Každý cloudový poskytovatel nabízí službu ukládání dat. Může se jednat o studené a teplé úložiště, Ice-cold atd. Ukládání informací v cloudu je velmi pohodlné. Jak se ale data ukládala před 10, 20, 50 lety? Cloud4Y přeložil zajímavý článek, který o tom právě vypráví.
Bajt dat může být uložen nejrůznějšími způsoby, protože stále vznikají nové, dokonalejší a rychlejší média. Bajt je jednotka ukládání a zpracování digitálních informací, která se skládá z osmi bitů. V jednom bitu může být zapsáno buď 0, nebo 1.
V případě perforovaných karet je bit uložen jako přítomnost/absentnost otvoru na kartě na určitém místě. Pokud se vrátíme ještě dále do minulosti k "Analytickému stroji Babbage", registry, které uchovávaly čísla, představovaly ozubená kola. U magnetických zařízení pro ukládání, jako jsou pásky a disky, je bit reprezentován polaritou určité oblasti magnetické fólie. V moderní dynamické paměti s náhodným přístupem (DRAM) je bit často reprezentován jako dvoustupňový elektrický náboj, který se uchovává v zařízení, jež hromadí elektrickou energii v elektrickém poli. Nabité nebo vybití kondenzátor uchovává bit dat.
V červnu 1956 vymyslel slovo pro označení skupiny bitů, které se používají k zakódování jednoho symbolu . Pojďme si trochu promluvit o kódování symbolů. Začněme s americkým standardním kódem pro výměnu informací, nebo ASCII (ASCII anglicky American standard code for information interchange). ASCII vychází z anglického alfabetu, takže každé písmeno, číslo a symbol (a-z, A-Z, 0-9, +, -, /, ",! atd.) byly reprezentovány jako 7bitové celé číslo od 32 do 127. To nebylo zcela „přátelské“ k ostatním jazykům. Aby byly podporovány i další jazyky, Unicode rozšířilo ASCII. V Unicode je každý symbol reprezentován jako kódový bod, nebo znak, například malé písmeno j — U+006A, kde U označuje Unicode a následně hexadecimální číslo.
UTF-8 je standard pro reprezentaci znaků ve formě osmi bitů, což umožňuje uchovávat každý kódový bod v rozsahu 0-127 v jednom bajtu. Pokud si vzpomeneme na ASCII, je to naprosto v pořádku pro anglické znaky, ale znaky jiného jazyka jsou často vyjádřeny ve dvou nebo více bajtech. UTF-16 je standard pro reprezentaci znaků ve formě 16 bitů a UTF-32 je standard pro reprezentaci znaků ve formě 32 bitů. V ASCII je každý znak bajtem, zatímco v Unicode, což často není zcela pravda, znak může zabírat 1, 2, 3 nebo více bajtů. V článku budou použity různé velikostní skupiny bitů. Počet bitů v bajtu se liší v závislosti na konstrukci média.
V tomto článku vykročíme na časovou cestu různými média ukládání informací s cílem ponořit se do historie uchovávání dat. Rozhodně se nebudeme podrobně zabývat každým jednotlivým médiem, které kdy bylo vynalezeno. Před vámi je zábavný informační článek, který nijak neaspiruje na encyklopedickou významnost.
Začněme. Představme si, že máme bajt dat k uložení: písmeno j, nebo ve formě kódovaného bajtu 6a, nebo v binárním tvaru 01001010. Během naší časové cesty budou bajty dat použity v několika technologiích ukládání, které budou popsány.
1951
Náš příběh začíná v roce 1951 s pásem UNIVAC UNISERVO pro počítač UNIVAC 1. To byl první pásek pro ukládání, který byl vytvořen pro komerční počítač. Pás byl vyroben z tenkého proužku niklované bronzy o šířce 12,65 mm (nazývané Vicalloy) a délce téměř 366 metrů. Našim bajtům dat bylo možné ukládat rychlostí 7200 znaků za sekundu na pásce pohybující se rychlostí 2,54 metru za sekundu. V této fázi historie jste mohli měřit rychlost algoritmu ukládání podle vzdálenosti, kterou páska urazila.
1952
Přeneseneme se o rok dopředu, k 21. květnu 1952, kdy IBM oznámila uvedení svého prvního magnetického páskového bloku, IBM 726. Náš bajt dat může být nyní přenesen z metalického pásu UNISERVO na magnetickou pásku IBM. Tento nový domov se ukázal být velmi útulným pro náš velmi malý bajt dat, neboť na pásce může být uloženo až 2 miliony číslic. Tato magnetická 7stopá páska se pohybovala rychlostí 1,9 metru za sekundu s přenosovou rychlostí 12 500 nebo 7500 (v té době nazývaných kopiovacími skupinami) za sekundu. Pro srovnání: průměrný článek na Habr má přibližně 10 000 znaků.
