В первой части статьи мы поговорили в основном про совсем старые способы хранения компьютерной информации, которые сегодня почти не используются. Теперь же речь пойдет о тех хранилищах, которыми пользовались или хотя бы видели даже молодые читатели.
70-ые годы. Перфокарты уже почти вытеснены с рынка магнитными лентами, которые тоже остаются достаточно массовыми лишь в виде кассет в первых по-настоящему персональных компьютерах. Нужен какой-то новый носитель информации, который, с одной стороны, будет достаточно легким и дешевым, а с другой — простым и универсальным.
То, что нужно использовать магнитную запись, вопросов не вызывало: ее развивали с 30-ых годов, перейдя от металлизированной бумаги с парой дорожек к полимерной пленке, где может быть с пару десятков дорожек, сделав хранение информации на ней достаточно дешевой и надежной. Однако у магнитной ленты была одна критическая для компьютеров проблема — вы могли читать с нее данные последовательно, и если вам нужен другой файл, то ленту приходилось физически мотать до его месторасположения. Конечно, для видео или аудио это не было особой проблемой, как и для первых программ, которые полностью загружались в память компьютера. Но уже в конце 60-ых желание быстро добираться до нужных данных стало приоритетным над емкостью — и, в 1971 году, Алан Шугарт, работающий в IBM, представил миру первую 8" дискету и дисковод для нее.
8" дискета на фоне картриджа для ZX Spectrum и обычной SD-карты.
Дискета вобрала в себя все лучшее и от жесткого диска, и от магнитной ленты. Внутри нее, как и у HDD, находится диск с магнитным слоем, информация на который записывается и считывается магнитной головкой. Только если в случае с винчестером диск металлический, то у дискеты он полимерный. К тому же он не вращается постоянно, а лишь тогда, когда системе нужно получить доступ к определенным данным на нем. Первая дискета Шугарта имела емкость всего 80 КБ, однако ее достаточно быстро довели до 800 — для середины 70-ых это было достаточно много.
К слову, в ранних дисках не было четко заданных дорожек, поэтому с емкостью дискеты можно было экспериментировать, по-разному записывая на нее информации. Увы — зачастую эксперименты заканчивались печально: информация терялась просто при обычном хранении, а попытка прочитать дискету на ином компьютере с другой ОС заканчивалась провалом.
8" дискеты прожили на рынке очень недолго — уже в 1976 году компания Shugart Technology представляет 5.25" дискеты. Меньший размер позволил дискете быть более жесткой, к тому же внутри появились мягкие антифрикционные прокладки, снижающие износ диска. Также был разработан механизм фиксации диска в дисководе, специальная выемка справа: таким образом больше нельзя было вставить в него дискету не той стороной. Ну и разумеется подросли емкости: самый минимум был 110 КБ, максимум — 1200.
Сравнение размеров 8", 5.25" и 3.5" дискет.
Также к середине 70-ых стало понятно, что зачастую можно безболезненно увеличить емкость дискеты в разы, используя два простых способа. Первый — это запись на двух сторонах магнитного диска, Double Side или 2S: для этого в дисководе было две головки с двух сторон, что позволяло удвоить объем записываемой информации. Второй способ — это увеличение плотности записи, обычно опять же в два раза (Double Density, 2D). Более того, поздние 5.25" могли иметь уже четвертную плотность записи (Quad Density, QD) — увы, немногие дисководы могли с ними работать, но обратную совместимость никто не отменял: при форматировании ее в 2D она продолжала отлично работать, а вот форматирование 2D дискеты в QD срабатывало далеко не всегда.
Все эти дискеты выше — уже древнючая древность, и увидеть их вы сможете разве что в своеобразных компьютерных музеях. «Современным» типом дискет, которые еще можно встретить в продаже, являются 3.5": их вывела на рынок Sony в 1981 году, причем сразу в версии с двойной плотностью и объемом 720 КБ (9 секторов). Привычные нам дискеты высокой плотности появились в 1984 году и имели объем 1.44 МБ (18 секторов), а в 1987 году Toshiba разработала дискету сверхвысокой плотности, на которую можно было записать аж 2.88 МБ (36 секторов) информации.
3.5" дискета внутри.
Главное отличие 3.5" дискет от более старых — увеличившаяся надежность. Так, теперь диск был спрятан в достаточно жесткий пластиковый кейс, а место считывания было прикрыто металлической заслонкой. Но, увы, все еще это было не самое надежное хранилище информации: чтобы повредить данные на дискете, зачастую хватало пары поездок в троллейбусе или трамвае. Однако их цена и универсальность сделали свое дело: 3.5" дискеты прожили больше 20 лет, и лишь в середине нулевых стали вытесняться флешками.
