История жестких дисков

Мы уже используем различного рода компьютеры без “винчестеров”: смартфоны, планшеты, ноутбуки – любые устройства, в которых вместо коробочек с вращающимися внутри пластинами установлены накопители на основе чипов флэш-памяти. И несмотря на то что в пересчете на 1 Гб твердотельные накопители пока не способны конкурировать по цене с классическими HDD, исход этого противостояния, кажется, предопределен: высокая скорость, низкое энергопотребление, высокая устойчивость к механическим нагрузкам, миниатюрность – все говорит о том, что рано или поздно SSD добьет механику.
Чтобы понять, как мы до этого дошли, давайте посмотрим, как развивалась история накопителей последние 50 с лишним лет.

 

IBM 350 DISK STORRGE UNIT

Первый жесткий диск IBM 350 Disk Storage Unit был показан миру 4 сентября 1956 года. Он представлял собой громадный шкаф шириной 1,5 м, высотой 1,7 м, толщиной 0,74 м, весил почти тонну и стоил целое состояние. На его шпинделе было 50 дисков размером 24″ (61 см), покрытых краской, в которой содержался ферромагнитный материал. Д

 

 

иски вращались со скоростью 1200 оборотов в минуту, а суммарный объем хранимой на них информации был равен фантастическим по тем временам 4,4 Мб. Привод, на котором крепились головки, весил почти 1,5 кг, но ему требовалось меньше секунды на то, чтобы переместится от внутренней дорожки верхнего диска до внутренней дорожки нижнего. Представьте себе, насколько быстро должен был двигаться этот совсем не легкий механизм.

IBM 350 DISK STORRGE UNIT
Изобретенный небольшой группой инженеров IBM 350 Disk Storage Unit был частью ламповой вычислительной системы IBM 305 RAMAC. Такие системы в 50-х и 60-х годах использовались исключительно в больших корпорациях и правительственных организациях. Интересно, что все идеи, заложенные в самом первом жестком диске, появившемся еще в эпоху ламповых компьютеров, дожили до сегодняшних дней: в современных накопителях тот же набор из дисков, покрытых ферромагнитным слоем, на которые записываются дорожки с данными, и блок головок чтения и записи, размещенный на “арме” с электромеханическим приводом. Кстати, идею головок, которые поднимаются над поверхностью диска за счет потока воздуха, создаваемого вращением самих дисков, тоже предложили инженеры IBM, и случилось это еще в 1961 году. Да и практически до конца 60-х годов все, что касалось жестких дисков, так или иначе исходило от IBM.

Дисковая гонка

В 1979 году Алан Шугарт, работавший ранее в IBM и принимавший участие в разработке IBM 350 Disk Storage Unit, объявил о создании компании Seagate Technology, и, пожалуй, именно с этого момента началась история жесткого диска как массового продукта.
В том же 1979 году Seagate создала первый диск формфактора 5,25″ ST-506 объемом 5 Мб, и год спустя его запустили в производство. Еще через год была выпущена модель ST-412 объемом 10 Мб. Именно эти диски использовались в легендарных персональных компьютерах IBM PC/AT и IBM PC/XT.
Western Digital, ставшая впоследствии основным конкурентом Seagate, была основана на девять лет раньше и на момент основания называлась General Digital Corporation (ее переименовали в 1971 году, через год после основания). Она занималась производством однокристальных контроллеров и различной электроникой. Первый контроллер для жестких дисков Seagate ST-506/ST-412 на одном чипе в 1981 году сделала именно Western Digital, и назывался он WD1010. Следующие семь лет WD принимала участие в совместной разработке стандарта АТА, занималась разработкой чипов для SCSI- и АТА-дисков, а в 1988 году приобрела дисковое подразделение Tandon Corporation и уже в 1990 году представила собственные жесткие диски серии Caviar. Более подробно об этой технике обсуждается на форуме электроники – http://www.tehnari.ru/f30/ .
Вообще, в 20-летнем промежутке, с 1985 по 2005 год, произошел настоящий бум дискового производства, и появилось огромное количество компаний, большая часть которых к настоящему времени либо вошла в состав основных гигантов Seagate и Western Digital, либо просто прекратила свое существование. Вспомните хотя бы хорошо известные некогда дисковые бренды – Conner, Fuji, IBM, Quantum, Maxtor, Fujitsu, Hitachi, Toshiba, зарекомендовавшие себя как производители хорошей техники. Все они так или иначе принимали участие в “дисковой гонке”, стартовавшей с того момента, когда HDD стал неотъемлемой частью персонального компьютера.