Páska IBM 726 měla sedm stop, z nichž šest sloužilo k ukládání informací a jedna byla pro kontrolu parity. Na jedné cívce bylo možné umístit až 400 metrů pásky o šířce 1,25 cm. Rychlost přenosu dat teoreticky dosahovala 12 500 znaků za sekundu; hustota zápisu byla 40 bitů na centimetr. V tomto systému byl použitý metoda "vakuového kanálu", při které se smyčka pásky cirkulovala mezi dvěma body. To umožnilo pásce spouštět se a zastavovat během zlomků sekundy. Toho bylo dosaženo umístěním dlouhých vakuových sloupů mezi cívkami pásky a hlavy pro čtení/zápis, aby absorbovaly náhlé zvýšení napětí v pásce, jinak by se páska obvykle roztrhla. Odnímatelné plastové kroužky na zadní části cívky pásky poskytly ochranu před zápisem. Na jedné cívce pásky je možné uchovávat přibližně 1,1 .
Vzpomínáte na VHS kazety. Co bylo potřeba udělat, abyste se mohli podívat na film znovu? Přetočit pásku! Kolikrát jste otáčeli kazetou na tužce, abyste neztráceli zbytečně baterie a nezískali roztrženou nebo zažmoulanou pásku? To samé lze říci o pásech používaných pro počítače. Programy nemohly prostě přeskočit nějakou část pásky kolem pásu nebo náhodně přistupovat k datům, mohly číst a zapisovat data pouze striktně sekvenčně.
1956
Pokud se přeneseme o několik let dopředu, do roku 1956, pak éra ukládání magnetických disků začala dokončením vývoje počítačového systému RAMAC 305 společností IBM, který dodá společnost Zellerbach Paper. V tomto počítači byl poprvé použit pevný disk s pohyblivou hlavou. Disk RAMAC se skládal z padesáti magnetizovaných kovových desek o průměru 60,96 cm, schopných uložit asi pět milionů znaků dat, 7 bitů na znak, a otáčet se rychlostí 1200 otáček za minutu. Kapacita úložiště byla přibližně 3,75 megabajtu.
RAMAC umožňoval přístup k velkým objemům dat v reálném čase, na rozdíl od magnetických pásek nebo děrných štítků. Společnost IBM propagovala RAMAC jako zařízení schopné ukládat ekvivalent 64 000 . Dříve byla v RAMAC zavedena koncepce nepřetržitého zpracování transakcí, aby bylo možné data okamžitě získávat, dokud jsou ještě čerstvá. Nyní mohl být přístup k našim datům v RAMAC prováděn rychlostí 100 000 . Při použití pásek jsme dříve museli zapisovat a číst po sobě jdoucí data, a nemohli jsme náhodně přeskočit na různé části pásky. Náhodný přístup k datům v reálném čase byl v té době skutečně revoluční.
1963
Přenesme se do roku 1963, kdy byla představena DECtape. Název pochází od společnosti Digital Equipment Corporation, známé jako DEC. DECtape byla cenově dostupná a spolehlivá, a proto byla používána v mnoha generacích počítačů DEC. Byla to 19mm páska, laminovaná a stlačená mezi dvěma vrstvami mylaru na čtyřpalcové (10,16 cm) cívce.
Na rozdíl od svých těžkých, objemných předchůdců, pásku DECtape bylo možné přenášet ručně. To ji činilo skvělou volbou pro osobní počítače. Na rozdíl od 7-stopých analogů měla DECtape 6 datových stop, 2 stopy pro značky a 2 pro taktové impulsy. Data byla zapisována rychlostí 350 bitů na palec (138 bitů na cm). Naše bajtová data, která tvoří 8 bitů, ale mohou být rozšířena na 12, mohla být na DECtape přenášena rychlostí 8325 12-bitových slov za sekundu při rychlosti pásky 93 (±12) palců za . To představuje o 8 % více číslic za sekundu než na kovové pásce UNISERVO v roce 1952.
1967
O čtyři roky později, v roce 1967, malý tým IBM začal pracovat na disketě IBM kódového názvu . Tým dostal úkol vyvinout spolehlivý a cenově dostupný způsob nahrávání mikrokódů do IBM System/370. Projekt byl následně přeřazen a přeprofilován na nahrávání mikrokódu do řadiče pro IBM 3330 Direct Access Storage Facility s kódovým označením Merlin.
Nyní mohl náš bajt být uložen na pouze pro čtení dostupných 8palcových flexibilních disketách Mylar s magnetickým povlakem, které dnes známe jako disketu. Při uvedení na trh byl produkt nazván IBM 23FD Floppy Disk Drive System. Disky mohly pojmout 80 kilobajtů dat. Na rozdíl od pevných disků mohl uživatel snadno přenášet disketu v ochranném obalu z jednoho disku na druhý. Později, v roce 1973, IBM uvedla disketu pro čtení/zápis, která se stala průmyslovým .
