По мере появления все более быстрых и совершенных носителей информации меняются и способы сохранения на них байта данных. Байт — это единица цифровой информации, состоящая из восьми бит. Бит, в свою очередь, представляет уже минимальную единицу и может быть выражен как логический 0 или 1.
В качестве первого и самого простого примера можно взять перфокарты, где бит данных хранился в виде наличия или отсутствия дырки в определенном участке. Если же углубится дальше во времена аналитической машины Бэббиджа, то в ней бит представлялся путем изменения положения механической шестеренки или рычага. На магнитных устройствах хранения, таких как ленты и диски, единица информации представляется полярностью определенной области магнитной пленки. В современной динамической оперативной памяти (DRAM) бит выражается одним из двух возможных уровней электрического заряда конденсатора.
В июне 1956 года Вернер Бухгольц1 придумал термин байт2, описав им группу битов, используемую для кодирования одного знака текста3. Давайте разберем кодирование знаков более подробно, начиная со Стандартного американского кода обмена информацией (ASCII). В основу ASCII был заложен английский алфавит, поэтому каждая буква, цифра и символ (a-z, A-Z, 0-9, +, -, /, “,! и т.д.) представлялись как 7-битное целое число в диапазоне от 32 до 127. Такая система не учитывала другие языки, поэтому для их поддержки стандарт ASCII был расширен до стандарта Unicode. В нем каждый знак представлен кодовой точкой или символом. Например, строчная j обозначается как U+006A, где U означает Unicode, после чего идет шестнадцатеричное число.
Есть еще стандарт UTF-8, служащий для представления знаков в виде восьми бит, что позволяет каждой кодовой точке между 0 и 127 хранится в одном байте. Если, опять же, говорить об ASCII, то этот вариант отлично подходит для английских знаков, знаки же других языков часто выражаются с помощью двух или более байт. Далее идут стандарты UTF-16 и UTF-32, выражающие знаки в 16 и 32 битах, соответственно. В ASCII каждый знак – это байт, но в Unicode это не всегда так, поскольку знак может быть представлен 1, 2, 3 и более байтами. В этой статье будут встречаться группы бит разного размера. Количество бит в байте зависит от архитектуры носителя информации и с течением времени изменялось.
Динамика изменения всемирного объема хранимой информации в байтах по типу носителя
Впереди вас ждет погружение в прошлое, в ходе которого мы вспомним различные типы носителей информации. Сразу оговорюсь, что все виды устройств мы здесь не затронем, так как статья подразумевает больше развлекательное путешествие, а не энциклопедический обзор.
Давайте для начала представим, что у нас есть байт данных, который мы хотим сохранить. Им будет буква j, которая в Unicode обозначается как 6a, а в двоичной кодировке как 01001010. В процессе нашего путешествия во времени мы будем периодически прикидывать возможность сохранения этого байта с помощью различных технологий.
1951
Начнем с 1951 года и ленточного накопителя UNIVAC UNISERVO, использовавшегося в компьютере UNIVAC-1. Это был первый ленточный накопитель, созданный для коммерческого ПК. Его лента представляла собой полосу никелированной фосфористой бронзы (Vicalloy) длиной 365 метров, весом чуть более килограмма и шириной в 1,2 сантиметра. На этой пленке, перемещавщейся на 250 см/сек, наш байт данных сохранился бы со скоростью 7 200 знаков в секунду4. В то время скорость алгоритма носителя можно было измерять по пройденному пленкой расстоянию.
1952
Теперь переместимся в 21 мая 1952 года, когда руководство IBM анонсировало их первое запоминающее устройство на магнитной ленте, IBM 726. Теперь нашу единицу данных можно было переместить с металлической ленты UNISERVO на магнитную ленту IBM. Новое место жительства показалось бы для скромного байта очень просторным и комфортным, так как здесь могло хранится уже до 2 миллионов цифр. Магнитная лента имела 7 дорожек и перемещалась со скоростью 180 см/сек, обеспечивая передачу до 12 500 цифр5 или 7 500 знаков6 (тогда называемых группами копирования) в секунду. К сравнению, в этой статье содержится около 32 000 знаков.
