Всеки облачен доставчик предлага услуга за съхранение на данни. Те могат да бъдат студени и топли хранилища, Ice-cold и т.н. Съхраняването на информация в облака е доста удобно. Но как въобще са съхранявали данни преди 10, 20, 50 години? Cloud4Y преведе интересна статия, разказваща точно за това.
Байт данни може да се съхранява по най-различни начини, тъй като постоянно се появяват нови, по-съвършени и бързи носители на информация. Байтът е единица за съхранение и обработка на цифрова информация, състояща се от осем бита. В един бит може да бъде записан или 0, или 1.
В случая с перфокартите, битът се съхранява като наличие/отсъствие на отвор в картата на определено място. Ако се върнем малко по-назад в историята към "Аналитичната машина на Бабидж", регистрите, съхраняващи числа, представлявали зъбни колела. При магнитните устройства за съхранение, като ленти и дискове, битът е представен от полярността на определена зона от магнитната лента. В съвременната динамична памет с произволен достъп (DRAM) битът често се представя под формата на двустепенен електрически заряд, който се съхранява в устройство, акумулиращо електрическа енергия в електрическо поле. Заредената или разредената капацитет съхранява бит данни.
През юни 1956 година измисли словото за обозначаване на група битове, използвани за кодиране на един символ . Нека поговорим малко за кодиране на символи. Ще започнем с Американския стандартен код за обмен на информация, или ASCII (ASCII (англ. American standard code for information interchange). ASCII беше основан на английската азбука, така че всяка буква, цифра и символ (a-z, A-Z, 0-9, +, -, /, ", ! и т.н.) бяха представени под формата на 7-битов цяло число от 32 до 127. Това не беше съвсем "приятелско" към другите езици. За да поддържа други езици, Юникод разшири ASCII. В Юникод, всеки символ е представен под формата на кодова точка, или символ, например, малкото j — U+006A, където U обозначава Юникод, а след това шестнадесетичното число.
UTF-8 е стандарт за представяне на символи във вид на осем бит, позволяващ съхранението на всяка кодова точка в диапазона 0-127 в един байт. Ако си припомним ASCII, това е напълно нормално за английските символи, но символите от друг език често се изразяват в два или повече байта. UTF-16 е стандарт за представяне на символи във вид на 16 бита, а UTF-32 — стандарт за представяне на символи във вид на 32 бита. В ASCII всеки символ е байт, а в Юникод, което често не е съвсем вярно, символът може да заема 1, 2, 3 или повече байта. В статията ще бъдат използвани различни размерни групировки битове. Броят на битовете в байта варира в зависимост от конструкцията на носителя.
В тази статия ще направим пътуване във времето по различни носители на информация с цел потапяне в историята на съхранението на данни. По никакъв начин няма да проучим дълбоко всеки отделен носител на информация, който някога е бил изобретен. Пред вас е забавна информационна статия, която не претендира в никакъв случай за енциклопедична значимост.
Нека започнем. Да предположим, че имаме байт данни за съхранение: буква j, или в кодирания байт 6a, или в двоичен вид 01001010. В хода на нашето пътуване във времето байт данни ще бъде използван в някои технологии за съхранение, които ще бъдат описани.
1951
Нашата история започва през 1951 година с магнитна лента UNIVAC UNISERVO за компютъра UNIVAC 1. Това беше първата магнитна лента, създадена за търговски компютър. Лентата беше изработена от тънка ивица никелирана бронза с ширина 12,65 мм (наречена Vicalloy) и дължина почти 366 метра. Нашите байтове данни можеха да се съхраняват със скорост от 7200 символа в секунда на лентата, движеща се со скорост 2,54 метра в секунда. На този етап от историята можете да измерите скоростта на алгоритъма за съхранение по разстоянието, преминато от лентата.
1952
Даунем на една година напред, към 21 май 1952 година, когато IBM обяви пускането на своя първи магнитен лентов блок, IBM 726. Сега нашият байт данни може да бъде прехвърлен от металната лента UNISERVO на магнитната лента IBM. Тази нова къща се оказа много уютна за нашия много малък байт данни, тъй като на лентата могат да се съхраняват до 2 милиона цифри. Тази магнитна 7-канална лента се движеше със скорост 1.9 метра в секунда със скорост на предаване 12 500 или 7500 (тогава наричани копирни групи) в секунда. За справка: в средна статия на Хабре около 10 000 символа.
