Історія магнітних дисків

Історія магнітних дисків

У 2006 році пристрої зберігання даних на магнітних дисках відзначать піввіковий ювілей.

Ідея зберігання великих обсягів даних на зовнішніх магнітних носіях виникла практично одночасно з самими комп'ютерами. Першими з'явилися стрічки, а слідом за ними - барабани. Перевагою стрічок була практично необмежена площа носія, а недоліком - необхідність послідовного доступу. Навпаки, гідність барабанів складалося в можливості прямого доступу, зате збільшити площу їх магнітної поверхні в заданому обсязі було не можна. З «геометричній» точки зору єдиною альтернативою цим типам носіїв виявилися накопичувачі, в яких магнітна поверхня розташовується на стеку обертових дисків, в просторіччі - «млинців». По-перше, їх площа можна збільшувати за рахунок кількості «млинців», а по-друге, можна безпосередньо отримати доступ до записаних даних. Магнітні диски вперше були реалізовані на початку 50-х років у дослідницькій лабораторії корпорації IBM, розташованої в Сан-Хосе (Каліфорнія).

З тих пір пройшло більше півстоліття, але чогось іншого, здатного замінити диски, поки не придумано. По всій Землі обертається понад 2 млрд шпинделів, на яких записані петабайт даних, і так буде, по всій видимості, ще багато років. При цьому «прихильність» процесорів, що містять сотні мільйонів транзисторів на одному кристалі, до досить примітивного на перший погляд механічному пристрою виглядає досить дивною. Не випадково протягом довгої історії дисків їм (як, наприклад, і мейнфреймів), неодноразово передбачали неминучу кончину. Однак і ті й інші з завидною регулярністю реінкарініровалісь, з'являлися все нові і нові технічні рішення, які дозволяли відкласти здавалося справою вирішеною розставання на невизначений час. Сучасні диски настільки мініатюрні і досконалі, що користувачі забувають або навіть не здогадуються про їх механічній природі. Твердотільні диски, які, без сумніву, колись прийдуть на зміну традиційним механічних пристроїв, вже зараз перевершують їх за всіма показниками, але коштують на порядки дорожче і в осяжному майбутньому навряд чи зможуть з ними конкурувати.

Одна з найважливіших технічних тенденцій, що забезпечила дискам довгожительство, - зменшення їх фізичних розмірів. Мініатюризація дозволяє радикально знижувати необхідну для обертання споживану потужність, величина якої пропорційна діаметру в четвертого ступеня. Зазвичай при переході на стандарт, що має на увазі менший діаметр дисків, їх ємність спочатку зменшується, але потім, завдяки підвищенню щільності запису, різко зростає. У свою чергу, зменшення розмірів і споживаної потужності призводить до розширення сфери застосування. Колись диски могли використовуватися тільки в комп'ютерних центрах, потім - в персональних комп'ютерах, а в сучасних умовах - в мобільних пристроях. На кожній новій «хвилі» ринок зростає на порядки.

Дисковий накопичувач, як і більшість винаходів, пов'язаних з комп'ютерами, з'явився в результаті індивідуальної творчості. Творець цього незамінного пристрою Рейнолд Джонсон (1906-1998) - невтомний винахідник-універсал і володар безлічі патентів - майже все своє довге життя пропрацював в IBM. Навіть пішовши у відставку, Джонсон продовжував творити і на додаток до слави винахідника дисків отримав широку популярність як автор іграшок.

Винахідницька кар'єра Джонсона почалася зі створення електронного пристрою для зчитування бланків в 30-і роки XX століття, коли він працював шкільним вчителем. Запропонований ним прилад виявився настільки ефективним, що компанія IBM запросила його до себе на роботу. Використана в цьому приладі технологія (в подальшому вона була названа електрографом) дозволяла переводити мітки, нанесені спеціальним олівцем, з паперового бланка на єдиний існуючий в ту пору машинний носій - перфокарти. Потім Джонсон зробив безліч інших винаходів, в тому числі створив касетні магнітні стрічки, але, зрозуміло, головне його досягнення - перший в історії комп'ютерних систем дисковий накопичувач. За свої винаходи Джонсон був нагороджений в 1986 році Національної технологічної медаллю.

