Мы живем в век цифровых технологий, а вокруг нас вращаются колоссальные объемы информации. Терабайтные жесткие диски, флэш-накопители емкостью в несколько гигабайт, вместительные DVD-болванки по мизерной цене — это день сегодняшний. Современные носители данных отличаются высокой скоростью работы и удобством в использовании. Однако за всем этим стоит длительный эволюционный процесс, который стартовал сразу после появления первых компьютеров, а продолжается и по сей день.

Эпоха картона

Пример простейшей перфоленты.

Как известно, первые компьютеры были огромны и некрасивы и, по сути, представляли собой нагромождение шкафов, заполненных различными проводами и лампами. Носители информации в те времена не знали понятий «удобство» и «высокая плотность записи». Данные загружались при помощи перфокарт — картонных карточек с проделанными в них отверстиями. Информация записывалась и считывалась согласно определенным схемам, но в основе лежал двоичный код: наличие дырки — 1, отсутствие — 0.

Существовало приличное число форматов, но наибольшее распространение получили перфокарты «формата IBM», введенного в 1928 году. Его ключевые особенности: размеры карты составляли 187х83 мм, на ней располагалось 12 строк и 80 столбцов. Данные можно было записывать как в двоичном, так и в текстовом виде. Если перевести емкость перфокарты в классические единицы измерения, мы получим значение 120 байт.

Перфокарта — основной инструмент первых программистов.

Для ввода информации в компьютер перфокарты собирали в стопки строго определенной последовательности и подавали на вход считывающего устройства. Карты можно было менять местами, при необходимости удалять или заменять другими. Нарушение последовательности карт в колоде оборачивалось фатальными последствиями: восстановить информацию, если перфокарты не были пронумерованы, было практически невозможно.

В качестве альтернативы перфокартам выступали перфоленты. Смысл оставался почти тот же: информация в двоичном виде записывалась на бумажную ленту, на которой располагались несколько рядов для отверстий. У перфолент было два существенных недостатка: невозможность редактирования записанных данных и хрупкость бумажной ленты. В то же время данный носитель информации, будучи свернутым в аккуратный рулон, облегчал хранение данных и исключал ту путаницу, которая нередко происходила при сборке колоды перфокарт.

Триумф магнитных полей

Магнитный барабан компьютера ZAM-41.

На смену перфокартам пришли устройства магнитного хранения данных, основанные на явлении, именуемом электромагнетизмом. Суть его заключается в следующем: при пропускании электрического тока через проводник внутри последнего образуется магнитное поле. Обратное утверждение также верно: в проводнике, на который воздействует переменное магнитное поле, возникает электрический ток. Первое правило используется для записи данных, второе — для считывания.

В любом магнитном носителе информации есть поверхность, покрытая слоем ферромагнетика, и головка чтения/записи, состоящая из U-образного сердечника с обмоткой. Когда по обмотке протекает ток, в сердечнике появляется магнитное поле, полярность которого зависит от направления тока. Магнитное поле распространяется в окружающее пространство, и если вблизи есть другой ферромагнетик (рабочая поверхность носителя), то магнитные частицы в нем поляризуются в направлении действия поля, создавая остаточную намагниченность. Для изменения полярности этих частиц достаточно изменить направление протекания тока в обмотке. Воздействуя магнитными полями разной полярности на отдельные участки поверхности носителя (домены), можно записать информацию. При считывании данных головка регистрирует зоны, в которых изменяется направление остаточной намагниченности ферромагнетика. Таким образом, одному биту информации соответствует область на носителе, где размещена подобная зона.

Так выглядит 305 RAMAC — первый в мире жесткий диск.

Первыми накопителями этого типа были магнитные барабаны — большие металлические цилиндры, покрытые ферромагнетиком, вокруг которых располагался ряд считывающих головок, каждая на своей дорожке. Скорость работы устройства зависела от скорости вращения барабана. Сами головки не могли перемещаться произвольно, и контроллеру большую часть времени приходилось ждать, когда необходимые данные появятся под нужной головкой при повороте барабана. Сами понимаете, что время доступа у носителя было не на высоте.

