Эволюция жестких дисков: как изменились винчестеры за 60 лет существования?
Современные жесткие диски являются сложнейшими высокотехнологичными приборами. Только представьте: размер пишущей части магнитной головки составляет всего 120 нанометров, а считывающей — лишь 70 нанометров. Чтобы вообразить подобный масштаб, достаточно посмотреть на то, как выглядит блок головок под 39-кратным увеличением на фоне монеты достоинством в 10 центов.
Сравнение размеров блока головок и монеты в 10 центов
При этом магнитные головки парят над пластинами на высоте около 12–15 нанометров, что достигается за счет экранного эффекта: под каждой из них, словно под крылом боинга на взлете, образуется воздушная (или гелиевая, если речь идет о решениях на платформе HelioSeal) подушка, обеспечивающая необходимую подъемную силу. С учетом столь мизерного расстояния, поверхность самих блинов должна быть идеально гладкой, ведь малейшая неровность приведет к необратимому повреждению компонентов устройства. Точность изготовления пластин легко оценить на следующем примере.
Если бы мы могли увеличить 2,5-дюймовый накопитель приблизительно в 13 миллионов раз так, чтобы зазор между пластиной и магнитной головкой достиг 1 метра, то последняя преодолевала бы путь, сопоставимый с расстоянием между Нью-Йорком и Сан-Франциско (> 4000 километров), причем перепад высот на всем его протяжении не превышал бы 4 сантиметров.
Точность исполнения современных HDD в масштабах реального мира
Тем удивительнее становится тот простой факт, что базовые принципы конструкции HDD не меняются на протяжении вот уже 60 лет! О том, какой тернистый путь преодолели винчестеры со времен монструозного RAMAC до настоящего времени, мы и расскажем в сегодняшней публикации.
От RAMAC до «винчестера»
Первый в мире жесткий диск появился еще за 15 лет до изобретения дискеты — в 1956 году. Прародителем современных HDD стало детище корпорации IBM — модель 305 RAMAC, название которой представляет собой аббревиатуру от «Random Access Method of Accounting and Control» («Метод случайного доступа к учету и контролю»). Агрегат имел колоссальные размеры, сопоставимые с габаритами промышленного рефрижератора, весил почти тонну (а если быть точным — 970 килограмм) и представлял собой систему из 50 алюминиевых пластин, покрытых ферромагнетиком, диаметр каждой из которых составлял 24 дюйма (61 сантиметр).
Прародитель современных жестких дисков — IBM RAMAC 305
Скорость вращения блинов достигала впечатляющих по тем временам 1200 оборотов в секунду, что обеспечивало время доступа около 600 миллисекунд и скорость передачи информации 8,8 байта в секунду. Эти цифры усредненные. Все дело в том, что прибор имел лишь один считыватель, перемещающийся между пластинами с помощью шагового двигателя. Такой подход вызывал неизменные задержки в том случае, если компьютеру было необходимо получить данные, записанные, к примеру, на первом и пятидесятом диске. Другим слабым местом RAMAC 305 оказалась надежность системы: поскольку пишущая головка непосредственно касалась поверхности пластин, это приводило к сильному нагреву и быстрому механическому износу обеих деталей.
Несмотря на перечисленные недостатки и высокую стоимость (цена вопроса — 10 000 долларов США, однако клиенты могли оформить лизинг — «всего» за 3200 долларов в месяц), в IBM смогли реализовать около 1000 изделий, ведь шкаф, способный сохранить 5 мегабайт, успешно заменял собой 64 000 перфокарт и работал куда шустрее накопителей на магнитных лентах, также активно используемых в IT-индустрии для архивации данных начиная с 1951 года. Кстати, после приобретения HGST (бывшее подразделение Hitachi) в распоряжении Western Digital оказался производственный комплекс IBM, расположенный в Лайв Оакс, — именно здесь разрабатывались первые устройства серии RAMAC 305, несколько из которых сохранили работоспособность вплоть до настоящего времени.
В 1961 году RAMAC 305 был снят с производства — на смену ему пришел IBM 1301, воплотивший в себе ряд важных инноваций. Главным новшеством стала реализация технологии Air Bearing — между блинами и пишущей головкой появился зазор 5 микрометров, что позволило повысить надежность и долговечность прибора. Сами пластины отныне были двусторонними, причем каждая из них получила собственное считывающее устройство.
