10 лет назад 29 марта 2011 в 0:01 1057

Сегодня мы вспомним об устройствах, которые уже 55 лет позволяют накапливать данные. Учитывая, что объемы хранимой человечеством информации увеличиваются каждый день, винчестеры рано отправлять на пенсию. К огда в сентябре 1956 года компания IBM анонсировала свой первый дисковый накопитель, мало кто мог представить, какое влияние подобные устройства окажут в дальнейшем на нашу повседневную жизнь.

Первая система хранения информации на магнитных дисках называлась 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Это был шкаф размером с пару холодильников, который весил целую тонну. При этом он считался портативным, потому что мог быть легко доставлен в нужное место, самолетом например. 5 Мбайт информации размещались на пятидесяти (!) дисках диаметром 24″ (61 см) каждый. Скорость их вращения составляла 1200 об/мин, скорость передачи данных – 8800 байт в секунду. Вы могли получить такое устройство в лизинг «всего» за $3200 в месяц, и это была очень внушительная сумма. Но данный «гаджет» заменял 64 000 перфокарт IBM и кардинально упрощал доступ к информации.

Разработку 305 RAMAC вела группа инженеров из подразделения IBM в Сан-Хосе под руководством Рея Джонсона (Rey Jonson). Двенадцать человек из их числа позже основали многим известную сегодня компанию Memorex. Еще несколько человек во главе с Элом Шугартом (Al Shugart), покинув IBM, создали одного из сегодняшних лидеров в области производства жестких дисков – компанию Seagate. Концепция, заложенная в основу 305 RAMAC, используется и в сегодняшних накопителях. Как и 55 лет назад, нынешний жесткий диск – это система вращающихся пластин с магнитным покрытием, а также каскад головок чтения / записи.

Первые НЖМД имели всего один считыватель, который перемещался между дисками с помощью механической системы под управлением шаговых двигателей и электромагнитов. По мере развития технологий стало понятно, что увеличить скорость доступа к информации можно, оснащая каждый диск отдельной головкой чтения / записи и, по возможности, задействуя обе стороны диска.
И вот в 1961 году выходит IBM 1301. В сравнении с 305 RAMAC прогресс налицо. Скорость вращения дисков здесь составляет уже 1800 об/мин, плотность записи возросла в 13 раз и достигла 520 бит на дюйм. Общий объем хранимой информации составил 28 Мбайт!

Впервые в истории в IBM 1301 головки чтения / записи были установлены на каждую поверхность каждого диска системы. Отсутствие вертикального перемещения головок упростило конструкцию и сделало возможным увеличение скорости передачи данных. Этот «винчестер» можно было взять в аренду уже за $2100, а купить за $115 500. Любопытный факт: инженерный образец IBM 1301 появился в Советском Союзе более чем на год раньше, чем начались поставки клиентам в США. В следующем, 1962 году IBM выпускает модель 1311. Она интересна прежде всего концепцией сменных носителей. Конструктивно это, конечно же, накопитель на жестких дисках, однако именно эта модель, вероятно, послужила прототипом для последующих поколений переносных хранилищ (FDD, CD, DVD, Blu-ray).

Сменным накопителем была кассета весом в 4,5 кг, содержащая шесть 14-дюймовых дисков. Таким образом, в распоряжении юзера было 10 поверхностей для записи (внешние поверхности не использовались), что давало суммарную емкость в 2 Мбайт. Плотность записи по сравнению с моделью 1301 была удвоена (1025 бит на дюйм) за счет сокращения расстояния между головкой и диском до 125 микродюймов. Скорость вращения дисков составила 1500 об/мин. Среднее время доступа к сектору – 250 мс. Каждая рабочая поверхность содержала 100 треков, на каждый из которых приходилось по 20 секторов. В секторе помещалось 100 байт информации.

Емкость кассеты была эквивалентна емкости 25 000 перфокарт, или 1/5 части катушки на магнитной ленте. Благодаря низкой стоимости аренды и удобству применения накопитель IBM 1311 стал очень популярным изделием и в разных модификациях просуществовал до 1975 года. В течение следующих лет компания IBM выпустила на рынок несколько моделей своих накопителей, среди которых 2302, 2305, 2311, однако настоящим прорывом в области построения систем хранения данных стал выход в 1973 году IBM 3340, названной Winchester. Это хранилище было построено для комплектации компьютера IBM System/370, и базировалось оно на нескольких технологических решениях, которые стали стандартом для индустрии и дожили в разных вариациях до сегодняшнего дня. Считается, что именно модель 3340 является прямым предком современных накопителей на жестких дисках.