В магнитных лентах 6 дорожек служили для данных, а последняя для поддержания четности, обеспечивая четное или нечетное количество бит единиц в строке. Данные записывались по 100 бит на каждые 2.4 погонных сантиметра. В этой системе использовался метод «вакуумного канала», при котором перемещение пленки происходило по замкнутому кругу между двумя катушками, что позволяло накопителю за долю секунды запускать и останавливать ее движение. Для этого между катушками помещались длинные вакуумные колонки, а также головки чтения/записи для поглощения внезапного натяжения ленты, предотвращавшие ее разрыв. В задней части катушки располагалось съемное пластиковое кольцо, которое обеспечивало защиту от записи. Хранить такая катушка могла до 1.1Мб данных7. Помните кассеты VHS, в которых для возврата к началу фильма требовалась перемотка? То же касалось и компьютеров. Программы не могли перескакивать между участками пленки или обращаться к данным произвольно, им приходилось производить считывание и запись последовательно.
1956
Включив ненадолго перемотку, мы попадаем в эпоху хранения информации на магнитных дисках, которая началась с выпуска компьютерной системы IBM 305 RAMAC, которая была поставлена в компанию Zellerbach Paper в Сан Франциско8. Это был первый компьютер, где применялся жесткий диск с движущейся головкой. Винчестер RAMAC состоял из пятидесяти покрытых магнитным напылением пластин шириной 61 см, которые могли хранить около пяти миллионов знаков данных в 7-битной кодировке, и вращаться со скоростью 1,200 об/мин. Общий объем хранимой информации этого диска составлял 3.75Мб.
В отличие от магнитных лент и перфокарт, RAMAC предоставлял память с возможностью произвольного обращения к большим объемам данных. IBM позиционировали это устройство как эквивалент 64,000 перфокарт9. До его появления транзакции вынужденно задерживались, ожидания скопления группы данных, после чего обрабатывались пакетно. RAMAC же реализовал принцип непрерывной обработки транзакций по мере их появления, что позволяло моментальное извлечение свежезаписанных данных. Теперь к нашему байту данных можно было обратиться уже со скоростью 100 000 бит в секунду10. Ранее, во времена использования лент, приходилось записывать и считывать данные последовательно, не имея возможности произвольно перескакивать к разным участкам носителя. Появление же таковой возможности стало поистине революционным.
Магнитный диск
1963
Далее мы переносимся в 1963, год появления недорогого и надежного магнитного носителя DECtape. В основе этого названия лежит аббревиатура компании Digital Equipment Corporation (DEC), которая произвела не одно поколение компьютеров с применением этой технологии. Данный вид носителя представлял собой ламинированную ленту шириной в 2 см, зажатую между двумя слоями майлара в десятисантиметровой катушке.
В отличии от тяжеловесных и крупногабаритных предшественников DECtape можно было переносить в руках, что делало это устройство очень удобным для персональных компьютеров. В этой ленте использовалось уже не 7, а 10 дорожек: 6 для данных, 2 для меток и 2 для синхронизации. На каждые 2.4 см такой ленты записывалось 350 битов. В этом случае наш байт данных, состоящий из 8 бит, мог быть расширен до 12 и передан на DECtape со скоростью 8 325 12-битовых слов в секунду при перемещении ленты на 223 ±29 см/сек11, что на 8% цифр/сек больше, чем позволяла металлическая лента UNISERVO в 1952 году.
1967
Через четыре года в 1967 небольшая команда из IBM начала работу над накопителем на гибких дисках, которому дали кодовое имя Minnow12. В то время перед командой стояла задача разработать надежный и недорогой способ загрузки микрокода в мейнфреймы IBM System/37013. Позднее данный проект был реорганизован и целью стала загрузка микрокода в контроллер для IBM 3330 Direct Access Storage Facility (запоминающее устройство с прямым доступом к памяти). Кодовое имя при этом также изменили, назвав разработку Merlin.
Теперь наш байт данных можно было сохранять уже на 8-дюймовых майларовых дисках, покрытых магнитным материалом и допускавших только чтение. Сегодня большинство людей того времени помнят их как флоппи-диски или дискеты. По завершению разработки устройство получило имя IBM 23FD Floppy Disk Drive System. Используемые для него диски могли содержать до 80 Кб данных. В отличие от HDD, пользователь мог с легкостью переносить эти защищенные пластиковым кожухом диски, без проблем вставляя их в разные устройства. Позднее в 1973 году IBM выпустили усовершенствованную версию устройства, позволяющую чтение/запись, которая и стала стандартом индустрии14.
1969
В 1969 году была запущена миссия Apollo 11, доставившая американских астронавтов на луну и обратно. На борту этого корабля была установлена система Apollo Guidance Computer (AGC) с «веревочной памятью» (rope memory) только для чтения. Собран этот модуль памяти был вручную и мог вмещать до 72 Кб данных. Производство такого вида устройств было трудоемким, медленным и требовало навыков, напоминавших работу с текстилем. Вплетение программы в такую память могло занять месяцы15. Однако на тот момент это было наиболее подходящее для своих задач устройство, способное противостоять суровым условиям космического пространства. Провод, проходивший через один из сердечников, представлял 1. Те же провода, которые проходили вокруг сердечника, выражали 0. Для вплетения нашего байта данных в такую «веревку» специалисту потребовалось бы несколько минут.
