Відмінності між версіями «Проект з статистики на тему:"История прогресса винчестеров"»

Версія за 12:49, 11 грудня 2008

История прогресса винчестеров

Ідея проекту

Визначення основних етапів та аспектів розвитку жорстких дисків,а також дослідження теперішнього стану.

Автор проекту

Баранюк Олександра

Ріжняк Галина

Матеріали проекту

Карта знаний

Закладки

Фото для проекту

Видео

Презентация

Інтернет ресурси проекту

ЕПОС.Публикации.Винчестер под микроскопом

Журнал "Железо"

ООО "Спас-инфо" Спасение вашей информации

Компания "Ф-Центр"

Официальный сайт журнала iXBT.com

CIT forum

Интересные факты

Рекламно-издательская корпорация «Атлант Медиа»

Уникальный проект evolutsia.com

Фільм

Додаткові матеріали проекту

Основные моменты развития винчестеров

Самые первые компьютеры вообще не имели постоянного хранилища данных. Каждый раз, когда вы хотели поработать с программой, ее надо было вводить в ручную. Довольно быстро стало понятно, что компьютерам нужно какое-то постоянное хранилище данных. Первым носителем данных, используемым в компьютерах, была бумага! (Многие помнят перфокарты? Программы и данные были записаны, используя дырки в бумажных карточках. Использовался специальный считыватель, который использовал луч света для сканирования карточек: где находилась дырка, она воспринималась как "1", а где дырки не было, воспринимался "0". По сравнению с ручным вводом программы каждый раз при включении компьютера, это был большой шаг вперед, оставаясь, между тем очень неудобным методом ввода программ в компьютер. Вам нужно было написать всю программу дырками на картах, и проиграть всю программу в уме, перед тем, как пытаться нанести ее на карты, потому что, если булла допущена ошибка, вам необходимо было переделать много карт. Считыватели карт имели тенденцию к застреванию карт в них (у этих устройств были даже прозвища, например такое: "IBM 1443 карто-жеватель". А также вам нужна была поистине помощь господня, если вы роняли пачку с картами на пол, нужная последовательность карт терялась, и восстановить ее было адским трудом. Тем не менее, перфокарты использовались довольно продолжительное время. Следующим важным улучшением хранилища программ было изобретение магнитной ленты. Хотя бы на картинках все видели большие "компьютерные магнитофоны". Информация записывалась методом, похожим на запись аудиокассет, магнитные ленты были более гибким, надежным и более быстрым хранилищем информации по сравнению с перфокартами. Конечно, накопители на лентах и сейчас используются в компьютерах, но в качестве вторичного накопителя данных, как правило, для хранения резервных копий. Главный минус данного устройства в том, что данные располагались линейно, и требовались минуты, чтобы перемотать ленту из одного конца в другой, делая медленным случайный доступ к данным. Первые персональные компьютеры использовали в качестве накопителя обычный кассетный аудио магнитофон. Долгое время компьютеры комплектовались лишь дисководом. Чаще даже двумя. В один дисковод вставлялась дискета с операционной системой, с нее компьютер и загружался, а во второй дисковод вставляли дискету с нужной на данный момент программой. Дисководы после своего появления тоже стоили недешево - часто их приходилось докупать отдельно от компьютера.

Отцом жесткого диска является корпорация, придумавшая персональный компьютер - IBM. 13 сентября 1956 года в ее лабораториях появилось некое устройство с названием IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Первый жесткий диск состоял из пятидесяти алюминиевых пластин диаметром около 60 сантиметров. Емкость этого монстра составляла целых 5 Мб - по тем временам довольно внушительный объем! Скорость передачи данных составляла почти 9 байт в секунду. Это был первый жесткий диск, который IBM представила народу. Принцип работы был такой же, как и у магнитной пленки: на обеих сторонах алюминиевых пластин было нанесено магнитное напыление, которое хранило информацию, так же как магнитная пленка. Считывалась и записывалась она с помощью головки, которая перемещалась по поверхности дисков.

