Винчестеры: обаяние зрелости

Архив

   Славная история
   13 сентября 1996 года исполнилось 40 лет с того дня, как небольшая группа инженеров из исследовательского подразделения компании IBM в Сан-Хосе, шт.Калифорния, представила миру первую дисковую систему памяти под называнием RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) модели 305. Патент на запоминающие устройства на основе магнитных дисков был заявлен IBM на два года раньше - 24 декабря 1954 года и зарегистрирован под номером 3,503,060. В тексте заявки на патент предмет определен буквально так: "Устройство управления [памятью на магнитном диске] для позиционирования преобразователя магнитного поля (головки) с целью выбора одной из множества концентрических записывающих дорожек на поверхности магнитного диска согласно внешнему сигналу, определяющему адрес дорожки". Из этого определения следует очевидный вывод, что за прошедшие десятилетия принцип работы дисковых накопителей остался неизменным. А в те уже давние годы само формулирование принципа записи на концентрических дорожках плоского магнитного диска прозвучало как новое словом в технологии. Существовавшие с 1951 года накопители на магнитных лентах и появившиеся в 1952 году магнитные барабаны не смогли составить конкуренцию новому типу устройств. Накопители на магнитных лентах, принципиально являясь устройствами последовательного доступа, не давали нужных скоростей при поиске данных. А магнитные барабаны при всем их быстродействии, были недостаточно гибки в управлении и совершенно не удовлетворяли нуждам практики по критериям стоимости и физических размеров. Так, для того, чтобы обеспечить емкость устройства 305 RAMAC, которое само имело изрядные размеры, о чем речь пойдет ниже, магнитный барабан должен был бы иметь вообще циклопические габариты: длину 12,5 метров при диаметре 33 сантиметра!

   Грандиозность устройства RAMAC 305, которое ныне выставлено как экспонат в Музее технологии исследовательского центра IBM в Сан-Хосе, конечно, непросто описать словами. Но попробуем. Оно состоит из двух огромных блоков, которые занимают площадь 3 на 3,5 метра. Непосредственно на ось мощного электромотора насажены 50 дисков из алюминия, на рабочие поверхности которых нанесен магнитный слой. Каждый диск имеет диаметр около 60 см при толщине 2,5 см. Вся эта махина вращается в рабочем режиме при постоянной угловой скорости 1200 об/мин. На поверхности каждого диска, в 5-дюймовой внешней зоне, расположены 100 концентрических дорожек. Для записи и считывания данных были использованы те же методы, которые применялись в накопителях на магнитных лентах. На каждой дорожке можно было запомнить 500 алфавитно-цифровых символов, закодированных в использовавшемся тогда 7-битном коде. А всего RAMAC 305 мог хранить 5 млн. символов.

   Одним из важнейших новых принципов, использованных в конструкции RAMAC 305, явилось то, что головки не прикасались к поверхности дисков, а зависали на малом фиксированном расстоянии. Для этого использовались специальные воздуходувки, которые направляли поток через маленькие отверстия в держателях головок и тем самым создавали зазор. Вообще-то, в RAMAC, несмотря на наличие целого стека из 50 дисков, применялось всего две головки. При переходе к другому диску держатели головок выдвигались из стека дисков, перемещались по направляющей к другому востребованному диску и вновь погружались в стек, к рабочей поверхности вновь выбранного диска. Вся память накопителя была размечена как 50 тыс. секторов по 100 символов. Для формата сектора была применена метафора перфокарты, если вам довелось видели таковую или вы знаете, что это такое. Среднее время доступа в RAMAC составляло 600 мс, а скорость передачи данных - до 9 Кбайт/с. Не такие уж слабые показатели!

   Для внутреннего использования и экспериментов в IBM было создано 14 устройств - прототипов RAMAC. А первое промышленное устройство было установлено в июне 1956 года по заказу бумагоделательной компании Zellerbach Paper из Сан-Франциско. По сегодняшним прикидкам, сделанным в IBM, в 1956 году стоимость одного устройства RAMAC могла составлять 50 тыс. долларов, что дает удельную стоимость памяти 11.364 доллара на мегабайт. Производство RAMAC прекратилось только в 1961 году. За эти годы было выпущено 1.067 накопителей, которые использовались на переднем крае науки, производства, обороны США. В честь 40-летнего юбилея накопителей на жестких дисках IBM назвала новейшую серию RAID-систем для мейнфреймов гордым именем "RAMAC".

