[Перевод] Жизнь байта данных
Любой облачный провайдер предлагает услугу хранения данных. Это могут быть холодные и горячие хранилища, Ice-cold, и т.д. В облаке хранить информацию довольно удобно. Но как вообще хранили данные 10, 20, 50 лет назад? Cloud4Y перевёл интересную статью, рассказывающую как раз об этом.
Байт данных может храниться самыми разными способами, так как всё время появляются новые, более совершенные и быстрые носители информации. Байт — это единица хранения и обработки цифровой информации, которая состоит из восьми бит. В одном бите может быть записан либо 0 либо 1.
В случае перфокарт бит хранится как наличие/отсутствие отверстия в карте в определенном месте. Если вернуться чуть дальше в прошлое к «Аналитической машине Бэббиджа», то регистры, хранящие числа, представляли собой зубчатые колёса. У магнитных устройств хранения, таких как ленты и диски, бит представлен полярностью определённой области магнитной пленки. В современной динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) бит часто представлен в виде двухуровневого электрического заряда, хранящегося в устройстве, которое накапливает электрическую энергию в электрическом поле. Заряженная или разряженная ёмкость хранит бит данных.
В июне 1956 года Вернер Бухгольц придумал слово byte для обозначения группы битов, используемых для кодирования одного символа текста. Давайте немного поговорим о кодировании символов. Начнем с американского стандартного кода для информационного обмена, или ASCII (ASCII (англ. American standard code for information interchange). ASCII был основан на английском алфавите, поэтому каждая буква, цифра и символ (a-z, A-Z, 0–9, +, -, /,»,! и т.д.) были представлены в виде 7-битного целого числа от 32 до 127. Это было не совсем «дружелюбно» по отношению к другим языкам. Для поддержки других языков, Юникод расширил ASCII. В Юникоде каждый символ представлен в виде кодовой точки, или символа, например, нижний регистр j — U+006A, где U обозначает Юникод, а затем шестнадцатеричное число.
UTF-8 — это стандарт для представления символов в виде восьми бит, позволяя хранить каждую кодовую точку в диапазоне 0–127 в одном байте. Если мы вспомним ASCII, то это вполне нормально для английских символов, но символы другого языка часто выражены в двух или более байтах. UTF-16 является стандартом для представления символов в виде 16 бит, а UTF-32— стандартом для представления символов в виде 32 бит. В ASCII каждый символ является байтом, а в Юникоде, что зачастую не совсем верно, символ может занимать 1, 2, 3 или более байтов. В статье будут использоваться различные размерные группировки битов. Количество битов в байте варьируется в зависимости от конструкции носителя.
В этой статье мы совершим путешествие во времени по различным носителям информации в целях погружения в историю хранения данных. Ни в коем случае не станем глубоко изучать каждый отдельный носитель информации, который когда-либо был изобретён. Перед вами забавная информационная статья, ни в коей мере не претендующая на энциклопедическую значимость.
Давайте начнём. Предположим, у нас есть байт данных для хранения: буква j, или в виде закодированного байта 6a, или в виде двоичного 01001010. По ходу нашего путешествия во времени байт данных будет использоваться в некоторых технологиях хранения, которые будут описываться.
1951
Наша история начинается в 1951 году с ленточного накопителя UNIVAC UNISERVO для компьютера UNIVAC 1. Это был первый ленточный накопитель, созданный для коммерческого компьютера. Лента была изготовлена из тонкой полоски никелированной бронзы шириной 12,65 мм (называемой Vicalloy) и длиной почти 366 метров. Наши байты данных могли храниться со скоростью 7 200 символов в секунду на ленте, движущейся со скоростью 2,54 метра в секунду. На этом этапе истории вы могли измерить скорость алгоритма хранения по расстоянию, пройденному лентой.
1952
Перенесёмся на год вперед, к 21 мая 1952 года, когда IBM объявила о выпуске своего первого магнитного ленточного блока, IBM 726. Теперь наш байт данных может быть перемещен с металлической ленты UNISERVO на магнитную ленту IBM. Этот новый дом оказался очень уютным для нашего очень маленького байта данных, так как на ленте может храниться до 2 миллионов цифр. Эта магнитная 7-дорожечная лента двигалась со скоростью 1,9 метра в секунду со скоростью передачи 12 500 цифр или 7500 символов (в то время называемых копировальными группами) в секунду. Для справки: в средней статье на Хабре примерно 10 000 символов.