Эволюция емкости жестких дисков

Параллельная и перпендикулярная запись

Главное отличие между данными технологиями заключается в направлении намагниченности доменов — в случае параллельной записи оно параллельно плоскости диска, а в случае перпендикулярной, соответственно, перпендикулярно (см. схему). Однако если мы посмотрим на конкретный домен в отдельности, то никакой разницы не увидим, поскольку суперпарамагнитный предел не зависит от направления намагниченности. Причина более высокой плотности перпендикулярной записи объясняется не какими-то внутренними характеристиками одного домена, а силами взаимодействия между соседними ячейками.

Схема. Параллельная и перпендикулярная запись Из школьного курса физики известно, что постоянные магниты, расположенные одинаковыми полюсами друг к другу, отталкиваются, а разными, наоборот, притягиваются. Как следствие, при использовании технологии последовательной записи возникают силы магнитного взаимодействия соседних доменов, влияющие на магнитные поля каждой из этих частиц. Другими словами, магнитная энергия каждого домена может уменьшиться, и тогда вероятность влияния термофлуктуаций на магнитный порядок данного домена увеличится. При использовании перпендикулярного расположения доменов их влияние друг на друга существенно уменьшается. Возникает естественный вопрос — почему же, несмотря на кажущуюся простоту и широкую известность метода, коммерческие реализации перпендикулярной записи появились спустя 50 лет после создания первого жесткого диска? Ответ на него можно разделить на две основные части. Во-первых, традиционная параллельная технология успешно развивалась и до недавнего времени не сталкивалась с жесткими физическими ограничениями. Во-вторых, техническая реализация перпендикулярной записи была сопряжена с рядом сложностей, обусловленных принципиально другим способом расположения магнитных доменов. Действительно, перпендикулярная запись требует наличия специальной дополнительной подложки под слоем записи, а также принципиально других, «двусторонних», головок, способных генерировать более сильное магнитное поле. Вполне возможно, перпендикулярная запись могла появиться и раньше, только производители не хотели осложнять себе жизнь и постепенно совершенствовали параллельную технологию, пока она не приблизилась к физическому пределу. По оценкам экспертов, современная технология перпендикулярной записи имеет физический предел плотности в 500 Гбит/дюйм2. Предполагается, что он будет достигнут в 2010 году. Таким образом, использование данного типа записи позволит довести емкость 3,5-дюймовых винчестеров до нескольких терабайт, а дальнейшее увеличение объема пока не представляется возможным. Сегодня видны два основных вектора развития индустрии жестких дисков — структурированная и термоассистирующая запись. Структурированные носители Концептуальная идея структурированных носителей крайне проста, однако перспективы ее практической реализации до сих пор не понятны. Как видно из рис. 1, в современных накопителях каждый магнитный домен состоит из нескольких десятков (70–100) мелких структурных элементов («зерен»), каждое из которых теоретически способно выполнять функции домена и содержать в себе 1 бит информации.

Рисунок 1. Традиционная запись

Рисунок 2. Структурированная запись В результате появляется возможность уменьшить суперпарамагнитный предел: увеличить размеры отдельного «зерна» и хранить единицу информации в меньшем количестве «зерен». Основная сложность внедрения структурированных технологий заключается в производстве требуемых носителей. Если плотность записи составляет 100 Гбит/дюйм2 (современные носители), то линейный размер одного «острова» (множества «зерен», хранящих 1 бит) должен равняться 86 нм, а для перехода к терабитным плотностям требуются «островки» длиной в 27 нм (квадрат линейного размера ячейки обратно пропорционален плотности — то есть при росте плотности вчетверо размер ячейки уменьшается вдвое). Таким образом, для того чтобы изготовить структурированные диски, требуется технология, способная наносить на поверхность носителя отпечатки столь малой длины. Значение 27 нм находится на пределе возможности оптической литографии — метода, применяющегося сегодня для изготовления микросхем и продуктов на их основе (например процессоров). Поэтому производители жестких дисков планируют применять другие литографические методы или использовать самоорганизующиеся материалы (примером подобного материала может послужить железо-платиновый сплав — FePt). Добавим, что материал носителя — не единственная проблема структурированной технологии, инженерам также придется разработать механизмы синхронизации магнитных импульсов головки и «островов», а также создать специальные навигационные метки для головки. В настоящее время разработки, связанные со структурированными носителями, ведут как минимум две лидирующие компании-производителя — Hitachi Global Storage Technologies (HGST) и Seagate. Причем первая из них возлагает на данный метод большие надежды. Согласно информации HGST, появление коммерческих структурированных носителей должно произойти в 2010 году, а предел их теоретической плотности может достигнуть отметки несколько терабит на квадратный дюйм. Если же разработчикам удастся придумать материалы с однозернистыми «островами», то возможны и вовсе фантастические результаты — с плотностью до нескольких десятков и даже сотен терабит. Термоассистируемая магнитная запись (Heat-Assisted Magnetic Recording, HAMR) Как мы уже отмечали выше, термоассистируемая запись сочетает два способа обхода суперпарамагнитного эффекта — с помощью изменения температуры и использования веществ с высокой коэрцитивностью. Подобные вещества стабильны, они имеют низкий суперпарамагнитный предел, однако для изменения их магнитного состояния (записи) требуется значительная коэрцитивная сила, которая не может создаваться современными головками. В технологии HAMR она и не создается — во время записи носитель нагревается, его коэрцитивность падает и требуемая сила становится гораздо меньше. После того как запись завершена, носитель остывает и остается в стабильном состоянии на долгое время (рис. 3).