К слову, на 3.5" прогресс не завершился: были и 3" дискеты для ZX Spectrum, и 2" для записи композитного видео, и интересные накопители Iomega Zip: в середине 90-ых они имели объем аж в 100 МБ. Увы — они не взлетели: дисководы для них стоили безумных денег и были крайне ненадежны, так что все продолжили пользоваться 3.5" накопителями.
DRAM
В первой части статьи мы поговорили про ферритовую память, которую буквально ткали руками. Очевидно, что она достаточно быстро нашла свой предел, и нужно было что-то менять. Светлая мысль в данном вопросе пришла в голову Роберду Деннарду, работающему в IBM: раз мы используем полупроводниковые процессоры, то почему бы нам не сделать полупроводниковую память?
Базовая структура массива ячеек DRAM.
Так и родилась в 1966 году динамическая память с произвольным доступом, или DRAM. Принцип ее действия был несложен: на физическом уровне микросхема памяти представляет собой ячейки, которые состоят из конденсаторов и транзисторов. При записи логической единицы конденсатор заряжается, при записи нуля — разряжается.
Очевидный минус такой памяти заметен сразу же: при отключении питания конденсаторы разряжаются и тем самым записанная информация теряется. Решение — подпитка конденсаторов с помощью коммутирующих транзисторных ключей. Причем работа происходит сразу со строкой, обмен данными с отдельной ячейкой невозможен.
Эта память оказалась гораздо эффективнее ферритовой: уже в 1970 году Intel выпустила чип 1103, имеющий емкость 1 килобит при размерах меньше квадратного сантиметра. А с учетом того, что закон Мура тогда выполнялся на ура, эта память быстро стала лидирующей для производства ОЗУ, и мы ей пользуемся до сих пор: DDR SDRAM в ваших ПК, ноутбуках и смартфонах — именно она.
Различные виды DRAM.
Оптический диск
Технология лазерной записи информации на компакт-диски появилась на свет задолго до рождения персональных компьютеров. Приоритет в разработке «лазерной» технологии принадлежит советским ученым Александру Прохорову и Николаю Басову — создателям первых «холодных» лазеров, которые и легли в основу не только компакт-дисков, но и множества других компьютерных и бытовых устройств. В 1964 году оба ученых были удостоены Нобелевской премии. В конце 1970-х годов две компании, Philips и Sony, серьёзно занялись вопросом цифрового звуковоспроизведения. Первые коммерческие CD-диски поступили на прилавки в 1982 году, на них был записан альбом Билли Джоэла «52nd Street».
Устройство работы лазерного диска принципиально отличается от его магнитных сородичей. Информация на него записывается в виде спиральных дорожек, состоящих из питов (углублений), между которыми находится ленд (пространство). Глубина каждого пита составляет всего 100 нм, поэтому диск кажется нам зеркально гладким (так как длина волн видимого излучения существенно больше). Длина пита может быть от 850 нм до 3.5 мкм.
Для считывания используется лазер с длиной волны 780 нм, что позволяет ему получить пятно фокуса на диске диаметром около 1.2 мкм. Если оно попадает на ленд, который отлично отражает свет, то специальный фотодиод регистрирует максимум излучения. Питы же свет рассеивают или поглощают, и поэтому фотодиод регистрирует заметно меньшую интенсивность света. Комбинации этих «света и тьмы» можно без проблем интерпретировать как логические один и ноль.
Питы на компакт-диске под микроскопом.
Что касается емкости и времени воспроизведения музыки с CD-накопителя, то тут были споры. Вице-президент Sony Норио Ога хотел, чтобы на диск помещалась вся Симфония №9 Бетховена — в таком случае, по его словам, на компакт-диск поместится практически любое классическое произведение. Время ее воспроизведения составляло 74 минуты, а для качественной ее записи в двухканальном режиме с 16-битной модуляцией и частотой дискретизации 44.1 кГц требовался диск с диаметром не менее 120 мм.
Бывший инженер Philips, Кесс Имминк, говорит, что это — просто красивая история. Philips уже были готовы запустить производство 115 мм дисков на заводе PolyGram, и изменение диска на 120 мм требовало серьезной переработки технологического процесса. Sony, которая отставала, это было на руку. Как бы то ни было, в мае 1980 года обе фирмы договорились о производстве 120 мм дисков, вмещающих 74 минуты записи, что давало объем порядка 650 МБ.
