Винчестер представляет собой устройство хранения данных с вращающимися внутри дисками. И хотя современная электроника, в частности мобильные устройства, переходят на твердотельную память, винчестер или как его еще называют «жесткий диск» оставил вполне существенный след в истории развития компьютерной техники и его историю нужно обязательно рассказать.
Жесткий диск – удивительное устройство, созданное с использованием множества технологий и благодаря множеству предшествующих его появлению открытий в электронике. Но все открытия и устройства хранения данных, которые были созданы до появления винчестера, мы рассматривать не будем, а затронем лишь те события, которые касаются непосредственно жесткого диска. Тем более, что его история несколько необычна, так как касается истории появления целых компании в области создания компьютерной техники.
Первое запоминающее устройство, которое с уверенностью можно назвать типичным жестким диском увидело свет 4 сентября 1956 года. Именно тогда компьютерный гигант IBM представил миру небольшой шкаф IBM 350 RAMAC, высотой 1,7 м и шириной 1,5 м, в котором на одной оси были установлены 50 дисков из ферромагнитного материала. Диски диаметром 61 см каждый, были покрыты защитной краской. Скорость их вращения на шпинделе достигала 1200 об/мин. Не удивительно, что только электрический привод этой «адской» машины весил 1,5 кг. Емкость первого диска составляла целых … 4,4 Мб, что по тем временам было просто невероятно.
Понятно, что при таких размерах IBM 350 RAMAC не мог стать массово выпускаемым продуктом. Тем не менее, аж до 1979 года компания удерживала первенство в области создания дисковых устройств для хранения данных. Инженеры именно этой компании в 1961 году додумались до идеи, что считывающие головки могут подниматься и парить над поверхностью дисков только лишь за счет потока воздуха.
Лишь в 1979 году у IBM появился конкурент в лице вновь созданной компании Seagate Technology – одного из известнейших производителей жестких дисков в наше время. Да и то, создателем и первым идейным вдохновителем компании стал бывший инженер IBM Алан Шугарт, принимавший непосредственное участие в создании 350 RAMAC. Не смотря на это, именно Seagate в 1980 году удалось создать и выпустить на рынок первый в мире серийный жесткий диск. Первая модель компании называлась ST-506. При объеме в 5 Мб она имела размер в диаметре всего 5,25 дюйма.
В 1981 году, всего через год, Seagate выпускает следующую модель ST-412 объемом 10 Мб. Невероятный по тем временам объем хранимой информации и весьма скромные размеры позволили новому диску оставить достаточно заметный след в истории компьютерной техники. Именно ST-412 использовался в персональных компьютерах, ставших впоследствии легендарными – IBM PC/AT и IBM PC/XT. Видимо давний конкурент компания IBM решила сосредоточиться на создании персональных компьютеров, уступив рынок комплектующих более молодым компаниям.
Примечательно, что и Seagate Technology также не удалось полностью захватить рынок жестких дисков. Она оставалась лидером в этой области лишь последующие 9 лет. В 1990 году другая, известнейшая сейчас компания Western Digital стала вполне успешно конкурировать на этом рынке. Созданная в 1971 году, изначально компания специализировалась на разработке и производстве компьютерных чипов. Кстати чипы именно этой компании в 1981 году стояли на жестких дисках Seagate. Специалисты Western Digital также участвовали в разработке стандартов передач данных SCSI и ATA (IDE).
Вообще, если посмотреть историю жесткого диска, то уже через 4 года после выхода на рынок первого ST-412 начался настоящий бум развития и создания винчестеров. Многие компании, специализирующиеся на производстве электронных компонентов и бытовой электроники переориентировались для создания жестких дисков. Не удивительно, ведь именно в то время стремительно развивались и сами персональные компьютеры. Их постоянно расширяющийся рынок не мог оставить в стороне, компании, которые имели все ресурсы для разработки и создания компьютерных комплектующих.
Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD),жёсткий диск , в компьютерном сленге « винчестер » — запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.
Первый в истории жёсткий диск был представлен на 15 лет раньше дискеты – в 1956 году. Эпоху HDD открыла модель IBM 305 RAMAC ( Random Access Method of Accounting and Control ). В основе ее конструкции лежали пятьдесят алюминиевых пластин диаметром 24 дюйма (или 61 см). Внешне IBM 305 RAMAC напоминал огромный шкаф. Весил он соответствующе: его масса составляла почти тонну.
Принцип работы устройства был основан на магнетизме. Да и в целом жёсткий диск работал подобно магнитной ленте. На каждую из сторон алюминиевой пластины наносилось металлическое напыление – ферромагнетик. Запись информации производилась путем намагничивания определенных областей (доменов) на пластине, а чтение – через фиксирование остаточного магнитного поля. При этом считывающая головка свободно перемещалась по поверхности, что обеспечило феноменальную для того времени скорость чтения данных. Извлечь необходимую информацию можно было всего за 600 миллисекунд.
Главным недостатком IBM 305 RAMAC было то, что устройство вовсе не отличалось надежностью. Проблема крылась в хрупкости движущейся головки, которая часто перегревалась и выходила из строя. К тому же быстро изнашивались алюминиевые пластины.
Стоимость одного мегабайта в IBM 305 RAMAC достигала отметки в 10 тысяч долларов. Несмотря на дороговизну, IBM удалось продать около тысячи таких устройств. Выпускался этот жёсткий диск на протяжении 5 лет, и лишь в 1961 году компания IBM приняла решение свернуть производство.
На смену 305 RAMAC пришла модель IBM 1301 . По сути она представляла собой доработанную версию 305 RAMAC. В IBM 1301 применялись такие же алюминиевые пластины, а проблема перегрева считывающей головки была решена с помощью технологии Air Bearing. Смысл этой технологии заключался в том, что считывающая головка больше не соприкасалась с поверхностью пластин: между ними было 0,5 мкм воздушного пространства.
IBM 1301 отличался более высокой скоростью работы в сравнении с 305-й моделью. Время доступа к нужным данным сократилось в 5 раз и составляло 180 миллисекунд. При этом ёмкость диска также увеличилась и составляла уже 28 Мбайт, что почти в 6 раз больше, чем аналогичный показатель IBM 305 RAMAC.
После IBM 1301 последовал выпуск модели с индексом 1311 . Это был первый HDD со съемными дисками. Он состоял из 14 пластин, а его ёмкость составляла 2,6 Мбайт. Устройство уже не было таким массивным, как предшественники. Модель оказалась настолько успешной, что IBM не снимала ее с конвейера вплоть до 1975 года.
Однако прародителем современных жёстких дисков считается устройство IBM 3340 , увидевшее свет в 1973 году. Это был первый девайс, в котором применялся специальный микрочип для управления вращением дисков и перемещением считывающей головки.
Также в конструкции этого HDD применялись более легкие и аэродинамические пластины, которые помещались в герметичный корпус. Таких пластин в IBM 3340 было две, при этом одна из них была съемной. Объем каждой пластины равнялся 30 Мбайт.
По этой причине в маркировке жёсткого диска обычно указывалось « 30-30 », что вызывало ассоциации с легендарной винтовкой Winchester 30/30 . Вскоре название «винчестер» прочно закрепилось за IBM 3340, а после – и за другими жёсткими дисками.
В 1980 году IBM представила миру жёсткий диск IBM 3380 . Это было первое в своем роде устройство, которому покорился гигабайтный рубеж. Ёмкость такого диска составляла 2,52 Гбайт. А скорость передачи данных достигла 3 Мбайт/с.
