Будь-який хмарний провайдер пропонує послугу зберігання даних. Це можуть бути холодні та гарячі сховища, Ice-cold, і т.д. У хмарі зберігати інформацію досить зручно. Але як взагалі зберігали дані 10, 20, 50 років тому? Cloud4Y переклав цікаву статтю, яка розповідає саме про це.
Байт даних може зберігатися різними способами, оскільки постійно з'являються нові, досконаліші і найшвидші носії інформації. Байт - це одиниця зберігання та обробки цифрової інформації, яка складається з восьми біт. В одному біті може бути записаний або 0 або 1.
У разі перфокарт біт зберігається як наявність/відсутність отвору в карті у певному місці. Якщо повернутися трохи далі в минуле до «Аналітичної машини Беббіджа», то регістри, що зберігають числа, були зубчастими колесами. У магнітних пристроїв зберігання, таких як стрічки та диски, біт представлений полярністю певної області магнітної плівки. У сучасній динамічній пам'яті з довільним доступом (DRAM) біт часто представлений у вигляді дворівневого електричного заряду, що зберігається у пристрої, що накопичує електричну енергію в електричному полі. Заряджена або розряджена ємність зберігає біт даних.
У червні 1956 року придумав слово для позначення групи бітів, що використовуються для кодування одного символу . Давайте трохи поговоримо про кодування символів. Почнемо з американського стандартного коду для інформаційного обміну, або ASCII (ASCII (англ. American standard code for information interchange). ASCII був заснований на англійському алфавіті, тому кожна буква, цифра та символ (a-z, A-Z, 0-9, +, - , /, ",! і т.д.) були представлені у вигляді 7-бітного цілого числа від 32 до 127. Це було не зовсім «дружелюбно» по відношенню до інших мов. Для підтримки інших мов, Юнікод розширив ASCII. кожен символ представлений у вигляді кодової точки або символу, наприклад, нижній регістр j - U + 006A, де U позначає Юнікод, а потім шістнадцяткове число.
UTF-8 - це стандарт для представлення символів у вигляді восьми біт, дозволяючи зберігати кожну кодову точку в діапазоні 0-127 в одному байті. Якщо ми згадаємо ASCII, це цілком нормально для англійських символів, але символи іншої мови часто виражені у двох або більше байтах. UTF-16 є стандартом представлення символів як 16 біт, а UTF-32— стандартом представлення символів як 32 біт. У ASCII кожен символ є байтом, а Юнікоді, що часто не зовсім вірно, символ може займати 1, 2, 3 або більше байтів. У статті використовуватимуться різні розмірні угруповання бітів. Кількість бітів у байті варіюється в залежності від конструкції носія.
У цій статті ми здійснимо подорож у часі по різних носіях інформації з метою занурення в історію зберігання даних. У жодному разі не будемо глибоко вивчати кожен окремий носій інформації, який будь-коли був винайдений. Перед вами кумедна інформаційна стаття, яка жодною мірою не претендує на енциклопедичну значимість.
Давайте почнемо. Припустимо, у нас є байт даних для зберігання: буква j, або у вигляді закодованого байта 6a, або у вигляді двійкового 01001010. Під час нашої подорожі в часі байт даних буде використовуватися в деяких технологіях зберігання, які будуть описуватися.
1951
Наша історія починається в 1951 році зі стрічкового накопичувача UNIVAC UNISERVO для комп'ютера UNIVAC 1. Це був перший стрічковий накопичувач, створений для комерційного комп'ютера. Стрічка була виготовлена з тонкої смужки нікельованої бронзи шириною 12,65 мм (званої Vicalloy) та довжиною майже 366 метрів. Наші байти даних могли зберігатися зі швидкістю 7 200 символів за секунду на стрічці, що рухається зі швидкістю 2,54 метри за секунду. На цьому етапі історії ви могли виміряти швидкість алгоритму зберігання на відстані, пройденій стрічкою.
1952
Перенесемося на рік вперед, до 21 травня 1952 року, коли IBM оголосила про випуск свого першого магнітного стрічкового блоку IBM 726. Тепер наш байт даних може бути переміщений з металевої стрічки UNISERVO на магнітну стрічку IBM. Цей новий будинок виявився дуже затишним для нашого маленького байта даних, оскільки на стрічці може зберігатися до 2 мільйонів цифр. Ця магнітна 7-доріжкова стрічка рухалася зі швидкістю 1,9 метра в секунду зі швидкістю передачі 12 500 або 7500 (у той час званих копіювальними групами) за секунду. Довідково: в середній статті на Хабрі приблизно 10 000 символів.