   IBM и следом идущие
   История развития жестких дисков оказалась тесно связаной с историей корпорации IBM, которая и сегодня является лидером в новейших технологических решениях для этих устройств. В 1961 году IBM предложила использовать специальную аэродинамическую геометрию держателя магнитной головки для обеспечения эффекта ее "плавания" над поверхностью диска. Это позволило не только устранить внешние воздуходувки, но и значительно уменьшить расстояние между головкой и рабочей поверхностью диска, что, в свою очередь, сразу же резко повысило плотность хранимой информации.

   А в 1973 году на предприятии IBM в английском городе Винчестер началось производство накопителей на жестких дисках, в которых маленькая и легкая головка, размещенная на держателе специальной аэродинамической формы, сама, без каких-либо дополнительных механизмов, опускалась до нужной высоты над поверхностью диска при достижении последним рабочей скорости вращения. Это решение позволило намного уменьшить стоимость устройств, которые с этого времени и стали называться "винчестерами". Имеет хождение, правда, и другая, более "романтическая" версия происхождения этого названия. Якобы первое устройство такого типа состояло из двух дисков, каждый из которых имел емкость 30 Мбайт, то есть 30/30, что сопадало с маркировкой известной винтовки Winchester 30/30. На самом деле, первый накопитель-винчестер являлся моделью IBM 3340, имел емкость 140 Мбайт и стоил 87.600 долларов.

   В 1978 году IBM зарегистрировала патент на подсистемы дисковых массовов. После этого корпорация в сотрудничестве с Калифорнийским университетом в Беркли провела разработки, которые дали в 1987 году исходное определение уровней массивов RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks).

   В начале 1990 года IBM впервые выпустила накопитель, который использовал технологию PRML (Partial Responce Maximum Likelihood). Эта технология, основанная на формальных процедурах кодирования и декодирования информации при записи информации на диск и последующем считываниии, дала возможность существенно повысить плотность информации, хранимой на диске.

   В 1991 году в IBM были выпущены первые накопители с магниторезистивными (MR - Magneto-Resistive) головками, которые также являются изобретением специалистов корпорации. Такие головки состоят из раздельных преобразователей магнитного поля: для записи и для считывания. Каждая часть максимально оптимизирована для выполнения своей функции. Такая специализация позволяет уменьшить общий размер головки, повысить чувствительность и, таким образом, плотность записи, противостоять влиянию шумовых и побочных магнитных полей. Последнее свойство и дало название новому типу головок.

   Все эти годы жесткие диски использовались исключительно на компьютерах уровня мейнфреймов, поскольку были очень дороги. В 1975 году, когда на свет появились первые микрокомпьютеры, в природе существовали только накопители с дисками диаметром 14 дюймов. И даже после того как IBM и компания International Memories в 1979 году объявили о выпуске накопителей с 8-дюймовыми дисками, это ничего не дало пользователям микрокомпьютеров. Первенство в оснащении жесткими дисками персональных компьютеров принадлежит компании Seagate Technology, которая в апреле 1980 года выпустила первый накопитель с диаметром диска 5,25 дюйма специально для этих целей. Это была модель ST506, емкостью (смешно сказать!) 5 Мбайт. Дальше дело пошло быстрее. В 1983 году компания Rodime, о которой сейчас мало кто помнит, представила первый накопитель на 10 Мбайт с диском 3,5 дюйма. В 1988 году Prairie-Tek, тоже канувшая в Лету, создала накопитель на 20 Мбайт с диском 2,5 дюйма, а в 1991 году Integral Peripherals - накопитель на 21,4 Мбайт с диском диаметром 1,8 дюйма. В прошлом году Hewlett-Packard объявила о готовности к выпуску винчестеров с 1,3-дюймовыми дисками. Наконец, снова IBM изготовила совсем уж микроскопическое устройство с диском диаметром всего 1 дюйм!