Лента IBM 726 насчитывала семь дорожек, шесть из которых служили для хранения информации, а одна — для контроля чётности. На одной бобине помещалось до 400 метров ленты шириной 1,25 см. Скорость передачи данных теоретически достигала 12,5 тыс. символов в секунду; плотность записи — 40 бит на сантиметр. В этой системе использовался метод «вакуумного канала», при котором петля ленты циркулировала между двумя точками. Это позволяло ленте запускаться и останавливаться за доли секунды. Этого удалось добиться за счёт размещения длинных вакуумных колонок между катушками ленты и головками для чтения/записи для того, чтобы поглощать внезапное увеличение натяжения в ленте, без которого лента, как правило, разорвалась бы. Съёмное пластиковое кольцо в задней части катушки ленты обеспечило защиту от записи. На одной катушке ленты можно хранить около 1,1 мегабайта.
Вспомните VHS кассеты. Что нужно было сделать для того, чтобы посмотреть фильм заново? Перемотать ленту! А сколько раз вы вертели на карандаше кассету для плеера, чтобы не тратить лишний раз батарейки и не получить порванную или зажёванную ленту? То же самое можно сказать и про ленты, используемые для компьютеров. Программы не могли просто перескочить через какой-то участок ленты вокруг ленты или случайно получать доступ к данным, они могли читать и записывать данные строго последовательно.
1956
Если перенестись на несколько лет вперед, в 1956 год, то эра хранения магнитных дисков началась с завершения компанией IBM разработки компьютерной системы RAMAC 305, которую компания Zellerbach Paper поставит в Сан-Франциско. В этом компьютере впервые был использован жесткий диск с подвижной головкой. Дисковый накопитель RAMAC состоял из пятидесяти намагниченных металлических пластин диаметром 60,96 см, способных хранить около пяти миллионов символов данных, 7 бит на символ, и вращаться со скоростью 1200 оборотов в минуту. Ёмкость хранилища составляла около 3,75 мегабайт.
RAMAC позволял в режиме реального времени получить доступ к большим объёмам данных, в отличие от магнитной ленты или перфокарт. Компания IBM рекламировала RAMAC как устройство, способное хранить эквивалент 64 000 перфокарт. Раньше в RAMRAC была введена концепция непрерывной обработки транзакций по мере их осуществления, чтобы данные можно было извлекать сразу же, пока они еще свежие. Теперь доступ к нашим данным в RAMAC мог осуществляться со скоростью 100 000 бит в секунду. Ранее при использовании лент нам приходилось записывать и считывать последовательные данные, и мы не могли случайно перепрыгивать на различные участки ленты. Произвольный доступ к данным в режиме реального времени был поистине революционным в то время.
1963
Давайте перенесёмся в 1963 год, когда была представлена DECtape. Название произошло от корпорации Digital Equipment Corporation, известной как DEC. DECtape была недорогой и надежной, поэтому она использовалась во многих поколениях компьютеров DEC. Это была 19-мм лента, заламинированная и зажатая между двумя слоями майлара на четырехдюймовой (10,16 см) катушке.
В отличие от её тяжелых, крупных предшественников, ленту DECtape можно было переносить вручную. Это делало ее отличным вариантом для персональных компьютеров. В отличие от 7-дорожечных аналогов, у DECtape было 6 дорожек данных, 2 дорожки меток и 2 для тактовых импульсов. Данные записывались со скоростью 350 бит на дюйм (138 бит на см). Наш байт данных, который составляет 8 бит, но может быть расширен до 12, мог передаваться на DECtape со скоростью 8325 12-битных слов в секунду при скорости ленты 93 (±12) дюймов в секунду. Это на 8% больше цифр в секунду, чем на металлической ленте UNISERVO в 1952 году.