Лентата IBM 726 имаше седем канала, от които шест бяха предназначени за съхранение на информация, а един — за контрол на паритета. На една бобина можеше да се побере до 400 метра лента с ширина 1.25 см. Скоростта на предаване на данни теоретично достигаше 12 500 символа в секунда; плътността на записа беше 40 бита на сантиметър. В тази система се използваше метод на „вакуумен канал“, при който лентата циркулираше между две точки. Това позволяваше на лентата да стартира и спира за части от секундата. Това беше постигнато чрез разполагане на дълги вакуумни колони между бобините на лентата и главите за четене/запис за поглъщане на внезапното увеличение на натягането в лентата, без което лентата обикновено би се разкъсала. Сменяемото пластмасово пръстенче в задната част на бобината на лентата осигуряваше защита от запис. На една бобина лента можеше да се съхранява около 1.1 .
Спомнете си VHS касетите. Какво трябваше да направите, за да гледате филма отново? Да превъртите лентата! А колко пъти завъртахте касетата с молив, за да не харчите ненужно батерии и да не получите скъсана или захапана лента? Същото важи и за лентите, използвани за компютри. Програмите не можеха просто да прескачат някаква част от лентата или случайно да получават достъп до данни, те можеха да четат и записват данни строго последователно.
1956
Ако се преместим няколко години напред, в 1956 година, ерата на магнитните дискове започва с приключването от компания IBM на разработката на компютърната система RAMAC 305, която компания Zellerbach Paper ще достави в . В този компютър за първи път беше използван твърд диск с подвижна глава. Дисковото хранилище RAMAC се състоеше от петдесет намагнитени метални плочи с диаметър 60,96 см, способни да съхраняват около пет милиона символа данни, 7 бита на символ, и да се въртят със скорост 1200 оборота в минута. Вместимостта на хранилището беше около 3,75 мегабайта.
RAMAC позволяваше в реално време достъп до големи обеми данни, за разлика от магнитни ленти или перфокарти. Компанията IBM рекламираше RAMAC като устройство, способно да съхранява еквивалента на 64 000 . По-рано в RAMAC беше въведена концепцията за непрекъсната обработка на транзакции по време на тяхното осъществяване, така че данните да могат да бъдат извличани веднага, докато са все още свежи. Сега достъпът до нашите данни в RAMAC можеше да се осъществява със скорост 100 000 . Преди, когато използвахме ленти, трябваше да записваме и чета последователни данни, и не можехме произволно да скачаме на различни участъци от лентата. Произволният достъп до данни в реално време беше наистина революционен за времето си.
1963
Нека се пренесем в 1963 година, когато беше представена DECtape. Името произлиза от корпорацията Digital Equipment Corporation, известна като DEC. DECtape беше евтина и надеждна, затова тя се използваше в много поколения компютри DEC. Това беше 19-милиметрова лента, заламинирана и зажата между два слоя майлар на четиридюймова (10,16 см) макара.
В контекста на тежките, големи предшественици, лентата DECtape можеше да бъде пренасяна ръчно. Това я правеше отличен вариант за персонални компютри. За разлика от 7-лентовите аналози, DECtape имаше 6 ленти данни, 2 ленти за етикети и 2 за тактови импулси. Данните се записваха със скорост 350 бита на инч (138 бита на см). Нашият байт данни, който съставлява 8 бита, но може да бъде разширен до 12, можеше да се прехвърля на DECtape със скорост 8325 12-битови думи в секунда при скорост на лентата от 93 (±12) инча в . Това е с 8% повече цифри в секунда в сравнение с металната лента UNISERVO от 1952 година.
1967
Четири години по-късно, през 1967 година, малък екип от IBM започна работа върху дисководката IBM с кодово име . След това пред екипа беше поставена задачата да разработи надежден и икономичен начин за зареждане на микрокодове в IBM System/370. Впоследствие проектът беше преназначен и преоформен за зареждане на микрокод в контролера на IBM 3330 Direct Access Storage Facility под кодовото име Merlin.
Сега нашият байт може да се съхранява на само за четене 8-инчови дискети от Mylar с магнитно покритие, познати днес като флопи дискове. При пускането на продукта той получи името IBM 23FD Floppy Disk Drive System. Дисковете можеха да съхраняват 80 килобайта данни. В противоположност на твърдите дискове, потребителят лесно можеше да пренася дискета в защитна обвивка от един диск на друг. По-късно, през 1973 г., IBM представи дискета за четене/запис, която по-късно стана индустриален .
