Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Реfeрат - Гегемония гигабайтов

Архив

автор : Александр Карабутов 07.03.2000

Да отвлекитесь вы от центральных процессоров и графических ускорителей! Почему никто не замечает, что с весны 1999 года в магазинах сменилось уже три поколения жестких дисков с интерфейсом IDE? Известно ли вам, что плотность записи данных на пластину возросла за год втрое, а скорость считывания - почти вдвое? Ну, может быть, вас удивит, что современный винчестер можно безбоязненно уронить на пол?

Усаживайтесь поудобнее в наш трехстраничный экспресс, следующий по маршруту: слагаемые рывка к современному состоянию отрасли - будущее традиционных винчестеров - примеры свежих моделей IDE-винчестеров с плотностью записи 10 Гбайт на пластину.

Бортовая электроника

Меньше всего быстродействию винчестеров сейчас препятствуют протоколы и контроллеры. Несмотря на то, что скорость чтения современных IDE-дисков (а также большинства с интерфейсом SCSI) не превышает 33 Мбайт/с, уже повсеместно внедрен протокол UltraATA/66 с двукратным запасом пропускной способности. Разработанный компанией Quantum интерфейс UltraATA/100, обеспечивающий скорость передачи данных до 100 Мбайт/с, уже нашел воплощение в анонсированном фирмой ABIT контроллере Hot Rod 100 на чипе HPT370 от High Point Technologies (в качестве шлейфа применяется тот же 80-жильный кабель, что и для UltraATA/66). Ну, а Intel на минувшем форуме разработчиков представила интерфейс Serial ATA со скоростью 1,5 Гбит/с, который впоследствии может быть ускорен еще вдвое и вчетверо. Он позиционируется как замена традиционного IDE в ближайшем десятилетии. Куда уж быстрее?

Заглянем в диск поглубже. DSP-микросхемы (Digital Signal Processor), применяемые для считывания/записи сигналов, хоть и покрывают потребности отрасли, все же имеют не столь большой запас по скорости. Например, свежая разработка Texas Instruments - производимый по 0,18-микронной технологии сигнальный процессор типа SP4140 - способен обеспечить скорость обмена данными внутри диска до 500 Мбит/с и имеет потенциал на 750 Мбит/с. Однако недавно анонсированные Quantum модели дисков серии Atlas 10k II уже рассчитаны на внутреннюю передачу до 478 Мбит/с (при плотности записи 9,2 Гбайт на пластину, скорости вращения 10000 об./мин. и среднем времени поиска 4,7 мс). "Самый быстрый винчестер в мире" - намеченный к выпуску в середине года Seagate Cheetah X15 со скоростью вращения 15000 об./мин. и средним временем доступа 3,9 мс - будет передавать до 492 мегабит в секунду. Впрочем, эти цифры меркнут перед недавним сообщением одного из лидеров в производстве головок с гигантским магниторезистивным эффектом - корпорации Read-Rite - о достижении скорости передачи данных в 1 Гбит/с с использованием нового поколения универсальных головок. Так что микроэлектронике покой только снится, очередь за гигагерцовыми сигнальными процессорами, иначе винчестеры захлебнутся собственными потоками данных.

Заметный прирост производительности дают свежие архитектурные решения дисковых контроллеров. Так, фирма Maxtor уже использует в новейших IDE-дисках интересную оригинальную технологию DualWave, позволяющую выполнять команды управления почти на порядок быстрее. Вместо одного в контроллере задействовано два процессора: высокопроизводительный DSP от TI, ответственный за управление приводами, чтение/запись данных и коррекцию ошибок, и разработанный Maxtor RISC-процессор (50 MIPS), оптимизированный для ввода/вывода данных и предназначенный для команд интерфейса ATA. Важно, что оба процессора могут свободно обмениваться данными как между собой, так и с буфером данных без замедления своих основных функций. Интерфейсная часть RISC-процессора может быть легко перепрограммирована извне для оптимизации взаимодействия с применяемыми протоколами, например, в зависимости от нюансов реализации UltraATA/66 в чипсетах системных плат, или по мере появления новых протоколов. Потенциальные возможности RISC-процессора простираются аж до скорости шины 170 Мбайт/с, что далеко перекрывает все нынешние проекты. Внутренняя скорость передачи может быть легко увеличена путем замены DSP. Использование технологии DualWave и третьего поколения алгоритмов коррекции ошибок (корректирующего кода Рида-Соломона) позволяет на лету (без добавочного чтения информации) исправлять единичные ошибки в последовательностях из 121 бита, а также суммарные ошибки размером до 185 бит.

Технология DualWave дает высокую производительность прежде всего при работе с большими файлами, например, в мультимедиа-приложениях. Наглядно убедиться в скорости работы данного решения можно, вернувшись к тестам в "КомпьюFерре" #6 ("Дискография"): далеко не самый передовой диск Maxtor DiamondMax 6800 со скоростью вращения 5400 об./мин. уверенно лидирует почти во всех тестах на копирование файлов большого объема, особенно под Windows NT 4, заметно обгоняя именитые семитысячники (диски экономических серий Maxtor - VL17 и VL20 - не имеют системы DualWave).