Apollo Guidance Computer
1977
Далее мы попадаем в 1977, год выпуска Commodore PET, первого успешного массового персонального компьютера. В этот ПК была встроена Commodore 1530 Datasette (от слов data и cassette). PET преобразовывал данные в аналоговые звуковые сигналы, которые сохранял на кассетах16. Таким образом было получено недорогое и эффективное решение для хранения информации, хоть и очень медленное. На него наш небольшой байт данных можно было передать со скоростью 60-70 байт/сек17. Подобные кассеты позволяли разместить около 100 Кб информации на каждой из двух сторон протяженностью в 30 минут, например 2 этих изображения по 55 Кб. Datasette также использовались в CommodoreVIC-20 и Commodore 64.
1978
Сделаем шаг вперед в 1978 год, когда компаниями MCA и Philips был представлен оптический накопитель LaserDisk под названием “Discovision”, который стал использоваться для записи видео. Первым на LaserDisc в Северной Америке в продажу поступил фильм «Челюсти». Качество записи как аудио, так и видео материала на таких дисках намного превышало конкурирующие решения, но оказывалось дороговато для потребителей. К тому же, в противоположность пленкам VHS, которые можно было использовать для записи ТВ-программ, LaserDisc возможность записи не предоставлял. На этих дисках записывалось аналоговое видео с аналоговым FM-звуком и импульсно-кодовой модуляцией (PCM)18. Диаметр LaserDisk составлял 12”, а состоял он из двух односторонних алюминиевых дисков, покрытых пластиком. Сегодня их вспоминают как первооснову, из которой эволюционировали CD и DVD.
1979
Год спустя, в 1979 Алан Шугарт и Финис Коннер основали компанию Seagate Technology, планируя уменьшить размер HDD до габаритов дискеты 5.25”, которая на то время была стандартом. В 1980 году они выпустили свой пилотный продукт – Seagate ST506 – первый жесткий диск для микрокомпьютеров. Этот винчестер имел объем 5Мб, превышавший емкость дискеты в пять раз. Основатели компании с успехом достигли своей цели уменьшения размера, создав жесткий диск, с обеих сторон покрытый магнитным материалом, служившим для хранения данных. На такой диск наш байт данных можно было передать со скоростью 625 Кб/сек19. Для наглядности эту скорость можно представить как передачу одного такого GIF-изображения в секунду.
1981
Шагнем еще на два года вперед и очутимся в 1981, когда Sony выпустили дискеты 3.5”. Первыми эту технологию взяли на вооружение Hewlett-Packard в 1982 году, использовав соответствующий дисковод в своем HP-150. В итоге 3.5” дискеты прочно вошли в оборот и завоевали устойчивую позицию в индустрии20. Используемые в них диски были односторонними и имели 161.2 Кб неформатированного пространства или 218.8 Кб форматированного. В 1982 году была разработана двухсторонняя версия, и Micro floppy Industry Committee (MIC), консорциум 23 медиа-компаний, определил спецификацию 3.5” дискеты, исторически утвердив их формат в том виде, в каком его запомнили мы21. Теперь наш байт данных можно было сохранить на ранней версии одного из наиболее распространенных носителей: флоппи-диске 3.5”. Позднее пара таких дискет с «Орегонской тропой» станут важной вехой моего детства.
Дискеты 8”, 5.25” и 3.5”
1984
Несколько лет спустя в 1984 году компании Sony и Philips представили компакт-диск только для чтения (CD-ROM), позволявший хранить до 550 Мб предварительно записанных данных. Этот формат эволюционировал из компактных дисков цифрового аудио (CD-DA), используемых для распространения музыки. CD-DA был разработан Sony и Philips в 1982 и вмещал в себя 74 минуты аудио. По неофициальным данным при обсуждении этими компаниями стандарта для CD-DA один из четырех участников переговоров утверждал, что на таком носителе может уместиться вся девятая симфония Бетховена22. Первым продуктом, выпущенным на таком компакт-диске в 1985 году, стала электронная энциклопедия компании Grolier. Эта энциклопедия содержала девять миллионов слов, которые заняли всего 12% доступного пространства диска, составлявшего 553Мб23. Здесь бы с лихвой хватило место и на энциклопедию, и на наш байт данных. Вскоре после этого в 1985 году ряд компьютерных и других заинтересованных компаний совместно разработали стандарт для этих дисков, чтобы доступ к содержащейся на них информации можно было получить с любого ПК.
