Jeder Cloud-Anbieter bietet einen Datenspeicherdienst an. Dies können kalte und warme Speicher, Ice-cold usw. sein. Es ist ziemlich bequem, Informationen in der Cloud zu speichern. Aber wie wurden Daten vor 10, 20, 50 Jahren gespeichert? Cloud4Y hat einen interessanten Artikel übersetzt, der genau darüber berichtet.
Ein Byte kann auf verschiedene Arten gespeichert werden, da ständig neue, leistungsfähigere und schnellere Speicherträger entwickelt werden. Ein Byte ist die Speichereinheit und Verarbeitungseinheit digitaler Informationen und besteht aus acht Bits. In einem Bit kann entweder 0 oder 1 gespeichert werden.
Bei Lochkarten wird ein Bit durch das Vorhandensein oder Fehlen eines Lochs an einer bestimmten Stelle in der Karte gespeichert. Wenn wir weiter in der Vergangenheit zurückgehen zur „Analytischen Maschine von Babbage“, waren die Register, die Zahlen speicherten, Zahnräder. Bei magnetischen Speichermedien wie Bändern und Festplatten wird ein Bit durch die Polarität eines bestimmten Bereichs des Magnetfilms dargestellt. In modernem dynamischen Random-Access-Speicher (DRAM) wird ein Bit häufig als elektrische Ladung auf zwei Ebenen dargestellt, die in einem Gerät gespeichert wird, das elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichert. Eine geladene oder entladene Kapazität speichert das Datenelement.
Im Juni 1956 prägte das Wort zum Bezeichnen einer Gruppe von Bits, die zur Kodierung eines einzelnen Zeichens . Lassen Sie uns ein wenig über die Zeichencodierung sprechen. Beginnen wir mit dem American Standard Code for Information Interchange, oder ASCII (ASCII, engl. für American standard code for information interchange). ASCII basiert auf dem englischen Alphabet, daher wurde jeder Buchstabe, jede Zahl und jedes Symbol (a-z, A-Z, 0-9, +, -, /, ", ! usw.) als 7-Bit-Ganzzahl von 32 bis 127 dargestellt. Dies war für andere Sprachen nicht sehr „benutzerfreundlich“. Um andere Sprachen zu unterstützen, erweiterte Unicode ASCII. In Unicode wird jedes Zeichen als Codepunkt oder Symbol dargestellt; zum Beispiel wird das Kleinbuchstaben j als U+006A dargestellt, wobei U für Unicode steht, gefolgt von der hexadezimalen Zahl.
UTF-8 ist ein Standard zur Darstellung von Zeichen in Form von acht Bit, der es ermöglicht, jeden Codepunkt im Bereich von 0-127 in einem Byte zu speichern. Wenn wir an ASCII denken, ist das für englische Zeichen durchaus normal, aber Zeichen anderer Sprachen werden oft in zwei oder mehr Bytes ausgedrückt. UTF-16 ist ein Standard zur Darstellung von Zeichen in Form von 16 Bit, während UTF-32 ein Standard zur Darstellung von Zeichen in Form von 32 Bit ist. Bei ASCII ist jedes Zeichen ein Byte, während in Unicode, was oft nicht ganz zutrifft, ein Zeichen 1, 2, 3 oder mehr Bytes belegen kann. In diesem Artikel werden verschiedene Bitgruppierungen verwendet. Die Anzahl der Bits in einem Byte variiert je nach Art des Speichermediums.
In diesem Artikel unternehmen wir eine Zeitreise durch verschiedene Informationsspeichermedien, um in die Geschichte der Datenspeicherung einzutauchen. Wir werden keinesfalls jedes einzelne Informationsmedium, das je erfunden wurde, im Detail untersuchen. Sie lesen hier einen unterhaltsamen Informationsartikel, der in keiner Weise den Anspruch auf enzyklopädische Bedeutung erhebt.
Lassen Sie uns beginnen. Angen wir, wir haben ein Byte Daten zum Speichern: den Buchstaben j, oder als kodiertes Byte 6a, oder in binärer Form 01001010. Im Laufe unserer Zeitreise werden diese Datenbytes in einigen Speichermedien verwendet, die beschrieben werden.
1951
Unsere Geschichte beginnt im Jahr 1951 mit dem Magnetbandlaufwerk UNIVAC UNISERVO für den Computer UNIVAC 1. Es war das erste Magnetbandlaufwerk, das für einen kommerziellen Computer entwickelt wurde. Das Band bestand aus einem dünnen Streifen nickelbeschichteter Bronze mit einer Breite von 12,65 mm (genannt Vicalloy) und einer Länge von fast 366 Metern. Unsere Datenbytes konnten mit einer Geschwindigkeit von 7.200 Zeichen pro Sekunde auf dem Band gespeichert werden, das sich mit 2,54 Metern pro Sekunde bewegte. Zu diesem Zeitpunkt der Geschichte konnten Sie die Geschwindigkeit des Speicheralgorithmus an der Strecke messen, die das Band zurücklegte.
1952
Lassen Sie uns ein Jahr zurückspringen, zum 21. Mai 1952, als IBM die Einführung ihres ersten Magnetbandlaufwerks, IBM 726, ankündigte. Jetzt kann unser Datenbyte von dem UNISERVO-Metallband auf das IBM-Magnetband übertragen werden. Dieses neue Zuhause erwies sich als sehr gemütlich für unser sehr kleines Datenbyte, da das Band bis zu 2 Millionen Ziffern speichern kann. Dieses magnetische 7-Spur-Band bewegte sich mit einer Geschwindigkeit von 1,9 Metern pro Sekunde und einer Übertragungsrate von 12.500 oder 7500 (damals als Kopiergruppen bezeichnet) pro Sekunde. Zum Vergleich: Ein durchschnittlicher Artikel auf Habr enthält etwa 10.000 Zeichen.
