Накопители информации

CorRector

18.12.2000

Когда новый аппарат был готов, Эдисон установил его и громко крикнул в рожок: "У Мэри был барашек". Затем он что-то переключил в аппарате, и машина, к полному изумлению собравшихся у стола сотрудников, скрежещущим голосом повторила те же слова.

Как пользоваться вычислительной машиной или зачем нужен фонограф Эдисона?

Как известно двумя неотъемлемыми частями любой вычислительной машины (будь то достаточно абстрактная машина Тьюринга или вполне реальный Cray-1) являются память (в качестве её может использоваться и бесконечная лента) и то, что над этой самой памятью выполняет различного рода операции (собственно процессор). Если отвлечься от абстрактных машин, то в вычислительных машинах в качестве памяти, над которой выполняет операции процессор, используется так называемая оперативная память. Главным её преимуществом является маленькое время доступа (например, для SDRAM 6..10 нс.), основными же недостатками являются высокая стоимость и то, что после выключения компьютера данные в оперативной памяти стираются.

Для того чтобы исходные данные можно было записывать в оперативную память, а результаты работы вычислительной машины - сохранять, и были придуманы накопители информации.

Бумажные носители

Бумажные носители использовали счетно-аналитические машины, получившие также название "счетно-перфорационные машины", для обработки больших массивов информации. В качестве носителя информации применялись бумажные перфокарты, поле которых было разбито на строки и колонки. В каждой колонке методом перфорации наносилась цифра в кодированном виде, а в дальнейшем и буква. По количеству строк, определяющему емкость одной перфокарты, они были двух видов: 45 колонные и 80 колонные. Последние прослужили долгие годы и успешно применялись во всех вычислительных машинах до появления гибких магнитных дисков (дискет).

Магнитные носители

Дискеты

Дискеты были изобретены в 1971 году для решения задачи, с которой корпорация IBM столкнулась при создании компьютера System 370. Проблема состояла в том, что программы, хранившиеся в ее памяти на полупроводниках, стирались всякий раз, когда отключалось питание компьютера.

В 1967 году специалисты лаборатории IBM из Сан-Хосе, занимавшейся разработкой устройств хранения, пыталась создать недорогое устройство, способное хранить и передавать микропрограммы для процессоров, мэйнфреймов и управляющих модулей. Цена устройства не могла превышать 5 долл., иначе его нельзя было бы считать заменяемым. Поставка его не должна была вызывать сложностей, а надежность - сомнений.

Хотя Шугарта нередко называют отцом дискеты, сам он считает настоящим ее создателем Дэвида Нобла. Нобл был старшим инженером лаборатории в Сан-Хосе и стоически выносил на своих плечах тяготы работы в качестве единственного подчиненного Шугарта.

Прежде всего Нобл опробовал существовавшие тогда технологии. Но скоро стало ясно, что надо искать принципиально новые пути. Именно тогда и была предложена первая дискета.

В течение года Нобл (группа которого уже значительно пополнилась) завершил работу над устройством, получившим в IBM название "диск памяти". Это фактически и была дискета. Она представляла собой 8-дюймовый пластмассовый диск, покрытый закисью железа, обеспечивающий доступ только по чтению. Весил этот диск около 2 унций, емкость его составляла 80 Кбайт. Поворотным моментом в создании дискеты было изобретение защитного футляра.

"Мы добились того, что наш диск работал, но никак не могли предложить для него хорошей защитной оболочки, - вспоминал Шугарт. - Любая пылинка начисто уничтожала данные. Процент ошибок был очень велик".

И вот разработчикам пришла идея поместить устройство в футляр из нетканого материала, который обеспечивал бы постоянную протирку поверхности дискеты в процессе ее вращения. Таким образом, поверхность всегда оставалась чистой.

После всеобъемлющих испытаний дискета была встроена в System 370; это произошло в 1971 году. Кроме того, она использовалась для загрузки микропрограмм в контроллер дискового пакета Merlin 3330 компании IBM.

Все же конструкция дискеты, появившейся в 1971 году, не стала стандартом для отрасли, считает Джим Портер, ныне президент аналитической компании Disk/Trend. В те времена, о которых идет речь, Портер работал в Memorex - независимой компании, занимавшейся производством дискет.

В 1973 году IBM представила новую версию дискеты, на этот раз для системы 3704 Data Entry System.

"Формат записи был совершенно иным, к тому же дискета вращалась в другую сторону", - пояснил Портер. Она обеспечивала возможность чтения и записи и позволяла хранить до 256 Кбайт данных.