1984
В том же 1984 году Фудзио Масуока изобрел новый вид памяти с плавающим затвором, так называемую флэш-память, которая допускала множественные циклы стирания и перезаписи.
Давайте немножко глубже разберем принцип работы такой памяти. Работает она на транзисторах, которые содержат электрические затворы, способные открываться и закрываться. Поскольку каждый транзистор может находится в двух противоположных состояниях (открыт/закрыт), то и хранить он может два разных значения: 0 и 1. Плавающий же затвор — это второй затвор, добавленный в середину транзистора и изолированный тонким оксидным слоем (диэлектриком). В упрощенном виде принцип работы транзистора подразумевает подачу на основной затвор невысокого напряжения, которое определяет его открытие и закрытие, что, в свою очередь, трактуется как 0 или 1.
При подаче по каналу исток-сток, проходящему вдоль оксидного слоя, достаточного для пробоя этого слоя напряжения, электроны туннелируются через него, скапливаясь у плавающего затвора и оставаясь там даже при отключении питания. Когда электроны у плавающего затвора отсутствуют, он представляет 1, в противном случае – 0. При обращении данного процесса путем подачи напряжения в обратном направлении электроны туннелируются от плавающего затвора в канал, приводя транзистор в исходное состояние. Такое решение делает ячейки памяти программируемыми и энергонезависимыми24. В этом случае наш байт данных можно запрограммировать с помощью транзисторов как 01001010, зафиксировав электроны у соответствующих плавающих затворов, которые будут представлять 0.
Архитектура Масуока оказалась более доступной по стоимости, но менее гибкой, чем электрически стираемая PROM (EEPROM), поскольку требовала одновременного удаления нескольких групп ячеек, хотя это говорило в пользу ее скорости. В то время Масуока работал на Toshiba, откуда уволился вскоре после того, как стал профессором в Университете Тохоку, поскольку компания, как он считал, недостаточно оплачивала его усилия. Он даже подал иск на Toshiba, затребовав за проделанную работу денежную компенсацию. В результате этот иск был урегулирован в 2006 году единовременным платежом в ¥87 миллионов, что эквивалентно $758 000. И даже такая сумма выглядит не столь значительно в сравнении вкладом, внесенным флэш-памятью в индустрию.
Говоря об этом виде памяти, нам также следует затронуть отличие между ее разновидностью NOR и NAND. Мы знаем, что в ней информация сохраняется в ячейках памяти, представленных транзисторами с плавающим затвором. Названия же упомянутых разновидностей NOR и NAND непосредственно связаны с тем, как эти ячейки памяти организованы.
В NOR-флэш ячейки соединены параллельно, что позволяет произвольный доступ к их содержимому. Такая архитектура обеспечивает повышенную скорость считывания, необходимую при обращении микропроцессора к инструкциям. Этот вид памяти идеально подходит для устройств с низкой плотностью, которые подразумевают преимущественно только чтение. Именно поэтому большинство процессоров загружают свою прошивку обычно с NOR-памяти. Масуока и его коллеги представили NOR-версию в 1984 году, а ее альтернативу NAND в 198725.
В случае с NAND разработчики отказались от возможности произвольного обращения в обмен на уменьшение размера ячейки. Это также положительно отразилось на размере чипа и стоимости в пересчете на бит памяти. Архитектура NAND состоит из массива восьми соединяемых последовательно транзисторов, что дает повышенную плотность хранилища и более высокую скорость записи/стирания, так как одновременно можно программировать целые блоки данных. Однако за это приходится платить необходимостью перезаписи информации, когда она записывается непоследовательно, и данные в блоке уже существуют26.
1991
Теперь отправимся в 1991, когда компанией SanDisk, тогда еще известной как SunDisk27, был разработан прототип модуля твердотельного диска (SSD) для его оценки IBM. Эта архитектура объединяла флэш-массив, состоящий из чипов энергонезависимой памяти, с интеллектуальным контроллером для автоматического обнаружения и исправления поврежденных ячеек. Физический размер данного диска составлял 2.5”, объем памяти был 20 Мб, и стоил он около $1,00028. В итоге IBM начали устанавливать такие устройства в свои компьютеры с перьевым вводом ThinkPad31.