Вскоре аналогичные решения появятся и у других фирм-производителей. Так, недавно несколько микроэлектронных компаний объявили о разработке комбинированных чипов, содержащих в себе как 32-разрядный RISC-процессор, так и 16- или 32-разрядный DSP, а Infineon пообещала даже встроить в чип 192-килобайтный буфер DRAM.

В то время как у моделей экономического класса объем буфера данных по-прежнему составляет 512 Кбайт, топ-моделям нужно как минимум вчетверо больше, и к этому выводу пришли практически все производители. Последними "сдались" Quantum и Seagate: в недавно анонсированных моделях FireballPlus LM и Barracuda ATA II наконец-то установлено 2 Мбайт кэш-памяти (их весьма технологичные предшественники FireballPlus КХ и Barracuda ATA с 512-килобайтным буфером нередко проигрывали в тестах конкурентам от IBM). А новейшие сверхпроизводительные SCSI-модели Quantum Atlas 10k II и Seagate Cheetah X15 оснащены буфером аж в 8 и 16 Мбайт соответственно.

Крутится волчок

Cкорость вращения шпинделя IDE-дисков и подвижность головок (время позиционирования/доступа) уже несколько лет почти неизменны. Очевидно, здесь достигнуты некие пределы, и без кардинально нового подхода прогресс невозможен. Впрочем, есть две лазейки. Помнится, года два назад скорость вращения 7200 об./мин. перекочевала на IDE со SCSI-дисков и уверенно там обосновалась. В прошлом году Seagate перенесла большой багаж технологий, накопленный для SCSI-дисков, на IDE, породив весьма удачную модель Barracuda ATA. Поэтому весьма вероятно, что обкатываемые нынче в элитных SCSI-моделях скорость вращения 10000-15000 об./мин. и время доступа 4-5 мс через годик-другой спокойно приживутся на IDE. Вот уж будет свист и треск!

Вторая лазейка - в миниатюризации. В самом деле, при меньшем диаметре пластин благодаря сокращению пути и облегчению конструкции головки снижается время ее радиального перемещения (время поиска), и появляется возможность раскрутить диски быстрее (при постоянстве момента вращения). Размещение бескорпусных предусилителей в непосредственной близости от головок (прямо на подвижных штангах) позволяет заметно минимизировать интерференцию электрических сигналов (напомню, при считывании данных с поверхности современных дисков речь уже идет о частоте сигнала до 0,5-1 ГГц).

Повышению скорости считывания данных также может способствовать решение проблемы "поворотного тонарма". Если помните, в высококлассных проигрывателях грампластинок большое значение уделялось поддержанию постоянного угла между аудиодорожкой и осью алмазной иглы. Из-за изменения этого угла по мере перемещения тонарма от края к центру пластинки заметно изменялась форма аудиосигнала. Дорогие модели оснащались тангенциальным тонармом, перемещающимся параллельно дорожкам диска. Для улучшения считывания сигнала аналогичные решения предлагаются и в перспективных моделях винчестеров. Помимо классического тангенциального тонарма, движущегося поступательно, здесь возможно применение комбинированного решения: на конце обычного поворотного тонарма располагаются микромоторы, разворачивающие ось головки параллельно дорожкам по мере вращения тонарма.

Все лежит на поверхности

Oднако главный резерв производительности (равно как и вместительности) диска - увеличение плотности записи информации на магнитный слой носителя (пластины). Первенство в разработке и внедрении головок с гигантским магниторезистивным эффектом (GMR) принадлежит фирме IBM, и сейчас GMR-головки не использует только ленивый. Желающие могут найти подробнейшую историческую и техническую информацию на www.storage.ibm.com/oem/mrheads/mainmrhead.htm. Напомню кратко, что магниторезистивный эффект заключается в изменении электропроводности (сопротивления) материала головки в магнитном поле, создаваемом на поверхности пластин ферромагнитным слоем.

В рабочем состоянии головка парит над поверхностью вращающейся пластины, поддерживаемая на небольшом расстоянии аэродинамическими силами в потоке увлекаемого пластинами газа-наполнителя. Зазор между пластиной и головкой составляет у современных дисков около 250 ангстрем (сама головка при этом имеет площадь около одного квадратного миллиметра, см. фото в начале статьи). Плотность записи информации (разрешающая способность) зависит как от величины зазора, точности его поддержания и точности горизонтального перемещения механики головок, так и от минимально возможных размеров чувствительной области головки (датчика) и, главное, размера однородно намагниченных областей ферромагнитного покрытия (магнитных доменов). До сих пор принцип хранения данных на винчестерах тот же, что и на дискетах, аудио- и видеокассетах: намагничивание участков тонкого ферромагнитного слоя, нанесенного на поверхность носителя. Только в жестких дисках эта технология шагнула далеко вперед и использует более прогрессивные, мелкодисперсные и многослойные покрытия, напыленные на идеально плоские и гладкие алюминиевые или стеклянные диски. У современных винчестеров плотность записи информации составляет 5-8 Гбит/кв. дюйм в зависимости от модели (посчитайте ради интереса, какую область "занимает" один бит, - результат должен вам понравиться!).