Das IBM 726-Band hatte sieben Spuren, von denen sechs zur Speicherung von Informationen dienten und eine zur Paritätskontrolle. Auf einer Rolle konnten bis zu 400 Meter Band mit einer Breite von 1,25 cm untergebracht werden. Die theoretische Datenübertragungsrate erreichte 12,5 Tausend Zeichen pro Sekunde; die Aufzeichnungsdichte betrug 40 Bit pro Zentimeter. In diesem System wurde die Methode des „Vakuumkanals“ verwendet, bei der die Bandwendel zwischen zwei Punkten zirkulierte. Dies ermöglichte es dem Band, in Bruchteilen von Sekunden zu starten und zu stoppen. Dies wurde erreicht, indem lange Vakuumrohre zwischen den Bandrollen und den Lese-/Schreibköpfen platziert wurden, um plötzliche Spannungsspitzen im Band aufzufangen, ohne die in der Regel das Band reißen würde. Ein abnehmbarer Plastikring am hinteren Ende der Bandrolle schützte vor Schreibzugriff. Auf einer Bandrolle können etwa 1,1 .
erinnert euch an VHS-Kassetten. Was musste man tun, um einen Film noch einmal anzusehen? Das Band zurückspulen! Und wie oft habt ihr eine Kassette für den Player um einen Bleistift gewickelt, um keine Batterien zu verschwenden und nicht ein gerissenes oder geklemmtes Band zu bekommen? Das Gleiche gilt für die Bänder, die für Computer verwendet wurden. Programme konnten nicht einfach einen Teil des Bands überspringen oder zufällig auf Daten zugreifen; sie konnten Daten streng sequenziell lesen und schreiben.
1956
Wenn wir ein paar Jahre weiter springen, ins Jahr 1956, begann das Zeitalter der Magnetdatenspeicherung mit dem Abschluss von IBMs Entwicklung des Computersystems RAMAC 305, das von der Firma Zellerbach Paper geliefert wurde. . In diesem Computer wurde erstmals eine Festplatte mit beweglichem Schreib-/Lesekopf verwendet. Der RAMAC-Datenträger bestand aus fünfzig magnetisierten Metallscheiben mit einem Durchmesser von 60,96 cm, die etwa fünf Millionen Zeichen Daten speichern konnten, 7 Bit pro Zeichen, und sich mit einer Geschwindigkeit von 1200 Umdrehungen pro Minute drehten. Die Speicherkapazität betrug etwa 3,75 Megabyte.
RAMAC ermöglichte in Echtzeit den Zugriff auf große Datenmengen, im Gegensatz zu Magnetbändern oder Lochkarten. IBM beworb RAMAC als ein Gerät, das das Äquivalent von 64.000 . In RAMAC wurde zuvor das Konzept der kontinuierlichen Transaktionsverarbeitung eingeführt, sodass Daten sofort abgerufen werden konnten, solange sie noch frisch waren. Mit RAMAC konnte auf unsere Daten nun mit einer Geschwindigkeit von 100.000 . Früher mussten wir beim Einsatz von Bändern sequenzielle Daten aufzeichnen und lesen, und wir konnten nicht zufällig zu verschiedenen Stellen im Band springen. Der Zufallszugriff auf Daten in Echtzeit war zu dieser Zeit wirklich revolutionär.
1963
Lassen Sie uns ins Jahr 1963 zurückkehren, als DECtape vorgestellt wurde. Der Name stammt von der Digital Equipment Corporation, bekannt als DEC. DECtape war kostengünstig und zuverlässig, daher wurde sie in vielen Generationen von DEC-Computern verwendet. Es war ein 19-mm-Band, laminiert und zwischen zwei Lagen Mylar auf einer vier Zoll (10,16 cm) Spule eingelegt.
Im Gegensatz zu ihren schweren, großen Vorgängern konnte das DECtape-Band von Hand transportiert werden. Dies machte es zu einer ausgezeichneten Wahl für Personalcomputer. Im Gegensatz zu 7-Spur-Alternativen hatte DECtape 6 Datenspuren, 2 Spurene für Marken und 2 für Taktsignale. Die Daten wurden mit einer Geschwindigkeit von 350 Bit pro Zoll (138 Bit pro cm) aufgezeichnet. Unser Datenbyte, das aus 8 Bit besteht, aber auf 12 erweitert werden kann, konnte mit einer Geschwindigkeit von 8325 12-Bit-Wörtern pro Sekunde auf DECtape übertragen werden, bei einer Bandgeschwindigkeit von 93 (±12) Zoll pro . Das sind 8 % mehr Ziffern pro Sekunde als bei dem Metallband UNISERVO im Jahr 1952.
1967
Vier Jahre später, im Jahr 1967, begann ein kleines Team von IBM mit der Entwicklung eines Laufwerks von IBM mit dem Codenamen . Dann erhielt das Team die Aufgabe, eine zuverlässige und kostengünstige Methode zur Bereitstellung von Mikrokodes in IBM System/370 zu entwickeln. Später wurde das Projekt umbenannt und umgeplant, um Mikrokod in den Controller für die IBM 3330 Direct Access Storage Facility unter dem Codenamen Merlin zu laden.
Jetzt kann unser Byte auf nur lesbaren 8-Zoll-Disketten aus Mylar mit magnetischer Beschichtung gespeichert werden, die heute als Disketten bekannt sind. Zum Zeitpunkt der Einführung wurde das Produkt IBM 23FD Floppy Disk Drive System genannt. Die Disks konnten 80 Kilobyte Daten speichern. Im Gegensatz zu Festplatten konnte der Benutzer die Diskette leicht in einer schützenden Hülle von einem Laufwerk zum anderen transportieren. Später, im Jahr 1973, brachte IBM eine beschreibbare Diskette heraus, die dann zum industriellen .