На острие прогресса: накопитель IBM 1301
Благодаря перечисленным особенностям, IBM 1301 получился практически в 3 раза производительнее предшественника, а также более емким: время доступа сократилось до 180 миллисекунд, скорость вращения шпинделя увеличилась до 1800 оборотов в минуту, а объем хранимой информации достиг 28 мегабайт (то есть плотность записи составила 520 бит на квадратный дюйм). Кроме того, IBM несколько скорректировала ценовую политику для новой модели: теперь арендовать оборудование можно было за 2100 долларов, и это при цене в 115,5 тыс. долларов.
Следующий весьма важный шаг был совершен уже в 1962 году. Модификация 1311 принципиально отличалась тем, что получила сменные кассеты. Каждая из них при весе 4,5 кг имела в своем составе 6 «компактных» (всего-то 14 дюймов) магнитных дисков. Для записи было доступно лишь 10 плоскостей (внешние поверхности были лишены ферромагнитного слоя) суммарной емкостью 2,6 мегабайта, что сравнимо с 25 тысячами перфокарт или 1⁄5 стандартной катушки. Из-за портативности IBM 1311 оказался менее производительным: хотя плотность записи увеличилась в 2 раза (1025 бит на квадратный дюйм), скорость вращения пришлось уменьшить до 1500 оборотов в минуту, в итоге среднее время доступа к сектору, который мог вместить 100 байт, возросло до 250 миллисекунд. Несмотря на это, модель снискала огромную популярность в корпоративной среде, так как заменяемые картриджи позволили значительно снизить стоимость хранения единицы информации.
Вот так выглядела процедура замены кассеты на IBM 1311
Благодаря коммерческому успеху, IBM 1311 выпускался свыше 10 лет — вплоть до 1975 года, и хотя за этот период модельный ряд жестких дисков пополнился усовершенствованными моделями 2302, 2305 и 1311, ни одна из них не получила столь же широкого распространения.
Зато в историю вошел аппарат под индексом 3340, увидевший свет в 1973 году. В первую очередь в нем были доведены до ума уже имеющиеся технологии. Усилиями инженеров корпорации время доступа к сектору сократилось в 10 раз по сравнению с предшественником, составив 25 миллисекунд, скорость же передачи данных достигла 885 килобайт в секунду. Для улучшения аэродинамики, корпуса кассет были сделаны полностью герметичными, что позволило нивелировать влияние факторов окружающей среды на магнитные пластины, повысив их надежность.
Первый в мире «винчестер» — накопитель IBM 3340 30–30
Сам прибор обзавелся микрочипом, который более точно просчитывал траекторию движения магнитных головок и корректировал скорость вращения шпинделя, что позволило повысить точность позиционирования, сократить расстояние между треками и, как следствие, повысить емкость каждого картриджа до 30 МБ. Кроме того, устройство научилось обслуживать два дисковых модуля — стационарный и съемный, на что указывал суффикс »30–30». Именно благодаря этой маркировке с легкой руки Кеннета Э. Хотона, руководителя проекта, к аппарату прицепилось жаргонное название «винчестер» — в честь всемирно известной винтовки Winchester, использующей патроны 30–30. В оригинале данные цифры означали калибр пули (0,3 дюйма) и вес порохового заряда (30 гран). Сегодня же винчестер стал обиходным названием жестких дисков любых моделей.
Внедрение технологии тонкопленочного покрытия
Важной вехой в эволюции жестких дисков является создание тонкопленочного магнитного покрытия. Хотя изыскания в данной области начались еще в конце 1960-х годов на базе исследовательского центра в Йорктаун-Хайтс (Нью-Йорк), вплоть до конца 80-х в ходе производства блинов использовался оксид железа. Покрытие получали следующим образом: быстро вращающаяся алюминиевая заготовка заливалась суспензией, представляющей собой порошок Fe2O3 в полимерном растворе. Под действием центробежных сил состав равномерно распределялся по поверхности. Затем следовал этап шлифовки и нанесения внешнего, защитного слоя, характеризующегося низким коэффициентом трения, который также полировался.