У пользователей появилась возможность вводить данные с дискет, а не с перфокарт. Представители IBM утверждали, что новое устройство позволяет вместить такой же объем информации, как 3 тыс. перфокарт.

Выпуск новой дискеты стал своего рода выстрелом стартового пистолета для производителей этих устройств. Даже сейчас некоторые компании используют восьмидюймовые дискеты. Но в 1976 году, примерно тогда же, когда появились первые персональные компьютеры, была разработана дискета размером 5,25 дюйма.

По словам Портера, компания Wang Laboratories работала над настольным компьютером, который мог бы выполнять функции текстового процессора, и восьмидюймовая дискета для него была, очевидно, слишком велика. Компания в сотрудничестве с Shugart Associates приступила к работе над устройством меньшего размера.

"Размер дискеты мы обсуждали очень горячо - целую ночь просидели в одном из баров Бостона. Ответ нам подсказал случай - кто-то обратил внимание на салфетку, подложенную под стакан с коктейлем, ее размер был как раз 5,25 дюйма, - вспоминал Портер. - Мы похитили ее, привезли в Бостон и сказали нашим инженерам: “Раз подобный пустячок пользуется спросом, пусть наша дискета будет такого же размера”".

Совершенствование дискет не остановилось на размере салфетки, впоследствии появилась столь популярная сейчас трехдюймовая дискета, разработанная корпорацией Sony. Такой размер был выбран не случайно: размер в точности равен размеру кармана рубашки.

Жёсткий диск или "винчестер"

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) - таково полное название устройств хранения данных, без которых сегодня немыслим ни один компьютер. Вероятно, вам знакомо и неофициальное прозвище упомянутых устройств - винчестер. Что общего может быть у названия ружья и накопителя данных? Почему именно винчестер? Одна из версий происхождения этого названия такова: первый накопитель, изготовленный фирмой IBM, состоял из двух дисков по 30 Мбайт каждый, а запись "30-30" у кого-то из сотрудников фирмы вызвала ассоциацию с калибром ружья "винчестер". Так или иначе, но название "винчестер" прижилось, и теперь его можно часто услышать в фразах типа "винчестер ST51080 объемом 1 Гигабайт". В дальнейшем я тоже буду использовать слово "винчестер" в качестве синонима жесткого диска.

Типовой винчестер состоит из гермоблока и платы электроники. В гермоблоке размещены все механические части, на плате - вся управляющая электроника, за исключением предусилителя, размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от головок.

В дальней от разъемов части гермоблока установлен шпиндель с одним или несколькими дисками. Диски изготовлены чаще из алюминия, реже - из керамики или стекла, и покрыты тонким слоем окиси хрома, которая имеет существенно большую износостойкость, чем покрытие на основе окиси железа в ранних моделях.

Под дисками расположен двигатель - плоский, как во floppy-дисководах (дисководе для дискет), или встроенный в шпиндель дискового пакета. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока и постоянно очищается фильтром, установленным на одной из его сторон.

Ближе к разъемам, с левой или правой стороны от шпинделя, находится поворотный позиционер, несколько напоминающий по виду башенный кран: с одной стороны оси, находятся обращенные к дискам тонкие, длинные и легкие несущие магнитных головок, а с другой - короткий и более массивный мостовик с обмоткой электромагнитного привода. При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков. Угол между осями позиционера и шпинделя подобран вместе с расстоянием от оси позиционера до головок так, чтобы ось головки при поворотах как можно меньше отклонялась от касательной дорожки.

Сменные магнитные носители

Существует большое количество других магнитных носителей информации, но используются они достаточно редко. К компьютерам, например, подключаются видио и аудио магнитофоны, а носители соответственно - это аудио и видео кассеты. Способ неудобен малой скоростью чтения и записи.

Магнитооптические носители

Магнитооптические (далее МО) накопители являются одними из самых старейших представителей устройств со сменным носителем информации. Современные МО сочетают в себе большую емкость, высокую надежность и возможность переносить данные.

Существуют два типоразмера МО накопителей 5,25 и 3,5 дюйма.

5,25" МО диски бывают емкостью - 650 Мб, 1.3 Гб, 2.6 Гб, 4.6 Гб. Так как диски этого формата двусторонние, то общая емкость складывается из емкостей двух поверхностей, т.е. 1.3 Гб = 650 Мб + 650 Мб.
3,5" МО диски бывают емкостью - 128 Мб, 230 Мб, 540 Мб, 640 Мб. Диски этого формата односторонние. МО накопители представленные в этой статье используют диски 3,5" размера.