1969
V roce 1969 na palubě kosmické lodi Apollo 11, která přepravila americké astronauty na Měsíc a zpět, byl spuštěn palubní počítač AGC (Apollo Guidance Computer) s 'provazovou pamětí' (rope memory). Tato provazová paměť byla vyrobena ručně a mohla pojmout 72 kilobajtů dat. Výroba provazové paměti byla pracná, pomalá a vyžadovala dovednosti podobné tkačské práci; na zapletení programu do provazové paměti mohly být potřeba . Ale to byl správný nástroj pro tuto dobu, kdy bylo důležité vměstnat maximum do přísně omezeného prostoru. Když drát procházel jednou z kruhových vláken, představoval 1. Drát, který obklopoval vlákno, představoval 0. Náš bajt dat vyžadoval od člověka několik minut zaplétání do provazu.
1977
V roce 1977 byl uveden Commodore PET - první (úspěšný) osobní počítač. V PET byl použit Commodore 1530 Datasette, což znamená data plus kazeta. PET převáděl data na analogové zvukové signály, které byly poté uloženy na . To umožnilo vytvořit cenově dostupné a spolehlivé řešení pro ukládání dat, i když velmi pomalé. Náš malý bajt dat mohl být přenášen rychlostí přibližně 60-70 bajtů za . Kazety mohly pojmout přibližně 100 kilobajtů na 30minutovou stranu, se dvěma stranami na pásku. Například na jedné straně kazety by bylo možné umístit přibližně dvě 55 kB obrázky. Datasette byly také používány v Commodore VIC-20 a Commodore 64.
1978
O rok později, v roce 1978, představily společnosti MCA a Philips LaserDisc s názvem „Discovision“. Film „Čelisti“ se stal prvním filmem prodávaným na LaserDisc v USA. Kvalita zvuku a videa na něm byla mnohem lepší než u konkurentů, ale laserový disk byl pro většinu spotřebitelů příliš drahý. Na LaserDisc nešlo nahrávat, na rozdíl od VHS kazet, na které lidé nahrávali televizní programy. Laserové disky pracovaly s analogovým videem, analogovým FM stereozvukem a impulzní kódovou , nebo PCM, digitálním audiem. Disky měly průměr 12 palců (30,47 cm) a skládaly se ze dvou jednostranných hliníkových disků potažených plastem. Dnes si LaserDisc pamatujeme jako předchůdce CD a DVD.
1979
O rok později, v roce 1979, založili Alan Shugart a Finis Conner společnost Seagate Technology s cílem zmenšit pevný disk na velikost 5 ¼ palcové disketky, která byla v té době standardem. Jejich prvním produktem v roce 1980 byl pevný disk Seagate ST506 — první pevný disk pro osobní počítače. Disk pojmul pět megabajtů dat, což bylo v té době pětkrát více než standardní disketka. Zakladatelé dokázali dosáhnout svého cíle — zmenšit velikost disku na velikost 5¼ palcové disketky. Nové zařízení na uchovávání dat představovalo tvrdou kovovou desku pokrytou z obou stran tenkým léčebným materiálem pro uchování dat. Naše bajty dat mohly být na disk přenášeny rychlostí 625 kilobajtů za . To je přibližně .
1981
Přesuneme se o pár let dopředu, do roku 1981, kdy Sony představila první 3,5 palcové disketky. Společnost Hewlett-Packard se stala prvním následovníkem této technologie v roce 1982 se svým HP-150. To proslavilo 3,5 palcové disketky a dalo jim široké rozšíření v . Disketky byly jednostranné s formátovanou kapacitou 161,2 kilobajtů a neformátovanou kapacitou 218,8 kilobajtů. V roce 1982 byla vydána dvoustranná verze a konsorcium Microfloppy Industry Committee (MIC), složené z 23 mediálních společností, založilo specifikaci 3,5 palcové disketky na původním designu Sony, čímž format v historii upevnilo tak, jak ho nyní . Nyní mohou naše bajty dat být uchovávány na rané verzi jednoho z nejrozšířenějších médií: 3,5 palcové disketě. Později pár 3,5 palcových disket s se staly nejdůležitější součástí mého dětství.
1984
Krátce poté, v roce 1984, bylo oznámeno vydání kompaktů s daty, která byla pouze pro čtení (angl. Compact Disc Read-Only Memory, CD-ROM). Byly to CD-ROMy o kapacitě 550 megabajtů od společností Sony a Philips. Formát vyrostl z kompaktních disků s digitálním audio, nebo CD-DA, které byly používány k distribuci hudby. CD-DA bylo vyvinuto Sony a Philipsem v roce 1982 a jeho kapacita činila 74 minut. Podle pověsti, když Sony a Philips jednali o standardu CD-DA, jeden ze čtyř lidí trval na tom, aby mohl celou „Devátou symfonii“. Prvním produktem vydaným na kompaktním disku byla „Elektronická encyklopedie Grolier“, která vyšla v roce 1985. Encyklopedie obsahovala devět milionů slov, což zabíralo pouze 12 % dostupného diskového prostoru, což je 553 Měli bychom více než dost místa pro encyklopedii a jeden bajt dat. Krátce poté, v roce 1985, pracovaly počítačové společnosti společně na vytvoření standardu pro disky, aby jakýkoli počítač mohl číst informace z nich.