1969
Im Jahr 1969 wurde an Bord von Apollo 11, dem Raumschiff, das amerikanische Astronauten zum Mond und zurück brachte, der AGC (Apollo Guidance Computer) mit "Seilgedächtnis" (rope memory) gestartet. Dieses Seilgedächtnis wurde von Hand hergestellt und konnte 72 Kilobyte Daten speichern. Die Herstellung von Seilgedächtnis war zeitaufwändig, langsam und erforderte Fähigkeiten, die der Weberei ähnelten; das Einweben des Programms in das Seilgedächtnis konnte dauern. Aber es war das richtige Werkzeug für die damalige Zeit, als es wichtig war, möglichst viel in einem streng begrenzten Raum unterzubringen. Wenn der Draht durch eines der kreisförmigen Litzen führte, stellte dies eine 1 dar. Der Draht, der um das Litzenmaterial gewickelt war, stellte eine 0 dar. Unser Byte Daten benötigte einige Minuten, um in das Seil eingewebt zu werden.
1977
Im Jahr 1977 wurde der Commodore PET veröffentlicht - der erste (erfolgreiche) Personal Computer. Im PET wurde der Commodore 1530 Datasette verwendet, was Daten plus Kassette bedeutet. Der PET wandelte die Daten in analoge Tonsignale um, die dann auf gespeichert wurden. Dies ermöglichte eine kostengünstige und zuverlässige Lösung zur Datenspeicherung, wenn auch sehr langsam. Unser kleines Byte Daten konnte mit einer Geschwindigkeit von etwa 60-70 Bytes pro . Kassetten konnten etwa 100 Kilobyte pro 30-minütiger Seite speichern, mit zwei Seiten pro Band. Auf einer Seite der Kassette könnten beispielsweise etwa zwei 55 KB Bilder untergebracht werden. Datasette wurden auch im Commodore VIC-20 und Commodore 64 verwendet.
1978
Ein Jahr später, 1978, präsentierten MCA und Philips die LaserDisc namens „Discovision“. Der Film „Der weiße Hai“ war der erste Film, der in den USA auf LaserDisc verkauft wurde. Die Audio- und Videoqualität war weit überlegen im Vergleich zu den Wettbewerbern, jedoch war die LaserDisc für die meisten Verbraucher zu teuer. Auf der LaserDisc konnte man nicht aufnehmen, im Gegensatz zu VHS-Kassetten, auf denen die Menschen Fernsehsendungen aufnahmen. LaserDiscs arbeiteten mit analogem Video, analogem FM-Stereo-Sound und impulsmoduliertem, oder PCM, digitalem Audio. Die Discs hatten einen Durchmesser von 12 Zoll (30,47 cm) und bestanden aus zwei einseitigen Aluminiumscheiben, die mit Kunststoff beschichtet waren. Heute werden LaserDiscs als Grundlage für CD und DVD erinnert. , oder PCM, digitalem Audio. Die Discs hatten einen Durchmesser von 12 Zoll (30,47 cm) und bestanden aus zwei einseitigen Aluminiumscheiben, die mit Kunststoff beschichtet waren. Heute werden LaserDiscs als Grundlage für CD und DVD erinnert.
1979
Ein Jahr später, 1979, gründeten Alan Shugart und Finis Connor das Unternehmen Seagate Technology mit der Idee, die Festplatte auf die Größe einer 5 ¼-Zoll-Diskette zu skalieren, die damals Standard war. Ihr erstes Produkt im Jahr 1980 war die Seagate ST506 – die erste Festplatte für kompakte Computer. Die Disk konnte fünf Megabyte Daten speichern, was damals fünfmal mehr war als die standardmäßige Diskette. Die Gründer schafften es, ihr Ziel zu erreichen – die Größe der Disk auf die einer 5¼-Zoll-Diskette zu reduzieren. Das neue Speichermedium bestand aus einer harten Metallplatte, die auf beiden Seiten mit einer dünnen Schicht magnetischem Material zum Speichern von Daten beschichtet war. Unsere Datenbytes konnten mit einer Geschwindigkeit von 625 Kilobyte pro . Das ist ungefähr .
1981
Kommen wir ein paar Jahre weiter, ins Jahr 1981, als Sony die ersten 3,5-Zoll-Disketten vorstellte. Die Firma Hewlett-Packard war 1982 der erste Nachfolger dieser Technologie mit ihrem HP-150. Dies machte die 3,5-Zoll-Disketten berühmt und führte zu einer breiten Verbreitung in der . Die Disketten waren einseitig mit einer formatierten Kapazität von 161,2 Kilobyte und einer unformatierten Kapazität von 218,8 Kilobyte. 1982 wurde eine zweiseitige Version veröffentlicht, und das Konsortium „Microfloppy Industry Committee“ (MIC), bestehend aus 23 Medienunternehmen, legte die Spezifikation der 3,5-Zoll-Diskette auf dem ursprünglichen Design von Sony fest und sicherte das Format in der Geschichte in der Form, wie wir es . Nun konnten unsere Datenbytes auf der frühen Version eines der am weitesten verbreiteten Speichermedien gespeichert werden: der 3,5-Zoll-Diskette. Später ein Paar 3,5-Zoll-Disketten mit wurden zum wichtigsten Teil meiner Kindheit.
1984
Kurz darauf, im Jahr 1984, wurde die Veröffentlichung der CD-ROM (engl. Compact Disc Read-Only Memory) bekannt gegeben, die nur lesbare Daten enthielt. Es waren CD-ROMs mit einem Volumen von 550 Megabyte von den Unternehmen Sony und Philips. Das Format entstand aus den kompakten Discs mit digitalem Audio, oder CD-DA, die zur Verbreitung von Musik verwendet wurden. CD-DA wurde 1982 von Sony und Philips entwickelt und hatte eine Kapazität von 74 Minuten. Der Legende nach bestand einer von vier Personen bei den Verhandlungen über den CD-DA-Standard darauf, dass er Mebibyte Ebenfalls 1984 entwickelte Fujio Masuoka einen neuen Typ von Speicher mit einem Floating-Gate, genannt Flash-Speicher, der mehrfach gelöscht und wieder beschreiben werden konnte.
