Эволюция носителей информации, часть 3: жесткие диски
Всем привет! Мы продолжаем цикл статей, посвященных эволюции носителей информации. Мы уже рассказывали о перфокартах, магнитных пленках и дискетах. Кроме этого, мы проследили за развитием оптических накопителей. Ну, а в этот раз наш материал будет посвящен самым привычным для нас устройствам — жестким дискам.
Первый в истории жесткий диск был представлен на 15 лет раньше дискеты — в 1956 году. Эпоху HDD открыла модель IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). В основе ее конструкции лежали пятьдесят алюминиевых пластин диаметром 24 дюйма (или 61 см). Внешне IBM 305 RAMAC напоминал огромный шкаф. Весил он соответствующе: его масса составляла почти тонну.
Принцип работы устройства был основан на магнетизме. Да и в целом жесткий диск работал подобно магнитной ленте. На каждую из сторон алюминиевой пластины наносилось металлическое напыление — ферромагнетик. Запись информации производилась путем намагничивания определенных областей (доменов) на пластине, а чтение — через фиксирование остаточного магнитного поля. При этом считывающая головка свободно перемещалась по поверхности, что обеспечило феноменальную для того времени скорость чтения данных. Извлечь необходимую информацию можно было всего за 600 миллисекунд.
Главным недостатком IBM 305 RAMAC было то, что устройство вовсе не отличалось надежностью. Проблема крылась в хрупкости движущейся головки, которая часто перегревалась и выходила из строя. К тому же быстро изнашивались алюминиевые пластины.
Стоимость одного мегабайта в IBM 305 RAMAC достигала отметки в 10 тысяч долларов. Несмотря на дороговизну, IBM удалось продать около тысячи таких устройств. Выпускался этот жесткий диск на протяжении 5 лет, и лишь в 1961 году компания IBM приняла решение свернуть производство.
На смену 305 RAMAC пришла модель IBM 1301. По сути она представляла собой доработанную версию 305 RAMAC. В IBM 1301 применялись такие же алюминиевые пластины, а проблема перегрева считывающей головки была решена с помощью технологии Air Bearing. Смысл этой технологии заключался в том, что считывающая головка больше не соприкасалась с поверхностью пластин: между ними было 0,5 мкм воздушного пространства.
IBM 1301 отличался более высокой скоростью работы в сравнении с 305-й моделью. Время доступа к нужным данным сократилось в 5 раз и составляло 180 миллисекунд. При этом емкость диска также увеличилась и составляла уже 28 Мбайт, что почти в 6 раз больше, чем аналогичный показатель IBM 305 RAMAC.
После IBM 1301 последовал выпуск модели с индексом 1311. Это был первый HDD со съемными дисками. Он состоял из 14 пластин, а его емкость составляла 2,6 Мбайт. Устройство уже не было таким массивным, как предшественники. Модель оказалась настолько успешной, что IBM не снимала ее с конвейера вплоть до 1975 года.
Однако прародителем современных жестких дисков считается устройство IBM 3340, увидевшее свет в 1973 году. Это был первый девайс, в котором применялся специальный микрочип для управления вращением дисков и перемещением считывающей головки.
Также в конструкции этого HDD применялись более легкие и аэродинамические пластины, которые помещались в герметичный корпус. Таких пластин в IBM 3340 было две, при этом одна из них была съемной. Объем каждой пластины равнялся 30 Мбайт.
По этой причине в маркировке жесткого диска обычно указывалось »30–30», что вызывало ассоциации с легендарной винтовкой Winchester 30/30. Вскоре название «винчестер» прочно закрепилось за IBM 3340, а после — и за другими жесткими дисками.
В 1980 году IBM представила миру жесткий диск IBM 3380. Это было первое в своем роде устройство, которому покорился гигабайтный рубеж. Емкость такого диска составляла 2,52 Гбайт. А скорость передачи данных достигла 3 Мбайт/с.
Стоит отметить, что все выпущенные до этого времени жесткие диски компании IBM предназначались для использования в промышленных масштабах. И только в 1980 году компания Seagate выпустила первый HDD для домашних компьютеров. Модель получила название ST-506. Она была исполнена в 5,25» форм-факторе, а ее объем составлял 5 Мбайт. Стоило такое устройство внушительные $1500. Ну, а спустя год появилась более быстрый и ёмкий накопитель с интерфейсом Seagate ST-412, который устанавливался в компьютеры IBM PC/XT.
Переход на форм-фактор 3,5» состоялся в 1983 году, когда небольшая шотландская компания Rodime представила устройство RO351 с объемом 6,38 Мбайт. А первый девайс с форм-фактором 2,5» был выпущен американской компанией PrairieTek в 1988 году. В том же году появился и 63-мегабайтный 2,5» винчестер Toshiba Tanba-1, предназначенный для установки в ноутбуки.