Стрічка IBM 726 налічувала сім доріжок, шість із яких служили для зберігання інформації, а одна - для контролю парності. На бобіні містилося до 400 метрів стрічки шириною 1,25 див. Швидкість передачі даних теоретично досягала 12,5 тис. символів на секунду; щільність запису – 40 біт на сантиметр. У цій системі використовувався метод «вакуумного каналу», у якому петля стрічки циркулювала між двома точками. Це дозволяло стрічці запускатися та зупинятися за частки секунди. Цього вдалося досягти за рахунок розміщення довгих вакуумних колонок між котушками стрічки та головками для читання/запису для того, щоб поглинати раптове збільшення натягу у стрічці, без якого стрічка, як правило, розірвалася б. Знімне пластикове кільце у задній частині котушки стрічки забезпечило захист від запису. На одній котушці стрічки можна зберігати близько 1,1 .
Згадайте VHS касети. Що потрібно було зробити для того, щоб переглянути фільм наново? Перемотати стрічку! А скільки разів ви крутили на олівці касету для плеєра, щоб не витрачати зайвий раз батарейки та не отримати порвану чи зажовану стрічку? Те саме можна сказати і про стрічки, що використовуються для комп'ютерів. Програми не могли просто перескочити через якусь ділянку стрічки навколо стрічки або випадково отримувати доступ до даних, вони могли читати та записувати дані строго послідовно.
1956
Якщо перенестись на кілька років уперед, у 1956 рік, то ера зберігання магнітних дисків почалася з завершення компанією IBM розробки комп'ютерної системи RAMAC 305, яку компанія Zellerbach Paper поставить у . У цьому комп'ютері вперше використали жорсткий диск з рухомою головкою. Дисковий накопичувач RAMAC складався з п'ятдесяти намагнічених металевих пластин діаметром 60,96 см, здатних зберігати близько п'яти мільйонів символів даних, 7 біт на символ і обертатися зі швидкістю 1200 обертів на хвилину. Місткість сховища становила близько 3,75 мегабайт.
RAMAC дозволяв у режимі реального часу отримати доступ до більших обсягів даних, на відміну від магнітної стрічки або перфокарт. Компанія IBM рекламувала RAMAC як пристрій, здатний зберігати еквівалент 64 000 . Раніше в RAMRAC була введена концепція безперервної обробки транзакцій у міру їх здійснення, щоб дані можна було витягувати відразу, поки вони ще свіжі. Тепер доступ до наших даних у RAMAC міг здійснюватися зі швидкістю 100 000 . Раніше при використанні стрічок нам доводилося записувати та зчитувати послідовні дані, і ми не могли випадково перестрибувати на різні ділянки стрічки. Довільний доступ до даних у режимі реального часу був воістину революційним на той час.
1963
Давайте перенесемося в 1963, коли була представлена DECtape. Назва походить від корпорації Digital Equipment Corporation, відомої як DEC. DECtape була недорогою та надійною, тому вона використовувалася у багатьох поколіннях комп'ютерів DEC. Це була 19-мм стрічка, заламінована і затиснута між двома шарами майлару на чотиридюймовій (10,16 см) котушці.
На відміну від її важких, великих попередників, стрічку DECtape можна було переносити вручну. Це робило її чудовим варіантом для персональних комп'ютерів. На відміну від 7-доріжкових аналогів, у DECtape було 6 доріжок даних, 2 доріжки міток та 2 для тактових імпульсів. Дані записувалися зі швидкістю 350 біт дюйм (138 біт см). Наш байт даних, який становить 8 біт, але може бути розширений до 12, міг передаватися на DECtape зі швидкістю 8325 12-бітних слів в секунду при швидкості стрічки 93 (±12) дюймів . Це на 8% більше цифр за секунду, ніж на металевій стрічці UNISERVO у 1952 році.
1967
Через чотири роки, в 1967 році, невелика команда IBM почала працювати над дисководом IBM під кодовою назвою . Тоді перед командою було поставлено завдання розробити надійний та недорогий спосіб завантаження мікрокодів у IBM System/370. Згодом проект було перепризначено та перепрофільовано для завантаження мікрокоду в контролер для IBM 3330 Direct Access Storage Facility під кодовою назвою Merlin.
Тепер наш байт може зберігатися на доступних лише для читання 8-дюймових гнучких дисках Mylar з магнітним покриттям, відомих сьогодні як дискети. На момент випуску продукт отримав назву IBM 23FD Floppy Disk Drive System. Диски могли вміщувати 80 кілобайт даних. На відміну від жорстких дисків користувач міг легко переносити дискету в захисній оболонці з одного диска на інший. Пізніше, в 1973 році, IBM випустила дискету для читання/запису, яка потім стала промисловою .