1967
Четыре года спустя, в 1967 году, небольшая команда IBM начала работать над дисководом IBM под кодовым названием Minnow. Тогда перед командой была поставлена задача разработать надежный и недорогой способ загрузки микрокодов в мейнфреймы IBM System/370. Впоследствии проект был переназначен и перепрофилирован для загрузки микрокода в контроллер для IBM 3330 Direct Access Storage Facility под кодовым названием Merlin.
Теперь наш байт может храниться на доступных только для чтения 8-дюймовых гибких дисках Mylar с магнитным покрытием, известных сегодня как дискеты. На момент выпуска продукт получил название IBM 23FD Floppy Disk Drive System. Диски могли вмещать 80 килобайт данных. В отличие от жестких дисков, пользователь мог легко переносить дискету в защитной оболочке с одного диска на другой. Позже, в 1973 году, IBM выпустила дискету для чтения/записи, которая затем стала промышленным стандартом.
1969
В 1969 году на борту космического корабля «Аполлон-11», который доставлял американских астронавтов на Луну и обратно, был запущен бортовой компьютер AGC (Apollo Guidance Computer) с «верёвочной памятью» (rope memory). Эта веревочная память была сделана вручную и могла вмещать 72 килобайта данных. Производство веревочной памяти было трудоемким, медленным и требовало навыков, аналогичных ткацкой работе; на вплетение программы в веревочную память, могли уйти месяцы. Но это был правильный инструмент для тех времен, когда важно было вместить максимум в жёстко ограниченное пространство. Когда проволока проходила через одну из круговых жил, она представляла собой 1. Проволока, проходящая вокруг жилы, представляла собой 0. Наш байт данных требовал от человека нескольких минут вплетений в веревку.
1977
В 1977 году был выпущен Commodore PET — первый (успешный) персональный компьютер. В PET был использован Commodore 1530 Datasette, что означает данные плюс кассета. PET преобразовывал данные в аналоговые звуковые сигналы, которые затем хранились на кассетах. Это позволило создать экономичное и надёжное решение для хранения данных, хотя и очень медленное. Наш маленький байт данных мог передаваться со скоростью около 60–70 байт в секунду. Кассеты могли вмещать около 100 килобайт на 30-минутную сторону, с двумя сторонами на ленту. Например, на одной стороне кассеты можно было бы разместить около двух 55 КБ изображений. Datasette также использовались в Commodore VIC-20 и Commodore 64.
1978
Спустя год, в 1978, MCA и Philips представили LaserDisc под названием «Discovision». Фильм «Челюсти» стал первым фильмом, проданным на LaserDisc в США. Качество звука и видео на нём было намного лучше, чем у конкурентов, но лазерный диск оказался слишком дорогим для большинства потребителей. На LaserDisc нельзя было записывать, в отличие от VHS кассет, на которые люди записывали телевизионные программы. Лазерные диски работали с аналоговым видео, аналоговым FM стереозвуком и импульсно-кодовой модуляцией, или PCM, цифровым аудио. Диски имели диаметр 12 дюймов (30,47 см) и состояли из двух односторонних алюминиевых дисков, покрытых пластмассой. Сегодня LaserDisc помнят как основу CD и DVD.
1979
Годом позже, в 1979, Алан Шугарт и Финис Коннер основали компанию Seagate Technology с идеей масштабирования жесткого диска до размера, равного 5 ¼-дюймовой дискеты, которая в то время была стандартной. Их первым продуктом в 1980 г. стал жесткий диск Seagate ST506 — первый жесткий диск для компактных компьютеров. Диск вмещал пять мегабайт данных, что в то время было в пять раз больше, чем стандартная дискета. Основатели сумели достичь своей цели — уменьшить размер диска до размера 5¼-дюймовой дискеты. Новое устройство хранения данных представляло собой жёсткую металлическую пластину, покрытую с обеих сторон тонким слоем магнитного материала для хранения данных. Наши байты данных могли передаваться на диск со скоростью 625 килобайт в секунду. Это примерно такая гифка.