Следующим на арену вышел жесткий диск. Случилось это в 1956 году, когда IBM начала продажи первой дисковой системы хранения данных — 305 RAMAC. Чудо инженерной мысли состояло из 50 дисков диаметром 60 см и весило около тонны. Объем жесткого диска по тем временам был просто феноменальным — целых 5 МБ! Главное преимущество новинки заключалось в высоком скорости работы: в системе RAMAC головка чтения/записи свободно «гуляла» по поверхности диска, так что данные записывались и извлекались заметно быстрее, чем в случае с магнитными барабанами.

Знаменитый винчестер, он же жесткий диск.

В конце шестидесятых годов IBM выпустила высокоскоростной накопитель с двумя дисками емкостью по 30 МБ. Объема в 60 МБ на тот момент было более чем достаточно, и производители накопителей стали работать над уменьшением габаритов моделей. К началу восьмидесятых винчестеры похудели до размеров сегодняшних 5,25-дюймовых приводов, а их цена упала до 2000 долларов за накопитель емкостью 10 МБ. К 1991 году максимальная емкость увеличилась до 100 МБ, к 1997 году — уже до 10 ГБ. В конце 2005 года был освоен метод перпендикулярной записи, который существенно увеличил плотность записи. Кроме того, скорость передачи данных за последние двадцать лет возросла почти в сто раз, а среднее время поиска уменьшилось в тридцать раз.

Впрочем, вернемся в прошлое. К магнитным носителям информации относится и такое известное устройство, как дискета или флоппи-диск. В отличие от жестких дисков, у этих накопителей слой ферромагнетика наносится на основу из лавсана — легкого, гибкого и дешевого материала. Главное достоинство дискет — доступность. Первый флоппи-диск диаметром 8 дюймов (20,3 см) создали в конце шестидесятых годов в лабораториях компании IBM. К 1975 году его объем возрос с 80 КБ до 1 МБ, однако массовое признание изделие так и не получило. Золотое время для гибких дисков настало позже, когда группа инженеров, работавших над прототипом первой дискеты, покинула IBM и основала собственную компанию Shugart Associates. Именно она в 1976 году разработала гибкие диски формата 5,25 дюйма (13,34 см). Изначально их вместимость составляла 110 КБ, но к 1984 году возросла до 1,2 МБ. Низкая стоимость носителей и доступность соответствующих приводов сыграли свою роль: дискеты стали использовать повсеместно. В 1984 году началась экспансия гибких дисков формата 3,5 дюйма (8,9 см), разработанных компанией Sony. Изначальный объем составлял 720 КБ, через пару лет он возрос до 1440 КБ, а еще через четыре года — до 2880 КБ. Формат просуществовал достаточно долго, а приводы для 3,5-дюймовых дискет все еще можно встретить на современных компьютерах.

Магнитное разнообразие

Магнитный накопитель Iomega Zip.

Магнитные носители информации — это не только дискета и жесткий диск. Существует множество альтернативных моделей накопителей, которые по тем или иным причинам не обрели должной популярности. Один из примеров — гибкие диски Imation LS-120 SuperDisk, Iomega Zip и Iomega Jaz. Это относительно быстрые, емкие и недорогие носители, каждый из которых способен работать лишь с дисководом собственного формата. Обилие различных стандартов и их несовместимость между собой не позволили подобным устройствам широко распространиться.

Достаточно долго были популярны накопители на основе магнитной ленты. По конструкции они выглядели как обычная аудиокассета, а основным их предназначением было резервное копирование данных. Век этих устройств подошел к концу, когда жесткие диски стали емкими и дешевыми, а в обиход прочно вошли записываемые оптические диски.

Оптические технологии

В середине семидесятых целый ряд крупных компаний приступил к разработке носителей информации принципиального нового типа — оптических накопителей. Выдающихся успехов на этом поприще добились компании Philips и Sony. Результатом их интенсивной работы стало появления стандарта CD (Compact Disk), который был впервые продемонстрирован в 1980 году.

CD, DVD, Blu-ray... объем возрастает, но размер диска не меняется.

Внешний вид CD известен каждому пользователю: круглая 120-мм пластина из прозрачного поликарбоната с нанесенным на нее отражающим алюминиевым слоем и тонким слоем защитного лака. При записи информации на рабочую поверхность диска наносятся впадины («питы»), оставшиеся нетронутыми участки называются «лендами». При считывании луч лазера проходит через слой поликарбоната и, если попадает на ленд, отражается от алюминиевого слоя и улавливается фотоприемником. Если луч попадает в выемку, происходит его расфокусировка. Данные, получаемые фотоприемником, преобразуются в исходную информацию.

