Компьютеры
29 октября 2014, 08:00

Эволюция носителей информации. Часть 2: жесткие диски, твердотельные накопители и Blu-ray

Технологии хранения данных активно совершенствуются со времен появления первых компьютеров. Еще вчера мы пользовались 1,44-мегабайтными дискетами, а сегодня в продаже можно найти 256-гигабайтные флеш-накопители. А ведь это далеко не предел. Сегодня мы расскажем, откуда берут свое начало современные технологии хранения информации: жесткие диски, твердотельные накопители и диски Blu-ray.

Эволюция носителей информации. Часть 1: от перфокарт до DVD

Жесткий диск

Вторая часть нашего материала начинается с рассказа о жестких дисках. Удивительно, но первый такой девайс был представлен аж в 1956 году — на 15 лет раньше дискеты! Первооткрывателем стала модель IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Она состояла из пятидесяти алюминиевых пластин диаметром 61 см (24 дюйма) каждый. Весила такая система почти тонну, а по своим размерам она походила на огромный холодильник. Емкость устройства составляла целых 5 Мбайт — на тот момент это было большое достижение. Принцип работы первого жесткого диска основывался на магнетизме и почти ничем не отличался от функционирования магнитной ленты. Обе стороны каждой пластины были покрыты металлическим напылением (ферромагнетиком). Записывалась и считывалась информация с пластин с помощью головки, которая двигалась по поверхности диска. Запись данных производилась путем намагничивания многочисленных областей (доменов) на пластине, а считывание — посредством фиксирования остаточного магнитного поля. Словом, ничего особенного.

Эта огромная штука и есть IBM 305 RAMAC

Источник изображения

Главным преимуществом жесткого диска IBM была его скорость работы. Высокой производительности удалось достичь благодаря тому, что головка свободно перемещалась по поверхности диска. Извлечь данные можно было всего лишь за 600 миллисекунд. Средняя скорость передачи информации составляла 9 байт/с.

В движущейся головке крылся и основной недостаток системы — ее ненадежность. Из-за того, что она соприкасалась с поверхностью диска, обе детали сильно нагревались. А пластины вдобавок еще и изнашивались. Стоимость IBM 305 RAMAC тоже не была сильной стороной устройства: цена одного мегабайта на жестком диске составляла 10 тысяч долларов! Но даже несмотря на это, IBM удалось продать около 1000 таких жестких дисков. Производство IBM 305 RAMAC было прекращено в 1961 году.

А это небольшое промо-видео от компании IBM, в котором рассказывается об исследованиях и разработке 305 RAMAC

Проблема соприкасания движущейся головки и дисков была решена в 1961 году, когда IBM представила технологию air bearing. Благодаря ей между головкой и поверхностью диска появилась воздушная прослойка толщиной примерно 0,5 мкм. Эти элементы жесткого диска больше не соприкасались между собой. Надежность и долговечность устройства значительно повысилась. Впервые air bearing была применена в жестком диске IBM 1301, который был представлен в том же 1961 году. Помимо этой технологии, IBM 1301 мог похвастаться наличием отдельной головки для каждой поверхности. Это позволило более чем в 3 раза повысить производительность хранилища: время доступа у IBM 1301 составляло 180 миллисекунд. Жесткий диск мог хранить до 28 Мбайт информации — это почти в шесть раз больше, чем IBM 305 RAMAC.

Жесткий диск IBM 1301 — быстрее и объемнее своего предшественника

Источник изображения

IBM продолжала в одиночку развивать технологии жестких дисков. После IBM 1301 последовал выпуск устройства IBM 1311 — первого девайса со съемными дисками. Сама система состояла из шести 14-дюймовых пластин, общая емкость которых составляла 2,6 Мбайт. Модель оказалась настолько успешной, что IBM не снимала ее с конвейера вплоть до 1975 года.

Модель IBM 1311 отличалась съемными дисками

Источник изображения

Однако самым настоящим прародителем современных жестких дисков стал девайс IBM 3340, появившийся в 1973 году. До этого в течение нескольких лет инженеры IBM доводили до ума уже существующие технологии. К примеру, был создан микрочип, который управлял вращением дисков и перемещением головки. Кроме этого, улучшилась система, отвечающая за позиционирование головки. Все эти наработки применялись в IBM 3340. Вдобавок ко всему, головки стали более легкими и аэродинамичными, а сами диски помещались в герметичный корпус. Жесткий диск обладал двумя пластинами, одна из которых была закреплена внутри, а вторая была съемной. Емкость каждой из них составляла 30 Мбайт. Из-за этого IBM 3340 часто приписывали суффикс «30-30», который напоминал всем о винтовке Winchester 30/30. Собственно, именно по этой причине в простонародье IBM 3340 называли винчестером. А затем такое название прочно закрепилось и за другими жесткими дисками. Стоимость IBM составляла внушительные 88 тысяч долларов.

