Накопители на жестких и оптических дисках.

Накопители на жестких и оптических дисках. Твердотельные накопители Ø Накопители на жестких дисках (НЖМД) Ø Накопители на оптических дисках (CD, DVD, BD) Ø Твердотельные накопители

С чего начиналось хранение цифровой информации Перфокарта (187, 325 × 82, 55 мм)

Накопители на жестких магнитных дисках 1 – головка 2 – позиционер 3 – постоянный магнит 4 – электромагнит

Принцип действия магнитной записи • Магнитное покрытие диска разбито на множество мельчайших областей спонтанной намагниченности (битов), собственные магнитные моменты которых ориентируются в соответствии с направлением прикладываемого магнитного поля и «замораживаются» в таком положении после прекращения действия внешнего поля, сохраняя записанную на диск информацию. Сама среда записи уже давно является наноструктурированной – она состоит из магнитных частиц сплава Co. Pt. Cr. B размером 10 -15 нм. Для считывания информации в магнитном накопителе используется магниторезистивный сенсор. При считывании информации головка перемещается на некотором расстоянии от поверхности пластины (около 10 нм), которая вращается с постоянной скоростью (до 15 тыс. оборотов в минуту), преобразуя магнитное поле в электрический ток. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания, и тем выше может быть плотность записи информации. . К сожалению, разработчикам магнитных дисков пока не удалось достичь воспроизводимой записи на отдельные частицы, и в современных устройствах на один бит информации отводятся весьма значительные площади: ширина магнитной “дорожки” составляет порядка 1 мкм, а длина области, соответствующей одному биту - 50 -70 нм. Тем не менее, достигнутая на сегодня плотность записи просто поражает воображение: 1010 бит (десять милиардов бит) содержатся всего на одном квадратном сантиметре поверхности диска! При этом стоимость 1 гигабайта на магнитном носителе составляет менее 0, 5 доллара США! Сегодня основная борьба за дальнейшее усовершенствование устройств магнитной записи состоит в преодолении так называемого «суперпарамагнитного предела» . Казалось бы, чем меньше магнитные частицы, тем плотнее они могут быть упакованы, и тем выше будет плотность записи. Однако, начиная с какого-то размера, частицы становятся настолько маленькими, что не могут поддерживать длительный эффект намагничивания ввиду возрастания тепловых колебаний магнитного момента. Но не стоит расстраиваться – магнитные системы хранения информации еще не скоро достигнут своего предела, установленного природой и открывающего новую – голографическую – главу в истории устройств данных. • Для увеличения емкости магнитного накопителя он содержит не один, а сразу стопку дисков. Как правило, пластины изготавливают из алюминия, стекла или керамики и наносят на них слои высококачественного ферромагнетика.

Запись и считывание информации

Откуда взялось прозвище «Винчестер» ? По одной из версий название «винчестер» накопитель получил благодаря фирме IBM, которая в 1973 году выпустила жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название « 30 -30» , что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 МБ каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30 -30» [3] предложил назвать этот диск «винчестером» [4].

• В 1973 году IBM выпустила жесткий диск, впервые объединивший в одном неразъемном корпусе магнитные диски, на которых хранятся данные, и считывающие головки. Общаясь между собой, инженеры использовали краткое название « 30 -30» , поскольку жесткий диск имел 30 дорожек и 30 секторов.

•

• Знаменитой винтовки «Winchester 30 - 30» , о которой пишет не один десяток солидных компьютерных отечественных и зарубежных изданий, не существовало вообще. «Winchester 30/30» – это маркировка патрона одноименной фирмы, который имел калибр 0, 30 дюйма, то есть 7, 62 миллиметра, и стандартный заряд в 30 гран (около 2 -х граммов) бездымного пороха.

Итак, теперь, если Вы услышите историю о «знаменитом охотничьем ружье «Winchester 30 - 30» , чьим «именем» , якобы, и был назван первый жесткий диск фирмы IBM, можете посмеяться и спорить на… любую, уместную в данной конкретной ситуации сумму денег.

В сентябре 1956 года первый в мире накопитель на жеских магнитных дисках начала производить знаменитая компания IBM. Называлось это устройство RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) • Накопитель состоял из пятидесяти дисков диаметром 24" (61 см), головки чтения и записи подводились к каждому диску поочерёдно при помощи сервопривода. Всего на первом жёстком диске с произвольным доступом хранилось порядка 5 Мб данных, пластины имели покрытие из оксида железа.

• 1956 год — жесткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, а общий объём памяти 50 вращавшихся в нём покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм составлял около 5 миллионов 6 -битных байт (3, 5 Мб в пересчёте на 8 -битные байты). • 1980 год — первый 5, 25 -дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб. • 1986 год — стандарт SCSI. • 1991 год — максимальная ёмкость 100 Мб. • 1995 год — максимальная ёмкость 2 Гб. • 1997 год — максимальная ёмкость 10 Гб. • 1998 год — стандарты UDMA/33 и ATAPI. • 1999 год — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб. • 2002 год — стандарт ATA/ATAPI-6 и накопители емкостью свыше 137 Гб. • 2003 год — появление SATA. • 2005 год — максимальная ёмкость 500 Гб. • 2005 год — стандарт Serial ATA 3 G (или SATA II). • 2005 год — появление SAS (Serial Attached SCSI). • 2006 год — применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях. • 2006 год — появление первых «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок флеш-памяти. • 2007 год — Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 Тб. • 2008 год — Seagate Technology LLC представляет накопитель емкостью 1, 5 Тб. [19] • 2009 год — на основе 500 -гигабайтных пластин Western Digital, затем Seagate Technology LLC выпустили модели емкостью 2 Тб. [20] • 2009 год — Western Digital объявила о создании 2, 5 -дюймовых HDD объемом 1 Тб (плотность записи — 333 Гб на одной пластине)[21]