У 1953 році Джонсон був призначений на посаду керівника дослідницької лабораторії IBM, розташованої в Сан-Хосе, і в подальшому вона стала для корпорації основним центром розробки технологій магнітних дисків. Географічна віддаленість лабораторії від штаб-квартири забезпечувала відносну свободу дій і дозволяла вести несанкціоновану розробку приладу, що отримав назву RAMAC (Random-Access Method of Accounting and Control - «довільний метод доступу і управління»). Самодіяльність Джонсона не відразу була оцінена по достоїнству, і за результатами інспекційної поїздки вище керівництво спочатку висловило недовіру до проекту, вважаючи його занадто витратним. Але Джонсон виявив завзятість і в лютому 1954 роки зумів вперше переписати дані з перфокарт на диск.

У листопаді того ж року розробка RAMAC отримала офіційне визнання, а в 1956 році був випущений серійний дисковий накопичувач IBM 350 - перший пристрій з рухомою головкою для читання і запису. Цей диск став частиною системи IBM 305, до складу якої входили також зчитувач з карт і принтер. RAMAC важив більше тонни і був здатний зберігати 5 млн символів в 7-бітової кодуванні на 50 (!) «Млинцях» діаметром 24 дюйми, покритих фарбою з окисом заліза. До речі, точно така ж фарба і понині використовується для фарбування моста Golden Gate в Сан-Франциско.

При проектуванні першого магнітного диска інженери зіткнулися з цілим комплексом проблем, який супроводжував ці пристрої протягом усіх наступних років: необхідність підвищення щільності запису і швидкості обертання, зменшення товщини магнітного покриття і відстані від головки до поверхні. У RAMAC була застосована головка, яка не стикається з диском, а знаходиться на повітряній подушці. Ця ідея з невеликими змінами залишається основоположною і понині. У перших конструкціях головка підтримувалася на потрібній відстані від диска за допомогою повітряного струменя. Незабаром з'явилися «літаючі» головки, чий «політ» забезпечувався за рахунок ефекту Бернуллі, і потім такий конструктивний принцип не змінювався. Іноді вважають, що сучасні диски працюють в вакуумі, але головка може «літати» тільки в повітряному середовищі. Одна з проблем полягає в необхідності забезпечення «аварійної посадки» в разі відключення живлення; вона вирішується завдяки інерційності обертових «млинців».

Справедливості заради відзначимо, що робота Джонсона була унікальною. До ідеї створення дискових накопичувачів майже одночасно підійшли кілька компаній, але найближче до нього - провідна комп'ютерна компанія 50-х, Univac, в якій працювали винахідники комп'ютера ENIAC Преспер Еккерт і Джон Мочлі. Однак з міркувань внутрішньої політики в Univac перевага була віддана магнітним барабанів - направленню, в кінцевому рахунку, який опинився тупиковим.

Деякі конструкції дисків початку 60-х років воістину вражаючі. До числа унікальних відноситься пристрій компанії Bryant Computer, яка мала найбільший в історії дисків діаметр (майже 1 метр) і ємність до 90 Мбайт. Але єдиним серйозним конкурентом IBM по частині дисків була компанія Telex, яка на початку 60-х років змогла випустити власні пристрої, що поставлялися в якості додаткового обладнання до комп'ютерів IBM. Це, мабуть, перший відомий прецедент комплектування комп'ютерів системами зберігання незалежних виробників. У наступні роки кількість компаній, що виробляють диски, помітно збільшилася, причому багато хто з них були створені вихідцями з IBM. Одним з найбільш яскравих представників нового покоління став легендарний Алан Шугарт, який після цілого ряду метаморфоз утворив компанію Seagate Technology.

Наступним кроком було створення накопичувачів зі змінними пакетами діаметром 14 дюймів. Ці практичні пристрої дозволяли багаторазово збільшувати обсяг збережених на дисках даних без істотних витрат. Через їх габаритів і зовнішньої схожості ці дисководи називали «пральними машинами». З таких конструкцій почалося серійне тиражування дисків, якими комплектувалися до середини 80-х років міні-ЕОМ і мейнфрейми.