Кроме того, прошлым летом фирма Fujitsu, например, представила улучшенную технологию покрытия, позволяющую вместе с новым поколением GMR-головок от Read-Rite и уменьшенным до 150 ангстрем зазором достигать плотности записи 20 Гбит/кв. дюйм, что эквивалентно емкости пластины 27 Гбайт (четырехблиновый диск на 108 Гбайт). Новое покрытие обладает сверхнизким уровнем собственных помех, повышенной гладкостью, прочностью и термостабильностью. Это достигается путем применения защитного слоя нового типа - алмазоподобной пленки (DLC) толщиной в несколько десятков или сотен ангстрем (см. рис. справа).

По мнению авторитетных исследователей, предел плотности для нынешней технологии магнитной записи - 40-50 Гбит/кв. дюйм. Чтобы его преодолеть, предлагаются различные альтернативные способы хранения данных. Например, оптические носители имеют предел плотности записи в районе 200 Гбит/кв. дюйм, контактная запись при помощи атомно-силового микроскопа (AFM) ограничивается 300 Гбит/кв. дюйм. Более перспективной может оказаться ферроэлектрическая технология с применением перовскитов. И хотя сейчас твердотельная ферроэлектрическая память даже менее компактна, чем, скажем, полупроводниковая флэш-память, в будущем, применительно к жестким дискам, она способна обеспечить плотность записи до 500 Гбит/кв. дюйм (линейный размер бита до 300 ангстрем). Для этого необходимо научиться делать дешевые и компактные ультрафиолетовые лазеры, которые и будут осуществлять запись и чтение ферроэлектрических носителей. Например, при частоте вращения шпинделя 10000 об./мин. такой носитель вполне сможет обеспечить скорость чтения данных более 500 Мбит/с и время непрерывного хранения не менее десяти лет.

Новейшие доступные в России, например, в фирме "Никс", IDE-винчестеры имеют плотность записи 10,2 Гбайт на пластину при скорости вращения 5400 об./мин. - это серии VL20 от Maxtor и Fireball lct10 от Quantum. Для сравнения возьмем пару высокопроизводительных дисков предыдущей генерации с плотностью записи 6,8 Гбайт на пластину и скоростью вращения 7200 об./мин. - Fujitsu MPE3204AH и Quantum FireballPlus KX27.3. Паспортные характеристики всех этих моделей мы уже приводили в "КомпьюFерре" #6. Нужно заметить, что VL20 и lct10 - это "экономические" (value) решения, предназначенные главным образом для нижнего сегмента рынка, тогда как в двух других, performance-моделях применяется ряд дополнительных ускоряющих мер, как, например, больший буфер, большая скорость вращения и др. Тем интереснее понять, способен ли простой прирост плотности записи в 1,5 раза компенсировать упрощение конструкции. Результаты тестов, приведенные на графиках, говорят сами за себя. Performance-модели даже при меньшей плотности записи все же заметно обгоняют экономические серии практически во всех тестах. Кстати, "семитысячный" "фуджик" в девяти из шестнадцати тестов обошел Quantum KX, особенно под Windows NT. Отчасти этому способствовал 2-мегабайтный кэш, хотя по среднему времени доступа винчестер тоже весьма неплох. Отметим и явную разницу в производительности между двумя моделями разной емкости одной серии Quantum lct10 (LB). Модель же Quantum lct08 (LA) с плотностью записи 8,5 Гбайт на пластину благодаря большей емкости проигрывает молодому собрату совсем немного. А при одинаковой емкости 15-гигабайтные модели Maxtor и Quantum в среднем равноценны - традиционный проигрыш первого в Win98 (из-за плохой оптимизации контроллера) компенсируется лучшей работой в WinNT по UltraATA/66.

Таким образом, оценить выигрыш от возросшей в полтора раза плотности записи мы сможем лишь с появлением соответствующих performance-моделей, уже анонсированных большинством дискостроителей.

Впечатляет недавняя новость от израильской фирмы NanoDynamics, разработавшей ферромагнитную нанокомпозитную пленку с плотностью нанокластеров (доменов) 6250 Гбит/кв. дюйм [1]. Быстренько пересчитаем это на объем четырехблинового винчестера - в пределе получается до 30 Тбайт!

1 (обратно к тексту) - Опуская технологические подробности газофазного осаждения такой металл-полимерной пленки на холодную подложку, скажем, что в итоге образуется мономерная пленка с содержанием до 20 процентов металлических частиц, имеющих размер 40-50 ангстрем и расположенных на расстоянии 50-60 ангстрем друг от друга.