1984
Lassen Sie uns kurz auf den Flash-Speicher eingehen, der einen Transistor mit Floating-Gate verwendet. Transistoren sind elektrische Tore, die einzeln ein- und ausgeschaltet werden können. Da jeder Transistor in zwei verschiedenen Zuständen (ein und aus) sein kann, kann er zwei verschiedene Zahlen speichern: 0 und 1. Das Floating-Gate bezieht sich auf das zweite Gate, das dem mittleren Transistor hinzugefügt wurde. Dieses zweite Gate ist durch eine dünne Oxidschicht isoliert. Diese Transistoren nutzen eine geringe Spannung, die an das Gate des Transistors angelegt wird, um anzuzeigen, ob es ein- oder ausgeschaltet ist, was wiederum in 0 oder 1 übersetzt wird.
Lassen Sie uns einen Moment über Flash-Speicher sprechen, der mit einem Transistor mit schwimmendem Gate arbeitet. Transistoren sind elektrische Tore, die einzeln ein- und ausgeschaltet werden können. Da jeder Transistor sich in zwei verschiedenen Zuständen (ein und aus) befinden kann, kann er zwei verschiedene Zahlen speichern: 0 und 1. Das schwimmende Gate bezieht sich auf das zweite Gate, das zu einem mittleren Transistor hinzugefügt wurde. Dieses zweite Gate ist durch eine dünne Oxidschicht isoliert. Diese Transistoren verwenden eine geringe Spannung, die an das Gate des Transistors angelegt wird, um anzuzeigen, ob es ein- oder ausgeschaltet ist, was wiederum als 0 oder 1 interpretiert wird.
Bei schwimmenden Transistoren, wenn eine entsprechende Spannung durch die Oxidschicht angelegt wird, gelangen Elektronen hindurch und bleiben in den Transistoren stecken. Daher bleiben die Elektronen auch bei abgeschaltetem Strom erhalten. Wenn in den schwimmenden Transistoren keine Elektronen vorhanden sind, stellen sie eine 1 dar, und wenn die Elektronen stecken bleiben, ist dies eine 0. Die Umkehrung dieses Prozesses und die Anwendung der geeigneten Spannung durch die Oxidschicht in entgegengesetzter Richtung lassen die Elektronen durch die schwimmenden Transistoren hindurch und bringen den Transistor in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Daher sind die Zellen programmierbar und . Unser Byte kann im Transistor programmiert werden, als 01001010, mit Elektronen, die in den schwimmenden Transistoren stecken, um Nullen darzustellen.
Die Konstruktion von Masuoka war etwas zugänglicher, aber weniger flexibel als das elektrisch löschbare PROM (EEPROM), da es mehrere Gruppen von Zellen benötigte, die zusammen gelöscht werden mussten, was auch auf seine Geschwindigkeit zurückzuführen war.
Zu dieser Zeit arbeitete Masuoka bei Toshiba. Letztendlich verließ er das Unternehmen, um an der Tohoku-Universität zu arbeiten, da er mit der mangelnden Anerkennung seiner Arbeit durch das Unternehmen unzufrieden war. Masuoka verklagte Toshiba auf Schadensersatz. Im Jahr 2006 erhielt er 87 Millionen Yuan, was etwa 758.000 US-Dollar entspricht. Dies erscheint trotz der enormen Einflussnahme von Flash-Speicher in der Industrie immer noch als unbedeutend.
Da wir über Flash-Speicher sprechen, ist es auch wichtig, den Unterschied zwischen NOR- und NAND-Flash-Speicher zu erwähnen. Wie wir von Masuoka wissen, speichert Flash Informationen in Speichermodulen, die aus Transistoren mit schwimmendem Gate bestehen. Die Bezeichnungen der Technologien sind direkt mit der Organisation der Speichermodule verbunden.
Im NOR-Flash-Speicher werden einzelne Speichermodule parallel verbunden, was den zufälligen Zugriff ermöglicht. Diese Architektur verkürzt die Lesezeiten, die für den zufälligen Zugriff auf die Mikroprozessorbefehle erforderlich sind. NOR-Flash-Speicher ist ideal für Anwendungen mit niedrigerer Dichte, die hauptsächlich nur zum Lesen verwendet werden. Aus diesem Grund laden die meisten CPUs ihre Firmware normalerweise aus dem NOR-Flash-Speicher. Masuoka und seine Kollegen präsentierten die Erfindung des NOR-Flashs im Jahr 1984 und des NAND-Flashs im. .
Die Entwickler von NAND-Flash haben auf die Möglichkeit des direkten Zugriffs verzichtet, um eine kleinere Speicherzelle zu erreichen. Dies führt zu einer kleineren Chipgröße und geringeren Kosten pro Bit. Die Architektur des NAND-Flash-Speichers besteht aus in Reihe geschalteten Speichermosfets, die aus acht Teilen bestehen. Dadurch wird eine hohe Speicherdichte erreicht, eine kleinere Speicherzelle, sowie schnellere Datenbeschreibungs- und Löschoperationen, da sie gleichzeitig Datenblöcke programmieren kann. Dies wird erreicht, indem die Notwendigkeit zur Umschreibung von Daten entsteht, wenn sie nicht sequenziell geschrieben werden und bereits Daten vorhanden sind in .
1991
Kommen wir ins Jahr 1991, als ein Prototyp eines Solid-State-Laufwerks (SSD) von SanDisk, damals unter dem Namen , entwickelt wurde. Die Konstruktion kombinierte ein Array von Flash-Speicher, nichtflüchtige Speichermodule und einen intelligenten Controller zur automatischen Erkennung und Korrektur von fehlerhaften Zellen. Die Kapazität des Laufwerks betrug 20 Megabyte bei einem Formfaktor von 2,5 Zoll, und die Kosten wurden auf etwa 1000 US-Dollar geschätzt. Dieses Laufwerk wurde von IBM in dem Computer .