Рисунок 3. Лазер для нагрева носителя, интегрированный в головку записи Планируется, что нагрев малой части носителя будет происходить с помощью теплового лазера, интегрированного в записывающую головку. Тут же возникает масса проблем — во-первых, непонятно, как «запихнуть» лазер в головку, во-вторых, как обеспечить нагрев именно той области, которая необходима, в-третьих, как ее охладить. Кроме того, требуется учитывать макроскопическое нагревание винчестера. Как известно, эта проблема актуальна даже в современных жестких дисках. Наконец, важно придумать материал носителя с заданными свойствами, а именно: с высокой коэрцитивностью при комнатной температуре и низкой при температуре записи. Разработки HAMR-технологий ведутся довольно давно (с конца прошлого века), однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи и сроках массового применения подобных винчестеров. Так, компания HGST называет предел в 15 Тбит/дюйм2, а Seagate предполагает, что HAMR-носители могут достигнуть плотности 50 Тбит/дюйм2. По всей видимости, широкого распространения данной технологии можно ожидать в 2010– 2013 годах. Несмотря на то, что структурированная и термоассистируемая записи абсолютно различны, теоретически эти методы не противоречат друг другу. Другими словами, в будущем возможно появление накопителей, сочетающих оба подхода. Однако необходимо понимать, что одной из главных сложностей разработки и структурированных, и термоассистируемых носителей является дисковый материал, то есть разработать доступное вещество, удовлетворяющее требованиям обеих технологий, будет крайне сложно.

Современные винчестеры Hitachi Deskstar 7K250 Серия винчестеров Hitachi Deskstar 7K250 включает пять моделей емкостью 40, 80, 120, 160 и 250 Гб со скоростью вращения 7200 об/мин, 8 Мб кэша и плотностью записи 80 Гб на пластину. В нашем обзоре представлены два устройства этой серии: • HDS722580VLSA80 — так называемая "low profile" (низкопрофильная) модель емкостью 80 Гб • HDS722525VLSA80 — топовая модель емкостью 250 Гб. У винчестера емкостью 80 Гб одна пластина и две головки. У его "старшего брата" емкостью 250 Гб — три пластины и шесть головок. Здесь может возникнуть логичный вопрос: как из трех пластин по 80 Гб получается накопитель емкостью 250 Гб? Для ответа заглянем в спецификацию. Ну вот, все понятно: параметр Плотность дорожек (Track density) имеет различные значения для винчестеров разной емкости. У 80-гигабайтного она равна 90 TPI (track per inch — (тысяч) дорожек на дюйм), а у 250-гигабайтного — 93,5 TPI. Если посчитать разницу между этими двумя значениями, получится прирост около 3,8%, что приблизительно соответствует 10 Гб дискового пространства.

