beschrieben sind gwei Versuchssysteme, die den experimentellen Beweis brachten, dass respektiv Bits pro Zoll auf gewoehnlichen Tonbaendern aufgespeichert werden koennen. Das Speichersystem, das ein Aufzeichnungsvermoegen von Bits pro Zoll hat, benuetzt Restseitenbandphasenmodulation and synchrone Demodulation, da hieraus hoehere Zuverlaessigkeit resultiert. Die Grundbandaufzeichnungstechnik mit Spitzenfuehlungsdemodulation ergibt zweifache Aufzeichnungsdichte, jedoch mit wesentlich geringerer Zuver laessigkeit. Das Phasenmodulationssystem benuetzt eine ganze Sinusschwingung pro Bit, waehrend das Speicher System, welches Bits pro Zoll hat, nur ungefaehr eine halbe Sinusschwingung pro Bit gebraucht. Es wird gezeigt, wie mit Hilfe von linearer Restseitenbandphasenmodulation moeglicherweise eine Erhoehung der Zuverlaessigkeit des Zehntausendbitsystems erreichbar waere. Dieses Modulations verfahren gestattet, weniger als eine volle Sinusschwingung pro Bit zu benuetzen. 1

3 Auf Grund experimenteller Arbeit scheint es moeglich zu sein bis Bits pro Zoll (je nach Modulationsverfahren) mit heute erhaeltlichen, analog arbeitenden Magnetbandgeraeten, zu speichern. Solche Geraete wurden als Messinstrumente entwickelt. Die Gruende werden angegeben, warum es moeglich erscheint, dass eine Aufzeichnungsdichte von bis Bits pro Zoll erreicht werden kann, wenn die neueste magnetische Aufzeichnungstechnik in Betracht gezogen wird. Diese Technik wird in verschiedenen Laboratorien zu Versuchszwecken fuer analoge Signale benuetzt. So sollte es moeglich werden, eine Aufzeichnungsdichte zu erreichen, die der theoretischen Grenze des magnetischen Materials nahekommt. Nachdem die analoge Auf zeichnungstechnik im Vergleich zu dem auf magnetischer Saettigung beruhenden Verfahren eine bedeutend hoehere Informationsdichte gestattet, werden die Gruende hierfuer untersucht. Die Vormagnetisierung ermoeglicht die Aufzeichnung kleiner Signale, die nicht die ganze Magnetschicht durchdringen. Infolge der lediglich teilweisen (oberflaechlichen) Magnetisierung treten also bei Verwendung konventioneller Magnetbaender aehnliche Effekte auf wie in duennen magnetischen Schichten. Der Frequenzgang des aufgezeichneten Signals kann sorgfaeltig kontrolliert werden, so dass mit Hilfe von Amplituden und Phasenkorrektionsnetzwerken im Aufzeichnungs-und Ableserverfahren die maximale Bandbreite unter gegebenen Rauschabstandsverhaeltnissen ereicht werden kann. Durch die wesentlich erweiterte Band breite wird eine bedeutend groessere Aufzeichnungsdichte ermoeglicht. Der erforder liche Rauschabstand entscheidet ueber die obere Grenzfrequenz, bis zu welcher eine Entzerrung durchgefuehrt werden kann. Folglich ist die erreichbare Aufzeichnungs dichte, bei gegebener Zuverlaessigkeit von der Stoerungsempfindlichkeit des Demodulationsverfahren abhaengig. Die magnetischen Aufzeichnungsverfahren der Platten und Trommelspeicher, bei welchen sich die Aufzeichnungsgeraete nicht in direktem Kontakt mit dem magnetischen Aufzeichnungsmaterial befinden, werden ebenfalls untersucht. Es wurde festgestellt dass die erreichbare Distanz oder die Naehe zwischen dem Magnetkopf und der magnetischen Aufzeichnungsschicht, sowie auch der erreichbare Rauschabstand, die wichtigsten Faktoren in der Aufzeichnungsdichtebegrenzung sind. Die kritischen Rauschfaktoren sind durch die erreichbare Unterdrueckung der Umgebungsstoerungen der arbeitenden Maschine und das Rauschen des Ableseverstaerkers gegeben. Es wird gezeigt, dass fuer den Fall, wo kein mechanischer Kontakt zwischen Magnetkopf und 2