1969
През 1969 г. на борда на космическия кораб „Аполон-11“, който транспортира американските астронавти до Луната и обратно, беше инсталиран бордови компютър AGC (Apollo Guidance Computer) с „памет от въже“ (rope memory). Тази памет от въже беше изработена ръчно и можеше да съхранява 72 килобайта данни. Производството на памет от въже беше трудоемко, бавно и изискваше умения, подобни на тъкане; вплитането на програмата в паметта от въже можеше да отнеме . Но това беше правилният инструмент за онези времена, когато беше важно да се побере максимално количество в строго ограничено пространство. Когато жицата минаваше през едно от околните звена, тя представляваше 1. Жицата, минаваща около звеното, представляваше 0. Нашият байт данни изискваше от човека да вплита жицата в продължение на няколко минути.
1977
През 1977 г. беше пуснат Commodore PET — първият (успешен) персонален компютър. В PET беше използван Commodore 1530 Datasette, което означава данни плюс касета. PET преобразуваше данните в аналогови звукови сигнали, които впоследствие се съхраняваха на Това доведе до създаването на икономично и надеждно решение за съхранение на данни, макар и много бавно. Нашият малък байт данни можеше да бъде предаван със скорост около 60-70 байта в . Касетите можеха да съхраняват около 100 килобайта на 30-минутна страна, с две страни на лента. Например, на едната страна на касетата можеше да се побере около две 55 КБ изображения. Datasette също така бяха използвани в Commodore VIC-20 и Commodore 64.
1978
През година 1978, MCA и Philips представят LaserDisc с името „Discovision“. Филмът „Челюсти“ стана първият филм, продаден на LaserDisc в САЩ. Качеството на звука и видеото на него беше значително по-добро от това на конкурентите, но лазерният диск се оказа твърде скъп за повечето потребители. На LaserDisc не можеше да се записва, за разлика от VHS касетите, на които хората записваха телевизионни програми. Лазерните дискове работеха с аналогово видео, аналогов FM стереозвук и импулсно-кодова модулация , или PCM, цифрово аудио. Дисковете имаха диаметър 12 инча (30,47 см) и се състоеха от два едностранни алуминиеви диска, покрити с пластмаса. Днес LaserDisc се помни като основата на CD и DVD.
1979
Година по-късно, през 1979, Алан Шуарт и Финис Конър основават компанията Seagate Technology с идеята да се мащабира твърдия диск до размер, равен на 5¼-инчовата дискета, която по това време беше стандарт. Първият им продукт през 1980 г. беше твърдият диск Seagate ST506 – първият твърд диск за компактни компютри. Дискът можеше да съхранява пет мегабайта данни, което по това време беше пет пъти повече от стандартната дискета. Основателите успяха да постигнат целта си – да намалят размера на диска до размера на 5¼-инчовата дискета. Новото устройство за съхранение на данни представляваше твърда метална плоча, покрита от двете страни с тънък слой магнитен материал за съхранение на данни. Нашите байтове данни можеха да се предават на диска със скорост от 625 килобайта в . Това е приблизително .
1981
Да се пренесем няколко години напред, през 1981 г., когато Sony представи първите 3,5-инчови дискети. Компанията Hewlett-Packard стана първият поддръжник на тази технология през 1982 г. с HP-150. Това прослави 3,5-инчовите дискети и доведе до тяхното широкоразпространение в . Дискетите бяха едностранни с форматирана вместимост от 161,2 килобайта и неформатирана вместимост от 218,8 килобайта. През 1982 г. беше пусната двустранна версия, а консорциумът Microfloppy Industry Committee (MIC), състоящ се от 23 медийни компании, основа спецификацията за 3,5-инчовата дискета на оригиналния дизайн на Sony, затвърдявайки формата в историята такъв, какъвто го познаваме. . Сега нашите байтове данни могат да се съхраняват на ранна версия на един от най-разпространените носители: 3,5-инчовата дискета. По-късно двойка 3,5-инчови дискети с станах най-важната част от детството ми.
1984
Скоро след това, през 1984 година, беше обявено за издаването на компактен диск с данни, достъпни само за четене (на английски: Compact Disc Read-Only Memory, CD-ROM). Това бяха CD-ROM с капацитет от 550 мегабайта, произведени от компании Sony и Philips. Форматът произлезе от компактдисковете с цифрово аудио, или CD-DA, които се използваха за разпространение на музика. CD-DA беше разработен от Sony и Philips през 1982 година, а капацитетът му възлизаше на 74 минути. Според легендата, когато Sony и Philips водят преговори за стандарта CD-DA, един от четиримата души настоявал той да може цялата "Девета симфония". Първият продукт, издаден на компактен диск, беше "Електронна енциклопедия Гролие", излязла през 1985 година. Енциклопедията съдържаше девет милиона думи, което зае само 12% от наличното дисково пространство, а именно 553 . Щеше да ни е повече от достатъчно място за енциклопедията и един байт данни. Скоро след това, през 1985 година, компютърните компании работиха заедно по създаването на стандарт за дискове, така че всеки компютър да може да чете информация от тях.