1994
Eines meiner persönlichen Lieblingsspeichermedien seit meiner Kindheit waren Zip-Disketten. 1994 brachte das Unternehmen Iomega die Zip-Disk heraus, ein 100-Megabyte-Kassettenlaufwerk im 3,5-Zoll-Format, das etwa etwas dicker war als eine standardmäßige 3,5-Zoll-Diskette. Neuere Versionen konnten bis zu 2 Gigabyte speichern. Der Vorteil dieser Disks bestand darin, dass sie die Größe einer Diskette hatten, aber die Möglichkeit boten, eine größere Datenmenge zu speichern. Unsere Datenbytes konnten mit einer Geschwindigkeit von 1,4 Megabyte pro Sekunde auf die Zip-Disk geschrieben werden. Zum Vergleich: Zu dieser Zeit wurden 1,44 Megabyte auf einer 3,5-Zoll-Diskette mit einer Geschwindigkeit von etwa 16 Kilobyte pro Sekunde geschrieben. Auf der Zip-Disk lesen und schreiben die Köpfe kontaktlos Daten, als würden sie über die Oberfläche gleiten, was dem Betrieb einer Festplatte ähnelt, sich jedoch vom Prinzip anderer Disketten unterscheidet. Bald wurden Zip-Disketten wegen ihrer Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsprobleme überholt.
1994
Im gleichen Jahr stellte SanDisk CompactFlash vor, das in digitalen Camcordern weit verbreitet war. Wie bei den Compact Discs basierte die Geschwindigkeit von CompactFlash auf "x"-Ratings wie 8x, 20x, 133x usw. Die maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit wird auf Basis der Übertragungsrate eines Originalaudio-CDs mit 150 Kilobyte pro Sekunde berechnet. Die Übertragungsgeschwindigkeit sieht folgendermaßen aus: R = Kx150 kB/s, wobei R die Übertragungsrate und K die nominelle Geschwindigkeit ist. Für 133x CompactFlash wird also unser Datenbyte mit 133x150 kB/s oder etwa 19.950 kB/s oder 19,95 MB/s geschrieben. Der CompactFlash-Verband wurde 1995 gegründet, um einen Industriestandard für Speicherkarten auf Flash-Basis zu schaffen.
1997
Einige Jahre später, im Jahr 1997, wurde eine wiederbeschreibbare CD (CD-RW) vorgestellt. Diese optische Disc wurde zur Speicherung von Daten sowie zum Kopieren und Übertragen von Dateien auf verschiedene Geräte verwendet. Wiederbeschreibbare CDs können etwa 1000 Mal überschrieben werden, was zu dieser Zeit kein begrenzender Faktor war, da die Nutzer Daten selten überschrieben.
CD-RWs basieren auf der Technologie der Veränderung der Reflexionseigenschaften der Oberfläche. Bei CD-RW verursachen Phasenverschiebungen in einer speziellen Beschichtung aus Silber, Tellur und Indium die Fähigkeit, den Lesestrahl zu reflektieren oder nicht zu reflektieren, was 0 oder 1 bedeutet. Wenn die Verbindung in einem kristallinen Zustand ist, ist sie durchscheinend, was 1 bedeutet. Wenn die Verbindung in einen amorphen Zustand geschmolzen wird, wird sie undurchsichtig und nicht reflektierend, was 0 bedeutet. So könnten wir unser Datenbyte als 01001010 schreiben.
DVDs eroberten schließlich den Großteil des Marktes von CD-RWs.
1999
Kommen wir zum Jahr 1999, als IBM die damals kleinsten Festplatten der Welt vorstellte: die IBM-Mikrodisk mit 170 und 340 MB. Diese kleinen Festplatten mit einem Durchmesser von 2,54 cm waren für den Einbau in CompactFlash Type II-Slots vorgesehen. Es war geplant, ein Gerät zu entwickeln, das wie CompactFlash verwendet werden sollte, aber mit größerer Speicherkapazität. Bald wurden sie jedoch durch USB-Sticks und später durch größere CompactFlash-Karten ersetzt, als diese verfügbar wurden. Wie andere Festplatten waren Mikrodisk auch mechanisch und enthielten kleine rotierende Platten.
2000
Ein Jahr später, im Jahr 2000, wurden die USB-Flash-Laufwerke vorgestellt. Die Laufwerke bestanden aus Flash-Speicher, der in einem kleinen Formfaktor mit USB-Schnittstelle untergebracht war. Je nach Version der verwendeten USB-Schnittstelle konnte die Geschwindigkeit variieren. USB 1.1 ist auf 1,5 Megabit pro Sekunde beschränkt, während USB 2.0 35 Megabit pro Sekunde verarbeiten kann. , und USB 3.0 sogar 625 Megabit pro Sekunde. Die ersten USB 3.1 Typ-C Laufwerke wurden im März 2015 angekündigt und hatten eine Lese-/Schreibgeschwindigkeit von 530 Megabit pro Sekunde. Im Gegensatz zu Disketten und optischen Medien sind USB-Geräte schwieriger zu verkratzen, bieten jedoch dieselben Möglichkeiten zur Datenspeicherung sowie zur Übertragung und Sicherung von Dateien. Diskettenlaufwerke und CD-Laufwerke wurden schnell durch USB-Ports abgelöst.
2005
Im Jahr 2005 begannen die Hersteller von Festplattenlaufwerken (HDD) mit der Lieferung von Produkten mit senkrechter magnetischer Aufzeichnung, auch PMR genannt. Interessanterweise geschah dies zur selben Zeit, als iPod Nano die Verwendung von Flash-Speicher anstelle von 1-Zoll-Festplatten im iPod Mini ankündigte.