HDS722580VLSA80 — так называемая "low profile" модель из серии Deskstar 7K250 емкостью 80 Гб

HDS722525VLSA80 — флагман линейки Deskstar 7K250 емкостью 250 Гб, показавший лучшее время доступа Даже беглого взгляда на представленные винчестеры достаточно, чтобы увидеть, что они выполнены в разных корпусах, хотя представляют одну и ту же серию Deskstar 7K250. У младшей, "однопластинчатой" модели корпус попроще — отсутствует термораспределительная пластина. Объясняется такой факт, вероятно, экономией: нужно же как-то снизить цену модели начального уровня. Заметим, что такой же "упрощенный" корпус и у 40-гигабайтного устройства, а вот у винчестеров с несколькими пластинами (120 Гб, 160 Гб и 250 Гб) корпуса посерьезней. Продолжаем внешний осмотр. У накопителей этой серии, в отличие от большинства устройств других производителей, помимо разъема питания Serial ATA есть еще и стандартный 4-контактный (Legacy). Это, несомненно, хоть и небольшой, но все же плюс: в случае необходимости не придется искать переходник. А специально для особо инициативных пользователей на винчестер наклеено предупреждение о том, что желательно использовать только какой-то один разъем питания, а не оба сразу. Отметим, что, как и у большинства накопителей Serial ATA других фирм, у винчестеров Hitachi Deskstar нет родного SATA-интерфейса. Вместо него используется мост PATA-to-SATA 88i8030 производства Marvell. В представленных накопителях, как и раньше, используется гидродинамический подшипник, снижающий шум от HDD. Неудивительно, что винчестер с одной пластиной оказался чуть тише своего старшего трехпластинчатого "брата". Кроме того, в новых SATA-винчестерах применена новая технология для вращающих пластины двигателей, благодаря которой эти HDD выделяют меньше тепла, чем их ATA-аналоги. А, как известно, чем меньше устройство перегревается, тем дольше его срок службы. Maxtor MaXLine III Винчестеры серии Maxtor MaXLine III позиционируются как более подходящие для установки в серверах и на рабочих станциях не для активного использования, а для хранения резервных копий и других архивов. Согласно спецификации, наилучшей областью применения HDD из этой линейки является архивирование, копирование, складирование, клонирование и подобные действия с любой информацией — архивами баз данных, видеофайлами, музыкальными файлами и др.

7B250S0 — у накопителей серии MaXLine III размер кэша увеличен до 16 Мб Мы протестировали модель 7B250S0 из серии Maxtor MaXLine III. Это накопитель Serial ATA емкостью 250 Гб, включающий в себя три пластины и шесть головок. Скорость вращения шпинделя — 7200 об/мин, размер кэша теперь равен 16 Мб (!!!). В линейке Maxtor MaXLine III реализован "родной" SATA-интерфейс с поддержкой возможностей SATA II. Производитель обещает, что благодаря применению очереди команд NCQ (Native Command Queuing) в серии MaXLine III в два раза повышается производительность случайного чтения по сравнению с предыдущими поколениями винчестеров MaXLine. Теоретически поддержка механизма NCQ и увеличенный до 16 Мб кэш, конечно, дают винчестеру Maxtor преимущество перед оппонентами, но это еще предстоит проверить. Samsung SpinPoint P80 Из пяти рассмотренных в данном материале крупнейших производителей винчестеров Samsung освоил производство HDD позже всех. И, надо сказать, первые жесткие диски этой компании были не очень. Поначалу винчестеры Samsung не отличались особой надежностью. Потом, когда эту проблему решили, возникла другая — быстродействие, по которому устройства Samsung уступали конкурентам. Но в последние годы ситуация сильно изменилась. Компании удалось вывести свои винчестеры на новую ступень качества. И теперь жесткие диски Samsung на равных соперничают с устройствами других производителей.