Главный недостаток подобного покрытия — механическая хрупкость: в случае столкновения с головкой оно с легкостью крошилось, а сам диск приходил в негодность. Тем не менее, благодаря простоте технологии и ее дешевизне, оксидное покрытие благополучно применялось в носителях информации практически четверть века.
Последствия «залипания» пишущей головки: диск получил необратимые повреждения
Переход же на тонкопленочный рабочий слой сделал возможным появление инновационной модели накопителей IBM 3370, представленной на рынке в 1979 году. Система, состоящая из 7 дисков диаметром 14 дюймов, могла похвастаться плотностью записи до 7,53 мегабита на квадратный дюйм и имела объем уже 571,3 мегабайта. Скорость передачи информации при этом возросла до 1,86 мегабайта в секунду, а среднее время доступа сократилось до рекордных 20 миллисекунд. Цена аппарата также оказалась весьма демократичной — приобрести устройство можно было всего за 35 100 долларов, а ставка аренды снизилась до 900 долларов в месяц. Данное решение было разработано специально для серверной платформы IBM System/38 — к каждой машине можно было подключить максимум четыре жестких диска, что обеспечивало суммарную емкость хранилища 2,28 гигабайта, о чем на тот момент можно было только мечтать.
Серверная платформа IBM System/38
Все перечисленное стало возможным именно благодаря применению тонкопленочного покрытия. Изначально для его создания использовалась гальванизация, на смену которой пришел более совершенный метод вакуумного напыления. Сам технологический процесс выглядит следующим образом: используемые вещества и сплавы переводятся в газообразное состояние в вакуумных камерах, затем производится их осаждение на подложку, в роли которой выступает алюминиевый диск.
Независимо от способа, на первом этапе на металлическую поверхность наносился фосфорит никеля, вслед за ним — сплав кобальта, обладающий магнитными свойствами, последним же шел защитный углеродный слой, по прочности сопоставимый с алмазом. Благодаря его наличию удалось практически полностью исключить вероятность повреждения рабочей поверхности в случае ее контакта с пишущей головкой (например, вследствие резкого сотрясения). Но главное — использование тонкопленочного покрытия позволило значительно уменьшить расстояние между магнитной головкой и блином, что помогло повысить плотность записи в десятки раз. Именно благодаря технологии тонкопленочного покрытия уже в 1980 году IBM представила первый жесткий диск, преодолевший гигабайтный рубеж. Модель 3380 имела емкость 2,52 гигабайта, при этом скорость передачи данных достигла вполне приемлемых 3 мегабайт в секунду.
Начало эры винчестеров для персональных компьютеров
Все перечисленные выше HDD были ориентированы сугубо на корпоративный сектор. И даже если закрыть глаза на цену, вряд ли хоть кто-нибудь, кроме совсем уж идейных энтузиастов, согласился бы поставить в собственном доме внушительных размеров шкаф, пускай и вмещающий огромное количество информации. Вплоть до конца 70-х жесткие диски оставались прерогативой крупных коммерческих и государственных предприятий. На тот момент ПК комплектовались одним или двумя дисководами под 5,25-дюймовые дискеты, каждая из которых была способна сохранять до 1200 килобайт данных, чего рядовому пользователю вполне хватало.
Но компьютерная революция была неумолима — все больше покупателей приобщалось к информационным технологиям, а значит, появлялось и все большее число придирчивых клиентов, которых уже не удовлетворяли рамки в 1,2 мегабайта. Спрос рождает предложение, однако на этот раз IBM осталась не у дел: сосредоточившись на бизнес-сегменте, компания упустила розничный рынок, и пустовавшую нишу заняла небольшая фирма Seagate, основанная Элом Шугартом и несколькими другими сотрудниками, ранее покинувшими уютные офисы всемирно известной корпорации. Именно они создали в 1980 году первый в мире HDD потребительского класса, получивший неброское название ST-506.
Seagate ST-506 — первый в мире HDD для персональных компьютеров
Устройство предназначалось для установки в стандартный 5,25-дюймовый отсек (монтировалось на место флоппи-дисковода) и имело объем всего 5 мегабайт, что не идет ни в какое сравнение с промышленными моделями. Зато винчестер мог похвастаться неплохим быстродействием, а все благодаря внушительной скорости шпинделя, достигшей 3600 оборотов в минуту. Цена накопителя составила 1700 долларов — таким образом, каждый мегабайт информации обходился владельцу новинки в 340 долларов США.