Винчестер IBM 3340 — прародитель современных жестких дисков

Источник изображения

Гигабайтный рубеж жестким дискам удалось преодолеть к 1980 году, когда IBM выпустила модель с индексом 3380. Ее емкость равнялась 2,52 Гбайт, а скорость передачи данных достигала 3 Мбайт/с. Однако всё это были промышленные девайсы. Как же обстояли дела с жесткими дисками для домашних компьютеров?

Стоит сразу отметить, что довольно долгое время компьютеры комплектовались только дисководом, иногда — двумя. О жестких дисках в домашних системах не могло быть и речи. Первым винчестером для PC стал Seagate ST-506, выполненный в 5,25-дюймовом форм-факторе и выпущенный в 1980 году. Объем устройства составлял 5 Мбайт. Приобрести его можно было за полторы тысячи долларов. Тем не менее первым винчестером, которым стали комплектоваться IBM PC/XT, стала следующая модель Seagate — ST-412.

Seagate ST-506 — взгляд изнутри

Источник изображения

Переход на 3,5-дюймовые устройства состоялся спустя три года. Тогда небольшая шотландская компания Rodime выпустила устройство с названием RO351.

Ну а в 1988 году компания Toshiba представила один из первых 2,5-дюймовых жестких дисков. Разработка японского производителя позволила значительно уменьшить размер выпускаемых ноутбуков. Винчестер носил название Tanba-1 и комплектовался 63 Мбайт памяти. Нужно заметить, что Toshiba не стали первооткрывателями сегмента компактных жестких дисков: дебютный 2,5-дюймовый девайс был выпущен еще в 1988 году американской компанией PrairieTek.

Toshiba Tanba-1 — один из первых 2,5-дюймовых жестких дисков

Источник изображения

Жесткие диски стремительно развивались. В середине 90-х годов IBM предложила еще две технологии, которые позволили поднять плотность записи. Во-первых, это магнитные головки на гигантском магниторезистивном эффекте. Эта технология обеспечила повышение плотности записи до 2,7 Гбит на квадратный дюйм. Во-вторых, новый способ форматирования магнитных пластин No-ID sector format, который поднял величину плотности еще на 10%.

Кроме этого, постепенно увеличивалась скорость вращения шпинделя. На первых порах стандартной была частота 5400 оборотов в минуту, затем состоялся переход на 7200 об/мин. Периодически производители выпускали устройства с более высоким показателем этой характеристики. Например, в 1999 году Seagate представила винчестеры серии Cheetah, отличительной особенностью которых стала скорость вращения шпинделя, равная 15 000 оборотов в минуту. Объем такого жесткого диска составлял 36 Гбайт. А в 2003 году Western Digital показала миру серию устройств Raptor со скоростью вращения шпинделя 10 000 оборотов в минуту. Изначально винчестер разрабатывался для серверного сегмента, но впоследствии прочно занял место в игровых компьютерах.

Винчестер Western Digital Raptor

Источник изображения

В конце 2005 года был освоен метод перпендикулярной записи — до этого момента все жесткие диски работали по методу параллельной записи. Разница между этими технологиями заключается в следующем. При параллельной записи магнитные частицы располагаются так, что вектор магнитной направленности проходит параллельно плоскости диска. Преимуществом такой записи является ее простота. Однако у нее есть и один недостаток: из-за того, что сила взаимодействия между доменами (минимальными ячейками информации) очень высока, между ними требуется наличие большой буферной зоны — как раз для снижения этих сил взаимодействия. Как вы догадываетесь, в случае с методом перпендикулярной записи вектор магнитной направленности частиц располагается перпендикулярно поверхности диска, что позволяет значительно уменьшить буферную зону, а значит и увеличить плотность записи.

Иллюстрация отличий методов параллельной и перпендикулярной записи

Источник изображения

Во многом благодаря новой технологии в 2007 году индустрии жестких дисков удалось преодолеть терабайтный рубеж: увидел свет винчестер Hitachi The Deskstar 7K1000 объемом 1 Тбайт.