SSD
1994
Одним из моих любимых носителей информации, которым я пользовалась еще в детстве, был Zip Disk. Выпускать их начала компания Iomega в 1994 году. Внешне это были картриджи 3.5” чуть толще обычной дискеты, изначально способные хранить 100 Мб данных. Более поздние версии могли вмещать уже до 2Гб информации. Их основным преимуществом был небольшой размер, сопоставимый с габаритами дискеты, но вмещавший уже намного больше данных. Наш с вами байт данных на такой диск можно было записать со скоростью 1.4Мб/сек. К сравнению, в то время на привычные 3.5” дискеты объемом в 1.44Мб запись осуществлялась со скоростью 16Кб/сек. В Zip-дисководе головки, по аналогии с HDD, производили чтение/запись без контакта с поверхностью диска, что завидно отличало их от аналогов. Тем не менее в связи с низкой надежностью этой технологии и более высокой доступностью CD, в конечном счете Zip-диски утратили свою актуальность.
1994
В тот же 1994 год SanDisk представили карты памяти CompactFlash, которые стали широко использоваться в бытовых устройствах, таких как цифровые и видеокамеры. Как и в случае с CD-ROM, быстродействие CompactFlash определялось кратностью, т.е. 8х, 20х, 133х и т.д. Максимальная скорость передачи вычислялась на основе исходной скорости передачи аудио-CD, составлявшей 150Кб/сек. В виде формулы это выглядело так: R = K x 150Кб/сек, где R представляет скорость передачи, а K – индекс скорости. Таким образом на CompactFlash с индексом 133x наш байт данных записался бы со скоростью 133 x 150Кб/сек или примерно 19,95Мб/сек. В 1995 году была организована Ассоциация CompactFlash, которая утвердила индустриальный стандарт для карт флэш-памяти30.
1997
Через еще три года появился перезаписываемый (RW) компакт-диск. Он использовался для хранения данных, а также резервного копирования и переноса файлов между устройствами. Перезаписать такой диск можно всего около 1000 раз, что на то время не являлось проблемой, так как пользователи редко прибегали к частой перезаписи данных на одном диске.
CD-RW основаны на технологии фазового перехода вещества, в процессе которого изменяются определенные характеристики материала носителя. В случае с CD-RW при фазовых переходах особого соединения из серебра, теллура и индия формируются «отражающие площадки» и «неотражающие выступы», которые представляют 0 или 1. Попадая в кристаллическое состояние, это соединение становится полупрозрачным, обозначая 1. Если же оно расплавляется в аморфное состояние, то становится мутным и выражает уже 031. В этом случае мы могли бы записать байт данных – 01001010 – с помощью таких «неотражающих выступов» и «отражающих площадок».
В конечном счете большую часть рынка у CD-RW отняли DVD.
CD-RW от Verbatim
1999
Следующим этапом стал 1999 год, в который IBM представили самый маленький на тот момент в мире жесткий диск: IBM Microdrive с объемом в 170Мб и 340Мб. Это были очень компактные винчестеры размером в 1”, спроектированные для установки в слоты CompactFlash Type II. Они задумывались как устройства для использования по аналогии с CompactFlash, но с большим объемом памяти. Как бы то ни было, на смену этой разработке вскоре пришли USB-накопители и более вместительные карты CompactFlash. По технической части микровинчестеры также, как и их старшие HDD-братья, были механическими и внутри использовали маленькие вращающиеся пластины.
2000
Годом позже миру были представлены USB-носители. Эти устройства состояли из флэш-памяти, заключенной в миниатюрный корпус с USB-интерфейсом. С течением времени версии этого интерфейса изменялись, что вело к увеличению скорости передачи через них данных. Первая версия USB 1.1 ограничивалась скоростью в 1.5Мб/сек, последующий вариант USB 2.0 стал способен пропускать до 35Мб/сек, а в стандарте USB 3.0 уже была реализована передача до 625Мб/сек32. Первые носители USB 3.1 Type С были представлены в марте 2015 года, предлагая скорость чтения/записи до 1250 Мб/сек33. В отличие от флоппи дисков и их оптических аналогов, USB устройства сложнее повредить и тем более поцарапать, причем с задачами хранения данных, их передачи и резервирования справляются они отлично. В связи с этим после появления USB-накопителей дисковые варианты хранения информации стали терять свою популярность и на сегодняшний день встречаются достаточно редко.
2005
В 2005 году производители HDD начали выпускать изделия, используя технологию перпендикулярной магнитной записи (PMR)34. Интересно, что это произошло одновременно с появлением iPod Nano, использующем флэш-память в противоположность 1” HDD, устанавливаемым в iPod Mini, что вызвало в индустрии некоторую шумиху.
