Товарищ память

Эволюция носителей

Мобильность – девиз нашего времени. Мы носим при себе самые разные высокотехнологичные устройства, облегчающие жизнь, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они – миниатюрные, удобные, – за последние 10-15 лет. Однако новые технологические решения подразумевают не только уникальные системы обработки, но и все более емкие хранилища информации, использующие новые физические принципы записи.

До боли знакомый образ: стандартная перфокарта IBM 5081


Ближе к делу: магнитная лента, 1950-е гг.


IBM 305 Ramac, впервые оснащенный магнитными накопителями на жестких дисках (два шкафчика на переднем плане)


Считывающая головка жесткого диска


HVD и DVD

По аналогии с обычной письменностью, первые устройства хранения информации использовали бумажные или картонные носители – перфокарты и перфоленты. Запись на них информации осуществлялась при помощи перфоратора, пробивавшего дырки в определенных местах, а считывались данные специальным оптическим устройством, на просвет. Однако увеличение производительности компьютеров в скором времени потребовало увеличения банков данных; расход бумаги только одной ЭВМ повысился до полутонны в день.

Естественно, долго так продолжаться не могло, и в декабре 1952 года корпорация IBM представила первые устройства хранения информации на магнитной ленте. Знакомые нам по аудио- и видеокассетам, они хранят данные в виде непрерывно изменяющихся аналоговых сигналов. Это сравнительно дешевый, но медленный носитель информации. До сих пор в мощных компьютерах для хранения больших объемов данных нередко используют высокоскоростные многодорожечные магнитные ленты, особенно удобные для резервного копирования, не требующего особой скорости доступа к данным.

Первым цифровым носителем информации стал магнитный дисковый накопитель (установленный на компьютере IBM 305 Ramac, 1956 г.). Чтение с жестких магнитных дисков (HDD, Hard Disk Drive) во многом аналогично считыванию сигнала с грампластинки, с той лишь разницей, что в качестве считывающего устройства в магнитном накопителе используется магниторезистивный сенсор, а не игла фонографа. Для увеличения емкости HDD он содержит не один, а сразу стопку дисков. Как правило, пластины изготавливают из алюминия, стекла или керамики, на них наносят слои высококачественного ферромагнетика. Для считывания 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.

Магнитное покрытие диска разбито на множество мельчайших областей, магнитные моменты которых ориентируются в соответствии с направлением прикладываемого внешнего магнитного поля и «замораживаются» в таком положении, сохраняя записанную на диск информацию. Сама среда записи является наноструктурированной и состоит из магнитных частиц сплава CoPtCrB размером 10-15 нм. К сожалению, разработчикам магнитных дисков пока не удалось достичь воспроизводимой записи на отдельные частицы, и даже в современных устройствах на один бит информации отводятся весьма значительные площади длиной 50-70 нм и шириной порядка 1 мкм. Тем не менее, достигнутая таким путем плотность записи просто поражает воображение: 10¹⁰ бит содержатся всего на 1 см² поверхности диска, а стоимость 1 Гб на магнитном носителе составляет менее 0,5 доллара.

Основная проблема в дальнейшем усовершенствовании 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 некоторого 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.

Основным конкурентом жестких дисков являются оптические: в 1982 году фирмы Sony и Philips завершили работу над форматом аудио-CD, открыв эру цифровых носителей на компакт-дисках. Чтение и запись информации здесь осуществляется лазером с длиной волны от 780 нм (для CD), 650 нм (для DVD) и до 405 нм (Blu-ray). В оптическом формате 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 Мбайт (СD) до 17 Гб (DVD), при массе накопителя лишь в 14-33 грамм. Однако основным недостатком оптической записи все еще остается низкая скорость чтения и записи информации, составляющая менее 100 Мб/с для Blu-ray дисков (сравните с 1,5 Гб/с в магнитных накопителях). И все же, недавно были анонсированы принципы создания первых голографических дисков HVD (Holographic Versatile Discs) емкостью до 4 терабайт, практически не уступающих по скорости доступа магнитным жестким дискам. Мы уже писали вкратце о голографической памяти: «Объемные данные».

Сравнительно недавно, в 1988 г. компания Intel разработала еще один способ хранения данных на основе микросхем флэш-памяти, запоминающая ячейка которой представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами – управляющим и плавающим, способным удерживать заряд. При записи создается поток электронов: некоторые из них преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где могут храниться в течение нескольких лет. Низкий заряд на плавающем затворе соответствует логической единице, а высокий – нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Когда вы стираете с флэшки данные, на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. Флэш-память имеет массу преимуществ, включая высокую скорость доступа и отсутствие задержек на механическое движение, однако стоимость 1 Гб электронного носителя более чем в 50 раз превосходит стоимость магнитной записи, составляя более 25 долларов.

Большие перспективы имеет создание носителей памяти на основе магнитных нанокомпозитов. В качестве матриц для них используют пористые материалы, размер полостей которых лежит в нанометровом диапазоне. В эти поры можно вводить различные соединения, а затем, после химической модификации, получать частицы искомого материала, размер и форма которых повторяют форму полостей матрицы, причем ее стенки предотвращают их агрегацию и защищают от воздействий внешней среды.

Естественно, что каждый из существующих способов хранения информации обладает своими преимуществами и недостатками. И все же технологии не стоят на месте, и каждый год средняя плотность записи устройств разных типов возрастает примерно в 1,5 раза. Какая же из технологий является оптимальной и будет доминировать на рынке лет, скажем, через 10? Время покажет...

Между тем, нынешний год – последний для некогда популярнейших 3½-дюймовых дисков: «Прощай, дискета», а ученые научились стирать долговременную память у человека: «Мозг-RW».