1969
У 1969 році на борту космічного корабля "Аполлон-11", який доставляв американських астронавтів на Місяць і назад, було запущено бортовий комп'ютер AGC (Apollo Guidance Computer) з "мотузковою пам'яттю" (rope memory). Ця мотузкова пам'ять була зроблена вручну і могла вміщувати 72 кілобайти даних. Виробництво мотузкової пам'яті було трудомістким, повільним і вимагало навичок, аналогічних до ткацької роботи; на вплетення програми у мотузкову пам'ять могли піти . Але це був правильний інструмент для тих часів, коли важливо було вмістити максимум жорстко обмежений простір. Коли дріт проходил через одну з кругових жил, він був 1. Дріт, що проходить навколо жили, був 0. Наш байт даних вимагав від людини кількох хвилин вплітань у мотузку.
1977
У 1977 році був випущений Commodore PET – перший (успішний) персональний комп'ютер. У PET було використано Commodore 1530 Datasette, що означає дані плюс касета. PET перетворював дані на аналогові звукові сигнали, які потім зберігалися на . Це дозволило створити економічне та надійне рішення для зберігання даних, хоч і дуже повільне. Наш маленький байт даних міг передаватися зі швидкістю близько 60-70 байт . Касети могли вміщати близько 100 кілобайт на 30-хвилинну сторону з двома сторонами на стрічку. Наприклад, з одного боку касети можна було б розмістити близько двох 55 КБ зображень. Datasette також використовувалися в Commodore VIC-20 та Commodore 64.
1978
Через рік, в 1978, MCA та Philips представили LaserDisc під назвою "Discovision". Фільм «Щелепи» став першим фільмом, проданим на LaserDisc у США. Якість звуку та відео на ньому було набагато краще, ніж у конкурентів, але лазерний диск виявився надто дорогим для більшості споживачів. На LaserDisc не можна було записувати на відміну від VHS касет, на які люди записували телевізійні програми. Лазерні диски працювали з аналоговим відео, аналоговим FM стереозвуком та імпульсно-кодовим. , або PCM, цифрового аудіо. Диски мали діаметр 12 дюймів (30,47 см) та складалися з двох односторонніх алюмінієвих дисків, покритих пластмасою. Сьогодні LaserDisc пам'ятають як основу CD та DVD.
1979
Роком пізніше, в 1979, Алан Шугарт і Фініс Коннер заснували компанію Seagate Technology з ідеєю масштабування жорсткого диска до розміру, що дорівнює 5 ¼-дюймової дискети, яка на той час була стандартною. Їхнім першим продуктом у 1980 р. став жорсткий диск Seagate ST506 – перший жорсткий диск для компактних комп'ютерів. Диск містив п'ять мегабайт даних, що на той час було вп'ятеро більше, ніж стандартна дискета. Засновники зуміли досягти своєї мети - зменшити розмір диска до розміру 5-дюймової дискети. Новий пристрій зберігання даних був жорсткою металевою пластиною, покритою з обох боків тонким шаром магнітного матеріалу для зберігання даних. Наші байти даних могли передаватися на диск зі швидкістю 625 кілобайт . Це приблизно .
1981
Перенесемося на кілька років уперед, до 1981 року, коли Sony представила перші 3,5-дюймові дискети. Компанія Hewlett-Packard стала першим послідовником цієї технології у 1982 році зі своїм HP-150. Це прославило 3,5-дюймові дискети і дало їм широке поширення в . Дискети були односторонніми з форматованою ємністю 161.2 кілобайт та неформатованою ємністю 218.8 кілобайт. У 1982 році було випущено двосторонню версію, і консорціум Microfloppy Industry Committee (MIC), що складається з 23 медіа-компаній, заснував специфікацію 3,5-дюймової дискети на оригінальному дизайні Sony, закріпивши формат в історії в тому вигляді, в якому ми його . Тепер наші байти даних можуть зберігатися на ранній версії одного з найпоширеніших носіїв: 3,5-дюймової дискети. Пізніше пара 3,5-дюймових дискет з стали найважливішою частиною мого дитинства.
1984
Незабаром після цього, в 1984 році, було оголошено про випуск компакт-диска з даними, доступними тільки для читання (Compact Disc Read-Only Memory, CD-ROM). Це були CD-ROM об'ємом 550 мегабайт від компаній Sony та Philips. Формат виріс із компакт-дисків з цифровим аудіо, або CD-DA, які використовувалися для розповсюдження музики. CD-DA був розроблений Sony та Philips у 1982 році, його ємність становила 74 хвилини. Згідно з легендою, коли Sony і Philips вели переговори про стандарт CD-DA, одна з чотирьох людей наполягала на тому, щоб вона могла всю "Дев'яту симфонію". Першим продуктом, випущеним на компакт-диску, стала "Електронна енциклопедія Грольє", що вийшла 1985 року. Енциклопедія містила дев'ять мільйонів слів, що зайняло лише 12% від наявного дискового простору, а це 553 . У нас було б більш ніж достатньо місця для енциклопедії та байта даних. Незабаром після цього, в 1985 році, комп'ютерні компанії працювали разом над створенням стандарту для дисків, щоб будь-який комп'ютер міг зчитувати інформацію.