4 Speichermedium zulaessig ist, mit den heutigen pro Zoll moeglich sein sollte. Mitteln eine Dichte von Bits Schwierigkeiten hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit bei der Herstellung von Mehrkanal-Magnetkoepfen stellen eine wichtige Begrenzung der verwendbaren Informationsdichte dar. Sind jedoch die Buchstaben hintereinander in einem einzigen Kanal aufgezeichnet, in welchem die Buchstabenelemente (Bits) auch hintereinander aufgetragen werden, so werden die obengenannten Probleme vermiedenda sie dann nicht mehr im gleichen Sinne vorkommen. Die neuerdings entwickelten, sehr wirksamen Fehlerkorrekturverfahren, die mit relative einfachen Mitteln in Einkanalmaschinen verwirklicht werden koennen, koennten die Zuverlaessigkeit der magnetischen Aufzeichnungsmaschinen wesentlich erhoehen, so dass die praktisch erreichbare hohe Aufzeichnungsdichte in den Datenverarbeitungsmaschinen angewendet werden kann. Die Realisierbarkeit von ganz hohen Aufzeichnungsdichten wird experimentell bewiesen und die entsprechende Theorie entwickelt. Diese Aufzeichnungsdichte ermoeglicht den Gebrauch von Einkanalmaschinen mit einer zulaessigen Informationsuebertragungsgeschwindigkeit (vom und zum Speicher) von 10 Millionen Bits pro Sekunde. 3

5 I. SUMMARY Computer magnetic storage devices in commercial use have storage densities up to 2,000 bits per linear inch, using Saturation recording techniques. Theoretical studies of magnetic materials show, however, a physical limitation of the recording materials themselves of approximately 250,000 bits per linear inch. The reasons for this discrepancy are analyzed. Analog recording techniques using linear non-saturation recording methods allow a steady-state recording density of 10,000 cycles to the linear inch. Such a high recording density was found to be practical and is incorporated in commercially available machines. The analog recording medium is investigated as a Communica tions Channel.- Its bandwidths, signal-to-noise ratio, distortion, and dynamic properties are described. In order to explore the maximum density capabilities of the analog recording Channel for digital recording, providing at the same time the reliability required in Computer applications, a variety of modulation and detection techniques have been investigated. A description is given of two experimental Systems, which have proven the feasibility of recording and recovery of 5,000 and 10,000 bits per linear inch, respectively, using regulär audio tapes. The 5,000 bits-to-the-inch recording System uses vestigial-sideband phase modulation and synchronous detection'techniques, which yield the higher reliability. Baseband recording techniques, in conjunction with peak sensing, yield twice the density but at much reduced reliability. While the phase modulation System uses one cycle of the highest recorded frequency per bit of Informa tion, the 10,000 bit System uses roughly one-half a cycle per bit of Information. Poten tial increase in reliability of the 10,000 bits-per-inch System has been indicated if linear, vestigial-sideband, phase modulation techniques are used, allowing less than a cycle per bit of Information. From the experience gained in the experimental work, it has been extrapolated that currently available analog Instrumentation recorders would permit a recording density of 10,000 to 20,000 bits per linear inch depending on the method of modulation and detection used. The reasons analog recording technology presently available in laboratories might permit binary recording densities in the order of 100,000 to 200,000 bits per linear inch are also given. Thus, densities close to the limitations imposed upon the magnetic material itself could be approached experimentally. 4

6 An analysis has been made of the reasons analog recording techniques permit so much higher recording densities than achievable with Saturation recording. Bias recording techniques allow recording of small Signals which do not penetrate the füll depths of the magnetic recording layer. Thus, thin film effects can be achieved in using thick magnetic recording surfaces. The frequency response of the recorded signal can be carefully controlled so that, in combination with amplitude and phase equalization networks in the writing and reading mechanism, maximum bandwidths under given signal-to-noise ratio conditions can be achieved. The thus considerably extended bandwidths, in return, permit the achievement of significantly higher record ing densities. The extent of equalization depends on the permissible signal-to-noise ratio. Therefore, with a given reliability, the achievable densities will depend on the noise rejection qualities of the detection System used. Non-contact recording techniques used in magnetic disk and drum files have also been investigated. It has been found that the main limitation is given by the achievable head-to-recording surface distance (or closeness) and the achievable signalto-noise ratio. The limiting noise factors are given by the degree of achievable envi ronmental noise suppression and the noise figure of the playback amplifier. It is shown why the present non-contact magnetic recording technology would allow a density of up to 10,000 bits per linear inch. Skew problems are considered to be one of the recording density limitations. If a serial-by-character and serial-by-bit recording mode (serial/serial) is used, the skew problems are practically eliminated, since this mode does not have the skew Problem in the ordinary sense. Presently available, very efficient error correction methods, which are relatively simple to implement for the serial/serial mode, could substantially increase the reli ability of magnetic recording machines and could thus make very high densities practica! in Computer applications. The practicability of very high recording densities has been demonstrated and the related theory developed. Such densities will allow the usage of the serial/serial mode while maintaining transfer rates as high as ten megabits per second. 5