В момент своего появления МО накопители 3.5" имели емкость носителя 128 или 230 Мб, по тем временам эта емкость позволяла делать полные резервные копии не только с РС но и небольших серверов, современные МО накопители имеют емкость 640 Мб, а уже в этом году должны появиться в продаже МО накопители 3,5" емкостью 1,3 Мб от фирмы Fujitsu.

MO накопитель объединяет в себе магнитные и лазерные технологии. Во время процесса записи интенсивный лазерный луч фокусируется на диске, покрытом уникальным кристаллическим сплавом, который может сохранять магнитное поле. После нагревания сплава до критической температуры (точка Кюри), кристаллы сплава cтановятся достаточно свободными, для того чтобы перемещаться под воздействием пишушей магнитной головки, которая намагничивает кристаллы сплава. Изменение магнитного поля кристаллов сплава позволяет создавать биты. Эти биты могут быть прочитаны во время отражения лазерного луча от кристаллов сплава; магнитное поле кристаллов сплава на MO диске фактически поляризует луч лазера. Это изменение полярности может быть обнаружено и использовано для того, чтобы читать данные.

Оптические носители

Лазерные компакт-диски

Широкому распространению оптических носителей информации предшествовала революционная разработка компании Philips в 70-х гг. 12-дюймового стандарта LaserVision, который получил широкое распространение, особенно в странах Дальнего Востока.

LaserVision - стандарт, при котором видео- и аудиоданные хранились на диске в аналоговой форме. В этой системе применялся сложный сигнал, содержащий в себе аудио-, видео- и управляющие сигналы одновременно. Диск состоял из бесконечного числа ямок и бугорков (питов) переменной длины на дорожке общей протяженностью 31 км (!). Успешное развитие этой технологии повлекло за собой разработку в начале 80-х гг. двух других стандартов: CD-Audio - для массового производства звуковых компакт-дисков и дисков с однократной записью - для хранения компьютерных данных. Обе технологии основывались на принципах, которые использовались в LaserVision, но главное отличие состояло в том, что хранение информации осуществлялось не в аналоговой, а в цифровой форме.

В аналоговых системах сигналы представляются в форме непрерывной волны с бесконечной и переменной по величине амплитудой. Такой сигнал может искажаться внешними электрическими полями, нелинейностью питания и даже температурой системы. Цифровая технология преодолевает этот недостаток, делая выборку первоначальной, исходной формы волны 44 100 раз в секунду (в случае CD-Audio). Каждая такая выборка имеет значение, которое может быть преобразовано в число, представленное в двоичной форме (0 или 1). Последовательность двоичных чисел представляет собой эквивалент аналоговой формы волны.

Опираясь на предыдущий опыт, компания Philips решила запатентовать CD-Audio технологию и установить тем самым единый стандарт во всем мире. В начале 80-х Philips и Sony издали совместный документ, унифицирующий проект CD-Audio, который был назван "Red Book" (Красная книга). Это был первый из целой серии документов, которые описывали компакт-диски. В названии этих документов по традиции использовался какой-либо цвет.

Philips и Sony совместно опубликовали в 1984 г. Желтую книгу, где разъяснялось, что цифровой компакт-диск может использоваться не только в качестве носителя аудиоданных, но и для хранения различных цифровых данных для компьютера.

Через некоторое время появились CD-R (CD-Recordable - записываемый CD) диски и CD-E или CD-RW CD-Erasable - стираемый CD, CD-ReWritable - перезаписываемый CD) диски.

Для однократной записи используются так называемые "болванки", представляющие собой обычный компакт-диск, в котором отражающий слой выполнен преимущественно из золотой или серебряной пленки, а между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные питам.

В перезаписываемых дисках используется промежуточный слой из органической пленки, изменяющей под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно, в результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критической температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагреве до температуры значительно ниже критической восстанавливает кристаллическое состояние. Существующие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность существенно ниже штампованных и однократных CD, что затрудняет их считывание в обычных приводах.

В качестве регистрирующего слоя для дисков CD-R наиболее распространены органические соединения, известные под условными названиями "цианин" (Cyanine) и "фталоцианин" (Phtalocyanine). Цианин имеет голубой (cyan) цвет (от которого и происходит название материала, не имеющее отношения к цианидам - химическим производным циановодорода) и характеризуется средней стойкостью к облучению светом и перепадам температуры. Фталоцианин имеет золотистый цвет и значительно более стоек к внешним воздействиям.