1984
Také v roce 1984 vyvinul Fujio Masuoka nový typ paměti s plovoucí bránou, nazvaný flash paměť, která byla schopná být opakovaně mazána a přepisována.
Zastavme se na chvíli u flash paměti, která používá tranzistor s plovoucí bránou. Tranzistory jsou elektrické brány, které lze zapínat a vypínat jednotlivě. Každý tranzistor může být ve dvou různých stavech (zapnutém a vypnutém), může tedy uchovávat dvě různá čísla: 0 a 1. Plovoucí brána se vztahuje k druhé bráně přidané k základnímu tranzistoru. Tato druhá brána je izolována tenkou vrstvou oxidu. Tyto tranzistory používají malé napětí aplikované na bránu tranzistoru k označení, zda je zapnutý nebo vypnutý, což se následně překládá na 0 nebo 1.
S plovoucími tranzistory, když je na oxidovou vrstvu aplikováno odpovídající napětí, elektrony jím procházejí a zaseknou se na tranzistorech. Proto i po vypnutí napájení elektrony na nich zůstávají. Když na plovoucích tranzistorech nejsou elektrony, představují 1, a když jsou elektrony uvězněny, představují 0. Opačný proces, kdy se aplikuje vhodné napětí přes oxidovou vrstvu opačným směrem, způsobí, že elektrony projdou plovoucími tranzistory a obnoví tranzistor zpět do jeho původního stavu. Proto jsou buňky navrženy tak, aby byly programovatelné a . Náš byte může být naprogramován v tranzistoru jako 01001010, s elektrony, které jsou uvězněny v plovoucích tranzistorech, reprezentujícími nuly.
Masuokova konstrukce byla o něco dostupnější, ale méně flexibilní než elektricky mazatelný PROM (EEPROM), protože vyžadovala několik skupin buněk, které musely být smazány společně, což také vysvětlovalo její rychlost.
V té době pracoval Masuoka pro Toshiba. Nakonec odešel pracovat na Tohoku University, protože byl nespokojen, že společnost ho neodměnila za jeho práci. Masuoka zažaloval Toshibu o odškodnění. V roce 2006 mu bylo vyplaceno 87 milionů jüanů, což odpovídá 758 tisícům dolarů. To se stále zdá být nevýznamné vzhledem k tomu, jaký vliv měla flash paměť v průmyslu.
Když už mluvíme o flash paměti, je také dobré poznamenat, jaký je rozdíl mezi NOR a NAND flash pamětí. Jak víme od Masuoky, flash paměť ukládá informace v paměťových buňkách složených z tranzistorů s plovoucím tranzistorem. Název technologií je přímo spojen s tím, jak jsou paměťové buňky uspořádány.
V flash paměti NOR jsou jednotlivé paměťové buňky spojeny paralelně, což umožňuje náhodný přístup. Taková architektura zkracuje čas čtení potřebný pro náhodný přístup k instrukcím mikroprocesoru. NOR flash je ideální pro aplikace s nižší hustotou, které jsou obvykle určeny pouze pro čtení. Proto většina CPU načítá svůj firmware obvykle z flash paměti NOR. Masuoka a jeho kolegové představili vynález NOR flash v roce 1984 a NAND flash v .
Vývojáři NAND Flash se vzdali možnosti náhodného přístupu, aby dosáhli menší velikosti paměťové buňky. To přináší menší velikost čipu a nižší náklady na bit. Architektura flash paměti NAND se skládá z sekvenčně propojených paměťových tranzistorů, které se skládají z osmi částí. Díky tomu se dosahuje vysoké hustoty ukládání, menší velikosti paměťové buňky a také rychlejšího zapisování a mazání dat, protože může současně programovat bloky dat. Toho je dosaženo díky nutnosti přepisu dat, když nejsou zapisována sekvenčně a data již existují v .
1991
Přejděme k roku 1991, kdy byl vytvořen prototyp solid state disku (SSD) společností SanDisk, která byla tehdy známá pod názvem . Konstrukce kombinovala pole flash paměti, energonezávislé paměťové čipy a inteligentní řadič pro automatické zjišťování a opravu vadných buněk. Kapacita disku byla 20 megabajtů při formátu 2,5 palce a jeho cena byla odhadována na přibližně 1000 dolarů. Tento disk byl použit společností IBM v počítači .