1981
Перенесемся на пару лет вперёд, к 1981 году, когда Sony представила первые 3,5-дюймовые дискеты. Компания Hewlett-Packard стала первым последователем этой технологии в 1982 году со своим HP-150. Это прославило 3,5-дюймовые дискеты и дало им широкое распространение в индустрии. Дискеты были односторонними с форматированной емкостью 161.2 килобайт и неформатированной емкостью 218.8 килобайт. В 1982 году была выпущена двухсторонняя версия, и консорциум Microfloppy Industry Committee (MIC) состоящий из 23 медиа-компаний, основал спецификацию 3,5-дюймовой дискеты на оригинальном дизайне Sony, закрепив формат в истории в том виде, в каком мы его знаем. Теперь наши байты данных могут храниться на ранней версии одного из самых распространенных носителей: 3,5-дюймовой дискете. Позже пара 3,5-дюймовых дискет с Орегонской тропой стали самой важной частью моего детства.
1984
Вскоре после этого, в 1984 году, было объявлено о выпуске компакт-диска с данными, доступными только для чтения (англ. Compact Disc Read-Only Memory, CD-ROM). Это были CD-ROM объемом 550 мегабайт от компаний Sony и Philips. Формат вырос из компакт-дисков с цифровым аудио, или CD-DA, которые использовались для распространения музыки. CD-DA был разработан Sony и Philips в 1982 году, его ёмкость составляла 74 минуты. Согласно легенде, когда Sony и Philips вели переговоры о стандарте CD-DA, один из четырех человек настаивал на том, чтобы он мог вмещать всю «Девятую симфонию». Первым продуктом, выпущенным на компакт-диске, стала «Электронная энциклопедия Гролье», вышедшая в 1985 году. Энциклопедия содержала девять миллионов слов, что заняло всего 12% от имеющегося дискового пространства, а это 553 мебибайт. У нас было бы более чем достаточно места для энциклопедии и байта данных. Вскоре после этого, в 1985 году, компьютерные компании работали вместе над созданием стандарта для дисков, чтобы любой компьютер мог считывать с них информацию.
1984
Также в 1984 году Фудзио Маусока (Fujio Masuoka) разработал новый тип памяти с плавающим затвором, названный флэш-памятью, которая была способна стираться и перезаписываться многократно.
Давайте немного остановимся на флэш-памяти, использующей транзистор с плавающим затвором. Транзисторы — это электрические затворы, которые можно включать и выключать по отдельности. Так как каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях (включенном и выключенном), он может хранить два разных числа: 0 и 1. Плавающий затвор относится ко второму затвору, добавленному к среднему транзистору. Этот второй затвор изолирован тонким оксидным слоем. Эти транзисторы используют небольшое напряжение, приложенное к затвору транзистора, для обозначения того, включен он или выключен, что, в свою очередь, переводится в 0 или 1.
С плавающими затворами, когда через оксидный слой подается соответствующее напряжение, электроны проходят через него и застревают на затворах. Поэтому даже при отключении питания электроны остаются на них. Когда на плавающих затворах нет электронов, они представляют собой 1, а когда электроны застряли — 0. Обратный ход этого процесса и применение подходящего напряжения через оксидный слой в обратном направлении заставляет электроны проходит через плавающие затворы и восстанавливать транзистор обратно в его первоначальное состояние. Поэтому ячейки сделаны программируемыми и энергонезависимыми. Наш байт может быть запрограммирован в транзисторе, как 01001010, с электронами, с электронами, застрявшими в плавающих затворах, для представления нулей.
Конструкция Масуока была немного более доступной, но менее гибкой, чем электрически стираемый PROM (EEPROM), так как она требовала нескольких групп ячеек, которые должны были быть стерты вместе, но это также объяснялось его скоростью.
В то время Масуока работал на Toshiba. В конце концов, он ушел работать в Университет Тохоку, так как был недоволен тем, что компания не вознаградила его за его работу. Масуока подал в суд на Toshiba, требуя компенсации. В 2006 году ему выплатили 87 миллионов юаней, что эквивалентно 758 тысячам долларов США. Это до сих пор кажется несущественным, учитывая то, насколько влиятельной оказалась флэш-память в индустрии.
Раз уж мы говорим о флэш-памяти, стоит также отметить в чем разница между NOR и NAND флэш-памятью. Как мы уже знаем от Масуока, флэш хранит информацию в ячейках памяти, состоящих из транзисторов с плавающим затвором. Названия технологий напрямую связаны с тем, как организованы ячейки памяти.