Что же касается IBM, то корпорация решила не ввязываться в борьбу за массового пользователя, напротив — заключила стратегическое соглашение с новоявленным конкурентом. В результате всего через год на рынке появились первые IBM 5150, более известные в народе как IBM PC, оснащенные усовершенствованной модификацией жесткого диска ST-412, вмещавшей уже 10 мегабайт данных. Насколько удачным оказалось такое решение, легко понять из цифр: всего за месяц после премьеры удалось закрыть полугодовой план продаж, а к 1988 году было реализовано свыше 25 миллионов устройств.
Легендарный IBM 5150
Тренд на миниатюризацию подхватили и другие предприятия. Так, уже в 1983 году шотландская фирма Rodime представила устройство под названием RO351. Мало того, что этот накопитель получил две пластины по 10 мегабайт каждая, он к тому же оказался куда миниатюрнее конкурентов: HDD был выполнен в привычном нам с вами форм-факторе 3,5». А прародитель современных решений, используемых в составе ноутбуков и портативных носителей информации, появился уже в 1988 году — именно тогда компания PrairieTek начала массовое производство 2,5-дюймовых дисков на 5 и 10 мегабайт, рассчитанных на эксплуатацию в составе лэптопов. Забавно, что о предприятии из Лонгмонта (штат Колорадо) уже мало кто помнит, считая первым миниатюрным винчестером модель Tamba-1, выпущенную Toshiba лишь три года спустя. Возможно, причина кроется в продуманном маркетинге — компактный накопитель, способный похвастаться емкостью 63 мегабайта и весивший всего 200 грамм, подавался не иначе как главный козырь обладателя, что крайне удачно обыграли на рекламных плакатах.
Toshiba Tamba-1 — ваш главный козырь!
Ключевые вехи, определившие вектор развития жестких дисков
По большому счету, дальнейшая эволюция жестких дисков сводится к трем простым словам — быстрее, вместительнее, надежнее. На этом пути случалось всякое: нередко стремление создать как можно более производительные устройства заводило в тупик как небольшие компании, так и крупные корпорации. Ярким примером бесперспективного направления развития можно назвать повышение скорости вращения шпинделя. Если в конце 80-х таковая достигла рубежа в 3600 оборотов в минуту, то уже в 1992 году на рынке появился Seagate Barracuda 2LP — первый винчестер, способный похвастаться показателем 7200 оборотов в минуту.
Первый диск со скоростью вращения шпинделя 7200 оборотов в минуту — Seagate Barracuda 2LP
На этом следовало бы остановиться, но «гонка вооружений» диктовала собственные правила. Вслед за «Барракудой» последовал «Гепард», разгонявшийся уже до 10 000 оборотов. Компания Western Digital также не отставала, вскоре представив миру десятитысячник под кодовым названием Raptor. И хотя вышеуказанные накопители обладали куда более внушительной производительностью, столь высокие скорости значительно увеличивали конечную стоимость изделий из-за необходимости в более дорогих подшипниках, а также способствовали заметному сокращению времени наработки на отказ, что для серверных решений (а именно так позиционировались перечисленные модели) являлось неприемлемым. С наступлением эры SSD потребность в «оборотистых» HDD практически полностью отпала, и в настоящее время верхней планкой по-прежнему остается скорость 7200 оборотов в минуту, а «гоночные» винчестеры оказались более не нужны ни представителям IT-индустрии, ни энтузиастам.
Впрочем, случаи, подобные описанному выше, единичны — чаще всего стремление усовершенствовать жесткие диски приводило к удивительным научным открытиям либо появлению новых стандартов. Рассмотрим наиболее значимые события в хронологическом порядке.
Разработка интерфейса IDE
Изначально для подключения жестких дисков к персональным компьютерам использовались платы расширения с интерфейсом ST-506 или более совершенным ST-412, получившим поддержку функции буферизованного поиска (это помогло сократить время доступа до 15–30 миллисекунд), а также методом записи RLL (запись с групповым кодированием), которая и позволила увеличить емкость одноименных винчестеров, выпускаемых Seagate, вдвое.