Прежде всего, «Винчестер» получил легкие головки чтения / записи, которые парили над вращающимся диском под действием аэродинамических сил. Это позволило значительно уменьшить воздушный зазор между диском и головкой, и именно благодаря этому удалось достичь плотности записи на уровне фантастических в то время 1,7 мегабит на квадратный дюйм. Таким образом, общая емкость устройства доросла до 30 Мбайт. Еще одним стандартом стала упаковка головки и пластин в компактную гермокамеру. Это исключило внешние воздействия на механизм, и именно данный принцип позволил уменьшать расстояние между головкой чтения / записи и пластиной, тем самым все более увеличивая плотность записи на диск. Время доступа к сектору в IBM 3340 было сокращено до 25 мс, что в 10 раз меньше, чем у модели 1311. Скорость передачи данных составляла 885 Кбайт/с.

Параллельно выпуску новых моделей накопителей в IBM с конца 1960-х годов проводятся исследования тонкопленочной технологии изготовления магнитных головок. Эти работы проходят в исследовательском центре города Йорктаун-Хайтс (штат Нью-Йорк) и приводят к появлению в 1979 году модели 3370 – системы из семи 14-дюймовых дисков суммарным объемом 571,3 Мбайт. IBM 3370 предназначался для компьютеров серии System/38. К каждой такой машине можно было подключать до четырех винчестеров, что давало 2,28 Гбайт емкости хранения.

Благодаря тонкопленочной технологии удалось увеличить плотность записи до 7,53 Мбит на дюйм. При этом среднее время поиска составило 20 мс, а скорость передачи данных – 1,86 Мбайт/с. Стоит отметить, что стоимость этого устройства по сравнению с предыдущими решениями для хранения данных от IBM значительно снизилась. Объем современного однослойного DVD можно было получить в аренду за $900 в месяц или купить за $35 100. Магнитные накопители на основе тонкопленочных головок чтения / записи производились до 1991 года, когда им на смену пришли магниторезистивные головки.

Начало 80-х годов запомнилось расцветом микрокомпьютеров (персональных ЭВМ), что привело к увеличению интереса к жестким дискам для них. И здесь IBM постепенно теряет пальму первенства, уступая место законодателя мод многочисленным конкурентам. Стоит сказать, что подобная история характерна практически для всех направлений деятельности компании. IBM разрабатывает уникальную технологию, создает рынок и некоторое время является единственным игроком или недостижимым эталоном на нем.

Однако спустя определенный период, когда рынок становится глобальным, появляются соперники (часто из числа сотрудников самой IBM) и постепенно обыгрывают Голубого гиганта на его же поле. Пожалуй, в таком положении дел можно было бы усмотреть промах менеджмента IBM. Однако тот факт, что история повторяется с каждой новой разработкой и каждой новой технологией, дает основания предполагать, что такова стратегия легендарной фирмы. Она находит нишу, создает уникальное предложение и некоторое время продает его, имея сверхприбыль. Когда маржа снижается – отыскивается следующая ниша.

Так или иначе, но в 1980-м, после почти 25-летнего снятия пенок с рынка устройств хранения данных, вовсе не IBM создала первый массовый жесткий диск для микрокомпьютера. Это сделала Seagate, основанная двумя годами ранее экс-сотрудниками IBM. Модель ее жесткого диска называлась ST506. Это был накопитель с двумя пластинами размером 5,25″, скоростью вращения шпинделя 3600 об/мин и объемом 5 Мбайт. Конечно, данный объем не шел ни в какое сравнение с емкостью промышленных накопителей (так, IBM в том же году начала продавать модель емкостью в 1 Гбайт), однако ST506 имел несомненное преимущество – возможность установки внутрь персонального компьютера. Вскоре Seagate выпускает ST-412, емкость которого составляет уже 10 Мбайт. Именно такие винчестеры стали поселились впервые в IBM PC/XT.

После того как в 1984 году компания Western Digital выпустила контроллер жесткого диска для ST506/412, ряд других фирм начинают производство хардов на основе наработок, примененных в НЖМД ST-506/412. Годом позже совместными усилиями WD и Compaq на свет появляется интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), который на долгое время становится стандартом подключения жестких винчестеров от любых производителей.