Але найрадикальнішим винаходом, що змінив дискову індустрію, стали диски-вінчестери. Перший накопичувач такого типу, IBM 3340, що зберігав 30 Мбайт на змінному пакеті і ще 30 Мбайт - на фіксованому. З 1973 року вінчестерами стали називати нерозбірні диски, розташовані разом з головками в замкнутому просторі. (Стверджується, що така назва була дана по імені гвинтівки «Вінчестер 30-30", якою володів менеджер проекту; а може, справа полягала в тому, що одна з дослідницьких лабораторій IBM розташована в англійському місті Вінчестер.) Випускалися в 80-і роки вінчестери мали ємність, яка вимірюється сотнями мегабайт, і були досить громіздкими - вони важили десятки кілограм.

Подальша еволюція дисків була пов'язана з входять до їх складу компонентами. При цьому доводилося вирішувати безліч конструктивних, аеродинамічних і матеріалознавчих задач, а також проблем, пов'язаних з управлінням в процесі переміщення головок. Управління сервоприводами і точне динамічне позиціонування головок щодо доріжок становлять одне з найбільш цікавих напрямків у сучасній теорії автоматичного регулювання. Загальний тренд у розвитку дисків визначається тим, що якість поверхні диска, що допускається матеріалом щільність запису, висота «польоту» головки та інші характеристики взаємозалежні. Ця залежність визначається перш за все законами фізики: напруженість магнітного поля падає пропорційно кубу відстані між головкою і носієм. До того ж чим менше діаметр диска, тим менше лінійна швидкість на периметрі і викликається обертанням турбулентність. Зменшення розмірів диска, безпосередньо що приводить до збільшення його ємності, обмежується тільки наявними технологіями.

Першим серйозним кроком у цьому напрямку було створення в 1979 році 8-дюймового дисковода IBM Piccolo (IBM 3350). Спочатку такі дисководи поступалися по ємності більш поширеним на той момент 14-дюймовим дисководів, але згодом перевершили їх. У 1980 році компанія Seagate Technology створила диски розміром 5,25 дюйма, в 1983 році Rodime запустила в продаж 3,5-дюймові диски, а в 1988-му PrairieTek зменшила розмір дисків до 2,5 дюймів. В даний час мініатюризація дисків, подолавши бар'єр в 1 дюйм (IBM Microdrive), досягла показника 0,85 дюйма. Комп'ютери IBM PC і їх численні клони комплектувалися 5-дюймовими дисками ємністю 10 Мбайт, з яких і почалося виробництво дисків мільйонними тиражами.

Одночасно зі зменшенням діаметру удосконалювалися матеріали, використовувані для створення магнітної поверхні і самих дисків, що обертаються, а електричний привід змістився всередину шпинделя. Найбільш помітним було підвищення швидкості обертання. Перший диск RAMAC обертався зі швидкістю 1200 обертів на хвилину, 14-дюймові - зі швидкістю 5400 обертів на хвилину, а швидкість обертання дисків діаметром 5,25, 3,5 і 2,5 дюймів зросла з 7200 до 10 тис. І навіть до 15 тис. оборотів. Але, мабуть, найяскравішим показником прогресу дискових технологій є зниження питомої вартості зберігання. У 60-ті роки вона перевищувала 2 тис. Дол. За мегабайт, а зараз за той же обсяг потрібно заплатити десяті частки цента.

Сучасні диски підключаються по одному з наступних типів інтерфейсів: ATA (IDE, EIDE), SCSI, FireWire / IEEE 1394, USB і Fibre Channel. Їх збирають в дискові масиви, але це вже інша історія. В кінці 2002 року був запропонований послідовний інтерфейс Serial ATA, що дозволив створювати недорогі масиви великої місткості, що відкриває нові можливості для оперативного зберігання даних.

Як вимірювати ємність дисків

Швидке зростання ємності дисків оголив на перший погляд несподівану проблему, а саме - недостатню визначеність одиниць виміру цієї ємності.Кілька років тому в Сполучених Штатах відбулися судові процеси в зв'язку з обвинуваченням виробників комп'ютерів в тому, що заявлені ними ємності дисків не відповідають тому, що показує операційна система. Скажімо, в специфікації комп'ютера зазначено, що в ньому встановлений диск 120 Гбайт, а система показує лише 115. Багато з нас намагалися зрозуміти, чому на 30-гігабайтний диску можна записати тільки 28 Гбайт даних, для чого співвідносили значення ступеня двійки зі ступенем десятки. А виною всьому - неузгодженість термінів, використання упереміж десяткових (кіло, мега) префіксів і довічних значень, підступна близькість горезвісних значень 1024 і 1 000, що спонукає прирівняти їх, щоб при подальших розрахунках ототожнювати 103 і 210.

