Майбутнє накопичувачів інформації. Частина 1. Жорсткі диски
В постійній гонитві за гігагерца і гігабіта в секунду, які пропускає через себе центральний процесор, ми дуже часто забуваємо, що в комп'ютері є багато інших важливих компонентів, що вимагають поліпшення, наприклад оперативна пам'ять, а також накопичувачі, які зберігають оброблені дані. Розвиток пристроїв, що дозволяють зберігати інформацію, так само важливо, як і збільшення обчислювальної здатності ЦПУ. У цій статті ми розповімо про те, які перспективи стоять перед сучасними носіями інформації, такими як жорсткі диски.
У другій частині статті ми опишемо майбутнє накопичувачів на оптичних дисках, в третій же постараємося розглянути деякі найбільш цікаві та принципово нові розробки в галузі мікроелектронних механічних систем, які, можливо, будуть використовуватися в пристроях, що прийшли на зміну традиційним HDD і менш традиційним, але цілком знайомим CD, DVD і BlueRay.
Щоб мати можливість порівнювати між собою різноманітні типи носіїв, потрібно виділити деякі характеристики, властиві кожному з них. Такі, наприклад, як швидкість читання або запису, середній час пошуку довільного елемента даних (Random Seek), а також вартість зберігання одиниці даних. Якщо ж ми хочемо порівнювати накопичувачі даних, яких ще немає в природі, але вони з'являться на світ в майбутньому, то нам потрібно постаратися розбити їх все на три великі групи: ті, які ось-ось почнуть вироблятися і найближчим часом з'являться на ринку; ті, які стануть масовими в більш-менш осяжному майбутньому і, нарешті, ті, що з'являться лише за сприятливого збігу обставин і успішне закінчення всіх досліджень, пов'язаних з їх впровадженням в життя. Справді, важко порівнювати сучасний вінчестер з часом довільного доступу в 9.0 мс з яким-небудь накопичувачем далекого майбутнього, у якого ця ж характеристика буде на кілька порядків краще (т. Е. Менше), але якого поки немає на полицях магазинів і не буде в найближчі півсотні років. Природно, в Інтернеті подібними порівняннями продовжують займатися, забуваючи, що дослідний зразок, що з'явився в надсекретної лабораторії Силіконової долини і працює лише при температурі, близькій до абсолютного нуля, - це ще не те ж саме, що вінчестер, який стоїть в комп'ютері у вас на робочому столі.
Тенденції розвитку магнітних накопичувачів інформації
Почнемо з жорстких дисків, оскільки сьогодні це, мабуть, найпоширеніший і затребуваний тип накопичувача, і в найближчі 3-4 роки гострої конкуренції з боку інших видів накопичувачів вінчестерам відчувати, мабуть, не доведеться. Суперники поки однозначно програють або за швидкістю, або по ємності, або за вартістю, а найчастіше - за кількома показниками відразу.
Що вдає із себе вінчестер сьогодні, ми всі добре знаємо: ємність - скажімо, від 20 до 400 гігабайт, середній час пошуку - від 8 до 12 мс, швидкість послідовного читання / запису - 30-40 Мб / сек. В принципі, характеристики непогані, хоча, знову ж таки, дивлячись з чим порівнювати: оперативна пам'ять-то швидше працювати буде (зате і подорожче виявляється, та до того ж, при виключенні з мережі повністю "забуває" всі, що в неї було записано, - погодьтеся, істотний недолік); перезапису DVD-диски куди дешевше (але ось за швидкістю роботи і поруч не лежали, до того ж і ємність у них порівняно маленька).
Якщо згадати, які обсяги даних доводиться зчитувати і записувати на вінчестер при роботі з мультимедіа, а також те, що більшість сучасних ОС так чи інакше використовує його в якості доповнення до оперативної пам'яті, записуючи туди своп-файл, стає очевидним, що як би не були хороші характеристики вінчестерів, їх було б непогано поліпшити. В першу чергу виробникам хотілося б збільшити згадані швидкість читання / запису і пошуку, а також ємність. На другому місці стоять габарити, а також енергоспоживання і ударостійкість укупі з надійністю. Природно, в майбутніх моделях вінчестерів ці характеристики будуть обов'язково поліпшені, залишаються тільки питання: як і коли?