После долгого периода времени, потраченного на планирование и разработки, увидел свет новый формат, которого все так ждали. Появление формата DVD ознаменовало собой переход на новый, более продвинутый, уровень в области хранения и использования данных, звука и видео.

Первоначально аббревиатура DVD расшифровывалась, как digital video disc, это оптические диски с большой емкостью. Эти диски используются для хранения компьютерных программ и приложений, а так же полнометражных фильмов и высококачественного звука. Поэтому, появившаяся несколько позже расшифровка аббревиатуры DVD, как digital versatile disc, т.е. универсальный цифровой диск - более логична.

Снаружи, диски DVD выглядят как обычные диски CD-ROM. Однако возможностей у DVD гораздо больше.

Диски DVD могут хранить в 26 раз больше данных, по сравнению с обычным CD-ROM. Имея физические размеры и внешний вид, как у обычного компакт-диска или CD-ROM, диски DVD стали огромным скачком в области емкости для хранения информации, по сравнению со своим предком, вмещающим 650MB данных. Стандартный однослойный, односторонний диск DVD может хранить 4.7GB данных. Но это не предел - DVD могут изготавливаться по двухслойному стандарту, который позволяет увеличить емкость хранимых на одной стороне данных до 8.5GB. Кроме этого, диски DVD могут быть двухсторонними, что увеличивает емкость одного диска до 17GB.

Как и CD-ROM, диски DVD хранят данные, за счет расположенных насечек вдоль спиральных треков на отражающей металлической поверхности, покрытой пластиком. Используемый в устройствах чтения DVD дисков лазер, скользит вдоль треков по насечкам, а отраженный луч интерпретируется приемным устройством в виде единиц или нулей.

Результатом исследований стала разработка более высокочастотного полупроводникового лазера с меньшей длиной волны, в следствии чего стало возможным использовать насечки более маленького размера.

В то время, как лазер в обычном устройстве CD-ROM имеет длину волны 780-нанометров (nm), устройства DVD используют лазер с длиной волны 650-nm или 635-nm, что позволяет покрывать лучом в два раза больше насечек на одном треке, и в два раза больше треков, расположенных на одной записанной поверхности.

Другие нововведения - это новый формат секторов, более надежный код коррекции ошибок, и улучшенная модуляция каналов.

Вместе, эти улучшения дополнительно увеличивают плотность записи данных в полтора раза.

Флуоресцентные диски

Относительно недавно, компанией C3D было объявлено о создании новейшего типа носителей информации, под общим названием FMD ROM (fluorescent multilayer disk), то есть флуоресцентный многослойный диск. Эта перспективная разработка, как ожидают ее создатели, должна после своего выхода заменить все существующие на сегодняшний момент устройства хранения информации, причем не только устаревающие диски CD-ROM, но и относительно новые DVD-ROM.

Магнитные диски просуществовали более тридцати лет, CD-ROM чуть меньше двадцати, на смену CD совсем недавно пришел стандарт DVD и вот не прошло и три года, как появился преемник DVD.

Разработчики заявляют, что уже сейчас первые прототипы способны вмещать при размере диска 12 см в диаметре, то есть на стандартном 5 дюймовом носителе до 140Гб. Это при десяти слоях. А в ближайших планах компании C3D есть желание, как минимум удесятерить число слоев. При этом становится вполне реальной возможность создания сменных носителей информации емкостью в десятки терабайт. Та емкость, которую на сегодняшний день можно получить лишь при использовании громадных дисковых массивов, занимающих подчас целые шкафы и даже комнаты, будет обеспечиваться компактным диском, который с легкостью умещается в кармане!

Насчет скорости доступа еще очень мало данных. Разработчики обещают, что этот параметр будет намного выше, нежели у DVD. Хотелось бы верить, ведь иначе, с существующими скоростями, при работе с терабайтными массивами информации даже простые операции, например, перечитка диска, может затянуться на несколько часов. Новые гигантские объемы требуют и соответствующих скоростей доступа.

Что же касается соотношения емкость/стоимость носителя, то и тут FMD ROM не имеет себе равных. Ведь он представляет собой практически кусок пластмассы, вернее полимерную матрицу с фотохромным веществом, но по стоимости, это просто пластиковый диск.