ibm-3040

Параллельная вселенная

Практически с самого начала в компьютерах использовалось несколько различных видов памяти, но лишь потому, что совершенное запоминающее устройство так до сих пор и не придумано. Если представить себе, что нам удалось получить чипы, работающие так же быстро, как оперативная память, энергонезависимые, как флэш, но с большим ресурсом перезаписи и такого объема, как современные жесткие диски, то нам не нужно было бы делить эту память на отдельные устройства. Каждый же из существующих ныне видов запоминающих устройств несовершенен, причем в связи с тотальной миниатюризацией особенно несовершенными из-за своей механической природы оказываются жесткие диски. Они появились из идеи относительно недорого получить большой объем памяти, а следовательно, изначально требования по другим параметрам, таким, например, как скорость и надежность, так или иначе отходили на второй план. Поэтому неудивительно, что альтернативу HDD искали всегда.
Еще в 70-80-х годах неоднократно предпринимались попытки создания твердотельных накопителей (Solid State Drive, SSD) на основе динамической памяти, которые оснащались специальным контроллером и аккумуляторной батареей на случай обесточивания. Тогда это были почти безумные проекты, стоившие огромных денег, и воплощение они получали исключительно в суперкомпьютерах (IBM, Cray) и в системах, используемых для обработки данных в реальном времени (например, на сейсмических станциях). Позже, когда объемы чипов оперативной памяти существенно увеличились и их стоимость снизилась, подобные накопители появились в качестве решений для персональных компьютеров (например, хорошо известный i-RAM производства Gigabyte), но все равно остались уделом гиков, так и не получив массового распространения из-за относительной дороговизны и малого объема.

hdd-vs-sdd
Другое направление SSD родилось из идеи создания чипа электрически перезаписываемого постоянного запоминающего устройства (EEPROM) большого объема. Проблема состояла в том, что записываемые ячейки можно разместить на кристалле достаточно плотно, но если нужно не только записывать, но и стирать, а затем записывать вновь, то нужна цепь, отвечающая за стирание, которая сильно увеличивает размер ячейки памяти.
Выход из положения в начале 80-х нашел ученый, работавший в компании Toshiba – доктор Фудзио Масуока. Он предложил скрестить два способа стирания ячеек постоянной памяти, и вместо того чтобы очищать весь чип целиком или, напротив, только одну ячейку стирать память достаточно большими блоками. В 1984 году Масуока представил свою разработку на конференции IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), а в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference компания Toshiba показала разработанный концепт флэш-памяти NAND. Тогда даже в самых смелых мечтах вряд ли кто-то мог подумать, что чип небольшого объема со сложной схемой доступа к данным сможет конкурировать с жесткими дисками, которые уже вовсю набирали обороты.
Основанная в том же 1989 году израильская компания M-Systems первой начала работу над идеей флэш-диска, и в 1995 году выпустила DiskOnChip – накопитель на одном чипе. В нем была и флэш-память, и контроллер. Более того, этот однокристальный диск объемом 8,16 и 32 Мб уже тогда содержал в своей микропрограмме алгоритмы контроля износа ячеек и обнаружения и перераспределения поврежденных блоков. Кстати, именно M-Systems в 1999 году первой выпустит USB флэш-накопители – DiskOnKey, a IBM подпишет с компанией контракт и будет продавать их на территории США под собственным брендом.
Но для того чтобы SSD-накопители на основе флэш-памяти стали массовым продуктом, понадобилось еще примерно 10 лет. В 2006 году компания Samsung, к тому времени крупнейший производитель чипов памяти, выпустила первый в мире ноутбук с SSD-диском объемом 32 Гб. Уже через два года Apple показала MacBook Air, в котором опционально мог быть установлен SSD, а в 2010 году этот лэптоп стал выпускаться исключительно с твердотельными накопителями.
У современных SSD, безусловно, есть недостатки. Хотя, если хорошенько разобраться, их оказывается не так много: но большому счету всего один – высокая стоимость 1 Гб в сравнении с классическими жесткими дисками. Но полупроводниковая промышленность развивается очень быстро, разрабатываются новые типы памяти, совершенствуются алгоритмы работы контроллеров, объемы быстро увеличиваются, и стоимость постепенно снижается. Но и это еще не все.
Есть еще один важный аргумент, благодаря которому возникает мощная конкуренция и цены быстро становятся привлекательными простота изготовления твердотельных накопителей. По сути, собрать SSD – это то же самое, что собрать только плату контроллера для жесткого диска, и нужна для этого лишь сборочная линия плат с поверхностным монтажом. Это, конечно, очень упрощенно, но в целом верно. Сборка классического жесткого диска – процесс гораздо более сложный, а значит, дорогостоящий. Именно поэтому ни у кого не возникает сомнений, что до момента, когда SSD начнут активно вытеснять “винчестеры”, осталось совсем немного. Процесс уже пошел.