1984
Също през 1984 година Фуджио Мацуока (Fujio Masuoka) разработи нов тип памет с плаващ затвор, наречен флаш памет, която можеше да бъде изтривана и презаписвана многократно.
Нека се спрем малко на флаш паметта, използваща транзистор с плаващ затвор. Транзисторите са електрически затвори, които могат да се включват и изключват поотделно. Понеже всеки транзистор може да бъде в две различни състояния (включен и изключен), той може да съхранява две различни числа: 0 и 1. Плаващият затвор се отнася до втория затвор, добавен към средния транзистор. Този втори затвор е изолиран с тънък оксиден слой. Тези транзистори използват малко напрежение, приложено към затвора на транзистора, за да обозначат дали е включен или изключен, което от своя страна се превежда в 0 или 1.
С плаващи затвори, когато през оксидния слой се подава съответно напрежение, електроните преминават през него и остават на затворите. Затова дори при изключено захранване електроните остават върху тях. Когато на плаващите затвори няма електрони, те представляват 1, а когато електроните са задържани — 0. Обратният процес и приложението на подходящо напрежение през оксидния слой в обратна посока заставят електроните да преминат през плаващите затвори и възстановяват транзистора обратно в първоначалното му състояние. Затова клетките са направени програмируеми и . Нашият байт може да бъде програмиран в транзистора, като 01001010, с електрони, задържани в плаващите затвори, за да представляват нули.
Конструкцията на Масуока беше малко по-достъпна, но по-малко гъвкава от електрически изтриваемия PROM (EEPROM), тъй като изискваше няколко групи клетки, които трябваше да бъдат изтривани заедно, но това също беше обяснено с неговата скорост.
По това време Масуока работеше в Toshiba. В крайна сметка той напусна, за да работи в Университета Тохоку, тъй като не беше доволен от факта, че компанията не го възнаградила за работата му. Масуока заведе дело срещу Toshiba, искайки обезщетение. През 2006 година той получи 87 милиона юана, което е еквивалентно на 758 хиляди долара. Все още изглежда незначително, като се има предвид колко влиятелна се оказа флаш паметта в индустрията.
Като говорим за флаш памет, също си струва да се отбележи разликата между NOR и NAND флаш памет. Както вече знаем от Масуока, флаш паметта съхранява информация в клетки с памет, състоящи се от транзистори с плаващи затвори. Имената на технологиите са пряко свързани с начина, по който са организирани клетките с памет.
В NOR флаш паметта отделните клетки с памет са свързани паралелно, осигурявайки произволен достъп. Тази архитектура позволява да се съкрати времето за четене, необходимо за произволен достъп до инструкциите на микропроцесора. NOR флаш паметта е идеална за приложения с по-ниска плътност, които основно са само за четене. Затова повечето CPU зареждат своето фърмуер, като обикновено използват NOR флаш памет. Масуока и неговите колеги представиха изобретението NOR флаш през 1984 година и NAND флаш през .
Разработчиците на NAND Flash отказаха от възможността за произволен достъп, за да постигнат по-малък размер на паметовата клетка. Това дава по-малък размер на чипа и по-ниска цена на бит. Архитектурата на NAND флаш паметта се състои от последователно свързани транзистори на паметта, съставени от осем части. Благодарение на това се постига висока плътност на съхранение, по-малък размер на паметовата клетка, а също по-бързо записване и изтриване на данни, тъй като тя може да програмира блокове данни едновременно. Това се постига благодарение на необходимостта от повторно записване на данни, когато те не се записват последователно и данните вече съществуват в .
1991
Да преминем към 1991 година, когато е създаден прототип на твердотелен диск (SSD) от компанията SanDisk, тогава известна под името . Конструкцията комбинираше масив от флаш памет, енергонезависими чипове памет и интелигентен контролер за автоматично откриване и коригиране на дефектни клетки. Обемът на диска беше 20 мегабайта при форм-фактор 2,5 инча, а цената му се оценяваше на около 1000 долара. Този диск беше използван от IBM в компютър .
1994
Един от любимите ми носители на информация от детството е Zip диска. През 1994 година компанията Iomega пусна Zip диск, 100-мегабайтов касета в 3,5-инчов форм-фактор, малко по-дебела от стандартната 3,5-инчова флопи. По-късните версии на дисковете можеха да съхраняват до 2 гигабайта. Удобството на тези дискове е, че бяха с размер на флопи, но предлагаха възможност за съхранение на по-голям обем данни. Нашите байтове данни можеха да се записват на Zip диск със скорост от 1,4 мегабайта в секунда. За сравнение: в онези времена 1,44 мегабайта 3,5-инчови флопи се записваха със скорост около 16 килобайта в секунда. На Zip диска главите безконтактно четат/записват данни, като летят над повърхността, което прилича на работата на твърдия диск, но се различава от принципа на работа на другите флопи. Скоро Zip дисковете остаряват поради проблеми с надеждността и достъпността.