   Вряд-ли сейчас удастся достоверно назвать все компании, которые приняли участие в эволюции жестких дисков в течение минувших 40 лет, но аналитики считают, что их было не менее 140. В пионерские годы кроме IBM с ее исследовательским центром Almaden Research Center в Сан-Хосе, шт. Калифорния, немалую роль сыграли и корпорации Storage Technology и Control Data. Сегодня на поле разработки и производства винчестеров играют всего 24 компании, из которых едва-ли четверть реально задает правила. Их имена вам хорошо известны: IBM, Seagate Technology, Quantum, Western Digital, NEC, Hyundai/Maxtor, Samsung Electronics.

   Патриарх
   А вот что касается персоналий, то всего-лишь три человека заслужили честь быть упомянутыми в связи с появлением на свет накопителей на жестких дисках. Вот они, духовные братья и непримиримые соперники в бизнесе: Том Митчелл (Tom Mitchell), Аллэн Шугарт (Allan Shugart) и Файнис Коннер (Finis Conner). Все они стояли у истоков, но в этом трио Аллэн Шугарт являет собой, пожалуй, самую яркую фигуру. По мнению аналитиков Forbes Magazine, он единственный может заслуженно считаться отцом, даже дедом, короче, - прародителем винчестеров.

   Шугарт, которому ныне 67 лет, начал свою деловую карьеру в 11-летнем возрасте на табачной фабрике, где он собирал коробочки для сигарет. Ныне промышленная империя, принадлежащая Аллэну Шугарту стоит не менее 9 млрд. долларов. Шугарт пришел в IBM еще в 1951 году в качестве инженера-испытателя. Там он сразу же начал участвовать в проекте RAMAC, вырос до менеждера-технолога. С началом в июне 1961 года проекта дисковых накопителей второго поколения, известных как ADF (Advanced Disk File), А.Шугарт был назначен его руководителем. Этот проект завершился выпуском устройств, известных как IBM 1301 Disk Storage. Те, кто работал на технике ЕС ЭВМ в 70 - 80-е годы, могут вспомнить "тумбочки" со съемными дисками, имевшими емкость 29 Мбайт. Это и были устройства, которые разрабатывал Шугарт со своей командой. Впоследствии он работал в Memorex. После крушения Memorex Шугарт основал свою собственную корпорацию Shugart Associates, вслед за которой в 1979 году была создана Seagates Technology, в свое время поглотившая другого производителя винчестеров Imprimus, а год назад - и Conner Peripherals. В настоящее время Seagate Technology является крупнейшим в мире производителем массовых накопителей на жестких магнитных дисках. В конце 1996 года компания, в которой сейчас работает свыше 90 тыс. человек, отметила выпуск своего 100-миллионного изделия! Надо сказать, что благодаря роли Аллэна Шугарта, Seagate Technology пребывает в плодотворных партнерских отношениях с IBM, что не так-то просто в условиях, когда нужно делить, по-сути, один общий сектор рынка.

   Аллэн Шугарт не только замечательный предприниматель, но и самобытная, весьма эксцентричная личность. Он часто и охотно общается с представителями прессы, дает интервью. Понравившимся гостям Шугарт обычно дарит по экземпляру своей книги "Fandango", озаглавленной так в честь ресторана, открытого им в 1986 году в Пасифик-Гроув, шт.Калифорния. Из других публично известных деяний Шугарта можно упомянуть то, что недавно он направил 25 тыс. долларов на кампанию по выдвижению в Конгресс США от штата Калифорния его любимца - 3-летнего 35-килограммового пса породы горная бернская по кличке Эрнест. Как объясняет сам Шугарт, этим жестом он пытается вывести из апатии политическую систему США, которая раскачивается как маятник от демократов к республиканцам и обратно. Великим прощаются слабости ... и странности.