В обычном HDD находится один или несколько твердых дисков, покрытых ферромагнитной пленкой, состоящей из магнитных кристаллов. Данные записываются, когда записывающая головка перемещается над вращающимся диском, наподобие иглы проигрывателя пластинок, только с поверхностью в данном случае не соприкасается. При этом из-за быстрого вращения пластин возникают завихрения воздуха, что по аналогии с подъемом крыла самолета воздухом создает эффект отталкивания головки специальной формы от диска35. Записывающая головка быстро меняет намагниченность одной магнитной области (домена) кристалла так, чтобы ее магнитный полюс указывал вверх или вниз, обозначая 1 или 0.
До PMR использовалась продольная магнитная запись (LMR), обуславливавшая втрое меньшую плотность хранилища. Принципиальное же их отличие в том, что структура кристаллов и магнитная ориентация сохраненных данных на PMR носителе имеет столбчатый вид, а не продольный. PMR также отличается повышенной термостабильностью и улучшенным соотношением сигнал/шум (SNR) за счет однородности и более эффективного разделения кристаллов. При этом усиленные магнитные поля головок и лучшее магнитное выравнивание носителя повышают показатели чтения/записи. Как и LMR, основные ограничения PMR упираются в термическую стабильность записываемых битов данных и необходимость достаточного показателя SNR для обратного считывания информации.
2007
Все ближе и ближе приближаясь к сегодняшнему дню мы попадаем в год появления первого HDD от компании Hitachi Global Storage Technologies, имевшего 1Тб памяти. В модели Hitachi Deskstar 7K1000 использовались 3.5” пластины по 200Гб, вращавшиеся со скоростью 7 200 RPM. Такое технологическое достижение разительно контрастирует с первым жестким диском IBM 305 RAMAC, имевшим объем памяти около 3.75Мб. Человечество за пройденные пол века, действительно, сделало огромный скачок прогресса, но ведь и это еще не все.
Hitachi Deskstar 7K1000
2009
В 2009 году началась работа над новым стандартом энергонезависимой памяти (NVMe)36. NVM – это вид памяти, способной удерживать данные в отсутствии подачи питания, которое необходимо для ее энергозависимой предшественницы. Эта технология восполнила потребность в масштабируемом интерфейсе хост-контроллера для твердотельных накопителей на базе PCIe, что и определило название NVMe37. В разработке архитектуры принимали участие более 90 компаний. В основе этого процесса лежала ранее разработанная спецификация интерфейса хост-контроллера энергонезависимой памяти (NVMHCIS). В результате NVMe-винчестеры можно найти практически во всех современных серверах. Самые производительные из них имеют скорость чтения около 3 500Мб/сек и записывают до 3 300Мб/сек38. Для нашего же с вами байта данных, выражающего букву j, это уже чрезвычайно быстро, если сравнивать с парой минут ручного вплетения в веревочную память Apollo Guidance Computer.
Современный мир и будущее
Storage class memory (SCM)
Пролистав все основные этапы истории до актуального времени, можно взглянуть на эталонную технологию хранения SCM. Она, как и NVM, характеризуется энергонезависимым сохранением данных, но при этом предоставляет увеличенное или сопоставимое с основной памятью быстродействие и байтовую адресацию39. Задача SCM заключается в решении ряда технологических сложностей кэширования, включая низкую плотность статической оперативной памяти (SRAM). При помощи динамической памяти произвольного доступа (DRAM)40 мы можем получить повышенную плотность, но в результате снижается скорость обращения. При этом DRAM для обновления памяти требует постоянного питания. Давайте здесь немного уточним. Питание необходимо, так как электрический заряд конденсатора постепенно иссякает, и без дополнительного вмешательства данные на чипе в итоге будут утрачены. Для предотвращения подобной утечки DRAM требуется внешняя цепь обновления памяти, которая периодически переписывает данные в конденсаторах, восстанавливая их заряд.
Для решения проблем с плотностью и утечкой энергии разрабатываются несколько SCM-технологий: память на фазовых переходах (PCM), память с записью посредством переноса спинового момента (STT-RAM), а также резистивная память (ReRAM). Положительной объединяющей все эти технологии особенностью является многоуровневость ячеек (MLC), которые в отличие от одноуровневых способны хранить два бита информации. Обычная ячейка памяти состоит из одного МОП-транзистора. В MLC же для хранения того же объема данных, что и в SLC, требуется меньше таких транзисторов, в связи с чем повышается плотность памяти, и при меньших размерах обеспечивается та же емкость. Далее мы рассмотрим принцип действия каждой из трех перечисленных технологий.