В 90-х годах на развитие жестких дисков оказали влияние две новые технологии, разработанные компанией IBM. Первая из них — это магнитные головки на гигантском магниторезистивном эффекте. Эта технология позволила достичь более высоких показателей плотности записи — до 2,7 Гбит на квадратный дюйм. Второй инновационной технологией был новый способ форматирования пластин под названием No-ID. Его суть заключается в том, что идентификационная информация сектора хранится не на поверхности диска, а в постоянной памяти жесткого диска. Это позволило повысить плотность записи еще примерно на 10%.
Не забывали производители и об увеличении скорости работы жестких дисков. Долгое время стандартной скоростью вращения шпинделя являлся показатель 5400 оборотов в минуту, затем он несколько увеличился и равнялся уже 7200 об/мин. Периодически на рынке появлялись устройства, которые обладали более внушительными показателями. Так, в 1999 году компания Seagate представила линейку быстрых жестких дисков Cheetah. Их высокая производительность обеспечивалась скоростью вращения шпинделя, равной 15000 об/мин, что более чем в 2 раза превышало стандартный показатель. Объем такого устройства составлял 36 Гбайт.
Намного более популярной стала серия винчестеров под названием Raptor компании Western Digital. Изначально эти жесткие диски разрабатывались для использования в серверных системах, однако затем прочно закрепились в сегменте игровых компьютеров. Пластины модели Western Digital Raptor вращались несколько медленнее, чем в Seagate Cheetah. Скорость вращения шпинделя составляла «всего» 10000 об/мин, однако этого было более чем достаточно, чтобы оставлять обычные жесткие диски в плане производительности далеко позади. К сожалению, линейка WD Raptor не отличалась надежностью.
В конце 2005 года был освоен метод перпендикулярной записи. До этого момента абсолютно все жесткие диски работали по методу параллельной записи. В чем же была суть новой технологии? При использовании параллельной записи магнитные частицы располагаются таким образом, что вектор магнитной направленности проходит параллельно плоскости пластины. Такой подход наиболее простой, однако у него есть один недостаток: между доменами (минимальными ячейками информации) требуется наличие довольно больших буферных зон для снижения сил взаимодействия между ними.
Напротив, при использовании метода перпендикулярной записи вектор магнитной направленности располагается уже перпендикулярно поверхности диска, что значительно снижает силы взаимодействия. Следовательно, уменьшается и необходимый размер буферных зон. Это позволяет увеличить плотность записи.
Благодаря методу перпендикулярной записи индустрии жестких дисков покорился терабайтный рубеж: в 2007 году компания Hitachi представила первую в мире модель The Deskstar 7K1000 объемом 1 Тбайт.
Несмотря на то что твердотельные накопители занимают все большую и большую часть рынка хранилищ данных, технологии жестких дисков вовсе не уходят на второй план и продолжают совершенствоваться. Так, очень перспективно выглядит технология компании Western Digital под названием HelioSeal, которая предусматривает использование гелия вместо воздуха внутри корпуса винчестера. Благодаря тому что гелий легче воздуха, внутри HDD создается идеальная среда для движущихся с высокой скоростью пластин. Кроме этого, снижаются вибрации между пластинами и считывающей головкой.
Первые «гелиевые» жесткие диски были представлены в конце 2013 года под названием Ultrastar He6. А в начале декабря компания Western Digital объявила о выпуске обновленной линейки устройств Ultrastar He10. Эти девайсы используют метод перпендикулярной записи, а их плотность составляет 816 Гбит на квадратный дюйм. Емкость модели Ultrastar He10 составляет 10 Тбайт.
Еще одной интересной технологией является Seagate SMR (shingled magnetic recording) — метод перпендикулярной записи с перекрытием дорожек. В отличие от обыкновенного перпендикулярного подхода, где дорожки информации расположены бок о бок, в технологии SMR дорожки перекрывают друг друга, образуя что-то, напоминающее черепичную крышу. Применение SMR позволяет повысить плотность записи примерно на 25%. Кстати, Seagate и Western Digital уже взяли на вооружение данную технологию.
Также в ближайшем будущем планируется наладить производство жестких дисков с применением технологии HAMR (Heat-assisted magnetic recording), которая сочетает в себе магнитное чтение и магнитооптическую запись. Принцип ее работы заключается в том, что запись информации осуществляется путем нагревания домена лазером и перемагничиванием. Такой подход позволит еще больше увеличить плотность записи. По прогнозу компании Seagate, объем классических 3,5» жестких дисков с применением технологии HAMR в отдаленной перспективе сможет достичь отметки в 50 Тбайт. Ну, а первые HAMR HDD должны появиться уже в 2020 году.
(Продолжение следует…)