1984
Також у 1984 році Фудзіо Маусока (Fujio Masuoka) розробив новий тип пам'яті з плаваючим затвором, названий флеш-пам'яттю, яка була здатна стиратися та перезаписуватися багаторазово.
Давайте трохи зупинимося на флеш-пам'яті, яка використовує транзистор із плаваючим затвором. Транзистори - це електричні затвори, які можна вмикати та вимикати окремо. Так як кожен транзистор може перебувати в двох різних станах (включеному і вимкненому), він може зберігати два різні числа: 0 і 1. Затвор, що плаває, відноситься до другого затвора, доданого до середнього транзистора. Цей другий затвор ізольований тонким оксидним шаром. Ці транзистори використовують невелику напругу, прикладене до затвора транзистора, для позначення того, включений він чи вимкнений, що, у свою чергу, перетворюється на 0 або 1.
З плаваючими затворами, коли через оксидний шар подається відповідна напруга, електрони проходять через нього і застряють на затворах. Тому навіть при відключенні живлення електрони залишаються на них. Коли на плаваючих затворах немає електронів, вони являють собою 1, а коли електрони застрягли - 0. Зворотний хід цього процесу та застосування відповідної напруги через оксидний шар у зворотному напрямку змушує електрони проходить через затвори, що плавають, і відновлювати транзистор назад у його початковий стан. Тому осередки зроблені програмованими та . Наш байт може бути запрограмований у транзисторі, як 01001010, з електронами, з електронами, що застрягли в плаваючих затворах, для представлення нулів.
Конструкція Масуока була трохи доступнішою, але менш гнучкою, ніж електрично стирається PROM (EEPROM), так як вона вимагала декількох груп осередків, які повинні були бути стерті разом, але це також пояснювалося його швидкістю.
Тоді Масуока працював на Toshiba. Врешті-решт він пішов працювати в Університет Тохоку, оскільки був незадоволений тим, що компанія не винагородила його за його роботу. Масуока подав до суду Toshiba, вимагаючи компенсації. 2006 року йому виплатили 87 мільйонів юанів, що еквівалентно 758 тисячам доларів США. Це досі здається несуттєвим з огляду на те, наскільки впливовою виявилася флеш-пам'ять в індустрії.
Якщо ми говоримо про флеш-пам'ять, варто також відзначити в чому різниця між NOR і NAND флеш-пам'яттю. Як ми вже знаємо від Масуока, флеш зберігає інформацію в осередках пам'яті, що складаються з транзисторів із плаваючим затвором. Назви технологій безпосередньо пов'язані з тим, як організовані осередки пам'яті.
У флеш-пам'яті NOR окремі осередки пам'яті з'єднуються паралельно, забезпечуючи довільний доступ. Така архітектура дозволяє скоротити час зчитування, необхідне довільного доступу до інструкцій мікропроцесора. Флеш-пам'ять NOR ідеально підходить для додатків з нижчою щільністю, які переважно тільки для зчитування. Саме тому більшість CPU завантажують свою прошивку, як правило, із флеш-пам'яті NOR. Масуока та його колеги представили винахід NOR flash у 1984 році та NAND flash у .
Розробники NAND Flash відмовилися від можливості довільного доступу, щоб отримати менший розмір комірки пам'яті. Це дає менший розмір чіпа і нижчу вартість розрахунку біт. Архітектура флеш-пам'яті NAND складається із послідовно з'єднаних транзисторів пам'яті, що складаються з восьми частин. Завдяки цьому досягається висока щільність зберігання, менший розмір комірки пам'яті, а також швидший запис та стирання даних, оскільки вона може одночасно програмувати блоки даних. Це досягається за рахунок необхідності перезапису даних, коли вони не записуються послідовно і дані вже існують у .
1991
Перейдемо до 1991 року, коли створили прототип твердотільного диска (SSD) компанією SanDisk, тоді відомої під назвою . Конструкція поєднувала в собі масив флеш-пам'яті, енергонезалежні чіпи пам'яті та інтелектуальний контролер для автоматичного виявлення та виправлення дефектних осередків. Об'єм диска становив 20 мегабайт при форм-факторі 2,5 дюйми, а його вартість оцінювалася приблизно в 1000 доларів США. Цей диск був використаний компанією IBM у комп'ютері .
