Стримеры. Эволюция ленточных накопителей от каменного века до наших дней
Сейчас уже доподлинно неизвестно, кто именно первым догадался перетереть зерно в муку и испечь из нее хлеб, или взбить молоко, чтобы получить масло. Зато историки хорошо знают, кому пришло в голову нанести смесь растертого в порошок железа и клея на немагнитную основу для записи информации — это сделал в 1898 году датский инженер Вальдемар Поульсен. Он же изобрел звукозаписывающее устройство под названием «телеграфон», использовавшее вместо магнитной ленты проволоку.
Древние времена
Эксперименты Поульсена в 1927 году продолжил немецкий инженер Фриц Пфлёймер. Он получил первый в мире патент на магнитную ленту, нанеся с помощью клея порошок оксида железа на основу из бумаги. Такая лента хорошо склеивалась, размагничивалась и намагничивалась снова. Для записи и воспроизведения звука он сконструировал прибор под хорошо известным нашим современникам названием «Magnetophon».
Чуть позже не отличавшуюся высокой прочностью бумажную основу заменили на целлулоидную кинопленку, благо, та обладала перфорацией, облегчавшей ее использование в различных механизмах. В 30-х годах промышленный выпуск магнитной ленты освоил германский химический концерн BASF, а машиностроительная корпорация Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft (AEG) начала серийный выпуск устройств под названием Magnetophon К1. Главным заказчиком новинки стала радиовещательная корпорация RRG — именно для записи и воспроизведения радиопередач и использовались первые магнитофоны.
Эпоха мейнфреймов
Уже в 1954 году магнитную ленту научились использовать для видеозаписи — первый в истории видеомагнитофон разработала американская электротехническая компания Ampex. Появление видеомагнитофонов произвело настоящую революцию в телевизионном вещании: эпоху прямых эфиров сменила технология трансляции телепередач в записи. Однако для хранения компьютерных данных и программ эта методика стала использоваться на три года раньше: в 1951 году компания Eckert-Mauchly Computer Corporation разработала для UNIVAC I модуль записи информации на металлическую ленту шириной 12,65 мм из никелированной бронзы. Плотность записи составляла 28 символов на дюйм и осуществлялась на 8 дорожках.
Этот первый накопитель не выпускался серийно, однако заложил основы для появления отдельного семейства устройств хранения данных на магнитной ленте — стримеров. Уже в 1952 году корпорация IBM стала использовать в своих мейнфреймах 7-дорожечную магнитную ленту шириной полдюйма для записи 6-битных символьных данных с дополнительным битом четности. Тогда общая максимальная емкость хранилища на магнитной ленте достигла 1 мегабайта. C появлением 8-битных символов информацию стали записывать на ту же полудюймовую ленту, но на 9 дорожек. Именно такой формат стал использоваться IBM в 1964 году для семейства ЭВМ System/360, он же стал наиболее популярным и распространенным в мире. Можно сказать, что стримеры оказались, пожалуй, самыми долгоживущим семейством накопителей информации: получив широкое распространение еще в 60-х, они кое-где используются до сих пор.
70-е и 80-е
Широкое распространение ленточных накопителей в 70-х и 80-х годах объясняется в первую очередь тем, что дисководы, как и диски для них, стоили дорого, а магнитная лента и стримеры, по конструкции схожие с обычным бытовым магнитофоном, были дешевы. Впрочем, использование бытовых магнитофонов в качестве стримера считалось обычным явлением на протяжении всех 80-х годов: многочисленные «домашние компьютеры», включая легендарный ZX Spectrum, загружались с магнитофона, он же использовался в качестве устройства чтения-записи в некоторых ранних IBM-совместимых персоналках. Впрочем, для «Спекки» было разработано специальное ленточное устройство: ZX Microdrive.
Это устройство использовало небольшой по размеру (меньше компакт-кассеты) картридж, в котором размещалось замкнутое кольцо из магнитной ленты длиной 5 метров. Такая лента могла хранить всего лишь 85 Кбайт данных. ZX Microdrive отличались невысокой скоростью чтения-записи и низкой надежностью, в связи с чем устройство не пользовалось спросом: владельцы «Спектрумов» предпочитали ему обычные магнитофоны. У Commodore тоже было в ходу подобный девайс под названием Commodore Datasette, но он использовал обычные магнитофонные компакт-кассеты, которые можно было приобрести в любом магазине.
Стримеры широко применялись в ЭВМ производства компании DEC. Первоначально разработанное этой фирмой устройство называлось Microtape, чуть позже его переименовали в DECTape. Накопитель использовал ленту шириной ¾ дюйма (19 мм), информация на которой записывалась блоками: каждый блок содержал 128 12-битных слов (для 12-битных машин) или 256 18-битных слов для компьютеров с другой разрядностью. Любопытно, что на ленте имелся ряд неперезаписываемых блоков фиксированного размера, на которых можно было хранить операционную систему. Таким образом, DECtape использовался, как медленный системный дисковод.
Первые компьютеры, использовавшие для хранения данных ленточные накопители, не отличались высоким быстродействием и обладали ограниченным объемом оперативной памяти, поэтому ранние стримеры обычно работали в режиме «старт-стоп» — ленту требовалось часто останавливать после считывания или записи очередного блока данных. Поскольку большие катушки обладают значительной массой и инерцией, конструкторы пошли на ухищрение: стример отматывал больше ленты, чем требовалось в данный момент, и она с помощью вакуумного насоса засасывалась в два глубоких канала по обе стороны от магнитной головки и шпинделей. Запустить такие петли «провисшей» ленты удавалось намного быстрее, чем раскручивались громоздкие катушки. А бобины начинали вращение уже по мере необходимости, чтобы удерживать запас ленты в вакуумных каналах на нужном уровне.