Тем временем тенденция миниатюризации жестких дисков продолжается, и в 1983 году небольшая шотландская компания Rodime представляет девайс форм-фактора 3,5″. Он имеет две пластины и емкость 10 Мбайт. Практически сразу же после выхода этого диска Rodime запатентовала данный форм-фактор как свое изобретение. Патент был выдан без каких-либо препятствий, и в тот момент никто из влиятельных игроков рынка не придал этому факту особого значения. Дело в том, что большинство покупателей не спешили апгрейдить свои дисковые устройства, и винчестеры типоразмера 5,25″ производились в итоге до 1998 года.

Начиная с 1985 года, когда еще один из малоизвестных производителей, компания Imprimis Technology, интегрировал контроллер жесткого диска непосредственно в диск (до этого момента контроллер продавался как отдельная плата), винчестеры одного форм-фактора можно отличить в основном по этикетке. В следующие годы между производителями жестких дисков начинается «гонка вооружений»: каждый квартал анонсируются винты, являющиеся «быстрее, выше, сильнее» предыдущих. К 1991 году преодолевается отметка в 100 Мбайт (форм-фактор 3,5″). Тогда же IBM являет миру первый жесткий диск типоразмера 2,5″. Устройство под именем Tamba-1 имело емкость в 63 Мбайт и весило чуть более 200 г. Подобные накопители до сих пор успешно трудятся в большинстве портативных компьютеров, а серия девайсов Hitachi Travelstar ведет свою родословную как раз от «Тамбы».

Вслед за ростом объема винчестеров и уменьшением диаметра пластин повышается скорость вращения шпинделя как необходимое условие увеличения скорости передачи данных. В конце 1980-х годов типовая скорость вращения жестких дисков равнялась 3600 об/мин. В начале 90-х были выпущены диски со скоростью 5400 об/мин. Появление же HDD емкостью 2,1 Гбайт со скоростью вращения 7200 rpm в 1992 году установило новый стандарт в этой области, который вот уже 19 лет претерпевает лишь незначительные изменения.

Это не значит, однако, что не существует жестких дисков со скоростью вращения большей, чем 7200 об/мин, просто они дороги из-за значительно более тонкой механики и необходимости применения подшипников высочайшего качества. Еще в 1996 году Seagate Cheetah вращался со скоростью 10 000 об/мин. К концу 90-х годов прошлого века многие производители имели винчестеры, работающие на такой скорости. С одной стороны, подобные винты обладали значительным преимуществом перед своими более медленными собратьями по скорости доступа к информации. С другой – уменьшалось среднее время наработки на отказ, т. е. страдала надежность хардов.

Гонка скоростей вращения винчестеров прекратилась в 2000 году, когда все те же Seagate и IBM установили планку в 15 000 оборотов. Из «бытовых» скоростных дисков выпускается только WD Velocity Raptor со скоростью 10 000 об/мин, а чаще всего винчестеры со скоростью более 7200 rpm устанавливаются в enterprise-решения (серверы, мейнфреймы и т. п.) и стоят гораздо дороже тех, что предназначены для десктопов. Последние два десятилетия в истории жестких дисков характеризуются экспоненциальным ростом емкости. При этом до начала 2000-х годов драйвером столь быстрого увеличения объемов HDD были различные технологии изготовления головок чтения / записи. Если применение тонкопленочных головок дало возможность преодолеть барьер в 100 Мбайт емкости стандартного 3,5-дюймового HDD, то магниторезистивные (MR, Magneto-Resistive) дали суммарный объем в 2 Гбайт к 1995 году. Таким образом, за четыре года объем жестких дисков вырос в 20 раз.

В 1997 году настоящим технологическим прорывом стало появление хардов с головками, изготовленными по технологии гигантского магниторезистивного эффекта (GMR Heads). Ее предложила IBM и первой же применила разработку в своих винчестерах «настольной» серии Deskstar. Благодаря разработкам данной компании в течение следующих нескольких лет плотность записи на квадратный дюйм в жестких дисках удваивалась ежегодно. В результате емкость хардов к началу 2000-х достигла 100 Гбайт – рост за четыре года составил уже 5000%. К 2003 году резервы роста, полученные за счет технологии GMR Heads, были исчерпаны. В это время свет увидели накопители с новым типом магнитного покрытия – с антиферромагнитной связью. Параметры магнитных головок остаются прежними.

В течение нескольких лет «застоя» активно плодятся внешние винчестеры форм-фактора 2,5″, которые заменяют USB Flash Drive. А также внешние 3,5-дюймовые диски, предназначенные для хранения большого объема данных. Они умеют работать по сети, самостоятельно резервировать информацию и даже скачивать из сети файлы. В 2006 году бывшее подразделение жестких дисков IBM, называемое теперь Hitachi GST, продемонстрировало винчестеры с технологией PMR.

