Запоминающее устройство компьютера с магнитной записью сообщения

На рис. 32.6 показаны основные этапы форматирования диска. Сначала запрашиваются емкость диска и имя диска. Если они правильные, выбирается кнопка OK. Затем появится окно «Форматировать диск». В этом окне отображается текущий статус операции форматирования диска (от 0 до 100% завершения). По завершении появится окно с сообщением Создание корневого каталога. После этого отображается емкость отформатированных дисков, и пользователю предлагается указать, следует ли форматировать другой диск. Если форматирование больше не требуется, то выбирается вариант «Нет», в противном случае выбирается «Да». Обратите внимание, что для отмены процесса форматирования можно выбрать параметр «Отмена» в любом из окон состояния форматирования.

Рисунок 32.6. Форматирование гибкого диска

Компьютеры и их применение

4.12.6 Дискета

Одним из основных упрощений в конструкции системы гибких дисков является расположение головки чтения/записи. Он соприкасается с поверхностью диска во время операций чтения / записи и втягивается в противном случае. Эта особенность, а также выбор покрытия диска и нагрузка на головку давлением таковы, что при частоте вращения 360 об/мин износ записывающей поверхности минимален. Однако со временем износ и, следовательно, частота ошибок таковы, что дискету, возможно, придется заменить, скопировав информацию на новую дискету.

Емкость варьируется от 256 килобайт у самых ранних приводов, которые записывают только на одну поверхность дискеты, до цифры более 2 мегабайт на более поздних устройствах, в большинстве из которых используются обе поверхности дискеты. Время доступа, вызванное довольно медленным механизмом позиционирования головы с использованием шагового двигателя, находится в диапазоне 100-500 мс. Скорость передачи ниже 300 килобайт в секунду.

Еще одно упрощение относится к элементам управления оператора. Как правило, нет переключателей или индикаторов состояния, простое действие по перемещению заслонки на передней части дисковода для загрузки или извлечения дискеты является единственным действием оператора. Двигатель диска вращается все время, пока присутствует диск.

Оптическая обработка информации

VI.C.3.a Оптические диски

Сегодня магнитные жесткие диски и дискеты широко используются в электронных компьютерах. Относительно новым носителем для хранения данных являются оптические диски, на которых информация записывается и считывается лазерным лучом. Основным преимуществом оптических дисков является их высокая емкость. Небольшой 3,5- или 5,5-дюймовый. Оптический диск способен хранить от 30 до 200 Мбайт информации.

Оптические диски бывают двух типов: диски только для чтения и диски для чтения и записи (стираемые). Первый тип полезен для архивного хранения и хранения данных или инструкций, которые не нужно изменять. Во втором типе записанные данные могут быть стерты или изменены. Этот тип памяти необходим для временного хранения данных, например, в цифровых вычислениях. Некоторыми из материалов, используемых для нестираемых дисков, являются теллур, галогенид серебра, фоторезисты и фотополимеры. Среди материалов-кандидатов для стираемых дисков наиболее перспективными являются три группы. Это магнитооптические материалы, материалы с фазовым переходом и термопластические материалы.

Оптические диски теперь используются в некоторых моделях персональных компьютеров, и ожидается, что они станут более распространенными. Кроме того, оптические диски использовались для архивного хранения. Две такие системы были разработаны и установлены RCA для НАСА и Римского авиационного центра развития в 1985 году. Это оптические дисковые «музыкальные» системы хранения данных, обеспечивающие прямой доступ к любой части хранимых данных размером 10 13 бит в течение 6 с. Эти системы имеют картриджный модуль хранения, который содержит 125 оптических дисков, каждый из которых имеет емкость хранения 7,8 × 10 10 бит. Этот размер хранилища превышает емкость, доступную в настоящее время для других технологий.

АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТИВНОСТЕЙ ДЛЯ ОДИННАДЦАТИ ДОМОВ С ПАССИВНЫМИ СОЛНЕЧНЫМИ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИМИ СРЕДСТВАМИ В КАЛИФОРНИИ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ КОНТРОЛЯ ЗА ОДИН ГОД

Сухбир Махаджан , . Патрик Моранди, пассивная и низкоэнергетическая архитектура, 1983 г.

КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Почасовые данные с кассет были перенесены на дискеты и девятидорожечные ленты для обработки и построения графиков с использованием других компьютерных носителей. Одним из первых шагов в обработке данных было построение выходных данных различных датчиков за период от трех до пяти дней в зимние и летние месяцы. Эти графики предоставляют качественную информацию о производительности домов. В качестве примера на рис. 3 показаны графики четырех датчиков из дома в Санта-Барбаре для двух ясных дней, за которыми следовал пасмурный день в январе. На этом графике показано, как пассивная солнечная система стены Тромба реагирует на солнечные входы, зарядку и разрядку тепловой массы и деятельность жильцов. Двойные пики на графике внутренней температуры возникают, во-первых, из-за солнечного излучения, а во-вторых, из-за действий жильцов, таких как приготовление пищи и использование приборов, а также из-за задержанного теплового импульса от стены Тромба. Как и ожидалось, тепловой импульс через стену Тромба приходит примерно через 8 часов после пикового солнечного притока. Переход от двух солнечных дней к пасмурному довольно хороший и обусловлен в основном экспоненциальным спадом температуры тепловой массы стенки Тромба. Другими качественными графиками, которые используются таким образом, являются ежедневные графики максимальной и минимальной температуры и гистограммы внутренних «бинарных» температурных столбцов. При таком уровне информации возможно хорошее представление о том, как дом эксплуатировался, и качественное понимание производительности.

Рис. 3 . Почасовой график четырех датчиков в доме Стены Тромбе в Санта-Барбаре.

Дизайн материнской платы

Уильям Бьюкенен, бакалавр наук (с отличием), CEng, PhD, компьютерные автобусы, 2000 г.

5.1.4 82091AA (АИП)

Рисунок 5.3. API IC

Рисунок 5.4. Соединения между TXC, PIIX3 и AIP

IRQ3 — дополнительный последовательный порт (COM2/COM4).

IRQ4 — основной последовательный порт (COM1/COM3).

RQ6 — контроллер гибких дисков.

IRQ7 — параллельный порт (LPT 1).

Компьютеры

Диски

Большинство компьютеров имеют три типа дисководов. Дисковод хранит данные на тонком гибком пластиковом диске, покрытом с одной или с обеих сторон магнитной пленкой. Хотя сам диск является гибким, а ранние диски были заключены в тонкие картонные обложки, в настоящее время большинство дисков заключено в жесткую пластиковую обложку.На крышке есть металлическая шторка, которая автоматически сдвигается назад, когда диск вставляется в дисковод, открывая часть поверхности диска для магнитной головки.

Принцип тот же, что и при записи музыки на цифровую аудиокассету. Основное отличие состоит в том, что данные записываются на 40 концентрических дорожек, а магнитная головка перемещается радиально для чтения или записи каждой дорожки. Каждая дорожка разделена на сектора, каждый из которых предназначен для одной конкретной программы или набора данных. Для более длинных программ или таблиц данных может потребоваться более одного сектора. На диске есть дорожка каталога, сообщающая компьютеру, в какой дорожке и секторе искать каждый блок хранимых данных, и магнитная головка может переходить от дорожки к дорожке и от сектора к сектору, находя необходимую информацию. Обычная дискета может хранить до 1,4 МБ данных.

Данные могут считываться со скоростью несколько сотен бит в секунду, но сначала диск необходимо разогнать до полной скорости (360 об/мин), а магнитную головку переместить на нужную дорожку и сектор. Типичное время доступа составляет 200 миллисекунд, что намного меньше, чем время доступа к ОЗУ или ПЗУ, которое составляет от 25 до 150 наносекунд.

Жесткий диск имеет один или несколько дисков, подключенных к одному шпинделю. Диски изготовлены из немагнитного металла и покрыты с двух сторон магнитной пленкой. Принцип хранения тот же, но магнитные головки намного ближе к пленке. Это связано с тем, что диски вращаются с очень высокой скоростью (около 3600 оборотов в минуту). Это приводит к возникновению тонкого слоя движущегося воздуха вблизи поверхности диска, в котором магнитная головка «плавает», фактически не соприкасаясь с диском. Поскольку головка расположена ближе к диску, можно записывать данные более плотно: дорожки расположены ближе друг к другу, а записываемые биты — ближе друг к другу, чем на гибком диске. Следовательно, типичный жесткий диск хранит несколько гигабайт (тысячи миллионов байт). Еще одним преимуществом жесткого диска является то, что высокая скорость вращения сокращает время доступа примерно до 20 миллисекунд. Поскольку головка находится очень близко к поверхности диска, важно исключить попадание частиц пыли или дыма. Жесткие диски опломбированы во время производства и обычно не могут быть открыты пользователем.