   Последнее слово за IBM
   30 декабря 1996 года лаборатория Advanced Magnetic Recording Laboratory, являющаяся объединенным полигоном подразделений IBM Almaden Research Center и Storage Systems Division в Сан-Хосе, Калифорния, объявила о прошедшей успешно демонстрации промышленных компонентов новой технологии записи и считывания данных на магнитный диск, которая обеспечивает плотность хранения информации 5 Гбит на квадратный дюйм (775 Мбит/кв.см). Это более чем в 3 раза превышает плотность, достигнутую ранее самой IBM в выпускаемых в настоящее время накопителях Travelstar VP, предназначенных для использования в ноутбуках. Столь высокая плотность хранения информации достигается дальнейшим развитием ранее разработанных технологий:
   - магниторезистивные (MR) головки, раздельные для считывания и записи, обеспечивающие максимальную доступную в настоящее время чувствительность;
   - специальные многокомпонентные низкошумящие магнитные сплавы для активного слоя диска;
   - усовершенствованное электронное обрамление накопителя.

   В ходе демонстрации производилась операции записи и считывания данных на концентрических дорожках с линейной плотностью 240 тыс. битов на дюйм. Сами же дорожки были расположены с радиальной плотностью 21 тыс. дорожек на дюйм. Таким образом, каждый бит информации был представлен на поверхности диска крошечной полоской размером 1,2 на 0,1 мкм. Сам диск изготовлен из алюминия, на который нанесен магнитный сплав из 4 компонентов, который обеспечивает особо низкий уровень шумов. На активный слой нанесен прочный защитный материал, во избежание механических повреждений. В ходе экспериментов был зафиксирован уровень ошибок - 1 ошибка на 1 млрд. битов в цикле записи-считывания. При введении стандартных методов коррекции ощибок с помощью кодов уровень ошибок уменьшался в миллион раз. Особо подчеркнуто, что демонстрация проводилась в условиях, далеких от лабораторных. Указанные уровни ошибок соответствуют условиям промышленных испытаний. В новой технологии головка парит над поверхностью диска на расстоянии всего 5 мкм!

   Ранее в том же исследовательском центре были разработаны технологии, обеспечившие плотности 1 Гбит/кв.дюйм (1989), 3 Гбит/кв.дюйм (1995). Цикл внедрения разработок в промышленные изделия постоянно сокращается. Если для внедрения технологии с плотностью хранения информации 1 Гбит/кв.дюйм потребовалось 5 лет, то устройства с плотностью 3 Гбит/кв.дюйм уже на подходе. IBM не называет конкретных сроков, но говорит о том, что период внедрения накопителей с плотностью представления информации 5 Гбит/кв.дюйм будет еще короче. Магниторезистивные головки, разработанные в центре в 1994 году, которые получили название "spin valve", обладают столь высокой чувствительностью, что их потенциала хватит для реализации технологий для плотности информации 10 Гбит/кв.дюйм. Этот рубеж корпорация собирается преодолеть к 2000 году.

   Не вечер, а день ясный
   40 лет назад громоздкое устройство RAMAC, обеспечивавшее хранение 5 млн. знаков, считалось вершиной технологических достижений. В наши дни резко сокращается производство накопителей емкостью 500 Мбайт. Активная тенденция - движение к 9 гигабайтам как следующему плато. Плотность хранения информации в массовых изделиях за это время возросла от 5000 до 1,5 млрд. бит на квадратный дюйм. Однако истинным фактором успеха винчестеров является непрерывное снижение цен. Кроме прямого технологического прогресса, это снижение цен происходит не в последнюю очередь благодаря тому, что уже много лет назад началось перемещение их производства в страны Юго-Восточной Азии. Как мы уже отмечали, в первом накопителе RAMAC 1 Мбайт информации обходился более, чем в 11 тыс. долларов. Сейчас тот же объем стоит меньше 10 центов!

   Поступь винчестеров четка и тверда: надежные прогнозы обещают рост годовых объемов продаж к 1999 году до 170 млн. единиц, при общей стоимости более 62 млрд. долларов. А что касается общих тенденций развития парка винчестеров до конца этого века - изучите внимательно приведенную здесь таблицу. Может быть стоит годик погодить с покупкой нового винчестера?