Стоит отметить, что все выпущенные до этого времени жёсткие диски компании IBM предназначались для использования в промышленных масштабах. И только в 1980 году компания Seagate выпустила первый HDD для домашних компьютеров. Модель получила название ST-506 . Она была исполнена в 5,25" форм-факторе, а ее объем составлял 5 Мбайт. Стоило такое устройство внушительные $1500. Ну а спустя год появилась более быстрый и ёмкий накопитель с интерфейсом Seagate ST-412 , который устанавливался в компьютеры IBM PC/XT.
Переход на форм-фактор 3,5" состоялся в 1983 году, когда небольшая шотландская компания Rodime представила устройство RO351 с объемом 6,38 Мбайт. А первый девайс с форм-фактором 2,5" был выпущен американской компанией PrairieTek в 1988 году. В том же году появился и 63-мегабайтный 2,5" винчестер Toshiba Tanba-1 , предназначенный для установки в ноутбуки.
В 90-х годах на развитие жёстких дисков оказали влияние две новые технологии, разработанные компанией IBM. Первая из них – это магнитные головки на гигантском магниторезистивном эффекте. Эта технология позволила достичь более высоких показателей плотности записи – до 2,7 Гбит на квадратный дюйм. Второй инновационной технологией был новый способ форматирования пластин под названием No-ID. Его суть заключается в том, что идентификационная информация сектора хранится не на поверхности диска, а в постоянной памяти жёсткого диска. Это позволило повысить плотность записи еще примерно на 10%.
Не забывали производители и об увеличении скорости работы жёстких дисков. Долгое время стандартной скоростью вращения шпинделя являлся показатель 5400 оборотов в минуту, затем он несколько увеличился и равнялся уже 7200 об/мин. Периодически на рынке появлялись устройства, которые обладали более внушительными показателями. Так, в 1999 году компания Seagate представила линейку быстрых жёстких дисков Cheetah . Их высокая производительность обеспечивалась скоростью вращения шпинделя, равной 15000 об/мин, что более чем в 2 раза превышало стандартный показатель. Объем такого устройства составлял 36 Гбайт.
Намного более популярной стала серия винчестеров под названием Raptor компании Western Digital. Изначально эти жёсткие диски разрабатывались для использования в серверных системах, однако затем прочно закрепились в сегменте игровых компьютеров. Пластины модели Western Digital Raptor вращались несколько медленнее, чем в Seagate Cheetah. Скорость вращения шпинделя составляла «всего» 10000 об/мин, однако этого было более чем достаточно, чтобы оставлять обычные жёсткие диски в плане производительности далеко позади. К сожалению, линейка WD Raptor не отличалась надежностью.
В конце 2005 года был освоен метод перпендикулярной записи. До этого момента абсолютно все жёсткие диски работали по методу параллельной записи. В чем же была суть новой технологии? При использовании параллельной записи магнитные частицы располагаются таким образом, что вектор магнитной направленности проходит параллельно плоскости пластины. Такой подход наиболее простой, однако у него есть один недостаток: между доменами (минимальными ячейками информации) требуется наличие довольно больших буферных зон для снижения сил взаимодействия между ними.
Напротив, при использовании метода перпендикулярной записи вектор магнитной направленности располагается уже перпендикулярно поверхности диска, что значительно снижает силы взаимодействия. Следовательно, уменьшается и необходимый размер буферных зон. Это позволяет увеличить плотность записи.
Благодаря методу перпендикулярной записи индустрии жёстких дисков покорился терабайтный рубеж: в 2007 году компания Hitachi представила первую в мире модель The Deskstar 7K1000 объемом 1 Тбайт.
Несмотря на то что твердотельные накопители занимают все большую и большую часть рынка хранилищ данных, технологии жёстких дисков вовсе не уходят на второй план и продолжают совершенствоваться. Так, очень перспективно выглядит технология компании Western Digital под названием HelioSeal , которая предусматривает использование гелия вместо воздуха внутри корпуса винчестера. Благодаря тому что гелий легче воздуха, внутри HDD создается идеальная среда для движущихся с высокой скоростью пластин. Кроме этого, снижаются вибрации между пластинами и считывающей головкой.