Несмотря на «угрозу» со стороны твердотельных накопителей, винчестеры отнюдь не собираются сдаваться. Технологии продолжают совершенствоваться. Например, в прошлом году подразделением компании Western Digital — HGST — был выпущен первый образец жесткого диска, внутри которого использовался гелий вместо воздуха. Как вы знаете, гелий легче воздуха. Благодаря этой особенности внутри HDD снижаются трение и вибрации между дисками и головкой. Словом, создается почти идеальная среда движущихся с высокой скоростью компонентов. Это позволяет повысить надежность и быстродействие устройства. В конце 2013 года Western Digital представила первые серийные жесткие диски под названием Ultrastar He6, наполненные гелием. Их объем составляет 6 Тбайт.

При использовании гелия диски можно располагать ближе друг к другу

Источник изображения

А в сентябре 2014 года в продаже появились винчестеры Ultrastar He10 — первые у мире 10-терабайтные устройства. Кстати, эти жесткие диски используют разработанную Seagate технологию с перекрытием дорожек SMR (shingled magnetic recording), которая пришла на смену методу перпендикулярной записи. В отличие от перпендикулярного принципа, где дорожки информации проходят бок о бок, в SMR дорожки перекрывают друг друга, образуя что-то наподобие черепичной крыши. Такой подход позволил увеличить плотность записи на 25%.

Лучше всего принцип работы технологии SMR объясняет это видео

В ближайшем будущем крупные компании планируют наладить производство жестких дисков по технологии термоассистируемой магнитной записи HAMR (Heat-assisted magnetic recording), которая сочетает в себе магнитное чтение и магнитооптическую запись. Суть технологии заключается в том, что запись информации в домен осуществляется путем нагревания определенной части диска с помощью лазера. Это позволит намного увеличить плотность записи. По прогнозам компаний Hitachi и Seagate емкость традиционных 3,5-дюймовых жестких дисков может увеличиться до 50 Тбайт. Однако первостепенной задачей для Seagate является создание 20-терабайтного HAMR-устройства к 2020 году.

HD DVD и Blu-ray

Выпуск двухсторонних двухслойных DVD и спекуляции на тему дальнейшего наращивания количества слоев у DVD-дисков ясно дали понять, что даже 18-гигабайтная емкость в самом ближайшем будущем перестанет удовлетворять запросам пользователей. Потенциал формата DVD был полностью реализован, поэтому началась разработка абсолютно новых стандартов. Производители в очередной раз не смогли договориться о спецификациях, поэтому в 2002 году были представлены сразу два формата-сменщика DVD: Blu-ray и HD DVD. Стандарт Blu-ray был разработан консорциумом Blu-ray Disc Association, в который входили Sony, Panasonic, LG, Hitachi, Samsung и многие другие компании. Что касается HD DVD, то в число его разработчиков вошли японские компании NEC, Toshiba и Sanyo. Обе технологии используют сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм. Это позволило вновь уменьшить минимальный размер ячейки памяти, а, следовательно, и увеличить плотность записи. Тем не менее объемы у Blu-ray и HD DVD дисков были разные. Однослойная болванка Blu-ray могла вместить до 25 Гбайт информации, а двухслойная в два раза больше. Показатели у HD DVD были несколько скромнее: однослойная модификация имела объем 15 Гбайт, двухслойная — 30 Гбайт.

Противостояние HD DVD и Blu-ray закончилось капитуляцией первого

Источник изображения

Такая схожесть характеристик двух стандартов положила начало «войне форматов», которая продолжалась вплоть до 2008 года. Дело в том, что американские киностудии активно поддерживали именно Blu-ray. Даже те студии, которые поначалу были на стороне HD DVD, постепенно перешли на конкурирующую технологию. Последней компанией, отказавшейся от HD DVD, стала Warner Brothers. Это произошло в январе 2008 года. А 19 февраля 2008 года компания Toshiba объявила о прекращении разработок в области стандарта HD DVD, чем положила конец как самой технологии, так и «войне форматов».

Приставка Sony PlayStation4 оснащена BD-приводом и поддерживает стандарт Blu-ray 3D

Источник изображения

После того как HD DVD окончательно ушел с рынка, продажи Blu-ray дисков начали стремительно расти. В 2009 году появился стандарт Blu-ray 3D, предназначенный специально для хранения и воспроизведения трехмерного контента. Ну а на 2015 год запланирован запуск формата 4K Blu-ray. Главное его отличие — поддержка 4K-видео с разрешением 3840x2160 с фреймрейтом 60 кадров в секунду. Помимо этого, улучшится цветовой охват и динамический диапазон. Это станет возможным благодаря 10-битной глубине представления цвета и новой технологии кодирования цвета. Объем 4K Blu-ray дисков составит 50, 66 и 100 Гбайт соответственно.