Eine typische Festplatte enthält eine oder mehrere Festplatten, die mit einer magnetisch empfindlichen Schicht bedeckt sind, die aus winzigen magnetischen Körnern besteht. Daten werden geschrieben, wenn der magnetische Schreibkopf knapp über der sich drehenden Platte schwebt. Das ähnelt sehr dem traditionellen Plattenspieler, mit dem Unterschied, dass bei einem Plattenspieler die Nadel physischen Kontakt mit der Platte hat. Während sich die Platten drehen, erzeugt die Luft, die mit ihnen in Kontakt kommt, einen leichten Lüftchen. So wie die Luft über dem Flügel eines Flugzeugs Auftrieb erzeugt, generiert die Luft Auftrieb auf dem Kopf der aerodynamischen Oberfläche, . Der Kopf ändert schnell die Magnetisierung eines magnetischen Bereichs der Körner, sodass sein Magnetpol nach oben oder unten zeigt und eine 1 oder 0 darstellt.
Der Vorgänger von PMR war die longitudinale Magnetaufzeichnung, oder LMR. Die Aufzeichnungsdichte von PMR kann die Dichte der LMR um mehr als das Dreifache übersteigen. Der Hauptunterschied zwischen PMR und LMR besteht darin, dass die Struktur der Körner und die magnetische Ausrichtung der gespeicherten Daten bei PMR-Trägern säulenartig und nicht longitudinal ist. PMR bietet eine bessere thermische Stabilität und ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) dank besserer Körnert Trennung und Gleichmäßigkeit. Es zeichnet sich auch durch eine verbesserte Beschreibbarkeit wegen stärkerer Kopfmagnetfelder und besserer magnetischer Ausrichtung des Trägers aus. Wie LMR basieren die fundamentalen Einschränkungen von PMR auf der thermischen Stabilität der magnetisch geschriebenen Datenbits und der Notwendigkeit, eine ausreichende SNR für das Lesen der gespeicherten Informationen zu haben.
2007
Im Jahr 2007 wurde die Markteinführung der ersten 1 TB Festplatte von Hitachi Global Storage Technologies angekündigt. Die Hitachi Deskstar 7K1000 verwendete fünf 3,5 Zoll große Platten mit je 200 Gigabyte und drehte sich mit einer Geschwindigkeit von U/min. Dies ist ein erhebliches Überlegenheit im Vergleich zur ersten Festplatte der Welt, der IBM RAMAC 350, deren Kapazität etwa 3,75 Megabyte betrug. Oh, wie weit wir in 51 Jahren gekommen sind! Aber warten Sie, es gibt noch mehr.
2009
Im Jahr 2009 begannen die technischen Arbeiten zur Entwicklung des nichtflüchtigen Flash-Speichers, oder . Nichtflüchtiger Speicher (NVM) ist eine Art von Speicher, der Daten dauerhaft speichern kann, im Gegensatz zu flüchtigem Speicher, der eine ständige Stromversorgung benötigt, um Daten zu erhalten. NVMe erfüllt die Anforderungen an eine skalierbare Host-Controller-Schnittstelle für Peripheriegeräte auf Basis von Halbleiterspeichern mit Unterstützung für die PCIe-Technologie, daher der Name NVMe. Über 90 Unternehmen traten der Arbeitsgruppe zur Entwicklung des Projekts bei. All dies basierte auf den Ergebnissen der Arbeit zur Festlegung der Spezifikationen der Schnittstelle für den nichtflüchtigen Speicher-Host-Controller (NVMHCIS). Die besten NVMe-Disks von heute können etwa 3.500 Megabyte pro Sekunde beim Lesen und 3.300 Megabyte pro Sekunde beim Schreiben verarbeiten. Das Schreiben eines Databytes j, mit dem wir begonnen haben, kann im Vergleich zu ein paar Minuten manueller Flechtarbeit für den Apollo Guidance Computer sehr schnell erfolgen.
Gegenwart und Zukunft
Speicherklasse-Speicher
Jetzt, da wir eine Zeitreise unternommen haben (ha!), lassen Sie uns einen Blick auf den aktuellen Stand des Speichers der Klasse Storage Class Memory werfen. SCM ist wie NVM beständig, bietet jedoch auch eine Leistung, die die der Hauptspeicher übertrifft oder mit ihr vergleichbar ist, sowie . Das Ziel von SCM besteht darin, einige der heutigen Cache-Probleme zu lösen, wie die niedrige Dichte von statischem Random-Access-Speicher (SRAM). Mit dynamischem RAM (DRAM) können wir eine bessere Dichte erreichen, aber das wird auf Kosten eines langsameren Zugriffs erreicht. DRAM leidet auch unter der Anforderung an dauerhaften Strom für die Aktualisierung des Speichers. Lassen Sie uns das näher betrachten. Strom ist erforderlich, da die elektrische Ladung in den Kondensatoren allmählich abfließt, das heißt, ohne Eingreifen gehen die Daten auf dem Chip bald verloren. Um solches Abfließen zu verhindern, benötigt DRAM einen externen Aktualisierungsschaltkreis, der die Daten regelmäßig in den Kondensatoren neu beschreibt, um sie wieder auf ihre ursprüngliche Ladung zu bringen.
Phasenwechsel-Speicher (Phase-change memory, PCM)
Früher haben wir gesehen, wie sich die Phase bei CD-RW verändert. PCM ist ähnlich. Das Material für die Phasenänderung ist normalerweise Ge-Sb-Te, auch bekannt als GST, das in zwei verschiedenen Zuständen existieren kann: amorph und kristallin. Der amorphe Zustand hat einen höheren Widerstand, der 0 darstellt, während der kristalline Zustand 1 darstellt. Durch die Zuweisung von Datenwerten an die dazwischen liegenden Widerstände kann PCM verwendet werden, um mehrere Zustände in Form von .
Spin-Transfer-Drehmoment-RAM (STT-RAM)
STT-RAM besteht aus zwei ferromagnetischen, permanenten Magnet-Schichten, die durch ein Dielektrikum getrennt sind, also einem Isolator, der elektrische Energie ohne Leitung übertragen kann. Es speichert Bits von Daten, basierend auf der Differenz der magnetischen Ausrichtungen. Eine Magnet-Schicht, die als Referenzmagnet bezeichnet wird, hat eine feste magnetische Ausrichtung, während die andere Magnet-Schicht, die als freier Magnet bezeichnet wird, eine magnetische Ausrichtung hat, die durch den fließenden Strom kontrolliert wird. Für 1 richten sich die Magnetisierungsrichtungen der beiden Schichten aus. Für 0 haben beide Schichten entgegengesetzte magnetische Ausrichtungen.