Приводы компакт-дисков очень похожи на проигрыватели компакт-дисков и работают по тем же принципам. По сути, они способны воспроизводить обычные музыкальные компакт-диски через звуковую карту компьютера. Информация, хранящаяся на компакт-диске, представляет собой просто последовательность нулей и единиц. Он может представлять музыкальные звуки, но с таким же успехом может использоваться для хранения информации другого рода. С вычислительной точки зрения, компакт-диск хранит около 600 мегабайт данных. Компакт-диски в значительной степени заменили дискеты в качестве носителя для распространения программного обеспечения. Большинство современных программ слишком длинные, чтобы поместиться на дискету, и у них есть и другие преимущества. На компакт-диск не действуют паразитные магнитные поля, которые могут так легко стереть данные с гибкого диска. Кроме того, производство компакт-дисков намного дешевле, чем дискет, поэтому они идеально подходят для крупномасштабного распространения, например, для обложек компьютерных и других журналов.

Как и жесткие диски, приводы компакт-дисков достаточно быстры, чтобы их можно было использовать в качестве запоминающих устройств для компьютеров, при этом доступ к данным осуществляется прямо с компакт-диска. Основное отличие состоит в том, что компакт-диски являются постоянной памятью (CD-ROM). Однако приводы для записи компакт-дисков можно использовать со специальными дисками CD-R для записи (но не перезаписи) данных и их воспроизведения столько раз, сколько необходимо. Компакт-диски широко используются в мультимедийных технологиях. Диск может хранить текст, компьютерные программы, фотографии и диаграммы, движущиеся изображения и звук. К ним можно получить доступ и загрузить в компьютер практически мгновенно. Очень сложные игры с потрясающей графикой теперь доступны на компакт-дисках, но более серьезные приложения этой технологии включают образовательные и справочные диски.

Архитектура компьютера

Магнитный диск памяти

Память на магнитных дисках используется для реализации жестких дисков, стандартных гибких дисков и гибких дисков высокой плотности (например, дисковода Zip, дисковода Super). Жесткие диски являются наиболее часто используемыми вторыми устройствами памяти из-за их низкой стоимости, высокой скорости и большой емкости. Жесткие диски — это запоминающие устройства, которые позволяют считывать и записывать с магнитных носителей; они состоят из одного или нескольких тонких дисков с магнитным покрытием, позволяющим записывать данные. Поверхность записи разделена на концентрические дорожки, а каждая дорожка разделена на сегменты, называемые секторами. Набор дорожек в данном радиальном положении называется цилиндром. Затем один или несколько дисков устанавливаются на шпиндель и вращаются с постоянной скоростью. Для доступа к данным требуется двухэтапный процесс. Сначала головка чтения/записи перемещается по вращающемуся диску к направляющей дорожке. Затем головка ждет, пока правый сектор не окажется под ней, и выполняется чтение/запись.Описания запоминающих устройств на магнитных дисках даны следующим образом:

Как уже говорилось, жесткий диск является наиболее часто используемым запоминающим устройством. Размер современных жестких дисков может варьироваться от 14 дюймов (используются в старых мэйнфреймах) до 1,8 дюйма (используются в ноутбуках и портативных компьютерах). Наиболее типичный размер, используемый в ПК, составляет 3,5 дюйма, а в ноутбуках - от 1,8 до 2,5 дюйма. Скорость вращения также зависит от используемого интерфейса (подробнее обсуждается в разделе об интерфейсе шины). Для интерфейса встроенной электроники привода (IDE) скорость варьируется от 4500 до 7200 об/мин. Для интерфейса небольших компьютерных систем (SCSI) скорость может достигать 10 800 об/мин. Типичная емкость варьируется от одного гигабайта до десятков гигабайт (1 ГБ равен 230 байтам).

Диск высокой плотности был впервые представлен в 1995 году. Дискеты высокой плотности, хотя и имеют такой же размер, как и стандартные гибкие диски, имеют размер 3,5 дюйма, но работают намного быстрее и имеют в сто раз большую емкость, чем стандартные гибкие диски. дискеты. Одним из примеров является дисковод Zip производства Iomega. Каждый Zip-диск может хранить до 100 МБ данных. Точно так же Imation, дочерняя компания 3 M, также производит Super disk (также известный как LS 120), который может хранить до 120 МБ данных.