Позже стримеры стали оснащаться собственными буферами памяти. Лента останавливалась только тогда, когда в буфере не оставалось места для записи, либо когда он был заполнен данными во время чтения. Но и в этом случае оставалась нерешенной проблема инерции: возросшая скорость чтения-записи приводила к тому, что стример оказался не в состоянии мгновенно остановить ленту: иначе она обрывалась. Вместо этого в момент прекращения чтения/записи привод должен постепенно снизить скорость до нуля, затем перемотать ленту на небольшое расстояние назад, перезапустить, вернуться в точку, в которой потоковая передача информации прекратилась, и только затем возобновить работу. Если таких итераций требовалось много, лента многократно протаскивалась через головку туда-обратно наподобие движения щетки при чистке обуви, что приводило к ее повышенному износу. Со временем эту проблему попытались решить, внедрив устройства с изменяемой скоростью работы. Такие стримеры динамически согласовывают скорость протяжки ленты со скоростью передачи данных, и перед полной остановкой начинают автоматически «подтормаживать» ленту, одновременно снижая скорость чтения/записи.
От 80-х до наших дней
Во второй половине 80-х стримеры для персональных компьютеров обрели особую популярность, как относительно дешевое и надежное средство хранения архивных данных и резервных копий. Они подключались к машине через интерфейсы SCSI, Fibre Channel, SATA, USB, FireWire, FICON и другие — вариантов насчитывалась уйма. Ёмкость и скорость чтения/записи таких устройств непрерывно росла, так, в 2017 году устройство Linear Tape-Open (LTO) поддерживало скорость непрерывной передачи данных до 360 МБ/с, что сопоставимо с быстродействием жестких дисков, а емкость стримеров к 2018 году превысила 20 терабайт на картридж (с использованием сжатия данных). Появились специальные системы, которые по команде с компьютера автоматически загружают и выгружают из хранилища несколько картриджей с лентами наподобие CD-ченджеров. Тем не менее, последовательный доступ к данным все же уступает в скорости дискам: если головка дисковода или винчестера может переместиться в любую позицию на диске за несколько миллисекунд, но ленточный накопитель должен физически перематывать ленту, чтобы прочитать какой-либо конкретный фрагмент данных.
В 1989 году компании Hewlett-Packard и Sony на базе формата Digital Audio Tape разработали стандарт DDS (Digital Data Storage), использовавший магнитную ленту шириной 3,81 мм в небольшой компактной кассете. Запись велась в цифровом формате. Первая версия стримеров стандарта DDS поддерживала емкость кассеты от 2,6 до 4 Гбайт со скоростью передачи данных 0,81 Мб/с. Последнее поколение, DAT-320 позволяло хранить уже до 320 Гбайт, c поддержкой скорости передачи до 12 Мб/с. Именно эти стримеры и стали одними из самых популярных в России, наравне с разработанной в начале 90-х зеленоградским ПО КСИ системой «АрВид», позволявшей записывать данные на видеокассеты с помощью бытового видеомагнитофона. Для подключения «видика» к IBM PC-совместимому компьютеру использовались специальные платы, подключаемые к шине ISA.
Помимо DDS в 90-х были распространены системы QIC, использовавшие компактные кассеты емкостью от 40 Мбайт до 10 Гбайт, и стримеры DLT, разработанные фирмой Quantum на основе ленточных накопителей ЭВМ семейства VAX от DEC. Ленточные картриджи DLT имели физическую ёмкость от 100 Мбайт до 800 Гбайт. Позже этот стандарт трансформировался в современный LTO (Linear Tape-Open), который поддерживают несколько компаний, включая IBM, Hewlett-Packard, Seagate Technology и Sony.
Последнее обновление стандарта, LTO-9, состоялось 2021 году: такие картриджи имеют емкость до 12 Тбайт и поддерживают максимальную скорость обмена данными до 1000 Мб/с со сжатием. Подобные стримеры по сей день используются во многих современных дата-центрах в составе систем автоматического резервного копирования.
Зародившись еще в конце 19 века, технология записи на магнитную ленту благополучно пережила расцвет и закат эпохи мейнфреймов, переход ЭВМ с вакуумных ламп на транзисторы, а затем — на интегральные микросхемы, и вполне неплохо чувствует себя сегодня. Думается, эти динозавры вполне способны дотянуть и до массового распространения квантовых компьютеров, или, что тоже вероятно, до тепловой смерти Вселенной. По крайней мере, сдавать свои позиции на рынке стримеры, похоже, не собираются: спросите у любого крупного хостера или облачного провайдера — в их закромах наверняка отыщется парочка подобных устройств.
Статья поддерживается командой Serverspace.Serverspace — провайдер облачных сервисов, предоставляющий в аренду виртуальные серверы с ОС Linux и Windows в 8 дата-центрах: Россия, Беларусь, Казахстан, Нидерланды, Турция, США, Канада и Бразилия. Для построения ИТ-инфраструктуры провайдер также предлагает: создание сетей, шлюзов, бэкапы, сервисы CDN, DNS, объектное хранилище S3.
IT-инфраструктура | Кешбэк 17% по коду HABR