Также, в отличие от дискет, компакт-диски поддерживали коррекцию ошибок с помощью кода Рида-Соломона, поэтому небольшие царапины никак не влияют на читаемость. И даже серьезные повреждения не вызывают критических проблем для аудио — нечитаемые данные просто заменяются усредненными соседними читающимися. Да, это вносит некоторые искажения, но все еще лучше полной потери информации или же треска при воспроизведении с магнитных носителей.
Записанная область на DVD видна невооруженным глазом.
До 90-ых особых изменений в дисках не было — смогли лишь несколько нарастить объем хранимой информации до 700 МБ. Этого хватало для аудиозаписей и программ, но вот к середине 90-ых стало понятно, что многие люди хотят смотреть фильмы в высоком качестве дома. Так и родился в 1995 году стандарт DVD, где каждый диск вмещал уже как минимум 4.7 ГБ — как раз для полноценного двухчасового фильма в хорошем качестве.
При этом размеры такого диска совпадали с CD, и между ними была обратная совместимость. Увеличение объема записываемой информации было получено чисто физически: так, длина волны лазера была снижена с 780 нм до 650, а шаг дорожки — с 1.6 мкм до 0.74.
Еще одним важным изменением стало появление в 1997 году так называемых CD-RW. В отличие от обычных CD или DVD, которые не поддерживали запись информации на них пользователем, или CD-R, который можно было записать однократно, CD-RW можно было перезаписывать многократно, то есть использовать как полноценное внешнее хранилище данных. Принцип его работы был прост — записывающий слой создавался из сплава халькогенидов, который мощный лазер может точечно переводить из аморфного состояния в кристаллическое и наоборот, тем самым меняя коэффициенты отражения определенных областей диска, что опять же улавливается фотодиодом как «свет и тьма». Увы — все же такие диски не были вечными и выдерживали около тысячи циклов перезаписи, к тому же требовали достаточно дорогих пишущих приводов, поэтому их достаточно быстро вытеснили флешки.
Сравнение плотности записи различных типов лазерных дисков.
В дальнейшем происходил только количественный рост: в 1998 году появились DVD-RW, с емкостью до 5.6 ГБ и выдерживающие 100 000 циклов перезаписи. В 2006 году появились первые коммерческие Blu-ray диски, где использовался синий лазер с длиной волны 405 нм, что позволило хранить на нем уже 25 ГБ информации. Максимум на данный момент это BDXL — до 300 ГБ, этого хватит на пяток фильмов в 4К.
Магнитооптические диски
Всего через год после появления компакт-дисков Кесс Имминк решил — а почему бы не объединить вместе лучшие качества дискет и оптических дисков. Так и появились магнитооптические диски: для записи они нагреваются лазером до температуры точки Кюри (около 150 градусов для используемых материалов, при этой температуре теряется спонтанная намагниченность), после чего магнитная головка создает электромагнитный импульс, который меняет намагниченность, в результате чего на поверхности диска остаются структуры, схожие с питами на лазерных дисках.
Считывание происходит при помощи все того же лазера и фотодиода, которые ориентируются на получившиеся питы. Из плюсов — такие магнитооптические диски распознавались компьютерами как обычные HDD, и для них можно было использовать обычные файловые системы (например, FAT32). При этом скорости случайного доступа (50-100 мс) были достаточно малы, а количество циклов перезаписи достаточно велико (около миллиона), чтобы ставить на них ОС — например, именно такие накопители стояли в компьютерах NeXT первого поколения. При этом объем дисков первого поколения был сравним с CD и составлял 650 МБ.
Однако к началу нулевых их почти полностью прекратили использовать: большую часть сменных накопителей заменили собой флешки, а в компьютерах прочно прописались жесткие диски, которые не требовали такого серьезного нагрева для работы. Была идея использовать магнитооптические диски для долговременного хранения информации, так как они не теряли данные до 50 лет в сравнении с 12-15 для обычных CD, но ленточные библиотеки (о них можно почитать в первой части статьи) оказались гораздо дешевле в обслуживании.
Flash-память
Многие думают, что флешки и SSD — это изобретения нулевых, в лучшем случае 90-ых годов. Однако на деле своими корнями флеш-память уходит к середине 20 века, когда ученый-баллистик Вэн Цинг Чоу работал над задачей улучшения бортового компьютера ракетной системы Atlas E/F.