Съемный жесткий диск используется в производстве мейнфреймов с 1950-х годов. В то время приводной механизм был очень дорогим; следовательно, разные приложения будут использовать разные съемные диски во время выполнения программы. В 1980-х съемный жесткий диск использовался для резервного копирования. Емкость тогда была 44 Мб. В настоящее время съемные диски бывают различной емкости от одного гигабайта до нескольких гигабайт.

Резервный массив недорогих дисков (RAID) был представлен Дэвидом Паттерсоном и другими исследователями из Калифорнийского университета в Беркли в конце 1980-х годов. Это метод, при котором для хранения данных используются два или более дисков. Данные можно считывать одновременно с более чем одного диска, что повышает производительность. Данные также могут быть разделены между всеми дисками в битах, байтах или блоках. Обычно два или более дисков соединены вместе. Один контроллер можно использовать для подключения дисков, чтобы они работали вместе как один диск. Для дополнительной безопасности можно установить второй интерфейсный контроллер для дублирования дисков и повышения производительности чтения. Основными преимуществами RAID являются повышение надежности и защиты данных в системах хранения данных.

Дисковые накопители достигают предела своих возможностей, но магнитная лента становится все лучше и лучше

Неудивительно, что недавние достижения в области аналитики больших данных и искусственного интеллекта создали для предприятий сильные стимулы к сбору информации обо всех поддающихся измерению аспектах их бизнеса. А финансовые правила теперь требуют, чтобы организации хранили записи гораздо дольше, чем в прошлом. Так что компании и учреждения всех мастей держат все больше и больше.

Исследования показывают [PDF], что объем записываемых данных увеличивается на 30–40 % в год. В то же время емкость современных жестких дисков, на которых хранится большая часть этих данных, увеличивается менее чем в два раза быстрее. К счастью, большая часть этой информации не требует мгновенного доступа. И для таких вещей магнитная лента — идеальное решение.

Серьезно? Лента? Сама идея может вызвать образ барабанов, прерывисто вращающихся рядом с громоздким мэйнфреймом, в старом фильме, таком как Desk Set или Dr. Странная любовь. Итак, быстрая проверка на практике: лента никуда не делась!

Действительно, большая часть мировых данных все еще хранится на пленке, включая данные для фундаментальных наук, таких как физика элементарных частиц и радиоастрономия, человеческое наследие и национальные архивы, основные кинофильмы, банковское дело, страхование, разведка нефти и многое другое. Есть даже группа людей (включая меня, имеющую образование в области материаловедения, инженерии или физики), чья работа заключается в постоянном совершенствовании ленточных накопителей.

Да, ленты существуют уже давно, но технология не застыла во времени. Наоборот. Подобно жесткому диску и транзистору, магнитная лента значительно продвинулась вперед за десятилетия.

Первая коммерческая цифровая ленточная система хранения, модель IBM 726, могла хранить около 1,1 мегабайта на одной катушке с лентой. Сегодня современный ленточный картридж может вмещать 15 терабайт. А одна роботизированная ленточная библиотека может содержать до 278 петабайт данных. Для хранения такого количества данных на компакт-дисках потребуется более 397 миллионов дисков, которые, если их сложить, образуют башню высотой более 476 км.

Это правда, что ленты не обеспечивают таких высоких скоростей доступа, как жесткие диски или полупроводниковые запоминающие устройства. Тем не менее, у среды много преимуществ.Начнем с того, что ленточные хранилища более энергоэффективны: после того, как все данные записаны, кассета с лентой просто спокойно устанавливается в слот в роботизированной библиотеке и вообще не потребляет энергии. Лента также чрезвычайно надежна, частота ошибок на четыре-пять порядков ниже, чем у жестких дисков. А лента очень надежна благодаря встроенному шифрованию «на лету» и дополнительной безопасности, обеспечиваемой самой природой носителя. В конце концов, если картридж не установлен в накопитель, доступ к данным или их изменение невозможно. Этот «воздушный зазор» особенно привлекателен в свете растущего числа краж данных посредством кибератак.

Автономный характер ленты также обеспечивает дополнительную линию защиты от программного обеспечения с ошибками. Например, в 2011 году из-за ошибки в обновлении программного обеспечения Google случайно удалил сохраненные сообщения электронной почты примерно в 40 000 учетных записей Gmail. Эта потеря произошла, несмотря на то, что несколько копий данных хранились на жестких дисках в нескольких центрах обработки данных. К счастью, данные также были записаны на ленту, и Google в конечном итоге смог восстановить все потерянные данные из этой резервной копии.