В продажу компакт-диски и соответствующие проигрыватели поступили в 1982 году. Благодаря феноменально низкой себестоимости носителей формат CD сразу обрел популярность, однако в то время компакт-диски использовались только для хранения звуковой информации (до 74 минут аудио). Чтобы приспособить свое изобретение для работы с произвольными данными, компании Philips и Sony в 1984 году создали стандарт CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory). В результате один компакт-диск обрел возможность хранить до 650 МБ информации — огромная цифра на тот момент. Со временем емкость носителей возросла до 700 МБ (или 80 минут аудио).

Главный недостаток накопителей типа CD-ROM в том, что на них невозможно записать данные в домашних условиях. Диски изготавливаются на заводах методом штамповки при использовании матрицы с вытравленным на ней рисунком дорожек. В 1988 году компания Tajyo Yuden анонсировала формат записываемых дисков CD-R (Compact Disc Recordable). У этих носителей в пространство между слоем поликарбоната и слоем алюминия добавляется специальный прозрачный краситель. Во время записи лазер переходит в режим повышенной мощности, разогревая тем самым краситель, в результате чего в последнем разрушаются химические связи и он становится непрозрачным. При чтении записанного диска фотодетектор замечает разницу между прожженными и нетронутыми областями и интерпретирует ее соответствующим образом. В 1997 году появился формат CD-RW, позволяющий многократную перезапись данных на диске. Вместо красителя в CD-RW используется специальный состав, который при нагревании переходит в одно из двух устойчивых агрегатных состояний — аморфное или кристаллическое.

В 1996 году на смену компакт-дискам пришел формат DVD (Digital Versatile Disc). По сути, это все тот же компакт-диск, но с увеличенной плотностью записи. Эффект был достигнут путем уменьшения размеров впадин и изменения типа лазера. Кроме того, у DVD может быть два рабочих слоя на одном диске. Объем однослойного диска составляет 4,7 ГБ, двухслойного — 8,5 ГБ. Разумеется, для работы с DVD-дисками были выпущены специальные приводы.

В 1997 году формат DVD пополнился дисками типа DVD-R и DVD-RW. Цена лицензии на эту технологию была очень высока, поэтому ряд компаний объединились в так называемый «DVD+RW Alliance» и в 2002 году выпустили диски стандартов DVD+R и DVD+RW. Многие старые DVD-приводы отказывались работать с дисками нового типа, но «самозванцам» все же удалось завоевать популярность. Сегодня DVD-R(W) и DVD+R(W) мирно сосуществуют, а современные приводы поддерживают оба формата.

В 2002 году миру были представлены сразу два преемника DVD — несовместимые между собой форматы HD DVD и Blu-ray Disc (BD). В обоих случаях для записи и чтения данных используется голубой лазер с длинной волны 405 нм, что позволило в очередной раз уменьшить размеры питов. Благодаря подобным техническим маневрам диск формата HD DVD способен хранить 15 ГБ или 30 ГБ информации (один и два слоя соответственно). Для Blu-ray значения составляют 25 ГБ и 50 ГБ. У BD-дисков высокая плотность записи достигается за счет уменьшенной в шесть раз (по сравнению с HD DVD) толщиной защитного слоя. Тем не менее Blu-ray ничуть не уступает HD DVD по степени защищенности от физических повреждений. На данный момент диски HD DVD и BD одинаково распространены, ни один из форматов не собирается сдаваться. Стоимость соответствующих носителей и приводов все еще высока, но цены неуклонно снижаются.

Как и в случаях с CD/DVD, вскоре после появления носителей нового типа в продажу поступили записываемые диски: HD DVD-R, HD DVD-RW, BD-R и BD-RE (Blu-ray Disc с возможностью перезаписи).

Факты и домыслы

Великий композитор Людвиг ван Бетховен внес свою лепту в создание компакт-диска.

Жесткий диск от IBM емкостью 60 МБ получил цифровое обозначение «30-30» (так как содержал два диска по 30 МБ каждый). Оно случайным образом совпало с названием ружья Winchester 30-30. По одной из версий, именно поэтому жесткие диски стали называть «винчестерами».

Почему первый компакт-диск позволял хранить именно 74 минуты аудиоданных? Дело в том, что CD предназначались главным образом для любителей симфонической музыки. В то время в Японии самым распространенным симфоническим произведением была 9-я симфония Бетховена, продолжительность которой составляет как раз те самые 74 минуты. Вот так классика оказала влияние на музыкальную и компьютерную индустрии.