Домогтися збільшення швидкості зчитування можна двома шляхами: або збільшуючи щільність запису інформації, або змушуючи "млинці" вінчестера обертатися з більшою швидкістю. І той і інший спосіб мають свої недоліки. При збільшенні швидкості обертання шпинделя вінчестери починають набагато сильніше грітися і стають більш гучними, не кажучи вже про те, що матеріал, з якого зроблені пластини, повинен бути досить міцним, щоб витримати відповідні механічні навантаження і не деформуватися. Технологія їх виготовлення стає складніше, і це відбивається на їх вартості: вона істотно вище. Зате крім збільшення лінійної швидкості зчитування при цьому ще й зменшується середній час пошуку - за рахунок того, що головка раніше виявляється над потрібним сектором доріжки. Проблему із зайвою тертям і шумом частково допоможуть вирішити гідродинамічні підшипники, які порівняно недавно стали використовувати деякі виробники, але все одно нам здається малоймовірним, що швидкість обертання шпинделя в 3,5 '' вінчестерах може перевищити 15-20 тисяч обертів на хвилину, які б "хитрі" і "наворочені" підшипники ні використовувалися.
При збільшенні щільності запису також спостерігаються свої негативні побічні ефекти, але з ними все ж простіше боротися. Зате до плюсів можна віднести збільшення ємності накопичувача, а це для виробників вінчестерів багато в чому куди більш важливий параметр, ніж середній час пошуку. Адже на нього середньостатистичний покупець звертає більше уваги. Тому компанії-виробники жорстких дисків найчастіше намагаються поліпшити свою продукцію саме цим способом.
суперпарамагнітна межа
- перешкода на шляху досягнення надвисокої щільності запису
Пластина сучасного жорсткого диска складається зі скляної або алюмінієвої підкладки з нанесеним зверху магнітним покриттям. Окремі ділянки цього покриття можуть бути намагнічені одним з двох можливих способів, які позначають нуль і одиницю (т. Е. 1 байт). Така намагнічена область називається магнітним доменом, і являє собою мініатюрний магнітик з певною орієнтацією південного і північного магнітних полюсів. Якщо задати намагніченість домену, інформація буде записана. В кінцевому рахунку, щільність запису інформації визначають розміри цього самого домену. Здавалося б, зменшуйте собі розміри доменів на здоров'я, і будуть вінчестери такими ємними, якими тільки можна собі уявити, однак не все так просто.
Ті з нас, хто не забув ще шкільну фізику, можуть напружитися і пригадати, що всі речовини діляться на парамагнітні, діамагнітниє і феромагнітні. Діамагнітними є ті речовини, які, знаходячись поза магнітним поле, не володіють магнітними властивостями - зрозуміло, що для створення накопичувачів інформації вони не годяться. Атоми і молекули парамагнітних речовин, навпаки, вже самі по собі, ще до того, як на них почало діяти зовнішнє магнітне поле, являють собою елементарні магнітики - однак вони теж мало підходять для створення накопичувачів. І лише ферромагнетики, в яких в якості елементарних магнітиків виступають магнітні зерна досить великого розміру, підходять для тривалого зберігання інформації.
Ну і крім чисто фізичного обмеження у вигляді суперпарамагнітна межі існує ще й технічна, пов'язана з процесом запису і читання інформації, для якого, як уже згадувалося, використовується спеціальна головка. У найперших моделях вінчестерів головка була універсальною - одна і та ж маленька котушка індуктивності використовувалася як для читання, так і для запису інформації. Сучасні головки складаються з двох частин: записуючої (котушки індуктивності) і читаючої (магніторезистивної головки, що змінює свій опір залежно від напруженості магнітного поля). Природно, розміри головки кінцеві, і сьогодні саме вони багато в чому визначають розміри мінімальної намагнічуватися області - домену. Однак в сучасних вінчестерах розмір домена настільки малий, що для подальшого його зменшення виробникам потрібно переступити через суперпарамагнітна межа.