Она основана на ином принципе магнитной записи, чем на хардах, выпущенных до этого времени (начиная с первых образцов середины 50-х годов). Речь идет о том, что в новых винчестерах магнитные домены ориентированы перпендикулярно магнитной пленке на поверхности пластины, а не параллельно ей. Это позволяет преодолеть т. н. суперпарамагнитный эффект, увеличить стабильность хранения информации и в конечном итоге повысить плотность записи на дюйм. В 2011 году Hitachi планирует выпустить жесткий диск форм-фактора 3,5″ объемом в 4 Тбайт. Несомненно, вслед за ней подобные устройства станут производить и другие компании. Очевидно, что уже в течение нескольких лет нам предстоит привыкнуть к тому, что емкости жестких дисков достигнут десятков терабайт.

Производство жестких дисков представляет собой постоянно усложняющийся процесс. В основе данных устройств лежат все более тонкие физические эффекты и технологии. В связи с этим на рынке остается все меньше компаний, способных продолжать столь напряженную гонку. И если в начале 80-х годов прошлого века существовало несколько десятков фирм, выпускающих жесткие диски (среди них наиболее известные – Apple, Mitsubishi, Texas Instruments, NEC, Fujitsu, Hewlett-Packard, Epson, DEC, Conner Peripherals, CDC), то на сегодняшний день их осталось всего пять. Это Seagate, Western Digital, Samsung, Toshiba и Hitachi. В 2002 году с рынка жестких дисков для настольных компьютеров и мобильных устройств ушел родоначальник этого класса девайсов – компания IBM. Она продала этот бизнес Hitachi. В 2006 году известная компания Maxtor, в свое время один из крупнейших производителей винчестеров, была куплена Seagate. Наконец, бизнес по производству HDD компании Fujitsu перешел в 2009 году к Toshiba.

Итак, несмотря на то что производителей винчестеров стало не больше, чем пальцев на одной руке, прогресс в этой области движется с удивительными скоростями. Сегодня довольно заметным молодым конкурентом жестких дисков становятся твердотельные накопители (SSD), и соперничество между двумя этими классами устройств – наиболее интересная интрига ближайшего времени. UP

Они еще повоюют!
Несмотря на надежды многих о скором тотальном распространении SSD- или RAM-накопителей, нужно быть сдержаннее в прогнозах. Давайте не будем раньше времени провожать на покой технологии записи на вращающихся магнитных дисках. Сейчас, точно так же, как в 80-х годах, когда пользователи не спешили осваивать новый непривычный 3,5-дюймовый формат НЖМД, многие не готовы к немедленному переходу на новые устройства. Посмотрите сами на факты в статье: сколько ступеней развития прошел привычный винчестер на пути к совершенству, прежде чем стать таким надежным, компактным, удобным, как сейчас.

Даже если закрыть глаза и представить, что наконец решились сами собой проблемы с заметно малым временем гарантированной наработки на отказ SSD-накопителей и отпали вопросы по всеобщей оптимизации операционных систем для уменьшения количества обращений к дисковой подсистеме, все равно цена современных чипов памяти еще слишком высока. Для того чтобы твердотельные «флэшки» хотя бы приблизились по стоимости хранения 1 Гбайт к цифрам в последней таблице, разработчикам нужно еще очень и очень долго полировать технологии.
Скорее всего, дальнейшая эволюция накопителей пойдет двумя путями. Для хранения действительно гигантских объемов информации будет использоваться традиционный жесткий диск, а для увеличения скорости работы операционной системы будет все чаще и чаще применяться SSD.

Но в одной из дисциплин НЖМД без боя проигрывает SSD – по чувствительности к механическим воздействиям. Воздушный зазор между головкой и поверхностью бешено крутящегося диска ничтожно мал, его величина сравнима с размером нескольких молекул азота. И никакие годы технологического роста эту проблему решить не смогли: HDD по-прежнему хрупок. Так что, как ни посмотри, будущее все же за SSD. А винчестер, вполне возможно, не выдерживая конкуренции, снова спрячется в громоздкий шкаф. И будет вновь применяться там, где по меркам того настоящего потребуется надежность, невысокая стоимость и внушительный объем. То есть там же, где поначалу был на ура принят IBM 305 RAMAC: на разнообразных высокоточных производствах и для нужд военных людей.

Никто не прокомментировал материал. Есть мысли?