Resistive Speicher mit zufälligem Zugriff (Resistive random access memory, ReRAM)
Eine ReRAM-Zelle besteht aus zwei metallischen Elektroden, die durch eine Oxidschicht getrennt sind. Es ähnelt etwas dem Design von Flash-Speicher Masuoka, wo Elektronen durch die Oxidschicht dringen und in schwimmenden Toren stecken bleiben oder umgekehrt. Bei der Verwendung von ReRAM hingegen wird der Zustand der Zelle auf der Grundlage der Konzentration von freiem Sauerstoff in der Oxidschicht des Metalls bestimmt.
Obwohl diese Technologien vielversprechend sind, haben sie dennoch Nachteile. PCM und STT-RAM haben eine hohe Schreibverzögerung. Die Verzögerungen bei PCM sind zehnmal höher als die von DRAM, während sie bei STT-RAM zehnmal höher sind als bei SRAM. PCM und ReRAM haben eine Einschränkung bezüglich der Schreibdauer bis zum Auftreten eines schwerwiegenden Fehlers, was bedeutet, dass das Speicherelement auf .
Im August 2015 kündigte Intel die Einführung von Optane an, einem Produkt, das auf 3DXPoint basiert. Optane behauptet, dass die Leistung 1000 Mal höher ist als die von NAND-Flash-Laufwerken, während der Preis vier- bis fünfmal höher ist als der von Flash-Speicher. Optane ist der Beweis dafür, dass SCM nicht nur eine experimentelle Technologie ist. Es wird interessant sein, die Entwicklung dieser Technologien zu beobachten.
Festplatten (HDD)
Heliumfestplatte (HHDD)
Eine Heliumplatte ist eine hochkapazitive Festplatte (HDD), die mit Helium gefüllt und während der Produktion luftdicht verschlossen wird. Wie bei anderen Festplatten, wie bereits erwähnt, ähnelt sie einem Plattenspieler mit einer drehenden Platten mit magnetischer Beschichtung. Normale Festplatten haben einfach Luft im Gehäuse, jedoch verursacht diese Luft einen gewissen Widerstand beim Drehen der Platten.
Heliumkugeln fliegen, weil Helium leichter als Luft ist. Tatsächlich beträgt die Dichte von Helium 1/7 der Dichte von Luft, was die Bremskraft beim Drehen der Platten verringert und so die benötigte Energie zum Drehen der Platten reduziert. Dennoch ist dieses Merkmal sekundär; die Hauptunterscheidungsmerkmale von Helium bestehen darin, dass es ermöglicht, 7 Platten im gleichen Formfaktor unterzubringen, der normalerweise nur 5 Platz bietet. Wenn wir die Analogie mit dem Flügel unseres Flugzeugs betrachten, ist das ein ideales Beispiel. Da Helium den Widerstand verringert, wird Turbulenz ausgeschlossen.
Wir wissen auch, dass Heliumballons nach ein paar Tagen absinken, weil das Helium entweicht. Dasselbe gilt für die Speicherpuffer. Es dauerte Jahre, bis die Hersteller einen Behälter entwickeln konnten, der das Entweichen von Helium aus dem Formfaktor während der gesamten Lebensdauer des Laufwerks verhindert. Backblaze hat Experimente durchgeführt und festgestellt, dass bei Heliumfestplatten die jährliche Fehlerquote 1,03 % betrug, während sie bei Standardplatten 1,06 % lag. Natürlich ist dieser Unterschied so gering, dass es schwierig ist, daraus ernsthafte Schlussfolgerungen zu ziehen. .
Ein Heliumgefüllter Formfaktor kann eine Festplatte enthalten, die mithilfe von PMR eingekapselt ist, wie wir oben erwähnt haben, oder mikrohohe Magnetaufzeichnung (MAMR) oder Wärmeübertragung (HAMR). Jede magnetische Technologie zur Datenspeicherung kann mit Helium anstelle von Luft kombiniert werden. 2014 kombinierte HGST zwei fortschrittliche Technologien in ihrer 10-TB-Heliumfestplatte, die eine hostgesteuerte Schindelmagnetspeicherung oder SMR (Shingled Magnetic Recording) verwendete. Lassen Sie uns einen Moment über SMR sprechen und dann MAMR und HAMR betrachten.
Schindelmagnetspeicherung
Früher haben wir die senkrechte Magnetaufzeichnung (PMR) betrachtet, die der Vorgänger von SMR war. Im Gegensatz zu PMR zeichnet SMR neue Spuren auf, die teilweise mit zuvor geschriebenen Magnetspuren überlappen. Dies macht die vorhergehende Spur schmaler und ermöglicht eine höhere Spurendichte. Der Name der Technologie stammt von dem Überlappen der Spuren, das sehr an die Schindeln auf einem Dach erinnert.
SMR führt zu einem viel komplizierteren Schreibprozess, da beim Schreiben auf eine Spur die benachbarte Spur überschrieben wird. Dies zeigt sich nicht, wenn die Unterlage der Festplatte leer ist und die Daten zusammenhängend sind. Aber sobald Sie auf eine Reihe von Spuren schreiben, die bereits Daten enthalten, werden die bestehenden benachbarten Daten gelöscht. Wenn die benachbarte Spur Daten enthält, muss sie neu geschrieben werden. Dies ähnelt ziemlich dem NAND-Flash, über das wir zuvor gesprochen haben.