Саме тому фахівці провідних компаній, що розробляють жорсткі диски, вже давно б'ються над проблемою, що виникла, і треба сказати, вельми успішно. Шляхи розвитку технологій і власні ноу-хау, що дозволяють в майбутньому подолати суперпарамагнітна межа, розроблені кожної з них. Причому деякі вже застосовуються при серійному виробництві вінчестерів, деякі використовуються тільки в дослідних зразках, але з дня на день будуть використовуватися і при конвеєрній збірці, деякі, можливо, так ніколи і не доберуться до масового використання.
Мабуть, першою ластівкою, яка провіщає швидку перемогу над суперпарамагнітна межею, з'явилася технологія створення магнітно-компенсованих плівок, запропонована фірмою IBM. Суть ідеї полягає в нанесенні на диск вінчестера тришарового антиферомагнітного покриття під назвою AFC (antiferromagnetically-coupled, антиферомагнітна пара), в якому пара магнітних шарів розділена спеціальної ізолюючої прошарком з рутенію.
Це дозволяє зменшити поздовжні розміри домену, злегка збільшивши при цьому його висоту. Крім того, в разі PMR сусідні інвертні біти (1 і 0) вже не дивляться один на одного однойменними полюсами, які, як відомо, відштовхуються, - це дозволяє зменшити розмір междоменной простору, в порівнянні з класичною технологією записи, що ще більше збільшує ємність вінчестерів.
До числа найбільш перспективних технологій майбутнього, в завдання яких входить доповнити PMR, коли та вичерпає свої ресурси і підійде до чергового межі, можна віднести термомагнітних запис (HAMR, Heat Assistant Magnetic Recording) і самоорганізуються магнітні решітки (SOMA, Self-Organized Magnetic Array) . Дітер Веллер, директор відділення досліджень в області носіїв центру Seagate, вважає, що HAMR покликана в черговий раз змінити принцип читання і запису даних, а SOMA - процес виготовлення магнітного напилення для дисків.
Проте, як уже говорилося, для подальшого підвищення щільності запису необхідно ще й змінити технологію виготовлення самих магнітних дисків, домагаючись рівномірності і однорідності шару частинок, складових його поверхню. Якщо цього не зробити, то не допоможе ні HAMR, ні будь-які інші хитрощі з записуючої головкою. Модернізація механізмів читання / запису повинні йти рука об руку з поліпшенням матеріалів і якості напилення магнітного шару. Тут фахівці бачать вихід у використанні тієї самої технології SOMA, яка передбачає формування на поверхні диска монодисперсні шару "самоорганізованих магнітних масивів" з найдрібніших однорідних залізно-платинових конгломератів розміром близько 3 нм (3 нм - це 10-15 атомів твердого речовини, викладених в ряд ).
Застосування цієї "нанотехнології" дозволить суттєво знизити рівень нестабільності окремих магнітних зерен і зменшити розміри намагнічуватися області для запису біта даних. У Seagate вважають, що все це може дозволити випускати накопичувачі ємністю в десятки, а може бути, навіть сотні терабайт. Причому станеться це не в позахмарному майбутньому, а до початку наступного десятиліття.
замість висновку
Як ми бачимо, вдосконалення жорстких дисків на їх шляху до досягнення суперпарамагнітна межі може призвести до того, що вони вкладуть в себе деякі властивості найближчих конкурентів - оптичних носіїв інформації, таких як CD і DVD. Природно, все це призведе до різкого зростання їх складності, а значить і вартості. У той же самий час, позбавлені будь-яких суперпарамагнітна меж, оптичні пристрої будуть розвиватися, захоплюючи все нові і нові рубежі, здобуваючи чергові перемоги, і, ймовірно, років через десять-п'ятнадцять по всіх основних характеристиках перевершать магнітні накопичувачі. У другій частині статті ми спробуємо розібратися з майбутнім CD і DVD, а також їх численними модифікаціями і наступниками.