Первые «гелиевые» жёсткие диски были представлены в конце 2013 года под названием Ultrastar He6 . А в начале декабря компания Western Digital объявила о выпуске обновленной линейки устройств Ultrastar He10 . Эти девайсы используют метод перпендикулярной записи, а их плотность составляет 816 Гбит на квадратный дюйм. Ёмкость модели Ultrastar He10 составляет 10 Тбайт.
Ещё одной интересной технологией является Seagate SMR ( shingled magnetic recording ) – метод перпендикулярной записи с перекрытием дорожек. В отличие от обыкновенного перпендикулярного подхода, где дорожки информации расположены бок о бок, в технологии SMR дорожки перекрывают друг друга, образуя что-то, напоминающее черепичную крышу. Применение SMR позволяет повысить плотность записи примерно на 25%. Кстати, Seagate и Western Digital уже взяли на вооружение данную технологию.
Также в ближайшем будущем планируется наладить производство жёстких дисков с применением технологии HAMR (Heat-assisted magnetic recording), которая сочетает в себе магнитное чтение и магнитооптическую запись. Принцип ее работы заключается в том, что запись информации осуществляется путем нагревания домена лазером и перемагничиванием. Такой подход позволит еще больше увеличить плотность записи. По прогнозу компании Seagate, объем классических 3,5" жёстких дисков с применением технологии HAMR в отдаленной перспективе сможет достичь отметки в 50 Тбайт. Ну а первые HAMR HDD должны появиться уже в 2020 году.
Впервые публикация появилась в Geektimes.Ru,
Также использованы материалы Ru.Wikipedia.Org.
Трудно в это поверить, но жесткие диски не меняются вот уже более тридцати лет. Однако это не значит, что они всегда выглядели так, как мы привыкли. Когда компьютерная индустрия только начинала свой путь, не было ни вращающихся пластин, ни считывающих головок, ни контроллеров, ни тонких интерфейсов. Мы решили рассказать вам, на чем же в те времена хранили информацию, и забрались в самые дебри истории.
Бумажки и дырочки
Вообще, хронологию накопителей можно разделить на три параллельные ветви — перфокарты, ленты и магнитные барабаны. Первые считаются самым древним носителем информации, так что с них и начнем.
Свой старт в истории перфокарты — бумажки с дырочками — взяли на ткацких станках в 1808 году, в качестве же «электронных носителей» их додумались использовать в 1832-м, причем инициатором был наш соотечественник — Семен Корсаков, разработавший машину для «сравнения идей». Однако настоящий толчок к применению перфокарт в вычислительной технике дало изобретение Германа Холлерита.
В середине 1880-х выпускник Колумбийского горного университета поступил на госслужбу и принял участие в утомительной переписи населения, проводимой ручным способом. Это кропотливое занятие настолько ему не понравилось (еще бы, восемь лет считали), что он задался целью изобрести машину, которая все выполнит за пару месяцев. Сказано — сделано.
Несколько лет упорного труда, и в 1890-м Холлерит уже демонстрировал правительству США свой табулятор. Основная его идея была вот в чем. На каждого жителя страны создавалась перфокарта, вмещавшая 288 позиций (12 по горизонтали и 24 по вертикали), описывающих «базовые параметры» типа роста, пола, семейного положения.
Напротив собранных данных в карте проделывались отверстия, после чего ее загружали в машину Холлерита, та считывала дырочки, суммировала ответы и выводила результаты на циферблаты. В конце дня показания с них списывались, а счетчики обнулялись. Госаппарату конструкция пришлась по душе, и с Германом тут же был подписан нужный контракт. Как оказалось, не зря: на следующую перепись населения потратили не 13 лет, как предполагалось изначально, а всего два месяца.