1994
Jedním z mých oblíbených datových nosičů již od dětství byly Zip disky. V roce 1994 společnost Iomega vydala Zip disk, 100megabajtový cartridge ve formátu 3,5 palce, který byl o něco silnější než standardní 3,5palcová disketa. Pozdější verze disků mohly ukládat až 2 gigabajty. Výhodou těchto disků bylo, že měly velikost disket, ale měly kapacitu uchovávat větší objem dat. Na Zip disk jsme mohli zapisovat naše bajty dat rychlostí 1,4 megabajtu za sekundu. Pro srovnání: v té době byla 1,44 megabajtová 3,5palcová disketa zapisována rychlostí přibližně 16 kilobajtů za sekundu. Na Zip disku hlavy bezkontaktně čtou/zapisují data, jako by létaly nad povrchem, což je podobné fungování pevného disku, ale liší se od principu fungování jiných disků. Brzy Zip disky zastaraly kvůli problémům s spolehlivostí a dostupností.
1994
Ve stejném roce SanDisk představil CompactFlash, který byl široce používán v digitálních videokamerách. Stejně jako u CD disků je rychlost CompactFlash založena na "x" hodnocení, jako je 8x, 20x, 133x atd. Maximální rychlost přenosu dat se počítá na základě rychlosti přenosu původního audio CD, 150 kilobajtů za sekundu. Rychlost přenosu vypadá jako R = Kx150 kB/s, kde R je rychlost přenosu a K je nominální rychlost. Takže pro 133x CompactFlash, náš bajt dat bude zapsán při 133x150 kB/s, což je přibližně 19 950 kB/s nebo 19,95 MB/s. Asociace CompactFlash byla založena v roce 1995 s cílem vytvoření průmyslového standardu pro paměťové karty na bázi flash paměti.
1997
O několik let později, v roce 1997, byl uveden na trh CD disk s možností přepisování (CD-RW). Tento optický disk byl použit pro ukládání dat, stejně jako pro kopírování a přenos souborů na různá zařízení. CD disky je možné přepisovat přibližně 1000krát, což tehdy nebylo omezující, protože uživatelé zřídka přepisovali data.
CD-RW jsou založeny na technologii změny odrazivosti povrchu. V případě CD-RW způsobují fázové posuny v speciálním povlaku složeném ze stříbra, telluru a india schopnost odrážet nebo neodrážet čtecí paprsek, což znamená 0 nebo 1. Když je spojení v krystalickém stavu, je poloprůhledné, což znamená 1. Když se spojení roztaví do amorfního stavu, stává se neprůhledným a neodrážejícím, což je 0. Takže bychom mohli zapsat náš bajt dat jako 01001010.
DVD disky nakonec obsadily většinu trhu s CD-RW.
1999
Přejděme do roku 1999, kdy IBM představila nejmenší pevné disky na světě: mikrodisky IBM s kapacitou 170 a 340 MB. Byly to malé pevné disky o velikosti 2,54 cm, určené k instalaci do slotů CompactFlash Type II. Bylo plánováno vytvoření zařízení, které by se používalo jako CompactFlash, ale s větší kapacitou paměti. Nicméně brzy byly nahrazeny USB flash disky a poté většími kartami CompactFlash, jakmile se staly dostupnými. Stejně jako ostatní pevné disky, mikrodisky byly mechanické a obsahovaly malé rotující disky.
2000
O rok později, v roce 2000, byly představeny USB flash disky. Tyto disky obsahovaly flash paměť uzavřenou v malém formátu s USB rozhraním. Podle verze používaného USB rozhraní se rychlost mohla měnit. USB 1.1 je omezeno na 1,5 megabitu za sekundu, zatímco USB 2.0 může zpracovávat 35 megabitů za sekundu. , a USB 3.0 — 625 megabitů za sekundu. První USB 3.1 type C disky byly oznámeny v březnu 2015 a měly rychlost čtení/zápisu 530 megabitů za sekundu. Na rozdíl od disket a optických disků jsou USB zařízení složitější na poškrábání, ale stále mají stejné možnosti pro ukládání dat, stejně jako pro přenos a zálohování souborů. Diskové jednotky pro disketové a CD disky byly rychle vytlačeny USB porty.
2005
V roce 2005 začali výrobci pevných disků (HDD) dodávat produkty s použitím kolmé magnetické nahrávání, nebo PMR. Co je zajímavé, stalo se to zároveň s oznámením iPod Nano o použití flash paměti místo 1palcových pevných disků v iPod Mini.
Typický pevný disk obsahuje jedno nebo více disků pokrytých magnetosenzitivním filmem, který se skládá z drobných magnetických zrn. Data se zapisují, když magnetická zapisovací hlava prolétá těsně nad otáčejícím se diskem. Je to velmi podobné tradičnímu gramofonovému přehrávači, s tím rozdílem, že v gramofonu je jehla v fyzickém kontaktu s deskou. Jak se disky otáčejí, vzduch, který s nimi přichází do kontaktu, vytváří jemný vánek. Podobně jako vzduch na křídle letadla vytváří vztlak, vzduch generuje vztlak na hlavě aerodynamické plochy . Hlava rychle mění magnetizaci jedné magnetické oblasti zrn tak, že její magnetický pól směřuje nahoru nebo dolů, což označuje 1 nebo 0.