Laserdisc (LD) — первый коммерческий оптический носитель данных, предназначавшийся, прежде всего, для домашнего просмотра кинофильмов. • В продажу первый лазердиск поступил в Атланте (США) 15 декабря 1978 года — через два года после появления на рынке видеомагнитофонов формата VHS и за четыре года до CD, основывавшихся на технологии Laser. Disc. Стандартный лазердиск для домашнего использования имеет диаметр 30 см и склеен из двух односторонних покрытых пластиком алюминиевых дисков. Время записи составляло 45 -60 минут на сторону

Оптические диски • В 1982 году фирмы Sony и Philips завершили работу над форматом CD-аудио (Compact Disk), открыв тем самым эру цифровых носителей на компакт-дисках. Чтение и запись информации осуществляется лазером с длиной волны от 780 нм для CD и 650 нм для DVD до 405 нм для Blu-ray дисков. В оптической записи данные кодируются в виде последовательности отражающих и не отражающих участков, которые интерпретируется как единица и ноль, соответственно. Максимальный объем информации для оптических дисков составляет от 680… 800 Мбайт (СD) до 17 Гб (DVD) и 23… 54 Гб (BD) при массе всего лишь 14 -33 грамм. Однако основным недостатком оптической записи все еще остается низкая скорость чтения/записи информации, составляющая менее 100 Мбайт/с для Blu-ray дисков (по сравнению с 3 Гб/с в магнитных накопителях). История гласит, что на нём был записан альбом «The Visitors» группы ABBA. [1]

Flash-память • Флеш-память была изобретена Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в Toshiba в 1984 году. Intel увидела большой потенциал в изобретении и в 1988 году выпустила первый коммерческий флеш-чип. Запоминающая ячейка Flash-памяти представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим и плавающим, способным удерживать электроны, то есть заряд. Транзистор имеет два затвора: управляющий и плавающий. Последний полностью изолирован и способен удерживать электроны до 10 лет. В ячейке имеются также сток и исток. При программировании напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. Некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где и будут пребывать. Заряд на плавающем затворе изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость, что используется при чтении. • Программирование и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи, тогда как при чтении затраты энергии малы. • Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. Низкий заряд на плавающем затворе соответствует логической единице, а высокий – нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Флеш-память имеет массу преимуществ, включая высокую скорость доступа, и отсутствие задержек на механическое движение диска и считывающего устройства, однако стоимость 1 Гб электронного носителя в 3… 5 раз превосходит аналогичную величину для магнитной записи.

Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (до нескольких миллионов циклов). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW. •

Твердотельный накопитель (англ. SSD, Solid State Drive, Solid State Disk) • — энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство без движущихся механических частей. Следует различать твердотельный накопители, основанные на использовании энергозависимой (RAM SSD) и энергонезависимой (NAND или Flash SSD) памяти. При несомненных преимуществах есть и существенные недостатки • высокая цена за 1 ГБ (от 3 долларов за гигабайт); • более высокая чувствительность к некоторым эффектам, например, внезапной потере питания, магнитным и электрическим полям; • ограниченное количество циклов перезаписи: обычная флеш-память позволяет записывать данные до 100 тыс. раз, более дорогостоящие виды памяти — до 5 млн. раз.

Solid State Disk Наименование: Цифровое устройство 192 B SSD, Transcend Цифровое устройство 192 GB SSD, Transcend, (TS 192 GSSD 25 S-M) Цена: 17655 руб.

• Ещё один недостаток SSD устройств на базе флеш- памяти по сравнению с жёсткими дисками — как ни странно, меньшая скорость. Несмотря на то, что производители SSD накопителей заверяют, что скорость этих устройств выше скорости винчестеров, в реальности она оказывается ощутимо ниже. Конечно, SSD накопитель не тратит подобно винчестеру время на разгон, позиционирование головок и т. п. Но время чтения, а тем более записи, ячеек флеш-памяти, используемой в современных SSD накопителях, больше. Что и приводит к значительному снижению общей производительности. Справедливости ради следует отметить, что последние модели SSD накопителей и по этому параметру уже вплотную приблизились к винчестерам. Однако, эти модели пока слишком дороги.

Эволюция физических принципов и устройств записи информации: 1. механический принцип записи (перфокарта), 2. магнитная запись информации (изображение магнито-силовой микроскопии дорожек жесткого диска компьютера), 3. – оптический принцип записи (АСМ изображение поверхности DVD диска, интервал между витками – 1. 6 мкм, ширина углубления – 0. 5 мкм, глубина – 0. 125 мкм, минимальная длина – 0. 83 мкм). 4. магнитный нанокомпозит – ферромагнитная нанопроволока в матрице мезопористого диоксида кремния (просвечивающая электронная микроскопия). Фотографии 2, 3, 4 – экспериментальные результаты ФНМ МГУ.