1994
Същата година SanDisk представи CompactFlash, който беше широко използван в цифровите видеокамери. Както и при компактдисковете, скоростта на CompactFlash се основава на 'х'-рейтинги, като 8x, 20x, 133x и др. Максималната скорост на предаване на данни се изчислява на базата на скоростта на предаване на оригиналния аудио CD, 150 килобайта в секунда. Скоростта на предаване изглежда като R = Kх150 кБ/с, където R е скоростта на предаване, а K е номиналната скорост. Така, за 133x CompactFlash, нашият байт данни ще бъде записан на 133х150 кБ/с или около 19 950 кБ/с или 19,95 Мб/с. Асоциацията CompactFlash беше основана през 1995 година с цел създаване на индустриален стандарт за карти памет на основата на флаш памет.
1997
Няколко години по-късно, през 1997 година, беше издаден компактдиск с възможност за презапис (CD-RW). Този оптичен диск се използваше за съхранение на данни, а също и за копиране и предаване на файлове на различни устройства. CD-дискът може да бъде презаписан около 1000 пъти, което тогава не беше ограничение, тъй като потребителите рядко презаписваха данни.
CD-RW са основани на технологията за изменение на отражателната способност на повърхността. При CD-RW фазовите промени в специално покритие, състоящо се от сребро, телур и индий, предизвикват способността да отразяват или да не отразяват четящия лъч, което означава 0 или 1. Когато връзката е в кристално състояние, тя е полупрозрачна, което означава 1. Когато връзката се разтопи в аморфно състояние, тя става непрозрачна и неотразяваща, което 0. Така можем да запишем нашия байт данни като 01001010.
DVD-диските в крайна сметка завладяха голямата част от пазара с CD-RW.
1999
Да преминем към 1999 година, когато IBM представи най-малките в света хард дискове по това време: микродискове IBM с капацитет 170 и 340 МБ. Те бяха малки хард дискове с размер 2,54 см, предназначени за инсталиране в слотове CompactFlash Type II. Планираше се създаването на устройство, което ще се използва като CompactFlash, но с по-голям капацитет на паметта. Въпреки това, скоро те бяха заменени с USB флаш устройства, а след това и с по-големи карти CompactFlash, когато стана възможно. Както и при другите хард дискове, микродисковете бяха механични и съдържаха малки въртящи се дискове.
2000
Година по-късно, през 2000 година, бяха представени USB флаш паметите. Те се състоят от флаш памет, заключена в малък форм-фактор с USB интерфейс. В зависимост от версията на използвания USB интерфейс, скоростта може да се променя. USB 1.1 е ограничен до 1,5 мегабита в секунда, докато USB 2.0 може да обработва 35 мегабита в секунда. , а USB 3.0 – 625 мегабита в секунда. Първите USB 3.1 Type C устройства бяха анонсирани през март 2015 година и имаха скорост на четене/запис от 530 мегабита в секунда. За разлика от флопи дисковете и оптичните дискове, USB устройствата са по-трудни за надраскване, но предлагат същите възможности за съхранение на данни, както и за пренос и резервно копиране на файлове. Флопи и компактдисковите устройства бяха бързо изместени от USB портовете.
2005
През 2005 година производителите на твърди дискове (HDD) започнаха да предлагат продукти, използващи перпендикулярно магнитно записване, или PMR. Интересното е, че това се случи по същото време, когато iPod Nano обяви използването на флаш памет вместо 1-инчови твърди дискове в iPod Mini.
Типичен твърд диск съдържа един или повече дискове, покрити с магниточувствителен слой, състоящ се от малки магнитни зърна. Данните се записват, когато магнитната записваща глава преминава малко над въртящия се диск. Това напомня на традиционен грамофон, с единствената разлика, че в грамофона иглата е в физически контакт с плочката. Докато дискът се върти, въздухът, който го докосва, създава лек вятър. Подобно на начина, по който въздухът на крилото на самолет създава подемна сила, въздухът генерира подемна сила на главата на аеродинамичната повърхност, . Главата бързо променя намагнитването на една магнитна зона от зърната, така че магнитният й полюс да сочи нагоре или надолу, обозначавайки 1 или 0.