Невероятно, но факт: в 1961 году, задолго до появления компакт-дисков, американский ученый Дэвид Пол Грег запатентовал аналоговый оптический диск для хранения видеофильмов — LaserDisc. Носитель был двусторонним и достигал 30 см в диаметре. Первые LD появились на рынке лишь в 1979 году. С тех пор многое изменилось, LaserDisc вытеснен с массового рынка DVD-дисками. Однако многие фильмы и по сей день выпускают на LD-носителях. Весь ограниченный тираж сразу же раскупается преданными поклонниками формата.

Полупроводниковая сфера

Возвращаемся в 80-е годы прошлого века. Следующим важным событием стало появление флэш-памяти. Здесь, как во многих других областях, образовались два пути развития: память NAND и NOR.

Твердотельный накопитель — вещица полезная, но дорогая.

Флэш-память архитектуры NAND была разработана компанией Toshiba в 1984 году, а память типа NOR в 1988 году представила Intel. Архитектура NOR отличается плохой масштабируемостью, но высокой скоростью работы в операциях произвольного побайтового доступа и повышенной надежностью. Микросхемы NAND работают с небольшими блоками ячеек, поэтому скорость последовательного чтения и записи у них значительно выше. Кроме того, технология NAND позволяет создавать чипы с более высокой плотностью записи.

В современном мире востребованы оба типа памяти. На базе NAND создают носители информации больших объемов, а микросхемы NOR используют как хранилища программных кодов (например, BIOS) в различных устройствах.

Несколько лет назад флэш-память начала применяться в производстве гибридных винчестеров. В этих довольно-таки дорогих устройствах магнитные диски сочетаются с микросхемами флэш-памяти, на которые записываются разные утилиты от производителя. Часть памяти используется для кэширования часто используемых данных. В результате скорость загрузки компьютера увеличивается. Однако высокую стоимость устройств это все же не оправдывает. Многие производители признали гибридные винчестеры бесперспективными.

Намного интереснее так называемые твердотельные накопители, или SSD (Solid-state Drive). Они целиком состоят из флэш-памяти типа NAND, обладают низким энергопотреблением и очень надежны, так как в них отсутствуют подвижные элементы. Твердотельные накопители — превосходная замена для жестких дисков в ноутбуках, но и здесь есть такой отрицательный момент, как очень высокая цена устройств.

Завтрашний день

Технологии не стоят на месте. В сфере оптических накопителей большие перспективы ожидают диски AO-DVD (Articulated Optical Digital Versatile Disc), работа над которыми кипит в недрах компании Iomega. В основе разработки лежит идея использования наноструктур — участков диска с размерами меньшими, чем длина волны лазерного излучения. При этом сами участки могут располагаться под разными углами наклона. В итоге считывание информации происходит путем анализа характера распределения отраженного луча. В теории объем диска AO-DVD может превысить отметку в 800 ГБ.

Голографические диски могут совсем скоро поступить в продажу.

Достаточно давно ведутся разработки в сфере голографической памяти. Наибольших успехов здесь достигла компания Optware. Она уже успела представить публике прототипы дисков формата HVD (Holographic Versatile Disc). Вполне возможно, что через несколько лет именно они придут на смену Blu-ray и HD DVD. Голографический диск состоит из нескольких отражающих слоев разного типа, а для их чтения используются сразу два лазера. Не вдаваясь в технические подробности, отметим, что теоретический объем HVD может достигать 3,9 ТБ.

Совсем скоро на смену флэш-накопителям придет память типа PRAM. Она не сулит невероятных объемов хранимой информации, а вместо этого предложит возросшее быстродействие. Другая перспективная технология, FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory), пока что находится в стадии начальной разработки. В ее основе лежит использование ферромагнитных конденсаторов в качестве ячеек памяти и молекул воды для изоляции этих ячеек. Плотность записи у такого накопителя можно будет довести до нескольких тысяч терабайт на квадратный сантиметр. Увы, на данный момент это лишь теория.

Какие-то технологии не получат распространения и будут преданы забвению. Однако одно ясно точно: вместимость и скоростные показатели носителей информации растут быстрее день ото дня, и спада в их развитии в ближайшем будущем не намечается.