Флеш-память и твердотельные накопители

Сегодня мы уже не можем представить нашу жизнь без обычных флешек (USB Flash Drive). Появились эти устройства сравнительно недавно. Первый такой накопитель был представлен в 2000 году. Он назывался DiskOnKey и был разработан совместными усилиями IBM и компании M-Systems. Объем устройства составлял 8 Мбайт, что уже на тот момент было в 5 с лишним раз больше, чем емкость обычной дискеты. Конструкция накопителя основывалась на использовании флеш-памяти.

Та самая флешка DiskOnKey. Внешне почти не отличается от современных

Источник изображения

Сама флеш-память была создана задолго до появления первого USB Flash Drive. Ее история берет начало в 1984 году, когда инженер компании Toshiba Фудзио Масуока представил свою разработку на конференции IEEE в Сан-Франциско. Само название flash было придумано коллегой Масуоки, Сёдзи Ариидзуми, который сравнил процесс стирания данных из памяти со вспышкой (англ. flash — вспышка).

Фудзио Масуока — человек, создавший флеш-память

Источник изображения

Принцип работы флеш-памяти основывается на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области полупроводниковой структуры. Существует несколько видов флеш-памяти. Первый из них — это NOR. Впервые чип этого типа был представлен в 1988 году компанией Intel. Конструкция NOR использует классическую двухмерную матрицу проводников, у которой на пересечении строк и столбцов располагается одна ячейка. Такой метод хорош тем, что позволяет просто и быстро получать доступ к конкретной ячейке.

В 1989 году компания Toshiba представила иной вид флеш-памяти — NAND. Он отличался от NOR тем, что в его основе лежала не двухмерная матрица, а трехмерный массив. Иными словами, на пересечении строки и столбца располагается не одна, а целый блок ячеек. В сравнении с NOR алгоритм чтения в NAND-памяти значительно усложняется, что приводит к замедлению в работе. Тем не менее такая конструкция позволяет достичь значительно больших емкостей чипа. NOR-память всегда использовалась, к примеру, в роли встраиваемой памяти у микроконтроллеров и в иных сферах, где не столь важен объем. NAND-чипы, напротив, применяются во флешках и твердотельных накопителях — там, где упор делается именно на емкость.

Заметим, что изначально элементарная ячейка могла хранить лишь один бит информации. Такие ячейки называются одноуровневыми (SLC, single-level cell). Затем ожидаемо появилась необходимость увеличить плотность записи без уменьшения размеров ячеек — так были созданы MLC-ячейки (multi-level cell) с двухбитной разрядностью. А после MLC наладилось производство трехуровневых TLC-ячеек (triple-level cell). Однако бесконечно наращивать разрядность ячеек нельзя. Даже сейчас у TLC имеются определенные проблемы с переходом на более тонкие технологические нормы. Дело в том, что из-за сложности конструкции производство по уменьшенному техпроцессу сопровождается ухудшением распознавания сигналов в ячейке и сокращением выхода годных кристаллов. Создание TLC-памяти становится экономически невыгодным. С этим и связана не столь большая распространенность этих чипов.

Ячейка SLC хранит один бит информации, MLC — два, а TLC — три

Источник изображения

Индустрии потребовалось новое технологические решение для дальнейшего развития. И этим решением стала трехмерная V-NAND (Vertical NAND) память. Суть технологии заключается в том, что отныне ячейки будут располагаться не только планарно, но и слоями. Всего друг над другом можно расположить до 32 слоев. Это позволяет значительно увеличить емкость, не изменяя индивидуальных размеров ячеек памяти. Интересно, что технология V-NAND вовсе не требует современных технологических норм производства. Например, компания Samsung при создании V-NAND памяти использует отлаженный 40-нм техпроцесс. Такой подход повысил ресурс памяти, а также увеличил процент выхода годных чипов. Если говорить о количественных показателях V-NAND, то, к примеру, тот же 40-нм чип Samsung имеет емкость 86 Гбит при площади 95 мм2. А уже к 2017 году корейская компания планирует выпустить кристалл, состоящий из 100 слоев объемом 1 Тбит.

К 2017 году Samsung планирует создать терабитный кристалл

Источник изображения

Возвращаясь к теме флешек, остается лишь отметить, что за время их существования они претерпели не столь значительные изменения. Даже их вид остался прежним! В первую очередь, изменения коснулись объема устройств — сегодня в продаже можно найти даже терабайтный накопитель. Помимо этого, увеличилась и скорость передачи данных (благодаря использованию более быстрых интерфейсов USB 2.0 и 3.0).