Предшественикът на PMR беше надлъжната магнитна запись, или LMR. Плътността на запис на PMR може да надвишава плътността на записа на LMR с повече от три пъти. Основната разлика между PMR и LMR е, че структурата на зърното и магнитната ориентация на съхраняваните данни на PMR носителите е стълбовидна, а не надлъжна. PMR предлага по-добра термична стабилност и подобрено съотношение сигнал-шум (SNR) благодарение на по-доброто разделение на зърното и равномерността. Тя също така се отличава с подобрена записваемост благодарение на по-силните полета на главата и по-доброто магнитно подравняване на носителя. Както и LMR, основните ограничения на PMR са базирани на термичната стабилност на записаните магнитни битове данни и необходимостта от достатъчно количество SNR за четене на записаната информация.
2007
През 2007 г. беше обявен пускането на първия хард диск с капацитет 1 ТБ от Hitachi Global Storage Technologies. Hitachi Deskstar 7K1000 използва пет 3,5-инчови пластини с капацитет 200 гигабайта и работи на скорост об/мин. Това е сериозно предимство в сравнение с първия в света хард диск IBM RAMAC 350, чийто капацитет беше приблизително 3,75 мегабайта. О, колко далеч сме напреднали през 51 година! Но чакайте, има още нещо.
2009
През 2009 г. започнаха техническите работи по създаването на енергийнонезависима експресна памет, или . Енергийнонезависимата памет (NVM) е такъв тип памет, който може да съхранява данни постоянно, за разлика от енергийно зависимата памет, която изисква постоянно захранване за запазване на данните. NVMe отговаря на необходимостта от скалируем интерфейс хост-контролер за периферни компоненти, базирани на полупроводникови носители с поддръжка на технологията PCIe, откъдето идва и името NVMe. Над 90 компании участваха в работната група по разработката на проекта. Всичко това беше основано на резултатите от работата по определянето на спецификацията на интерфейса за енергийнонезависима памет на хост-контролера (NVMHCIS). Най-добрите в момента NVMe дискове могат да обработват около 3500 мегабайта в секунда при четене и 3300 мегабайта в секунда при запис. Записването на байт данни j, с който започнахме, може да стане много бързо в сравнение с няколко минути ръчно плетене на въженец за компютъра Apollo Guidance.
Настояще и бъдеще
Памет с клас на съхранение
Сега, след като направихме пътуване във времето (ха!), нека да разгледаме съвременото състояние на паметта Storage Class Memory. SCM, подобно на NVM, е устойчива, но SCM предлага производителност, която е по-добра или сравнима с основната памет, а също така . Целта на SCM е да реши някои от съвременните проблеми с кеша, като ниската плътност на статичната памет с произволен достъп (SRAM). Чрез динамична оперативна памет (DRAM) можем да постигнем по-добра плътност, но това става за сметка на по-бавното достъпване. DRAM също така страда от необходимостта от постоянна мощност за обновление на паметта. Нека да се задълбочим малко в това. Захранването е необходимо, тъй като електрическият заряд на кондензаторите бавно изтича, тоест без намеса данните на чипа скоро ще се загубят. За предотвратяване на такова изтичане, DRAM изисква външна схема за обновление на паметта, която периодично презаписва данните в кондензаторите, възстановявайки ги до първоначалния заряд.
Памет, базирана на фазов преход (Phase-change memory, PCM)
По-рано разгледахме как се променя фазата за CD-RW. PCM е подобна. Материалът, който се използва за изменение на фазата, обикновено е Ge-Sb-Te, известен също като GST, който може да съществува в две различни състояния: аморфно и кристалично. Аморфното състояние има по-високо съпротивление, обозначаващо 0, отколкото кристаличното състояние, обозначаващо 1. Присвоявайки стойности на данните на междинни съпротивления, PCM може да се използва за съхранение на множество състояния във формата на .
Spin-transfer torque random access memory (STT-RAM)
STT-RAM се състои от два ферромагнитни, постоянни магнитни слоя, разделени от диелектрик, тоест изолатор, който може да предава електрическа сила без проводимост. Тя съхранява битове данни на базата на разликата в магнитните посоки. Един магнитен слой, наречен опорен, има фиксирана магнитна посока, докато другият магнитен слой, наречен свободен, има магнитна посока, която се контролира от протичащия ток. За 1 посоката на намагнитване на двата слоя се изравнява. За 0 и двата слоя имат противоположни магнитни посоки.