Předchůdcem PMR bylo podélné magnetické záznamování, nebo LMR. Hustota záznamu PMR může překročit hustotu záznamu LMR více než třikrát. Hlavním rozdílem mezi PMR a LMR je, že struktura zrna a magnetická orientace uložených dat na nosičích PMR je sloupcová, nikoli podélná. PMR má lepší tepelnou stabilitu a zlepšený poměr signál-šum (SNR) díky lepšímu oddělení zrna a rovnoměrnosti. Také se vyznačuje lepší zapisovatelností díky silnějším polím hlavy a lepšímu magnetickému vyrovnání nosiče. Stejně jako LMR jsou základní omezení PMR založena na tepelné stabilitě zapisovaných magnetických bitů a potřebě mít dostatečné SNR pro čtení uložených informací.
2007
V roce 2007 byla oznámena výroba prvního pevného disku o kapacitě 1 TB od Hitachi Global Storage Technologies. Hitachi Deskstar 7K1000 použil pět 3,5palcových 200gigabajtových ploten a otáčel se rychlostí otáček za minutu. Je to vážná převaha ve srovnání s prvním na světě pevným diskem IBM RAMAC 350, jehož kapacita činila přibližně 3,75 megabajtu. Jak daleko jsme se dostali za 51 let! Ale počkejte, je tu ještě něco.
2009
V roce 2009 začaly technické práce na vývoji energeticky nezávislé expresní paměti, nebo . Energeticky nezávislá paměť (NVM) je typ paměti, který může trvale uchovávat data, na rozdíl od paměti závislé na energii, jež vyžaduje stálé napájení pro uchování dat. NVMe vyplňuje potřebu škálovatelného rozhraní hostitelského ovladače pro periferní komponenty na bázi polovodičových uložišť s podporou technologie PCIe, odtud název NVMe. Více než 90 společností se zapojilo do pracovní skupiny pro vývoj projektu. Vše to bylo založeno na výsledcích pracovních skupin pro stanovení specifikace rozhraní energeticky nezávislé paměti hostitelského ovladače (NVMHCIS). Nejlepší disky NVMe dosud mohou zpracovávat přibližně 3500 megabajtů za sekundu při čtení a 3300 megabajtů za sekundu při zápisu. Zapsat bajt dat j, od kterého jsme začali, lze velmi rychle ve srovnání s párem minut ručního pletení paměti pro Apollo Guidance Computer.
Současnost a budoucnost
Memory Class Storage
Nyní, když jsme podnikli cestu časem (ha!), podívejme se na současný stav paměti Storage Class Memory. SCM, podobně jako NVM, je trvalá, ale SCM také poskytuje výkon, který je lepší nebo srovnatelný s hlavní pamětí, a také . Cílem SCM je řešit některé dnešní problémy s cache, jako je nízká hustota statické paměti s náhodným přístupem (SRAM). S pomocí dynamické operační paměti (DRAM) můžeme dosáhnout lepší hustoty, ale to je dosaženo na úkor pomalejšího přístupu. DRAM také trpí potřebou stálého napájení pro aktualizaci paměti. Podívejme se na to podrobněji. Napájení je nutné, protože elektrický náboj na kondenzátorech postupně uniká, což znamená, že bez zásahu budou data na čipu brzy ztracena. Aby se předešlo takovému úniku, DRAM vyžaduje externí obvod pro aktualizaci paměti, který pravidelně přepisuje data do kondenzátorů, obnovující je na původní náboj.
Paměť na bázi změny fáze (Phase-change memory, PCM)
Dříve jsme se zabývali tím, jak se mění fáze u CD-RW. PCM funguje podobně. Materiálem, který lze měnit fázi, je obvykle Ge-Sb-Te, také známý jako GST, který může existovat ve dvou různých stavech: amorfním a krystalickém. Amorfní stav má vyšší odpor, což značí 0, zatímco krystalický stav reprezentuje 1. Přidělením hodnot dat mezi těmito odpory může PCM sloužit k ukládání více stavů ve formě .
Paměť s přenosem momentu točivého momentu (STT-RAM)
STT-RAM se skládá ze dvou feromagnetických, trvalých magnetických vrstev oddělených dielektrikem, tedy izolantem, který může přenášet elektrickou energii bez vodivosti. Ukládá bity dat na základě rozdílu magnetických směrů. Jedna magnetická vrstva, nazývaná referenční, má pevný magnetický směr, zatímco druhá magnetická vrstva, nazývaná volná, má magnetický směr, který je řízen procházejícím proudem. Pro 1 směr magnetizace jsou obě vrstvy zarovnány. Pro 0 mají obě vrstvy opačné magnetické směry.