И ни каких затрат по созданию дорогостоящих полупрозрачных слоев, как в DVD.

В оптических носителях (CD, DVD, магнитооптика) во время чтения луч полупроводникового лазера отражается от слоя с записанной информацией.

Отраженный луч затем фиксируется детектором - приемником. Грубо говоря, считывание идет по принципу: попал или не попал луч в приемник. Максимальная удельная емкость диска определяется размером светового пятна от лазера, которое в свою очередь зависит от длины волны (у красных лазеров - 650нм).

Можно использовать два слоя, причем сделать один из слоев прозрачным для излучения с определенной длиной волны, как это реализовано в DVD. Но два слоя - это предел, больше сделать очень сложно, так как нужны очень точные фокусирующие системы, которые будут работать только в лабораторных условиях. Разумеется, массовое производство таких систем является невероятно дорогим и нерентабельным. Да и вообще, технология отражающих слоев подошла к своему пределу развития.

Но вот создатели технологии многослойных дисков, компания C3D, нашли способ обошли проблему множественной интерференции между слоями и потери самого луча в многослойных дисках. И технологически это выглядит очень красиво и остроумно.

Разработчиками FMD было предложено следующее решение: материал, содержащий записанную информацию, не отражает, как подложка в DVD или CD, а излучает! Использовано явление флуоресценции, то есть, при освещении активирующим излучением (в данном случае полупроводниковым лазером с определенной длиной волны) вещество начинает излучать, сдвигая спектр падающего на него излучения в сторону красного цвета на определенную величину. Причем величина сдвига зависит от толщины слоя. Таким образом, выбрав такую толщину слоя, что бы спектр отраженного света получается смещенным относительно длины волны излучающего лазера на строго определенную величину, например на 30 или 50 нм, можно с высокой достоверностью записывать информацию вглубь диска и впоследствии считывать ее без потери данных.

Таким образом, плотность записи будет зависеть и от чувствительности регистрирующего детектора. Чем меньше то дополнительное излучение флюоресцирующего вещества, добавляющееся к частоте рабочего лазера, который удастся зафиксировать, тем большее число слоев можно вместить в один диск.

Излученный свет от флуоресцентного слоя некогерентен и хорошо контрастирует с отраженным светом лазера, что является дополнительной гарантией надежности считывания, ведь без отражений все равно не обойтись, они будут происходить от поверхности диска и других записанных слоев. Качественное ухудшение сигнала в обычных (отражающих) многослойных дисках нарастает с увеличением числа слоев, но вот в случае с флуоресцентными дисками это ухудшение происходит гораздо медленнее. По заявлению разработчиков FMD ROM, даже при количестве слоев больше сотни не будет происходить сильного искажения полезного сигнала. Используя синий лазер (480нм) можно увеличить плотность записи до десятков Терабайт на один FM диск. Вполне возможно создание диска с 1000 слоями - это уже субмолекулярные размеры. Теоретически возможно создание пятна размером в несколько молекул, проблема лишь в том, как зафиксировать столь малое флуоресцентное излучение.

Одна из главных особенностей этой разработки - возможность параллельного чтения слоев (т.е. последовательность бит будет записана не по "дорожкам", а по слоям) - скорость выборки данных в этом случае должна быть очень высокой.

Так же на FMD можно записывать. Принцип записи на FMD ROM основан на явлении фотохромизма. Фотохромизм - это свойство некоторых веществ под действием активирующего излучения обратимо переходить из одного состояния в другое, при этом изменяя свои физические свойства (например, такие как цвет, появление/исчезновение флюоресценции и т.д.). Материал, из которого состоит FMD ROM содержит специальную фотохромную субстанцию, которая циклизуется под воздействием лазерного луча определенной длины волны, превращаясь в необходимый устойчивый флуоресцент. Обратная реакция рециклизации, приводящая к исчезновению флуоресцентных свойств (операция стирания), происходит под действием лазера с другой длиной волны. Стирающая частота лазера выбирается с таким расчетом, чтобы она не встречалась в повседневной жизни, во избежание потери данных.

Ну, и естественно читающий лазер, ни в коем случае не должен вносить изменения в данные, хранящиеся на диске.

Наиболее ценными фотохромными свойствами обладают соединения под названием фульгиды, поэтому можно предположить, что используемый в FMD ROM фотохром принадлежит именно к этому классу.

Вообще идея использования фотохромов в качестве носителей информации не нова. Ей примерно тридцать лет. И лишь теперь эта идея была реализована на практике.