SP1614C — самый тихий SATA-винчестер В нашем обзоре представлен жесткий диск SP1614C из серии Samsung SpinPoint P80 емкостью 160 Гб с интерфейсом Serial ATA 1.0, скоростью вращения 7200 об/мин, размером буфера 8 Мб и плотностью записи 80 Гб на пластину. Винчестер включает две пластины и четыре головки. В накопителе используется гидродинамический подшипник, снижающий шум от HDD. Отметим, что, как и у большинства накопителей Serial ATA других фирм, у винчестера Samsung нет родного SATA-интерфейса. Вместо него используется мост PATA-to-SATA 88i8030 производства Marvell. Компания Samsung заботится не только о надежности своих винчестеров. Большое внимание уделяется эргономике устройств. В частности, были разработаны и внедрены в новые линейки винчестеров (в том числе и в серию SpinPoint P80) технологии NoiseGuard и SilentSeek, направленные на уменьшение шума от работы HDD: NoiseGuard направлена на подавление акустического шума, а SilentSeek отличается от нее тем, что предназначена для уменьшения акустического шума, возникающего при перемещении исполнительного механизма, а не для подавления излучаемого акустического шума. Сочетание этих двух технологий делает винчестеры Samsung одними из самых тихих. Seagate Barracuda 7200.7 SATA NCQ Компания Seagate — ветеран рынка жестких дисков. Можем предположить, что эта компания внедрила наибольшее количество нововведений в области HDD, во всяком случае значимых. Например, Seagate первой выпустила жесткий диск с форм-фактором 5,25“, первые винчестеры со скоростью вращения 7200 об/мин, 10000 об/мин (семейство Cheetah) и 15000 об/мин (Cheetah X15), первый SATA-винчестер (Barracuda ATA V). Словом, Seagate всегда была одним из лидеров среди производителей жестких дисков. Вот и сейчас эта компания первой разработала и выпустила серию винчестеров с "родным" (без моста) интерфейсом Serial ATA и встроенной поддержкой механизма переупорядочивания команд (NCQ — Native Command Queuing).

ST3160827AS — первый жесткий диск с "родным" SATA-интерфейсом В нашем обзоре представлен жесткий диск как раз из этой серии (Seagate Barracuda 7200.7 SATA NCQ), емкостью 160 Гб — ST3160827AS. Скорость вращения этого накопителя — 7200 об/мин, размер буфера — 8 Мб, плотность записи — 80 Гб на пластину и интерфейс — естественно, Serial ATA 1.0. Винчестер включает в себя две пластины и четыре головки. В накопителях Seagate серии Barracuda 7200.7 реализована уникальная система защиты 3D Defense System, которая гарантирует надежность диска и полную сохранность данных. 3D Defense System — это тройная защита: диска (Drive defense), данных (Data defense) и диагностическая (Diagnostic defense). В основе каждой из трех Д-защит лежит несколько технологий. Кроме того, в винчестерах этой серии применяется технология звукового барьера (SBT — sound barrier technology) для подавления шумов. Эта технология также подразумевает применение в винчестерах более тихого двигателя, разработанного по эксклюзивной технологии компании Seagate — SoftSonic. Western Digital Caviar SE Serial ATA Последний (по алфавиту, конечно жеJ) участник нашего забега "веников" представляет хорошо всем известного производителя жестких дисков — Western Digital. В серию винчестеров WD Caviar SE Serial ATA входят SATA-накопители с плотностью записи 80 Гб на пластину, скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин и размером буфера 8 Мб (для справки: отличие линейки WD Caviar SE (Special Edition) от WD Caviar состоят в размере буфера: 8 Мб у WD Caviar SE против 2 Мб у WD Caviar).

WD1200JD показал наилучшую среднюю скорость чтения и записи В тестировании принимает участие жесткий диск WD1200JD емкостью 120 Гб. В его составе — две пластины и три головки. "Родного" SATA-интерфейса нет — используется все тот же мост PATA-to-SATA. Заметим также, что у этого жесткого диска, как и у винчестеров Hitachi, помимо разъема питания Serial ATA есть еще и стандартный 4-контактный (Legacy). Компания Western Digital уделяет много внимания эргономике устройств, в связи с чем в рассмотренной нами серии внедрены такие собственные технологии WD, как SoftSeek (чем-то похожая на SilentSeek от Samsung) и WhisperDrive, с применением которой разработан двигатель. Последняя технология преследует те же цели, что и SoftSonic от Seagate.

Этапы развития HDD-технологий

Файл:Этапы развития HDD-технологий.jpg

Результати проекту

Презентация