В 1986 году Western Digital совместно с компанией Compaq завершили разработку принципиально нового стандарта, названного IDE (Integrated Drive Electronics — «встроенные электронные компоненты»). С этого момента AT-совместимый контроллер, использующий 16-разрядную шину ISA, стал неотъемлемой частью накопителя, что благоприятно отразилось на стоимости дисковой подсистемы в целом: хотя цена устройства несколько возрастала, пользователь более не нуждался в приобретении дополнительных модулей. В свою очередь, контроллер канала становился универсальным, а контроллер привода уже был рассчитан на конкретную модель HDD, что упрощало производственный процесс, также открывая перед вендорами практически неограниченные возможности для экспериментов с прошивкой.
Создание GMR-головок
Гигантский магниторезистивный эффект (Giant magnetoresistance, или GMR) был открыт в 1988 году французским физиком Альбертом Фертом и немецким ученым Петером Грюнбергом. Они обнаружили, что при помещении образцов хрома и железа, имеющих четкую кристаллическую структуру, в сильное электромагнитное поле фиксируется резкое возрастание электрического сопротивления материала, что объясняется несовпадением вектора магнитного поля и спина электронов вещества. Напротив, если направление вращения электронов соответствует ориентации магнитного поля, сопротивление оказывается значительно меньше.
Изменение электрического сопротивления под действием магнитного поля
Инженеры компании IBM быстро поняли, что этот феномен можно использовать на практике. Результатом их работы стало появление в 1994 году сенсорного элемента (кстати, при его создании использовалось описанное выше тонкопленочное напыление), в основе которого лежал GMR-эффект, а первыми коммерческими винчестерами, в которых применялась данная технология, стали IBM Deskstar 16GP объемом 16 гигабайт.
Новое поколение магнитных головок было способно улавливать значительно более слабые сигналы, создаваемые поверхностью магнитной пластины, что позволило увеличить плотность записи в несколько раз за счет уменьшения площади сенсора и, как следствие, более компактного расположения треков. Уже в 1998 году IBM объявила о преодолении рубежа в 11,6 гигабита на квадратный дюйм, тогда как верхним порогом для классической MR-записи оказалось лишь значение 3,09 гигабита на квадратный дюйм (такой плотностью записи мог похвастаться 2,5-дюймовый накопитель для ноутбуков IBM Travelstar 8GS объемом 8,1 гигабайта). Именно благодаря этому открытию в последующие четыре года емкость жестких дисков увеличилась практически на 5000%, преодолев психологический барьер в 100 гигабайт.
Переход на метод перпендикулярной записи
Поставки первых накопителей, использующих PMR (Perpendicular Magnetic Recording), начались лишь в 2006 году. Вплоть до 2005 года биты информации сохранялись в магнитных доменах, вектор которых лежал параллельно плоскости диска. При всей простоте, такой подход обладал существенным недостатком: для того чтобы побороть коэрцитивность (переход магнитных частиц в однодоменное состояние), между треками приходилось оставлять внушительную буферную зону, и в какой-то момент дальнейшее повышение плотности записи стало невозможным физически.
Метод параллельной магнитной записи
Метод же перпендикулярной записи, известный еще с 70-х годов XX века, но не применявшийся в коммерческих продуктах из-за более сложной реализации, решил эту проблему за счет того, что вектор магнитной направленности стал располагаться под углом 90° относительно поверхности блина. Это позволило сократить промежуток между отдельными дорожками и при этом дополнительно повысить стабильность магнитных доменов. Переход на PMR обеспечил значительный прирост плотности записи: уже в первых образцах таковая возросла более чем на 30% — до 400 гигабит на квадратный дюйм, а современные модели достигли планки 1 терабит на квадратный дюйм.
Метод перпендикулярной магнитной записи
Внешние накопители сегодня: облик имеет значение
Эволюция жестких дисков продолжается: новые технологии магнитной записи вскоре позволят вывести на рынок устройства объемом в десятки гигабайт, о чем несколько лет назад нельзя было даже мечтать. Но если потребности корпоративных клиентов не меняются со времен RAMAC 305, то интересы рядового потребителя более не ограничиваются сухими цифрами технических характеристик. В современных реалиях практически каждый девайс, независимо от истинного назначения, становится неотъемлемой частью персонального имиджа. Невзрачные, угловатые коробочки более неинтересны людям — покупатель желает получить в свое распоряжение не просто удобный и функциональный инструмент, а стильный аксессуар, который органично впишется в общую концепцию созданного образа.