Память на фазовых переходах (PCM)
Мы уже разбирали принцип работы фазового перехода в CD-RW. В PCM все аналогично. В качестве соединения здесь применяется сплав Ge-Sb-Te, иначе называемый как GST. Он также может существовать в двух состояниях: аморфном и кристаллическом. Аморфное отличается повышенным сопротивлением и обозначает 0, в отличие от кристаллического, имеющего меньшее сопротивление и выражающего 1. Путем присваивания значений данных промежуточным показателям сопротивления, PCM можно использовать для хранения нескольких состояний (MLC).
Схематичное сечение ячейки памяти с фазовым переходом
Память с записью посредством спинового переноса (STT-RAM)
STT-RAM состоит из двух ферромагнитных постоянно намагниченных слоев, разделенных диэлектриком, выступающим в качестве изолятора, способного передавать напряжение при отсутствии проводимости. В такой памяти биты данных хранятся на основе разницы магнитной направленности.
Один магнитный слой, называемый эталонным, имеет фиксированную направленность, в то время как направленность другого, называемого свободным, управляется подачей тока. Для записи 1 направленность намагничивания слоев устанавливается одинаковой, а для 0 противоположной.
Резистивная память (ReRAM)
Ячейка ReRAM состоит из двух электродов, разделенных метал-оксидным слоем. Эта структура чем-то напоминает разработанную Масуока структуру флэш-памяти, в которой электроны проходят через оксидный слой и фиксируются у плавающего затвора либо наоборот. Однако в ReRAM состояние ячейки определяется на основе концентрации в метал-оксидном слое кислородных вакансий.
Несмотря на многообещающий характер этих технологий, у них есть и недостатки. Например, для PCM и STT-RAM характерны высокие задержки записи, которые для PCM в десять раз превышают задержки DRAM, а для STT-RAM в десять раз дольше задержек SRAM. При этом PCM и ReRAM имеют ограничение на продолжительность записи до возникновения фатальной ошибки, подразумевающей застревание ячейки памяти на конкретном значении42.
В августе 2015 года компания Intel выпустила накопители под маркой Optane, разработанные на базе 3D XPoint (произносится как 3D cross-point), скорость которых по заявлению компании в 1000 раз превышает скорость NAND SSD. Стоят же они они примерно в пять раз дороже. Выпуск Optane подтверждает, что storage class memory – это не просто экспериментальная разработка, и можно с интересом понаблюдать за развитием этих технологий.
Жесткие диски (HDD)
Гелиевые жесткие диски (HHDD)
HHDD – это винчестеры большого объема, которые в процессе производства заполняются гелием и герметично запаковываются. Аналогично другим рассмотренным нами ранее HDD, по принципу действия они напоминают проигрыватель с вращающейся пластиной, покрытой магнитным материалом. При этом в обычных HDD внутри содержится воздух, который при вращении пластин оказывает им некоторое сопротивление.
Здесь будет кстати вспомнить накачанные гелием шары, которые взлетают в небо. Это происходит, потому что данный газ намного легче воздуха и, фактически, обладает 1/7 от его плотности, что в случае с винчестером позволяет уменьшить сопротивление вращению пластин, а следовательно, и количество затрачиваемой на это вращение энергии. Тем не менее это не главная особенность применения гелия. Основное его преимущество в том, что он позволяет разместить в тот же форм-фактор корпуса 7 пластин вместо привычных 5, устанавливаемых в стандартных HDD. Если же попробовать эти 7 пластин установить в обычный винчестер, то при их быстром вращении возникнет турбулентность, что согласуется с приведенной ранее аналогией самолета, взлетающего за счет подъема воздухом. Гелий же вызывает меньшее сопротивление при вращении, и эффект турбулентности в этом случае отсутствует.
Если еще раз обратиться к аналогии с шарами, то можно вспомнить, что по истечении нескольких дней они сдуваются, так как газ медленно испаряется. То же касалось и винчестеров. Инженерам компаний-производителей потребовалось много лет на разработку контейнера, который бы не допускал утечки гелия на протяжении всего срока службы устройства. При этом специалисты Backblaze в ходе экспериментов также выяснили, что гелиевые HDD имели более низкий показатель ошибок в год (1.03%), чем их стандартные аналоги (1.06%). Конечно же, это не столь великая разница, чтобы строить на ней серьезные выводы44.
Помимо прочего, в корпусах гелиевых устройств возможна установка дисков, использующих PMR, а также применение магнитной записи с помощью микроволн (MAMR) или с помощью нагрева (HAMR). Говоря более обобщенно, гелий позволяет применение любой магнитной технологии хранения информации. В 2014 году компания HGST совместила две передовые разработки в гелиевом HDD 10ТБ, где использовалась управляемая хостом черепичная магнитная запись (SMR). Давайте получше разберем принцип работы этого вида записи, после чего рассмотрим MAMR и HAMR.