Впрочем, сколько там ушло времени — не так интересно, как то, что изобретение Холлерита спровоцировало создание фирмы Tabulating Machine Company, которую в 1905 году приобрела Computing Tabulating Recording Company, в будущем известная как International Business Machines (IBM).
Лента счастья
Перфокарты продержались сравнительно долго, но их недостатки были слишком очевидны: бумага рвалась, хранить могла всего 70 КБ, да и считывать с нее информацию было, мягко говоря, не очень удобно. Так что, пока бумажки не перевелись, индустрия начала осваивать еще один метод хранения — магнитную пленку, ту самую, из старых видеомагнитофонов, плееров и бобинных проигрывателей.
Началось все, как водится, издалека. Первым кодировать информацию при помощи магнитных полей догадался Оберлин Смит. В 1888 году он выдал следующую идею: если напихать в обычную веревку металлической стружки и задать каждой частице свой вектор намагниченности — получится аудиозапись. К сожалению, монетизировать изобретение Оберлин не сумел, за него это сделал датчанин Вальдемар Поульсен.
Он отказался от использования бечевки, взял за основу тонкую проволоку, намотал ее на барабан и придумал, как в автоматическом режиме производить на нее запись. Не знаем, сколько он там получил за разработку, но на «телеграфон» патент ему вручили, а устройства на его базе с успехом использовались в качестве диктофонов примерно до тридцатых годов прошлого столетия. То есть ровно до того момента, как немецкий инженер Фриц Пфлюмер ввел в обиход хорошо известную нам магнитную пленку.
В 1927 году ученый покрыл бумагу оксидом железа, накрутил ее на катушку и доказал — таким образом хранить аудио гораздо удобнее, чем на проволоке, а уж редактировать и подавно. Любой кусок можно вырезать и вклеить новый. В итоге — мировая популярность и востребованность по сей день.
А вот до компьютеров новинка добиралась долго. Применить ее для цифровых данных догадались Джей Преспер Экерт и Джон Мокли, создатели нашумевшей машины UNIVAC, представленной 31 марта 1951 года. Для нее соорудили огромный шкаф UNISERVO с двумя «вертушками», перегоняющими тяжелую металлическую пленку через считывающую головку. Программы и результаты работы записывались на носитель длиной 365 метров и шириной 12,65 мм. Плотность хранения составляла 128 бит на дюйм (для сравнения, современный 3 ТБ жесткий диск на том же пространстве умещает по 620 ГБ).
Казалось бы, мало, но для индустрии тех лет хватало с избытком, и уже в 1952-м IBM придумала стандарт 7 Track, который вместо бумаги предлагал использовать более надежную пластиковую подложку, а саму запись вести сразу на семи параллельных дорожках. Этот принцип и лег в основу хорошо известных накопителей IBM 729, представлявших собой ящик с двумя крутящимися бобинами и намотанной на них лентой длиной 731 метр (их-то и демонстрируют нам в фильмах, когда надо показать компьютер тех времен).
К сожалению, несмотря на то, что пленка в силу своей дешевизны до сих пор используется в некоторых дата-центрах, примерно к восьмидесятым от нее начали отказываться. Главной причиной для этого стало отсутствие произвольного доступа к данным: для того чтобы считать, к примеру, четвертый мегабайт, приходилось пролистать первые три, что очень плохо сказывалось на общем быстродействии. Решение проблемы, как это часто бывает, оказалось под самым носом.
Крутите барабан
Проблему с произвольным доступом решили еще в 1932 году, когда австрийский ученый Густав Таущек придумал хранить данные на специальном запоминающем барабане. Он представлял собой цилиндр, покрытый ферромагнетиком — материалом, умеющим сохранять заданный вектор намагниченности без воздействия внешнего поля.