Сама технология была достаточно простой по своей сути: память представляла собой координатную сетку из двух массивов проводников, узлы которой были замкнуты при помощи специальной перемычки, образуя ячейки. Запись была устроена так: хотите записать 1? Оставляйте перемычку как есть. 0? Сожгите перемычку большим током. Отсюда становится понятным принцип чтения: чтобы узнать, что «записано» в ячейку, нужно просто пропустить через нее ток. Если он проходит, то значение — 1, не проходит — 0.
Принцип работы памяти Вэна (PROM).
Увы, минусов тут было много: разумеется, такая память не была перезаписываемой, да и достичь высокой емкости было крайне сложно. Но вот в условиях сильной радиации она, очевидно, работала отлично, да и много ли нужно памяти бортовому компьютеру ракеты?
Так было положено начало новому типу памяти. В дальнейшем инженер Intel Дов Фроман, исследующий дефекты микросхем, где были разрушены затворы транзисторов, пришел к EPROM. Каждая ячейка такой памяти представляет собой полевой транзистор с двумя затворами: первый управляющий, а второй плавающий. Последний был отделен от остального транзистора изолятором из оксида кремния.
Для записи данных, как и в случае с памятью Вэна, на нужные ячейки нужно было подать более высокое напряжение — в таком случае электронам начинало хватать энергии, чтобы пройти через изолятор и накапливаться на плавающем затворе. После исчезновения напряжения электроны оказывались запертыми в нем, тем самым надежно храня данные. Минус тут опять же очевиден: перезаписать данные внутренними методами самого компьютера не получится, только внешними: если посветить на такой чип мощной УФ-лампой, то это вызовет ионизацию в слое изолятора, и электроны смогут покинуть затвор — разумеется, таким образом потеряются все данные. К слову, EPROM уже использовалась в ПК: именно на этом принципе базировались микросхемы BIOS.
Схема работы флеш-памяти.
Но, очевидно, стирать данные ультрафиолетом было не очень удобно — хотелось это делать с помощью того же напряжения. Это смог сделать инженер Intel Джордж Перлегос: в 1978 году он представил микросхему Intel 2816 — первое решение на базе EERPOM (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory). Основная идея заключалась в уменьшении изолирующего слоя, что делает ненужным УФ-излучение для перезаписи. Для записи информации напряжение все также подается на управляющий затвор — это позволяет электронам проникнуть через барьер и попасть на плавающий затвор. А вот стирание сделано иначе: напряжение подается на канал транзитора, что приводит к заземлению управляющего затвора, и электроны получаются возможность вернуться из плавающего затвора обратно к каналу. Иными словами, говоря простым языком, работа с ячейками флеш-памяти выглядит как запись и стирание, перезаписи «поверх», как в HDD, тут нет.
Единственный серьезный минус флеш-памяти — это деградация изолятора из оксида кремния, который со временем начинает свободно пропускать электроны в обе стороны. В итоге количество циклов перезаписи оказывается серьезно ограничено, поэтому было придумано несколько типов ячеек. Самый надежный — SLC, выдерживающий сотни тысяч перезаписей: в этом случае на затворе может быть только два уровня напряжения, то есть можно хранить один бит на ячейку. Второй тип менее надежен — это MLC, 4 уровня напряжения, что дает возможность хранить уже 2 бита. Разумеется, такая память получается более дешевой, но и задержка при работе с ней выше, а количество циклов перезаписи меньше (порядка 10 тысяч). Такие ячейки используются в топовых SSD — например, Samsung 960 PRO.
Ну и самые ненадежные — это TLC, 8 уровней напряжения или 3 бита на ячейку. Они выдерживают лишь несколько тысяч циклов перезаписи, зато максимально дешевы. Такие ячейки используются для производства массовых недорогих SSD.
SSD Samsung 960 PRO. Черные квадратные чипы и есть MLC NAND.
Также есть разделение по методу соединения ячеек в массив. Стандартная двумерная структура, внук памяти Вэна, называется NOR-памятью. А вот если перейти к трехмерной матрице, где в пересечение устанавливается уже столбец ячеек, что позволяет серьезно увеличить плотность записи данных, хотя и считывать их станет сложнее, то такая конструкция называется NAND, и именно она используется для производства современной флеш-памяти.
Итоги
Как видите, история компьютерной памяти началась гораздо раньше, чем история самих компьютеров, и множество достаточно перспективных технологий быстро уходили с рынка под давлением еще более интересных решений. С учетом продолжения активного развития IT сложно даже предположить, какая память ждет нас через десятилетие или два — возможно, квантовая? Будущее покажет.