HDD изнутри
Черепичная магнитная запись (SMR)
Мы уже разобрали принцип работы перпендикулярной магнитной записи (PMR), которая была предшественницей SMR. В противоположность PMR, при записи новых дорожек в SMR они частично накладываются друг на друга, в результате чего повышается общая плотность. Слово «черепичная» в названии указывает на аналогию с укладкой кровельного материала, который происходит «внахлест».
Технология SMR существенно усложняет процесс записи, так как запись в одну дорожку вызывает перезаписывание смежной. Этого не происходит только в случае последовательной записи данных на пустой диск. Если же выполняется запись в последовательность дорожек, уже содержащих данные, эти данные неизбежно перезаписываются. Такая схема функционирования во многом напоминает NAND.
Устройства с внутренним управлением SMR скрывают этот сложный процесс с помощью специальной регулирующей его прошивки, в результате чего получается интерфейс аналогичный другим HDD. Устройства же, где SMR управляется хостом, зависят от регулирующей этот сложный процесс операционной системы. Выпуск SMR-винчестеров, имеющих на 25% большую плотность, чем PMR, Seagate начали в 2013 году45.
Магнитная запись с помощью микроволн (MAMR)
MAMR – это технология магнитной памяти, основанная на использовании энергии микроволн. В таких устройствах пластины бомбардируются круговым микроволновым полем с частотой 20-40ГГц, которое снижает их коэрцитивность, т.е. сопротивление магнитного материала к изменению намагничивания. Как мы уже знаем, намагниченность разных областей пластины изменяется для обозначения 0 или 1, а значит, снижение сопротивления позволяет производить более плотную запись данных на диск. В основе этой технологии лежит генератор спинового момента, создающий микроволновое поле без ущерба для надежности.
В 2017 году об использовании этой технологии заявила компания Western Digital (WD)46, за которой в 2018 последовала Toshiba47. В то время как WD и Toshiba ориентированы на MAMR, Seagate делает упор на ее альтернативу – HAMR.
Магнитная запись путем нагрева (HAMR)
HAMR – это технология магнитной записи с применением нагревающего поверхность пластин лазера, позволяющая существенно увеличить объем хранимых на устройстве данных. Благодаря нагреву биты информации размещаются намного ближе друг к другу, в следствии чего повышается плотность данных и, соответственно, емкость устройства.
Реализация же данной технологии представляет ряд сложностей. Лазер мощностью 200мВт быстро нагревает крошечный участок до 400 °C непосредственно перед записью данных, не воздействуя на остальные данные диска48. При этом процесс нагрева, записи данных и охлаждения должен выполняться не дольше наносекунды. В итоге потребовалось разработать на замену лазерам прямого нагрева плазмонные нанолазеры с поверхностным нагревом, а также новые виды стеклянных пластин и терморегулируемых покрытий, выдерживающих быстрый точечный нагрев без повреждения записывающей головки или близлежащих данных49. Вопреки всей скептике технологического сообщества специалисты Seagate продемонстрировали возможность реализации этой технологии в 2013 году50, а первые винчестеры на ее основе стали выпускать в 201851.
Магнитная запись путем нагрева
Конец ленты. Перемотка
Мы начали наш путь с 1951 года и завершаем его, заглянув краем глаза в будущее технологий хранения информации. В течение рассмотренного периода эти технологии очень сильно изменялись. Все началось с перфокарт, после которых были металлические и магнтиные пленки, «веревочная память», вращающиеся и оптические диски, флэш-накопители и другие виды устройств. В ходе этого прогресса разрабатывались все более быстрые, компактные и производительные системы хранения данных.
К сравнению, скорость считывания NVMe на 486,111% превосходит аналогичный параметр металлической пленки UNISERVO 1951 года. Если же мы сравним NVMe с моими любимыми Zip-дисками из детства, то превосходство в скорости составит 213,623%.
Что не меняется, так это 0 и 1, для сохранения которых разрабатываются все новые и новые средства. Надеюсь, что при следующей записи другу CD-RW с музыкой или при сохранении домашнего видео на Optical Disc Archive52 вы сможете представить себе, как неотражающие выступы переводятся в 0, а отражающие площадки в 1. Если же вы возьметесь записать что-то на старую-добрую кассету, помните, что она тесно связана с Datasette, использованной когда-то в Commodore PET.
Автор: Дмитрий Брайт