В флэш-памяти NOR отдельные ячейки памяти соединяются параллельно, обеспечивая произвольный доступ. Такая архитектура позволяет сократить время считывания, необходимое для произвольного доступа к инструкциям микропроцессора. Флэш-память NOR идеально подходит для приложений с более низкой плотностью, которые в основном только для считывания. Именно поэтому большинство CPU загружают свою прошивку, как правило, с флэш-памяти NOR. Масуока и его коллеги представили изобретение NOR flash в 1984 году и NAND flash в 1987.
Разработчики NAND Flash отказались от возможности произвольного доступа, чтобы получить меньший размер ячейки памяти. Это даёт меньший размер чипа и более низкую стоимость в расчёте на бит. Архитектура флэш-памяти NAND состоит из последовательно соединенных транзисторов памяти, состоящих из восьми частей. Благодаря этому достигается высокая плотность хранения, меньший размер ячейки памяти, а также более быстрая запись и стирание данных, так как она может одновременно программировать блоки данных. Это достигается за счет необходимости перезаписи данных, когда они не записываются последовательно и данные уже существуют в блоке.
1991
Перейдём к 1991 году, когда был создан прототип твердотельного диска (SSD) компанией SanDisk, в то время известной под названием SunDisk. Конструкция сочетала в себе массив флэш-памяти, энергонезависимые чипы памяти и интеллектуальный контроллер для автоматического обнаружения и исправления дефектных ячеек. Объем диска составлял 20 мегабайт при форм-факторе 2,5 дюйма, а его стоимость оценивалась примерно в 1000 долларов США. Этот диск был использован компанией IBM в компьютере ThinkPad.
1994
Одним из лично мною любимых с детства носителей информации был Zip Disks. В 1994 году компания Iomega выпустила Zip Disk, 100-мегабайтный картридж в 3,5-дюймовом форм-факторе, примерно немного толще стандартного 3,5-дюймового диска. Более поздние версии дисков могли хранить до 2 гигабайт. Удобство этих дисков в том, что они были размером с дискету, но имели возможность хранить больший объем данных. Наши байты данных можно было записывать на Zip-диск со скоростью 1,4 мегабайта в секунду. Для сравнения: в то время 1,44 мегабайта 3,5-дюймовой дискеты записывались со скоростью около 16 килобайт в секунду. На Zip-диске головки бесконтактно считывают/записывают данные, как бы летая над поверхностью, что похоже на работу жесткого диска, но отличается от принципа работы других дискет. Вскоре Zip-диски устарели из-за проблем с надёжностью и доступностью.
1994
В тот же год SanDisk представила CompactFlash, который широко использовался в цифровых видеокамерах. Как и в случае с компакт-дисками, скорость CompactFlash основана на «х»-рейтингах, таких как 8x, 20x, 133x и др. Максимальная скорость передачи данных рассчитывается на основе скорости передачи оригинального аудио CD, 150 килобайт в секунду. Скорость передачи выглядит как R = Kх150 кБ/с, где R — скорость передачи, а K — номинальная скорость. Таким образом, для 133x CompactFlash, наш байт данных будет записан на 133×150 кБ/с или около 19 950 кБ/с или 19,95 Мб/с. Ассоциация CompactFlash была основана в 1995 году с целью создания промышленного стандарта для карт памяти на основе флэш-памяти.
1997
Несколько лет спустя, в 1997 году, был выпущен компакт-диск с возможностью перезаписи (CD-RW). Этот оптический диск использовался для хранения данных, а также для копирования и передачи файлов на различные устройства. Перезаписывать компакт-диски можно около 1000 раз, что в то время не было ограничивающим фактором, так как пользователи редко перезаписывали данные.
CD-RW основаны на технологии изменения отражающей способности поверхности. В случае CD-RW фазовые сдвиги в специальном покрытии, состоящем из серебра, теллура и индия, вызывают способность отражать или не отражать считывающий луч, что означает 0 или 1. Когда соединение находится в кристаллическом состоянии, оно является полупрозрачным, что означает 1. Когда соединение расплавляется в аморфном состоянии, оно становится непрозрачным и неотражающим, что означает 0. Таким образом, мы могли бы записать наш байт данных как 01001010.