1994
Одним із особисто мною улюблених з дитинства носіїв інформації був Zip Disks. У 1994 році компанія Iomega випустила Zip Disk, 100-мегабайтний картридж у 3,5-дюймовому форм-факторі, приблизно трохи товщі за стандартний 3,5-дюймовий диск. Пізніші версії дисків могли зберігати до 2 гігабайт. Зручність цих дисків у тому, що вони були розміром із дискету, але мали можливість зберігати більший обсяг даних. Наші байти даних можна було записувати на Zip-диск зі швидкістю 1,4 мегабайти на секунду. Для порівняння: на той час 1,44 мегабайта 3,5-дюймової дискети записувалися зі швидкістю близько 16 кілобайт на секунду. На Zip-диску голівки безконтактно зчитують/записують дані, ніби літаючи над поверхнею, що схоже на роботу жорсткого диска, але відрізняється від принципу роботи інших дискет. Незабаром Zip-диски застаріли через проблеми з надійністю та доступністю.
1994
Того ж року SanDisk представила CompactFlash, який широко використовувався у цифрових відеокамерах. Як і у випадку з компакт-дисками, швидкість CompactFlash заснована на "х"-рейтингах, таких як 8x, 20x, 133x та ін. Максимальна швидкість передачі даних розраховується на основі швидкості передачі оригінального аудіо CD, 150 кілобайт на секунду. Швидкість передачі має вигляд R = Kх150 кБ/с, де R — швидкість передачі, а K — номінальна швидкість. Таким чином, для 133x CompactFlash наш байт даних буде записаний на 133х150 кБ/с або близько 19 950 кБ/с або 19,95 Мб/с. Асоціація CompactFlash була заснована в 1995 році з метою створення промислового стандарту для карток пам'яті на основі флеш-пам'яті.
1997
Через кілька років, у 1997 році, був випущений компакт-диск з можливістю перезапису (CD-RW). Цей оптичний диск використовувався для зберігання даних, а також для копіювання та передачі файлів на різні пристрої. Перезаписувати компакт-диски можна близько 1000 разів, що на той час не було обмежуючим фактором, оскільки користувачі рідко перезаписували дані.
CD-RW засновані на технології зміни здатності поверхні, що відображає. У випадку CD-RW фазові зрушення у спеціальному покритті, що складається зі срібла, телуру та індія, викликають здатність відбивати або не відображати промінь, що зчитує, що означає 0 або 1. Коли з'єднання знаходиться в кристалічному стані, воно є напівпрозорим, що означає 1. Коли з'єднання розплавляється в аморфному стані, воно стає непрозорим і не відображає, що 0. Таким чином, ми могли б записати наш байт даних як 01001010.
DVD-диски зрештою зайняли більшу частину ринку з CD-RW.
1999
Давайте перейдемо до 1999 року, коли IBM представила найменші на той час жорсткі диски у світі: мікродиски IBM ємністю 170 і 340 МБ. Це були невеликі жорсткі диски розміром 2,54 см, призначені для встановлення слотів CompactFlash Type II. Планувалося створити пристрій, який використовуватиметься як CompactFlash, але з більшою ємністю пам'яті. Тим не менш, незабаром вони були замінені USB-флеш-накопичувачами, а потім і більшими картками CompactFlash, коли вони стали доступні. Як і інші жорсткі диски, мікродиски були механічними і містили невеликі диски, що обертаються.
2000
Роком пізніше, 2000 року, були представлені USB флеш-накопичувачі. Накопичувачі складалися з флеш-пам'яті, укладеної у невеликий форм-фактор з USB-інтерфейсом. Залежно від версії використовуваного інтерфейсу USB швидкість могла змінюватися. USB 1.1 обмежений 1,5 мегабіт в секунду, в той час як USB 2.0 може обробляти 35 мегабіт , а USB 3.0 - 625 мегабіт на секунду. Перші накопичувачі USB 3.1 типу C були анонсовані у березні 2015 року та мали швидкість читання/запису 530 мегабіт на секунду. На відміну від дискет і оптичних дисків, USB-пристрої складніше подряпати, але при цьому вони мають ті ж можливості зберігання даних, а також передачі і резервному копіюванні файлів. Диски для дискет і компакт-дисків швидко були витіснені USB-портами.
2005
У 2005 році виробники жорстких дисків (HDD) почали постачати продукцію з використанням перпендикулярного магнітного запису, або PMR. Досить цікаво, що це сталося в той же час як IPod Nano оголосила про використання флеш-пам'яті замість 1-дюймових жорстких дисків iPod Mini.
Типовий жорсткий диск містить один або кілька жорстких дисків, покритих магніточутливою плівкою, що складається з крихітних магнітних зерен. Дані записуються, коли магнітна записуюча головка пролітає трохи вище диска, що обертається. Це дуже схоже на традиційний грамофонний програвач, відмінність лише в тому, що у грамофоні голка перебуває у фізичному контакті із платівкою. У міру обертання дисків повітря, що стикається з ними, створює легкий вітерець. Подібно до того, як повітря на крилі літака створює підйомну силу, повітря генерує підйомну силу на головці аеродинамічної поверхні. . Головка швидко змінює намагніченість однієї магнітної області зерен так, що її магнітний полюс вказує нагору або вниз, позначаючи 1 або 0.