Предвидя такое развитие событий, Western Digital обновила линейку переносных накопителей My Passport, наглядно доказав: даже такой сугубо утилитарный предмет, как внешний HDD, способен стать средством самовыражения.
Обновленная линейка накопителей WD My Passport
Визуальная концепция создавалась в тесном сотрудничестве с компанией Fuseproject — мировым лидером в сфере разработки промышленного дизайна, в числе клиентов которой были такие известные бренды, как Microsoft, Disney, BMW, Johnson & Johnson и многие другие. Размышляя над образом My Passport, мы стремились сделать все возможное, чтобы для конечного пользователя обладание данным девайсом переросло в уникальный, личный опыт восприятия.
Мы храним на внешних дисках фото и видеозаписи важнейших событий жизни, любимую музыку, книги и фильмы — все то, что нам дорого по тем или иным причинам. И если для компьютера фотография является лишь набором нулей и единиц, то для человека она — воплощение эмоций, неотъемлемая составляющая его прошлого, навсегда запечатленная в статическом изображении. Именно эту мысль как нельзя более точно передает облик My Passport. Корпус каждого HDD разделен на две равные половины прямой линией, символизирующей границу соприкосновения двух реальностей — физической (рельефная поверхность с отчетливой текстурой) и цифровой (ее символизирует лаконичная глянцевая часть устройства). На пересечении столь разных и непохожих миров как раз и находится портативный накопитель, способный помочь своему обладателю сохранить воспоминания и впечатления в виде последовательности битов.
Изысканный, лаконичный дизайн корпуса
Разрабатывая WD My Passport, мы не забыли и о потребительских свойствах — компактные и стильные накопители способны удовлетворить насущные потребности самого привередливого покупателя. Модельный ряд представлен устройствами емкостью от 1 до 4 терабайт. Подключение к персональному компьютеру осуществляется посредством интерфейса USB 3.0 (кабель под цвет корпуса поставляется в комплекте), при этом скорость передачи данных достигает 110 мегабайт в секунду, что является одним из самых высоких показателей среди внешних HDD. Чтобы использовать жесткий диск, можно задействовать штатные средства операционной системы (поддерживаются актуальные версии Microsoft Windows 7, 8 и 10) либо воспользоваться фирменной утилитой WD Backup. С ее помощью можно настроить резервное копирование по расписанию, выбрать папки, которые необходимо сохранять, включить автоматическую синхронизацию файлов в случае их редактирования. Также предусмотрена возможность подключения облачного сервиса Dropbox.
Настройка резервного копирования через утилиту WD Backup
Для защиты конфиденциальных данных владелец WD My Passport может воспользоваться приложением WD Security — вся информация будет зашифрована, а доступ к диску станет возможен только при наличии пароля. Чтобы не вводить кодовую фразу каждый раз, можно присвоить компьютеру статус доверенного устройства — в этом случае разблокировка будет осуществляться автоматически при подключении.
Защита WD My Passport паролем
Помимо этого, мы добавили еще одну весьма интересную и полезную функцию Return-if-Found («Верните, если нашли»). За говорящим названием скрывается виртуальная визитка, которая будет высвечиваться на экране компьютера при каждом подключении. Здесь пользователь может указать свой телефон или электронную почту, благодаря чему в случае утери винчестера отыскавший его человек сможет связаться с хозяином, используя предоставленные контактные данные. И разумеется, все накопители серии поддерживают приложение WD Drive Utilities, с помощью которого можно узнать показатели S.M. A.R.T., оценив оставшийся рабочий ресурс устройства.
Обновленная линейка портативных жестких дисков My Passport понравится не только тем, кто ставит во главу угла удобство и функциональность, но и ценителям элегантных форм и оригинальных дизайнерских решений. Сочетая практичность и стильный облик, сбалансированные, всецело отвечающие современным реалиям девайсы придутся по вкусу самой взыскательной аудитории и способны стать отличным подарком на Новый год или Рождество.