DVD-диски в конечном итоге заняли большую часть рынка с CD-RW.
1999
Давайте перейдем к 1999 году, когда IBM представила самые маленькие на то время жёсткие диски в мире: микродиски IBM емкостью 170 и 340 МБ. Это были небольшие жесткие диски размером 2,54 см, предназначенные для установки в слоты CompactFlash Type II. Планировалось создать устройство, которое будет использоваться как CompactFlash, но с большей ёмкостью памяти. Тем не менее, вскоре они были заменены USB-флэш-накопителями, а затем и более крупными карточками CompactFlash, когда они стали доступны. Как и другие жесткие диски, микродиски были механическими и содержали небольшие вращающиеся диски.
2000
Годом позже, в 2000 году, были представлены USB флэш-накопители. Накопители состояли из флэш-памяти, заключенной в небольшой форм-фактор с интерфейсом USB. В зависимости от версии используемого интерфейса USB скорость могла меняться. USB 1.1 ограничен 1,5 мегабит в секунду, в то время как USB 2.0 может обрабатывать 35 мегабит в секунду, а USB 3.0 — 625 мегабит в секунду. Первые накопители USB 3.1 типа C были анонсированы в марте 2015 года и имели скорость чтения/записи 530 мегабит в секунду. В отличие от дискет и оптических дисков, USB-устройства сложнее поцарапать, но при этом они имеют те же возможности по хранению данных, а также по передаче и резервном копировании файлов. Дисководы для дискет и компакт-дисков быстро были вытеснены USB-портами.
2005
В 2005 году производители жестких дисков (HDD) начали поставлять продукцию с использованием перпендикулярной магнитной записи, или PMR. Довольно интересно, что это произошло в то же время как IPod Nano объявила об использовании флэш-памяти вместо 1-дюймовых жестких дисков в iPod Mini.
Типичный жесткий диск содержит один или несколько жестких дисков, покрытых магниточувствительной пленкой, состоящей из крошечных магнитных зерен. Данные записываются, когда магнитная записывающая головка пролетает чуть выше вращающегося диска. Это очень похоже на традиционный граммофонный проигрыватель, отличие лишь в том, что в граммофоне игла находится в физическом контакте с пластинкой. По мере вращения дисков воздух, соприкасающийся с ними, создает легкий ветерок. Подобно тому, как воздух на крыле самолета создаёт подъёмную силу, воздух генерирует подъёмную силу на головке аэродинамической поверхности головки диска. Головка быстро меняет намагниченность одной магнитной области зерен так, что ее магнитный полюс указывает вверх или вниз, обозначая 1 или 0.
Предшественником PMR была продольная магнитная запись, или LMR. Плотность записи PMR может превышать плотность записи LMR более чем в три раза. Основное отличие PMR от LMR заключается в том, что структура зерна и магнитная ориентация хранимых данных PMR носителей является столбчатой, а не продольной. PMR имеет лучшую термическую стабильность и улучшенное соотношение сигнал-шум (SNR) благодаря лучшему разделению зерна и равномерности. Она также отличается улучшенной записываемостью благодаря более сильным полям головки и лучшему магнитному выравниванию носителя. Как и LMR, фундаментальные ограничения PMR основаны на термической стабильности записываемых магнитом битов данных и необходимости иметь достаточное количество SNR для считывания записанной информации.
2007
В 2007 было объявлено о выпуске первого жесткого диска емкостью 1 ТБ от Hitachi Global Storage Technologies. Hitachi Deskstar 7K1000 использовал пять 3,5-дюймовых 200-гигабайтных пластин и вращался со скоростью 7200 об/мин. Это серьезное превосходство в сравнении с первым в мире жестким диском IBM RAMAC 350, емкость которого составляла примерно 3,75 мегабайта. О, как далеко мы продвинулись за 51 год! Но подождите, есть кое-что еще.