SMR-Geräte ermöglichen es, diese Komplexität durch die Steuerung der Firmware zu verbergen, wodurch eine Benutzeroberfläche entsteht, die jeder anderen Festplatte ähnelt. Auf der anderen Seite erlauben SMR-Geräte, die vom Host gesteuert werden, ohne spezielle Anpassung der Anwendungen und Betriebssysteme nicht die Nutzung dieser Platten. Der Host muss die Daten auf den Geräten strikt sequenziell schreiben. Dabei ist die Leistung der Geräte zu 100 % vorhersehbar. Seagate begann 2013 mit der Lieferung von SMR-Festplatten und behauptete, dass deren Dichte um 25 % die Dichte von PMR.
Mikrowellenmagnetaufzeichnung (MAMR)
Micro-Assistierte Magnetaufzeichnung (MAMR) ist eine Technologie der Magnetdatenspeicherung, die Energie ähnelt wie bei HAMR (wird später behandelt). Ein wichtiger Bestandteil von MAMR ist der Spin Torque Oscillator (STO) oder „Generator auf Basis von Spin-Drehmoment“. Der STO befindet sich in unmittelbarer Nähe zum Schreibkopf. Wenn Strom durch den STO fließt, wird ein zirkulares elektromagnetisches Feld mit einer Frequenz von 20-40 GHz durch die Polarisation der Elektronenspins erzeugt.
Durch das Einwirken eines solchen Feldes in einem Ferromagneten, der für MAMR verwendet wird, entsteht Resonanz, was zu einer Präzession der magnetischen Momente der Domänen in diesem Feld führt. Im Wesentlichen weicht das magnetische Moment von seiner Achse ab, und um seine Richtung (Umdrehung) zu ändern, benötigt der Schreibkopf deutlich weniger Energie.
Die Verwendung der MAMR-Technologie ermöglicht es, ferromagnetische Substanzen mit höherer Koerzitivkraft zu verwenden, was bedeutet, dass die Größe der magnetischen Domänen reduziert werden kann, ohne den superparamagnetischen Effekt zu befürchten. Der STO-Generator hilft dabei, die Größe des Schreibkopfes zu reduzieren, was es ermöglicht, Informationen auf kleinere magnetische Domänen zu schreiben, und somit die Aufzeichnungsdichte erhöht.
Die Firma Western Digital, auch bekannt als WD, stellte diese Technologie 2017 vor. Kurz darauf, im Jahr 2018, unterstützte die Firma Toshiba diese Technologie. Während WD und Toshiba damit beschäftigt sind, die MAMR-Technologie weiterzuentwickeln, setzt Seagate auf HAMR.
Thermomagnetische Aufzeichnung (HAMR)
Wärmeunterstützte magnetische Aufzeichnung (HAMR) ist eine energieeffiziente magnetische Datenspeichertechnologie, die es ermöglicht, die Menge an Daten, die auf einem magnetischen Gerät, wie z. B. einer Festplatte, gespeichert werden kann, erheblich zu erhöhen, indem Wärme verwendet wird, die durch einen Laser zugeführt wird, um zu helfen, Daten auf die Oberfläche des Festplattenträgers zu schreiben. Durch die Erwärmung können die Datenbits viel näher beieinander auf dem Plattenträger angeordnet werden, was die Dichte und Kapazität der Daten erhöht.
Diese Technologie ist ziemlich schwierig umzusetzen. Ein 200 mW Laser eine winzige Fläche auf bis zu 400 °C, bevor die Daten geschrieben werden, ohne die anderen Daten auf der Festplatte zu stören oder zu beschädigen. Der Prozess des Erhitzens, Schreibens der Daten und Kühlens muss in weniger als einer Nanosekunde abgeschlossen sein. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, war die Entwicklung von nanogrößigen Oberflächenplasmonen notwendig, die auch als Laser mit Oberflächenanregung bekannt sind, anstelle einer direkten Lasererwärmung, sowie neuer Glasplattentypen und thermoregulierenden Beschichtungen, die schnelles punktuelles Erhitzen ohne Beschädigung des Schreibkopfes oder der angrenzenden Daten aushalten können, und verschiedene andere technische Probleme, die überwunden werden mussten.
Trotz zahlreicher skeptischer Äußerungen stellte das Unternehmen Seagate diese Technologie erstmals 2013 vor. Die ersten Festplatten wurden 2018 ausgeliefert.
Film Ende, spule zum Anfang!
Wir haben im Jahr 1951 begonnen und beenden den Artikel mit einem Blick in die Zukunft der Speichertechnologie. Datenspeicher hat sich im Laufe der Zeit erheblich verändert: von Papierbändern über metallische und magnetische Bänder, Schnurgedächtnisse, rotierende Platten, optische Discs, Flash-Speicher und mehr. Im Zuge des Fortschritts sind schnellere, kompaktere und leistungsfähigere Datenspeichergeräte entstanden.
Vergleicht man NVMe mit dem metallischen Band UNISERVO aus dem Jahr 1951, kann NVMe 486.111 % mehr Ziffern pro Sekunde lesen. Im Vergleich zu meinem Kindheitsfavoriten, den Zip-Disks, kann NVMe 213,623 % mehr Ziffern pro Sekunde lesen.
Das Einzige, was bleibt, ist die Verwendung von 0 und 1. Die Methoden, mit denen wir dies tun, variieren stark. Ich hoffe, dass Sie beim nächsten Mal, wenn Sie eine CD-RW mit Songs für einen Freund brennen oder ein Heimvideo im Optical Disc Archive speichern, darüber nachdenken, wie die nicht reflektierende Oberfläche den Wert in 0 und eine reflektierende Oberfläche in 1 übersetzt. Oder wenn Sie ein Mixtape auf ein Kassettenband aufnehmen, denken Sie daran, dass dies eng mit dem Datasette verbunden ist, das im Commodore PET verwendet wurde. Schließlich sollten Sie nicht vergessen, freundlich zu sein und zurückzuspulen.
Danke und für die Leckerbissen (ich kann nichts dafür) während des gesamten Artikels!
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Quelle: habr.com