Попередником PMR був поздовжній магнітний запис, або LMR. Щільність запису PMR може перевищувати щільність запису LMR більш ніж тричі. Основна відмінність PMR від LMR полягає в тому, що структура зерна і магнітна орієнтація даних PMR носіїв є стовпчастою, а не поздовжньою. PMR має кращу термічну стабільність та покращене співвідношення сигнал-шум (SNR) завдяки кращому поділу зерна та рівномірності. Вона також відрізняється покращеною записуваністю завдяки сильнішим полям головки та кращому магнітному вирівнюванню носія. Як і LMR, фундаментальні обмеження PMR засновані на термічній стабільності бітів даних, що записуються магнітом, і необхідності мати достатню кількість SNR для зчитування записаної інформації.
2007
У 2007 році було оголошено про випуск першого жорсткого диска ємністю 1 ТБ від Hitachi Global Storage Technologies. Hitachi Deskstar 7K1000 використовував п'ять 3,5-дюймових 200-гігабайтних пластин і обертався зі швидкістю про/хв. Ця серйозна перевага в порівнянні з першим у світі жорстким диском IBM RAMAC 350, ємність якого складала приблизно 3,75 мегабайта. О, як далеко ми просунулися за 51 рік! Але зачекайте, є ще дещо.
2009
У 2009 році розпочалися технічні роботи зі створення енергонезалежної експрес-пам'яті, або . Енергонезалежна пам'ять (NVM) – це такий тип пам'яті, який може зберігати дані постійно, на відміну від енергозалежної пам'яті, яка потребує постійного живлення для збереження даних. NVMe задовольняє потребу в масштабованому інтерфейсі хост-контролера для периферійних компонентів на базі напівпровідникових накопичувачів з підтримкою технології PCIe, звідси і назва NVMe. Понад 90 компаній увійшли до робочої групи з розробки проекту. Все це було засноване на результатах роботи щодо визначення специфікації інтерфейсу енергонезалежної пам'яті хост-контролера (NVMHCIS). Найкращі на сьогоднішній день диски NVMe можуть обробляти близько 3500 мегабайт на секунду під час читання та 3300 мегабайт на секунду під час запису. Записати байт даних j, з якого ми почали, можна дуже швидко порівняно з парою хвилин ручного плетіння мотузкової пам'яті для Apollo Guidance Computer.
Сьогодення та майбутнє
Пам'ять класу зберігання
Тепер, коли ми здійснили подорож у часі (ха!), погляньмо на сучасний стан пам'яті Storage Class Memory. SCM, як і NVM, є стійким, але SCM ще й забезпечує продуктивність, що перевищує або можна порівняти з основною пам'яттю, а також . Метою SCM є вирішення деяких сьогоднішніх проблем із кешем, таких як низька щільність статичної пам'яті випадкового доступу (SRAM). За допомогою динамічної оперативної пам'яті (DRAM) ми можемо отримати кращу густину, але це досягається за рахунок повільнішого доступу. DRAM також страждає від потреби постійної потужності для оновлення пам'яті. Давайте трохи розберемося із цим. Живлення необхідно, так як електричний заряд на конденсаторах помалу витікає, тобто без втручання дані на чіпі скоро будуть втрачені. З метою запобігання такому витіканню DRAM вимагає зовнішньої схеми оновлення пам'яті, яка періодично перезаписує дані в конденсаторах, відновлюючи їх до початкового заряду.
Пам'ять на основі фазового переходу (Phase-change memory, PCM)
Раніше ми розглядали, як змінюється фаза для CD-RW. PCM схожий. Матеріалом для зміни фази зазвичай є Ge-Sb-Te, також відомий як GST, який може існувати у двох різних станах: аморфному та кристалічному. Аморфний стан має більш високий опір, що означає 0, ніж кристалічний стан, що позначає 1. Привласнюючи значення даних проміжним опорам, PCM може використовуватися для зберігання множинних станів у вигляді .
Spin-transfer torque random access memory (STT-RAM)
STT-RAM складається із двох феромагнітних, постійних магнітних шарів, розділених діелектриком, тобто ізолятором, який може передавати електричну силу без проведення. Вона зберігає біти даних, що ґрунтуються на різниці магнітних напрямків. Один магнітний шар, званий опорним, має фіксований магнітний напрямок, у той час як інший магнітний шар, званий вільним, має магнітний напрямок, яке контролюється струмом, що пропускається. Для 1 напрямок намагнічування двох шарів вирівнюється. Для 0 обидва шари мають протилежні магнітні напрямки.