2009
В 2009 году начались технические работы по созданию энергонезависимой экспресс-памяти, или NVMe. Энергонезависимая память (NVM) — это такой тип памяти, который может хранить данные постоянно, в отличие от энергозависимой памяти, нуждающейся в постоянном питании для сохранения данных. NVMe удовлетворяет потребность в масштабируемом интерфейсе хост-контроллера для периферийных компонентов на базе полупроводниковых накопителей с поддержкой технологии PCIe, отсюда и название NVMe. Более 90 компаний вошли в рабочую группу по разработке проекта. Все это было основано на результатах работы по определению спецификации интерфейса энергонезависимой памяти хост-контроллера (NVMHCIS). Лучшие на сегодняшний день диски NVMe могут обрабатывать около 3500 мегабайт в секунду при чтении и 3300 мегабайт в секунду при записи. Записать байт данных j, с которого мы начали, можно очень быстро по сравнению с парой минут ручного плетения веревочной памяти для Apollo Guidance Computer.
Настоящее и будущее
Storage Class Memory
Теперь, когда мы совершили путешествие во времени (ха!), давайте взглянем на современное состояние памяти Storage Class Memory. SCM, как и NVM, является устойчивым, но SCM еще и обеспечивает производительность, превосходящую или сопоставимую с основной памятью, а также адресуемость байтов. Целью SCM является решение некоторых сегодняшних проблем с кэшем, таких как низкая плотность статической памяти случайного доступа (SRAM). С помощью динамической оперативной памяти (DRAM) мы можем получить лучшую плотность, но это достигается за счет более медленного доступа. DRAM также страдает от потребности в постоянной мощности для обновления памяти. Давайте немного разберемся с этим. Питание необходимо, так как электрический заряд на конденсаторах мало-помалу утекает, то есть без вмешательства данные на чипе скоро будут потеряны. В целях предотвращения такой утечки DRAM требует внешней схемы обновления памяти, которая периодически перезаписывает данные в конденсаторах, восстанавливая их до первоначального заряда.
Память на основе фазового перехода (Phase-change memory, PCM)
Ранее мы рассматривали, как меняется фаза для CD-RW. PCM похож. Материалом для изменения фазы обычно является Ge-Sb-Te, также известный как GST, который может существовать в двух различных состояниях: аморфном и кристаллическом. Аморфное состояние имеет более высокое сопротивление, обозначающее 0, чем кристаллическое состояние, обозначающее 1. Присваивая значения данных промежуточным сопротивлениям, PCM может использоваться для хранения множественных состояний в виде MLC.
Spin-transfer torque random access memory (STT-RAM)
STT-RAM состоит из двух ферромагнитных, постоянных магнитных слоев, разделенных диэлектриком, то есть изолятором, который может передавать электрическую силу без проведения. Она хранит биты данных, основанных на разнице магнитных направлений. Один магнитный слой, называемый опорным, имеет фиксированное магнитное направление, в то время как другой магнитный слой, называемый свободным, имеет магнитное направление, которое контролируется пропускаемым током. Для 1 направление намагничивания двух слоев выравнивается. Для 0 оба слоя имеют противоположные магнитные направления.
Резистивная память с произвольным доступом (Resistive random access memory, ReRAM)
Ячейка ReRAM состоит из двух металлических электродов, разделенных оксидным слоем металла. Немного похоже на дизайн флэш-памяти Masuoka, где электроны проникают через оксидный слой и застревают в плавающих воротах или наоборот. Однако при использовании ReRAM состояние ячейки определяется на основе концентрации свободного кислорода в оксидном слое металла.
Несмотря на то, что эти технологии многообещающие, у них все же есть недостатки. PCM и STT-RAM имеют высокую задержку при записи. Задержки PCM в десять раз выше, чем у DRAM, в то время как у STT-RAM они в десять раз выше, чем у SRAM. PCM и ReRAM имеют ограничение на длительность записи до возникновения серьезной ошибки, что означает, что элемент памяти застревает на определенном значении.
В августе 2015 года компания Intel объявила о выпуске Optane, своего продукта, построенного на базе 3DXPoint. Optane утверждает, что производительность в 1000 раз выше, чем у твердотельных накопителей NAND, а цена в четыре-пять раз выше флэш-памяти. Optane — доказательство того, что SCM является не просто экспериментальной технологией. Интересно будет понаблюдать за развитием этих технологий.