Резистивна памет с произвольно достъпване (Resistive random access memory, ReRAM)
Ячейката ReRAM се състои от два метални електрода, разделени с оксиден слой метал. Малко прилича на дизайна на флаш паметта Masuoka, където електроните проникват през оксидния слой и се задържат в плаващите врати или обратното. Въпреки това, при използването на ReRAM, състоянието на ячейката се определя на база концентрацията на свободен кислород в оксидния слой метал.
Въпреки че тези технологии са обещаващи, все пак имат недостатъци. PCM и STT-RAM имат висока латентност при запис. Латентността на PCM е десет пъти по-висока от тази на DRAM, докато при STT-RAM е десет пъти по-висока от SRAM. PCM и ReRAM имат ограничение на времето за запис, преди да възникнат сериозни грешки, което означава, че елементът памет засяда на .
През август 2015 г. компанията Intel обяви пускането на Optane, своя продукт, построен на база 3DXPoint. Optane твърди, че производителността е 1000 пъти по-висока от тази на твердотелните дискове NAND, а цената е четири-пет пъти по-висока от флаш паметта. Optane е доказателство, че SCM не е просто експериментална технология. Интересно ще бъде да наблюдаваме развитието на тези технологии.
Хард дискове (HDD)
Хелиев хард диск (HHDD)
Хелиевият диск е хард диск с голям капацитет (HDD), запълнен с хелий и херметически затворен в процеса на производство. Както и другите хард дискове, както вече споменахме, той прилича на плейър с въртяща се плоча с магнитно покритие. Типичните хард дискове просто имат въздух вътре в кухината, обаче този въздух причинява известно съпротивление при въртене на плочите.
Хелиевите балони летят, защото хелият е по-лек от въздуха. Всъщност хелият е 1/7 от плътността на въздуха, което позволява да се намали силата на спиране при въртене на плочите, причинявайки намаляване на количеството енергия, необходимо за въртене на дисковете. Въпреки това, тази особеност е вторична, основната отличителна характеристика на хелия беше, че той позволява опаковане на 7 плоча в същия форм-фактор, който обикновено побираше само 5. Ако си спомним аналогията с крилото на нашия самолет, то това е идеален аналог. Тъй като хелият намалява съпротивлението, турбуленцията е изключена.
Също така е известно, че хелиевите балони започват да падат след няколко дни, тъй като хелият изтича от тях. Същото може да се каже и за дисковите устройства. Отне години, за да създадат производителите контейнер, който да предотврати излизането на хелий от формата по време на целия живот на диска. Компанията Backblaze проведе експерименти и откри, че хард дисковете с хелий имат годишна погрешност от 1,03%, докато стандартните - 1,06%. Разбира се, тази разлика е толкова малка, че трудно може да се направи сериозен извод. .
Форматът, запълнен с хелий, може да съдържа хард диск, инкапсулиран с използване на PMR, за който говорихме по-горе, или микровълнова магнитна записи (MAMR) или магнитна записи с нагряване (HAMR). Всяка магнитна технология за съхранение на данни може да се комбинира с хелий вместо въздух. През 2014 г. компанията HGST комбинира две авангардни технологии в своя хард диск с хелий с капацитет 10 ТБ, който използва управляемото от хоста шинглирани магнитни записи, или SMR (Shingled magnetic recording). Нека да спрем малко на SMR и след това да разгледаме MAMR и HAMR.
Технология за шинглирани магнитни записи
По-рано разгледахме перпендикулярната магнитна запис (PMR), която беше предшественик на SMR. За разлика от PMR, SMR записва нови ленти, които припокриват част от преди записаната магнитна лента. Това, от своя страна, прави предишната лента по-тясна, осигурявайки по-висока плътност на лентите. Името на технологията произхожда от това, че лентите на припокритие много приличат на плочките на покрив.
SMR води до много по-сложен процес на запис, тъй като при записи на една лента се перезаписва съседната лента. Това не се проявява, когато основата на диска е празна и данните са последователни. Но веднага щом започнете да записвате на серия от ленти, които вече съдържат данни, съществуващите съседни данни се изтриват. Ако съседната лента съдържа данни, тя трябва да бъде пренаписана. Това е доста подобно на NAND флаш, за който говорихме по-рано.
SMR устройствата позволяват да се скрие тази сложност чрез управление на вграденото софтуерно осигуряване, в резултат на което се получава интерфейс, подобен на всеки друг твърд диск. От друга страна, SMR устройствата, управлявани от хост, без специална адаптация на приложенията и операционните системи, няма да позволят използването на тези дискове. Хостът трябва да извършва запис на устройствата строго последователно. При това производителността на устройствата е напълно предсказуема. Компанията Seagate започна доставки на SMR дискове през 2013 г., твърдейки, че плътността им е с 25% плътността на PMR.