До чого це призводить, стане ясно, якщо в якості прикладу розглянути таку одиницю виміру, як мегабайт. Виявляється, її можна трактувати трьома різними способами.

1. Міжнародна електротехнічна комісія (International Electrotechnical Commission, IEC), яка дотримується системи СІ, вважає, що 1 Мбайт дорівнює 1 млн. Байт (106). У такому трактуванні цю одиницю виміру використовують деякі виробники жорстких дисків і DVD.

2. Пам'ять комп'ютерів теж вимірюється мегабайтами, але за визначенням, є «чисто двійковій», тому в цьому випадку 1 Мбайт дорівнює 1048576 байт (220).

3. Виробники гнучких дисків породили проміжний підхід. Вони зберегли двійковий кілобайт, тому у них 1 Мбайт дорівнює 1 тис. Кбайт, тобто 1024000 байт (1024 x 1000). Звідси випливає, що дискета ємністю 1,44 Мбайт на ділі може зберігати 1474560 байт.

З очевидних арифметичних причин розбіжність між двійковими значеннями і десятковими буде тим більше, чим більше абсолютна величина. Між десяткової тисячею байт і кілобайт (1024 байт) - різниця всього 2,4%; проте між йоттабайт (280) і зазвичай яка ставить йому у відповідність числом 1024 відмінність складає вже 20,8%. На гигабайтном рівні відмінність менше, але і його виявилося достатньо для того, щоб організації, що захищають права споживачів, порушили судові процеси проти виробників дисків. Мали місце спроби довести, що вони вводять в оману покупців, завищуючи справжні обсяги дисків, але це зовсім не так. Використання десяткових одиниць вимірювання в накопичувачах є інженерної традицією, яка почалася ще з часів перфострічок, а двійкова інтерпретація дискового простору пов'язана з особливостями операційної системи.

Для подолання суперечності в 1999 році IEC розробила новий стандарт IEC 60027-2, в якому пропонується замінити десяткові префікси двійковими, що відрізняються двома буквами bi (від binary), і повністю відмовитися від використання підстави 10 на користь підстави 2. За минулі з тих пір роки спостерігалося певне зростання популярності нової системи вимірювань, і в 2005 році її прийняли американський інститут IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) і Міжнародний комітет мір і ваг (Comite International des Poids et Mesures, CIPM).

Аналогічні зміни запропоновані і для одиниць виміру, що визначають швидкість передачі даних. Як зараз прийнято, одиниця виміру частоти герц взята з системи СІ, отже, передані дані вважаються в десятковій системі і швидкість передачі, скажімо, 128 Кбіт / с означає передачу 128 тис. Десяткових бітів в секунду, що дорівнює 15,625 Ki в секунду, а, наприклад, швидкість передачі 1 Мбіт / с 122 Ki в секунду.

Важливі дати з історії магнітних дисків

· 1956 рік - перший дисковий накопичувач RAMAC 350 (5 Мбайт, 24 диска)

· 1961 - накопичувач з розподілом на сектори Bryant Computer 4240 (90 Мбайт, 24 диска діаметром 39 дюймів, тобто 99 см)

· 1963 рік - накопичувач зі змінними 14-дюймовими пакетами IBM 1311 (2,69 Мбайт, 6 дисків)

· 1971 рік - накопичувач зі стежить сервомеханізмом IBM 3330-1 Merlin (100 Мбайт, 11 дисків)

· 1971 рік - гнучкий диск IBM 23FD (0,816 Мбайт, 1 диск діаметром 8 дюймів)

· 1973 рік - накопичувач типу «Вінчестер» IBM 3340

· 1976 року - гнучкий диск діаметром 5, 25 дюйма Shugart Associates SA400

· 1980 рік - жорсткий диск діаметром 5,25 дюйма Seagate Technology ST506 (5 Мбайт)

· 1985 рік - диск на мапі Quantum Hardcard (10,5 Мбайт, 3,5 дюйма)