Rezistivní paměť s náhodným přístupem (Resistive random access memory, ReRAM)
Buňka ReRAM se skládá ze dvou kovových elektrod oddělených vrstvou kovového oxidu. Je to poněkud podobné návrhu flash paměti Masuoka, kde elektrony pronikají skrze oxidovou vrstvu a uvíznou ve floating gates nebo naopak. Nicméně při použití ReRAM je stav buňky definován na základě koncentrace volného kyslíku v oxidu kovu.
I když jsou tyto technologie slibné, mají stále nevýhody. PCM a STT-RAM mají vysokou latenci při zápisu. Latence PCM je desetkrát vyšší než u DRAM, zatímco u STT-RAM je desetkrát vyšší než u SRAM. PCM a ReRAM mají omezení na dobu zápisu, dokud nenastane vážná chyba, což znamená, že paměťový prvek uvízne na .
V srpnu 2015 společnost Intel oznámila uvedení Optane, svého produktu založeného na 3DXPoint. Optane tvrdí, že jeho výkon je 1000krát vyšší než u NAND SSD, zatímco cena je čtyřikrát až pětkrát vyšší než u flash paměti. Optane je důkazem, že SCM není jen experimentální technologií. Bude zajímavé sledovat vývoj těchto technologií.
Pevné disky (HDD)
Heliový pevný disk (HHDD)
Heliový disk je vysoce kapacitní pevný disk (HDD), naplněný heliem a hermeticky uzavřený během výroby. Stejně jako jiné pevné disky, jak jsme již dříve zmínili, vypadá to jako přehrávač s otáčejícími se plotnami s magnetickým povrchem. Typické pevné disky mají uvnitř vzduch, avšak tento vzduch způsobuje určité odpor při otáčení ploten.
Heliové balónky lítají, protože je helium lehčí než vzduch. Ve skutečnosti helium má 1/7 hustoty vzduchu, což umožňuje snížit brzdnou sílu při otáčení ploten, a tím se snižuje množství energie potřebné k otáčení disků. Nicméně, tato vlastnost je sekundární, hlavním rozlišovacím znakem helia bylo, že umožňuje zabalit 7 ploten do stejného formátu, který obvykle pojmul pouze 5. Pokud si vzpomeneme na analogii s křídlem našeho letadla, to je ideální analogie. Protože helium snižuje odpor, turbulence je vyloučena.
Je nám také známo, že helium z balónků po několika dnech uniká, což způsobuje, že začínají klesat. To samé platí i pro úložiště. Trvalo roky, než se výrobcům podařilo vytvořit obal, který zabrání úniku helia z formátu po celou dobu životnosti disku. Společnost Backblaze provedla experimenty a zjistila, že roční chybovost pevných disků s heliem byla 1,03 %, zatímco u standardních 1,06 %. Samozřejmě, že tento rozdíl je tak malý, že z něj nelze učinit žádný významný závěr. .
Formát, naplněný heliem, může obsahovat pevný disk, který je zakryt pomocí PMR, o kterém jsme hovořili výše, nebo mikrovlno-magnetický záznam (MAMR) či magnetický záznam s ohřevem (HAMR). Jakoukoli magnetickou technologii ukládání dat lze kombinovat s heliem místo vzduchu. V roce 2014 společnost HGST spojila dvě pokročilé technologie ve svém pevném disku s heliem s kapacitou 10 TB, který používal hostem řízený šindelový magnetický záznam, nebo SMR (Shingled magnetic recording). Trochu se zastavíme u SMR a poté se podíváme na MAMR a HAMR.
Technologie šindelového magnetického záznamu
Dříve jsme se zaměřili na kolmé magnetické záznamy (PMR), které byly předchůdcem SMR. Na rozdíl od PMR, SMR zapisuje nové dráhy, které překrývají část dříve zapsané magnetické dráhy. To zase zúží předchozí dráhu a umožní vyšší hustotu drah. Název technologie pochází z toho, že dráhy se přesahují, což velmi připomíná šindelové dráhy na střeše.
SMR vede k mnohem složitějšímu procesu zápisu, protože při zápisu na jednu dráhu se přepisuje sousední dráha. To se neprojevuje, když je podložka disku prázdná a data jsou sekvenční. Ale jakmile začnete zapisovat na sérii drah, které již obsahují data, existující sousední data jsou vymazána. Pokud sousední dráha obsahuje data, musí být přepsána. To je docela podobné NAND flash, o které jsme hovořili dříve.
Zařízení SMR umožňují skrýt tuto složitost díky správě vestavěného softwaru, čímž vzniká rozhraní podobné jakémukoli jinému pevnému disku. Na druhé straně, zařízení SMR řízená hostitelem, bez speciální adaptace aplikací a operačních systémů, neumožní použití těchto disků. Hostitel musí provádět zápis na zařízení přísně sekvenčně. Při tom je výkon zařízení 100% předvídatelný. Společnost Seagate zahájila dodávky pevných disků SMR v roce 2013, tvrdíc, že jejich hustota je o 25% než hustota PMR.