Жесткие диски (HDD)
Гелиевый жесткий диск (HHDD)
Гелиевый диск — это жесткий диск большой емкости (HDD), заполненный гелием и герметично закрытый в процессе производства. Как и другие жесткие диски, как мы уже говорили ранее, он похож на проигрыватель с вращающейся пластинкой с магнитным покрытием. Типичные жесткие диски просто имеют воздух внутри полости, однако этот воздух вызывает некоторое сопротивление при вращении тарелок.
Гелиевые шарики летают, потому что гелий легче воздуха. Фактически гелий составляет 1/7 от плотности воздуха, что позволяет уменьшить силу торможения при вращении пластин, вызывая уменьшение количества энергии, необходимой для вращения дисков. Тем не менее, эта особенность вторична, основная отличительная характеристика гелия заключалась в том, что он позволяет упаковывать 7 пластин в том же форм-факторе, который обычно вмещал только 5. Если мы вспомним аналогию с крылом нашего самолета, то это идеальный аналог. Поскольку гелий уменьшает сопротивление, турбулентность исключается.
Также нам известно то, что гелиевые шарики через несколько дней начинают опускаться, потому что гелий из них выходит. То же самое можно сказать и о накопителях. Прошли годы, прежде чем производители смогли создать контейнер, предотвращающий выход гелия из форм-фактора в течение всего срока службы привода. Компания Backblaze провела эксперименты и обнаружила, что у жестких дисков с гелием годовая погрешность составляла 1,03%, в то время как у стандартных 1,06%. Конечно, эта разница настолько мала, что сделать из неё серьезный вывод довольно сложно.
Форм-фактор, заполненный гелием, может содержать жесткий диск, инкапсулированный с использованием PMR, о котором мы говорили выше, либо микроволновую магнитную запись (MAMR) или магнитную запись с нагревом (HAMR). Любую магнитную технологию хранения данных можно совместить с гелием вместо воздуха. В 2014 году компания HGST объединила две передовые технологии в своем жестком диске с гелием емкостью 10 ТБ, в котором использовалась управляемая хостом черепичная магнитная запись, или SMR (Shingled magnetic recording). Немного остановимся на SMR, а затем рассмотрим MAMR и HAMR.
Технология черепичной магнитной записи
Ранее мы рассмотрели перпендикулярную магнитную запись (PMR), которая была предшественницей SMR. В отличие от PMR, SMR записывает новые дорожки, которые перекрывают часть ранее записанной магнитной дорожки. Это, в свою очередь, делает предыдущую дорожку более узкой, обеспечивая более высокую плотность дорожек. Название технологии связано с тем, что дорожки внахлест очень похожи на черепичные дорожки на крыше.
SMR приводит к гораздо более сложному процессу написания, так как при записи на одну дорожку перезаписывается соседняя дорожка. Это не проявляется, когда подложка диска пустая, а данные последовательные. Но как только вы записываете на серию дорожек, которые уже содержат данные, существующие соседние данные стираются. Если смежная дорожка содержит данные, то её необходимо переписать. Это довольно похоже на NAND флэш, о которой мы говорили ранее.
Устройства SMR позволяют скрыть эту сложность за счет управления встроенным ПО, в результате чего получается интерфейс, подобный любому другому жесткому диску. С другой стороны, устройства SMR, управляемые хостом, без специальной адаптации приложений и операционных систем не позволят использовать эти диски. Хост должен выполнять запись на устройства строго последовательно. При этом производительность устройств на 100% предсказуема. Компания Seagate начала поставки дисков SMR в 2013 г., утверждая, что их плотность на 25% превышает плотность PMR.
Микроволновая магнитная запись (MAMR)
Microwave-assisted magnetic recording (MAMR) — это технология магнитной памяти, использующая энергию, аналогичную HAMR (рассмотрим далее) Важной частью MAMR является Spin Torque Oscillator (STO) или «генератор на основе вращения спинов». Сам STO располагается в непосредственной близости к головке записи. При прикладывании тока в STO возникает генерация кругового электромагнитного п