Резистивна пам'ять із довільним доступом (ReRAM)
Осередок ReRAM складається з двох металевих електродів, розділених оксидним шаром металу. Небагато схоже на дизайн флеш-пам'яті Masuoka, де електрони проникають через оксидний шар і застряють у плаваючих воротах або навпаки. Однак при використанні ReRAM стан клітини визначається на основі концентрації вільного кисню в оксидному шарі металу.
Незважаючи на те, що ці технології багатообіцяючі, у них все ж таки є недоліки. PCM та STT-RAM мають високу затримку при записі. Затримки PCM у десять разів вищі, ніж у DRAM, тоді як у STT-RAM вони вдесятеро вищі, ніж у SRAM. PCM і ReRAM мають обмеження тривалість запису до виникнення серйозної помилки, що означає, що елемент пам'яті застряє на .
У серпні 2015 року компанія Intel оголосила про випуск Optane, свого продукту, збудованого на базі 3DXPoint. Optane стверджує, що продуктивність у 1000 разів вища, ніж у твердотільних накопичувачів NAND, а ціна в чотири-п'ять разів вища за флеш-пам'ять. Optane є доказом того, що SCM є не просто експериментальною технологією. Цікаво буде спостерігати за розвитком цих технологій.
Жорсткі диски (HDD)
Гелієвий жорсткий диск (HHDD)
Гелієвий диск – це жорсткий диск великої ємності (HDD), заповнений гелієм та герметично закритий у процесі виробництва. Як і інші жорсткі диски, як ми вже говорили раніше, він схожий на програвач з пластинкою, що обертається, з магнітним покриттям. Типові жорсткі диски просто мають повітря всередині порожнини, проте це повітря викликає певний опір при обертанні тарілок.
Гелієві кульки літають, тому що гелій легший за повітря. Фактично гелій становить 1/7 від густини повітря, що дозволяє зменшити силу гальмування при обертанні пластин, викликаючи зменшення кількості енергії, необхідної для обертання дисків. Тим не менш, ця особливість вторинна, основна відмінна характеристика гелію полягала в тому, що він дозволяє упаковувати 7 пластин у тому ж форм-факторі, який зазвичай містив лише 5. Якщо ми згадаємо аналогію з крилом нашого літака, то це ідеальний аналог. Оскільки гелій зменшує опір, турбулентність виключається.
Також нам відомо те, що гелієві кульки через кілька днів починають опускатися, тому що гелій із них виходить. Те саме можна сказати і про накопичувачі. Минули роки, перш ніж виробники змогли створити контейнер, що запобігає виходу гелію з форм-фактора протягом усього терміну служби приводу. Компанія Backblaze провела експерименти та виявила, що у жорстких дисків з гелієм річна похибка становила 1,03%, тоді як у стандартних 1,06%. Звичайно, ця різниця настільки мала, що зробити з неї серйозний висновок .
Форм-фактор, заповнений гелієм, може містити жорсткий диск, інкапсульований з використанням PMR, про який ми говорили вище, або мікрохвильовий магнітний запис (MAMR) або магнітний запис з нагріванням (HAMR). Будь-яку магнітну технологію зберігання даних можна поєднати з гелієм замість повітря. У 2014 році компанія HGST об'єднала дві передові технології у своєму жорсткому диску з гелієм ємністю 10 ТБ, в якому використовувався керований хостом черепичний магнітний запис, або SMR (Shingled magnetic recording). Трохи зупинимося на SMR, а потім розглянемо MAMR та HAMR.
Технологія черепичного магнітного запису
Раніше ми розглянули перпендикулярний магнітний запис (PMR), який був попередницею SMR. На відміну від PMR, SMR записує нові доріжки, які перекривають частину записаної раніше магнітної доріжки. Це, у свою чергу, робить попередню доріжку вужчою, забезпечуючи більш високу щільність доріжок. Назва технології пов'язана з тим, що доріжки внахлест дуже схожі на черепичні доріжки на даху.
SMR призводить до набагато складнішого процесу написання, тому що при записі на одну доріжку перезаписується сусідня доріжка. Не виявляється, коли підкладка диска порожня, а дані послідовні. Але як тільки ви записуєте на серію доріжок, які вже містять дані, сусідні дані стираються. Якщо суміжна доріжка містить дані, її потрібно переписати. Це досить схоже на NAND флеш, про яку ми говорили раніше.
Пристрої SMR дозволяють приховати цю складність за рахунок управління вбудованим ПЗ, в результаті чого виходить інтерфейс, подібний до будь-якого іншого жорсткого диска. З іншого боку, пристрої SMR, керовані хостом, без спеціальної адаптації додатків та операційних систем не дозволять використовувати ці диски. Хост повинен виконувати запис на пристрої послідовно. При цьому продуктивність пристроїв на 100% передбачувана. Компанія Seagate розпочала постачання дисків SMR у 2013 р., стверджуючи, що їх щільність на 25% густина PMR.