Mikrovlnné magnetické záznamy (MAMR)
Mikrovlnné magnetické záznamy (MAMR) je technologie magnetické paměti, která využívá energii podobnou HAMR (viz dále). Důležitou součástí MAMR je Spin Torque Oscillator (STO) neboli „generátor na bázi spinů“. Samotné STO je umístěno v těsné blízkosti zápisové hlavy. Po aplikaci proudu do STO dochází k vygenerování obvodového elektromagnetického pole s frekvencí 20-40 GHz díky polarizaci spinů elektronů.
Při působení takového pole v ferromagnetiku použitým pro MAMR dochází k rezonanci, což vede k precesi magnetických momentů domén v tomto poli. V podstatě se magnetický moment odchyluje od své osy a pro změnu jeho směru (otočení) potřebuje zápisová hlava mnohem méně energie.
Použití technologie MAMR umožňuje brát ferromagnetické látky s větší koercitivní silou, což znamená, že lze zmenšit velikost magnetických domén, aniž by došlo k obavám z superparamagnetického efektu. Generátor STO pomáhá zmenšit velikosti zápisové hlavy, což umožňuje zapisovat informace na menší magnetické domény a tedy zvyšuje hustotu zápisu.
Společnost Western Digital, známá také jako WD, představila tuto technologii v roce 2017. Krátce poté, v roce 2018, tuto technologii podpořila společnost Toshiba. Zatímco společnosti WD a Toshiba se zabývají vyhledáváním technologie MAMR, společnost Seagate sází na HAMR.
Termomagnetický záznam (HAMR)
Záznam na bázi magnetického tepla (HAMR) je energeticky efektivní magnetická technologie ukládání dat, která umožňuje výrazně zvýšit objem dat, která mohou být uložena na magnetickém zařízení, například na pevném disku, díky využití tepla dodávaného laserem, které pomáhá zapisovat data na povrch podložky pevného disku. Díky zahřívání jsou data na diskové podložce umístěna mnohem blíže k sobě, což zvyšuje hustotu a kapacitu dat.
Implementace této technologie je poměrně obtížná. Laser s výkonem 200 mW rychle malou oblast na 400 °C před zápisem, přičemž neovlivňuje a nepoškozuje ostatní data na disku. Proces zahřívání, zápisu dat a chlazení musí být dokončen za méně než nanosekundu. K řešení těchto úkolů bylo potřeba vyvinout nanoměřítková povrchová plasma, známá také jako laser se surface plasmonem, místo přímého zahřívání laserem, a také nové typy skleněných desek a termoizolačních povlaků, které odolávají rychlé bodové tepelné zátěži bez poškození zapisovací hlavy nebo jakýchkoli okolních dat, a různé další technické problémy, které bylo nutné překonat.
Přes četné skeptické hlasy společnost Seagate poprvé demonstrovala tuto technologii v roce 2013. První disky byly dodávány od roku 2018.
Konec pásky, toč zpět na začátek!
Začali jsme v roce 1951 a uzavíráme článek pohledem do budoucnosti technologie ukládání dat. Ukládání dat se v průběhu času značně změnilo: od papírových pásek po kovové a magnetické, paměť na šňůře, otáčející disky, optické disky, flash paměť a další. V průběhu pokroku se objevily rychlejší, kompaktnější a výkonnější zařízení pro ukládání dat.
Pokud srovnáme NVMe s kovovou páskou UNISERVO z roku 1951, NVMe může číst o 486 111 % více číslic za sekundu. Pokud porovnáme NVMe s mým oblíbeným dětským kouskem, Zip disky, NVMe může číst o 213,623 % více číslic za sekundu.
Jediné, co zůstává pravdivé, je používání 0 a 1. Způsoby, jak to děláme, se velmi liší. Doufám, že až příště budete zapisovat CD-RW s písněmi pro přítele nebo ukládat domácí video do Optical Disc Archive, vzpomenete si, jak neodrážející povrch převádí hodnotu na 0, zatímco odrážející na 1. Nebo když se chystáte vytvořit mixtape na kazetu, pamatujte, že to úzce souvisí s Datasette používanou v Commodore PET. Nakonec nezapomeňte být laskaví a přetočit zpět.
Děkuji a za lahodné kousky (nedokážu si pomoci) po celou dobu článku!
Co dalšího si můžete přečíst v blogu
→
→
→
→
→
Sledujte náš -kanál, abyste nezmeškali další článek! Publikujeme nejvýše dvakrát týdně a jen pokud je to nutné. A také připomínáme, že Cloud4Y může poskytnout bezpečný a spolehlivý vzdálený přístup k obchodním aplikacím a informacím nezbytným pro zajištění kontinuity podnikání. Práce na dálku je dalším bariérou v šíření koronaviru. Více informací od našich manažerů na .
Zdroj: habr.com