Помещался этот барабан в емкость со встроенными считывающими головками и скоростным мотором. То есть конструкция была близка к современным HDD, но с одним концептуальным отличием: «иглы» ничего не искали, а ждали, пока нужный бит прокрутится мимо них. Цилиндр вращался на скоростях порядка 12 500 оборотов в минуту, что позволяло быстро получать доступ к информации. Проблема у него была только одна — удерживать он мог жалкие 8,5 КБ и поэтому в основном использовался в качестве оперативки. Впрочем, это не помешало IBM купить все основные патенты на эту разработку и к 1956 году представить первый жесткий диск.
Сделан из стали
В IBM Model 350 использовалось пятьдесят 610-миллиметровых блинов и две огромные считывающие «лапы» — они перемещались вверх/вниз независимо друг от друга. Блоки Model 350 занимали 1,5 квадратных метра, весили около тонны и хранили колоссальные по тем временам 3,75-5 МБ данных. Говорят, IBM могла нарастить емкость и продавать более мощные модели, но маркетологи не знали, кому понадобится столько памяти (по другой версии, не хотели уничтожать перфокарты).
Следующим шагом для IBM стал накопитель «1301», анонсированный в паре с корпоративными машинами 7000-й серии в 1961 году. Новинки задействовали 20 двухсторонних пластин с 250 дорожками. Шпиндель с дисками делал 1800 оборотов в минуту, а пропускная способность аппарата достигала 90 000 символов в секунду. Главным отличием IBM 1301 от предшественников считается использование отдельных головок для каждой стороны магнитного блина: «иглы» плавали очень близко к поверхности и удерживались набегающим потоком воздуха, что давало преимущество в скорости и плотности записи по сравнению с предыдущими моделями.
К слову, позволить себе такую систему хранения могла далеко не каждая компания. Стоимость оборудования равнялась $155 000, что на сегодняшние деньги составляет примерно $1 210 000. Впрочем, варианты были: за $2100 (на данный момент — это около $16 500) можно было арендовать HDD на один месяц.
Не менее важной стала и разработка 1963 года: создавая «компактные» (размером с тумбу) IBM 2311 Direct Access Storage Facility, инженеры впервые ввели такое понятие, как унифицированный разъем. То есть жесткие диски начали продаваться не только в составе вычислительного комплекса, но и как дискретные устройства, что дало нехилый толчок к развитию сторонних компаний.
Еще один подарок индустрия HDD получила в 1973 году — диск IBM «3340». В истории он запомнился не столько своими характеристиками, сколько внутренним названием — «винчестер». Так его окрестили сами создатели, проведя аналогию между двумя 30 МБ пластинами и известной винтовкой Winchester 30-30. Уж не знаем почему, но имя прижилось и активно использовалось примерно до 1990-х годов.
А вот то, что «3340» был первым HDD с возможностью парковать считывающие головки прямо на пластинах, быстро позабыли. А ведь до него на время простоя «лапки» выводились за пределы блока хранения, и это не только сильно усложняло конструкцию, но и снижало ее эффективность.
Компактный мир
Конец 1970-х запомнился появлением первых домашних компьютеров. К сожалению, HDD для них в те времена были непозволительной роскошью и в подавляющем большинстве случаев в качестве постоянных накопителей использовались пленочные кассеты.
Изменилось все в 1980 году, когда компания Shugart Technology, позже переименованная в Seagate, представила 5,25-дюймовый жесткий диск ST-506 емкостью 5 МБ. Размером он был с пару дисководов и к ПК подключался через сторонний контроллер при помощи трех толстенных проводов.
Как ни странно, но в этот раз индустрия не стала тянуть кота за хвост и тут же ухватилась за новую идею. Даже IBM, и та в одной из своих первых по-настоящему популярных домашних систем — PC/XT — использовала модель ST-506.
Ну а спустя всего три года фирма Rodime сумела упаковать 10 МБ пластину и «иглу» в современный 3,5-дюймовый корпус и задать стандарт на следующие тридцать лет, в течении которых производители лишь наращивали плотности записи, скорости чтения/записи и пропускную способность интерфейсов.