Однако чуть ли не основной областью применения флеш-памяти на данный момент являются твердотельные накопители. Многие ошибочно считают, что такой девайс обязательно основан на флеш-памяти, однако это не так. Свое название SSD (Solid State Drive) получили потому, что в их конструкции не было подвижных элементов. Шутка ли, но первый твердотельный накопитель появился аж в 1976 году — задолго до начала производства флеш-памяти. Это был девайс под названием Bulk Core, разработанный компанией Dataram. Он состоял из специального шасси размером 19x15,75 дюймов, на котором располагались 8 больших планок RAM-памяти объемом 256 Кбайт каждая. Оценивался Bulk Core в 9700 долларов.

Dataram Bulk Core — первый в мире SSD-накопитель

Источник изображения

Следующим был накопитель STC 4305. Это устройство было представлено в 1978 году и могло хранить до 45 Мбайт информации. Неплохо для конца 70-х, не правда ли? Тем не менее доподлинно неизвестно, сколько экземпляров STC 4305 было продано. Вряд ли очень много — цена на накопитель, мягко говоря, кусалась и составляла 400 тысяч долларов.

Далее в 1982 году компания Axlon выпустила целую линейку твердотельных накопителей специально для компьютеров Apple. Она носила название Apple II RAMDisk. Объем памяти был не такой внушительный, как у STC 4305. Наиболее популярной была модель с 320 Кбайт памяти. Для сохранения информации на RAM-чипах в комплекте с накопителем поставлялась подзаряжаемая батарея.

Рекламная брошюра Axlon Apple II RAMDisk

Первым SSD-накопителем с флеш-памятью был Flashdisk, разработанный компаний Digipro в 1988 году. Система могла хранить до 16 Мбайт информации, а ее стоимость составляла 5000 долларов. В 1989 году появился еще один твердотельный накопитель на флеш-памяти, разработанный компанией M-Systems. Однако это был лишь опытный образец. Инженеры M-Systems еще долгое время дорабатывали устройство, и только в 1995 году оно вышло на рынок под названием Fast Flash Disk (FFD-350). Это был первый твердотельный накопитель, выполненный в привычном нам 3,5-дюймовом формате. Объем девайса составлял от 16 до 896 Мбайт. Цена одного такого SSD достигала нескольких десятков тысяч долларов, поэтому его сфера применения ограничилась военной и авиационной областями.

Digipro Flashdisk

Источник изображения

В начале 2000-х годов стоимость производства флеш-памяти упала, и появилась возможность создания недорогих твердотельных накопителей. Пионером новой эпохи SSD стала компания Transcend с ее модулями флеш-памяти, работающими через интерфейс Parallel ATA, которые были представлены в 2003 году. Но начало бурному развитию рынка «твердотельников» положила компания Samsung в 2006 году, представив 2,5-дюймовый твердотельный накопитель емкостью 32 Гбайт и стоимостью 699 долларов. В 2006-2007 годах индустрии удалось частично решить проблему ограничения количества перезаписей флеш-памяти, что наконец-то позволило рассматривать SSD как полноценную альтернативу жестким дискам.

Transcend IDE Flash Module

Источник изображения

В течение следующих лет емкость твердотельных накопителей росла, а цена на них стремительно снижалась. Сегодня SSD уже не является такой роскошью, как раньше. Многие пользователи делают выбор в пользу твердотельных накопителей для своих домашних компьютеров. А во многих ноутбуках SSD устанавливается по умолчанию.

Пока что не хочется затрагивать тему того, как и насколько твердотельные накопители смогут потеснить на рынке жесткие диски. Единственное, в чем можно быть уверенным, — они продолжат дешеветь. Сейчас цена за 1 Гбайт флеш-памяти приближается к отметке 40 центов, и эксперты предрекают, что к концу следующего года этот показатель может опуститься до 30 центов. Твердотельные накопители выглядят всё выигрышнее. Однако не стоит списывать со счетов и жесткие диски, о чем нам намекают большие планы Seagate и Western Digital.

Заключение

Подводя небольшой итог эволюции носителей информации, хочется отметить один интересный факт. Многие современные технологии берут свое начало еще в 60-х и 80-х годах! Первый жесткий диск появился еще в 1956 году и приобрел знакомые нам очертания к 1973-му. А дебютный твердотельный накопитель увидел свет в 1988-м. Да и распространенный нынче формат Blu-ray, по сути, является эволюцией компакт-диска. Что касается дальнейших перспектив, то ситуация здесь однозначна лишь с «голубым лучом». По-видимому, Blu-ray пришел надолго. Ну а соперничество жестких дисков и твердотельных накопителей точно будет продолжаться ближайшие лет 10-15, что нам, обычным юзерам, пойдет лишь на пользу.