Микровълнова магнитна запись (MAMR)
Microwave-assisted magnetic recording (MAMR) е технология на магнитната памет, която използва енергия, подобна на HAMR (ще разгледаме по-долу). Важна част от MAMR е Spin Torque Oscillator (STO) или „генератор на основата на въртеливи моменти“. Самият STO е разположен в непосредствена близост до записа на главата. При приложението на ток в STO се генерира кръгово електромагнитно поле с честота 20-40 GHz поради поляризацията на електронните спинове.
При въздействие на такова поле в ферромагнетика, използван за MAMR, се получава резонанс, който води до прецесия на магнитните моменти на домените в това поле. По същество, магнитният момент се отклонява от своята ос и за да се промени неговата посока (обратен), на записа на главата е нужна значително по-малка енергия.
Използването на MAMR технология позволява да се вземат ферромагнитни вещества с по-висока коерцитивна сила, което означава, че може да се намали размерът на магнитните домени без страх от предизвикване на суперпарамагнитен ефект. Генераторът STO помага за намаляване на размера на записа на главата, което дава възможност за записване на информация на по-малки магнитни домени, а това увеличава плътността на записа.
Компанията Western Digital, известна също като WD, представи тази технология през 2017 г. Скоро след това, през 2018 г., компанията Toshiba подкрепи тази технология. Докато компаниите WD и Toshiba са заети с търсенето на MAMR технология, компанията Seagate залага на HAMR.
Термомагнитна запись (HAMR)
Технология на основата на магнитното записване с помощта на топлина (HAMR) е енергийно ефективна магнитна технология за съхранение на данни, която позволява значително увеличаване на обема данни, които могат да бъдат съхранени на магнитно устройство, като например твърд диск. Това се постига чрез използване на топлина, доставяна от лазер, за да се улесни записването на данни на повърхността на подложката на твърдия диск. Благодарение на нагряването битовете данни се разполагат много по-близо един до друг на дисковата подложка, което позволява увеличаване на плътността и капацитета на данните.
Тази технология е доста трудна за реализация. Лазер с мощност 200 мВт бързо малка област до 400 °C преди записването, без да нарушава и поврежда останалите данни на диска. Процесът на нагряване, записване на данни и охлаждане трябва да бъде завършен за по-малко от наносекунда. За решаването на тези задачи бе необходима разработка на наноразмерни повърхностни плазмонах, известни също като лазери с повърхностно навеждане, вместо пряко нагряване с лазер, както и нови видове стъклени плоскости и терморегулиращи покрития, способни да издържат на бързо точково нагряване без да повреждат записващата глава или съседни данни, както и различни други технически проблеми, които трябваше да бъдат преодолени.
Въпреки многото скептични изказвания, компанията Seagate за пръв път демонстрира тази технология през 2013 година. Първите дискове започнаха да се доставят през 2018 година.
Край на пленката, обратно на началото!
Започваме от 1951 година и завършваме статията, поглеждайки в бъдещето на технологията за съхранение. Съхранението на данни се е променило значително с времето: от бумажни ленти до метални и магнитни ленти, въжева памет, въртящи се дискове, оптични дискове, флаш памет и много други. В хода на прогреса се появиха по-бързи, компактни и производителни устройства за съхранение на данни.
Ако сравним NVMe с металната лента UNISERVO от 1951 година, NVMe може да чете с 486 111% повече цифри в секунда. Ако сравним NVMe с любимите ми Zip-дискове от детството, NVMe може да чете с 213,623% повече цифри в секунда.
Единственото, което остава вярно, е използването на 0 и 1. Начините, по които го правим, варират значително. Надявам се, че следващия път, когато запишете CD-RW с песни за приятел или съхраните домашно видео в Optical Disc Archive, ще помислите за това как ненаправената повърхност превежда значението на 0, а направената — на 1. Или ако пишете микстейп на касета, запомнете, че това е много тясно свързано с Datasette, използвана в Commodore PET. Накрая, не забравяйте да бъдете любезни и да превъртите назад.
Благодаря и за вкусните парчета (не мога да се сдържа) през цялата статия!
Какво още полезно може да се прочете в блога
→
→
→
→
→
Абонирайте се за нашия -канал, за да не пропуснете следващата статия! Публикуваме не по-често от два пъти седмично и само по същество. А също така напомняме, че Cloud4Y може да предостави безопасен и надежден отдалечен достъп до бизнес приложения и информация, необходима за осигуряване на бизнес непрекъснатост. Работа от разстояние — допълнителна бариера срещу разпространението на коронавируса. Подробности — при нашите мениджъри на .
Източник: habr.com