Мікрохвильовий магнітний запис (MAMR)
Microwave-assisted magnetic recording (MAMR) - це технологія магнітної пам'яті, що використовує енергію, аналогічну HAMR (розглянемо далі) Важливою частиною MAMR є Spin Torque Oscillator (STO) або генератор на основі обертання спинів. Сам STO знаходиться в безпосередній близькості до голівки запису. При прикладанні струму STO виникає генерація кругового електромагнітного поля з частотою 20-40 ГГц за рахунок поляризації спинів електронів.
При дії такого поля у феромагнетиці, який використовується для MAMR, відбувається резонанс, що призводить до прецесії магнітних моментів доменів у цьому полі. По суті магнітний момент відхиляється від своєї осі і для зміни його напрямку (перевороту) головці запису потрібно значно менше енергії.
Використання технології MAMR дозволяє взяти феромагнітні речовини з більшою коерцитивною силою, а отже, можна зменшити розмір магнітних доменів без побоювання викликати суперпарамагнітний ефект. Генератор STO допомагає зменшити розмір головки запису, що дає можливість записувати інформацію на магнітні домени меншого розміру, а значить і збільшує щільність запису.
Компанія Western Digital, також відома як WD, представила цю технологію у 2017 році. Незабаром після цього, у 2018 році компанія Toshiba підтримала цю технологію. У той час як компанії WD та Toshiba зайняті пошуком технології MAMR, компанія Seagate робить ставки на HAMR.
Термомагнітний запис (HAMR)
Heat-assisted magnetic recording (HAMR) - це енергозберігаюча магнітна технологія зберігання даних, що дозволяє значно збільшити обсяг даних, які можуть бути збережені на магнітному пристрої, наприклад, на жорсткому диску, за рахунок використання тепла, що подається лазером, щоб допомогти записати дані на поверхню підкладки жорсткого диска. Завдяки нагріванню біти даних розташовуються на дисковій підкладці набагато ближче один до одного, що дозволяє збільшити густину та ємність даних.
Цю технологію досить важко реалізувати. Лазер потужністю 200 мВт швидко крихітну область до 400 °С перед записом, при цьому не заважаючи і не пошкоджуючи решту даних на диску. Процес нагрівання, запису даних та охолодження має бути завершений менш ніж за наносекунду. Для вирішення цих завдань була потрібна розробка нанорозмірних поверхневих плазмонів, також відомих як лазер з поверхневим наведенням, замість прямого нагрівання лазером, а також нових типів скляних пластин і терморегулюючих покриттів, що дозволяють витримувати швидке точкове нагрівання без пошкодження записуючої головки або будь-яких прилеглих даних, та інші технічні проблеми, які потрібно було подолати.
Незважаючи на численні скептичні висловлювання, компанія Seagate вперше продемонструвала цю технологію, в 2013 році. Перші диски почали постачатись у 2018 році.
Кінець плівки, мотай на початок!
Ми розпочали з 1951 року і завершуємо статтю, зазирнувши у майбутнє технології зберігання. Сховища даних з часом сильно змінилося: від паперової стрічки до металевої та магнітної, мотузкової пам'яті, дисків, що обертаються, оптичних дисків, флеш-пам'яті та інших. У ході прогресу з'явилися більш швидкі, компактні та продуктивні пристрої для зберігання даних.
Якщо порівняти NVMe з металевою стрічкою UNISERVO 1951, то NVMe може зчитувати на 486 111% більше цифр в секунду. Якщо порівняти NVMe з моїм улюбленцем дитинства, Zip-дисками, NVMe може читати на 213,623% більше цифр на секунду.
Єдине, що залишається вірним, це використання 0 і 1. Способи, за допомогою яких ми це робимо, сильно змінюються. Я сподіваюся, що наступного разу, коли ви запишите CD-RW з піснями для друга або збережете домашнє відео в Optical Disc Archive, ви подумаєте про те, як поверхня, що не відображає, переводять значення в 0, а відображає — в 1. Або якщо ви пишете мікстейп на касету, пам'ятайте, що це дуже тісно пов'язане з Datasette, яка використовується в Commodore PET. Зрештою, не варто забувати бути добрим і перемотати.
Дякуємо и за ласі шматочки (нічого не можу з собою вдіяти) протягом усієї статті!
Що ще корисного можна почитати у блозі
→
→
→
→
→
Підписуйтесь на наш -Канал, щоб не пропустити чергову статтю! Пишемо не частіше двох разів на тиждень і лише у справі. А ще нагадуємо, що Cloud4Y може надати безпечний та надійний віддалений доступ до бізнес-додатків та інформації, необхідних для забезпечення безперервності бізнесу. Віддалена робота - додатковий бар'єр на шляху розповсюдження коронавірусу. Подробиці - у наших менеджерів на .
Джерело: habr.com