Инцидент с Gmail в 2011 году стал одним из первых разоблачений того, что поставщик облачных услуг использует ленту для своих операций. Совсем недавно Microsoft сообщила, что в ее архивном хранилище Azure используется ленточное хранилище IBM.

1951: магнитная лента впервые используется для записи данных на компьютер (Univac).

Несмотря на все эти плюсы, основная причина, по которой компании используют ленту, обычно кроется в простой экономии.Ленточные хранилища стоят в шесть раз меньше, чем вы должны были бы заплатить за хранение того же объема данных на дисках, поэтому ленточные системы можно найти почти везде, где хранятся огромные объемы данных. Но поскольку магнитная лента полностью исчезла из продуктов потребительского уровня, большинство людей не знают о ее существовании, не говоря уже об огромных достижениях, достигнутых в технологии записи на магнитную ленту за последние годы и продолжающихся в обозримом будущем.

Все это говорит о том, что кассеты были с нами десятилетиями и будут существовать еще десятилетия. Как я могу быть так уверен? Читайте дальше.

Ленты существуют так долго по одной фундаментальной причине: они дешевы. И все время дешевеет. Но всегда ли так будет?

Можно предположить, что если возможности записи все большего количества данных на магнитные диски уменьшаются, то же самое должно быть верно и для лент, которые используют ту же базовую технологию, но еще старше. Удивительная реальность заключается в том, что для ленточных накопителей это увеличение емкости не показывает никаких признаков замедления. На самом деле, он должен продолжаться еще много лет с исторической скоростью около 33 процентов в год, а это означает, что вы можете ожидать удвоения мощности примерно каждые два-три года. Думайте об этом как о законе Мура для магнитной ленты.

Отличная новость для всех, кому приходится иметь дело с резким увеличением объема данных при неизменном бюджете на хранение. Чтобы понять, почему ленты по-прежнему имеют такой большой потенциал по сравнению с жесткими дисками, рассмотрим, как эволюционировали ленты и жесткие диски.

В обоих случаях для хранения цифровых данных используются одни и те же основные физические механизмы. Они делают это в виде узких дорожек в тонкой пленке магнитного материала, в которых магнетизм переключается между двумя состояниями полярности. Информация кодируется в виде последовательности битов, представленных наличием или отсутствием перехода магнитной полярности в определенных точках дорожки. С момента появления ленточных и жестких дисков в 1950-х годах производители обоих движимы мантрой «плотнее, быстрее, дешевле». на много порядков.

Такое снижение затрат является результатом экспоненциального увеличения плотности информации, которая может быть записана на каждом квадратном миллиметре магнитной подложки. Эта плотность является произведением плотности записи вдоль дорожек данных и плотности этих дорожек в перпендикулярном направлении.

Сначала плотность лент и жестких дисков была одинаковой. Но гораздо больший размер рынка и доходы от продажи жестких дисков обеспечили финансирование гораздо более масштабных исследований и разработок, что позволило их производителям более агрессивно расширяться. В результате текущая плотность размещения жестких дисков большой емкости примерно в 100 раз выше, чем у самых современных ленточных накопителей.

Тем не менее, благодаря тому, что они имеют гораздо большую площадь поверхности, доступную для записи, современные ленточные системы обеспечивают собственную емкость картриджа до 15 ТБ — больше, чем самые емкие жесткие диски на рынке. Это верно, несмотря на то, что оба вида оборудования занимают примерно одинаковое количество места.

Внутри и снаружи. Современный ленточный картридж Linear Tape-Open (LTO) состоит из одной катушки. После того, как кассета вставлена, лента автоматически подается на катушку, встроенную в приводной механизм. Фото: Виктор Прадо

За исключением емкости, рабочие характеристики ленточных и жестких дисков, конечно же, сильно различаются. Большая длина ленты в картридже — обычно сотни метров — приводит к тому, что среднее время доступа к данным составляет от 50 до 60 секунд по сравнению с 5–10 миллисекундами для жестких дисков. Но скорость записи данных на ленту, как это ни удивительно, более чем в два раза превышает скорость записи на диск.

За последние несколько лет масштабирование плотности хранения данных на жестких дисках снизилось с исторического среднего значения примерно 40 % в год до 10–15 %. Причина связана с некоторой фундаментальной физикой: чтобы записать больше данных в данной области, вам нужно выделить меньшую область для каждого бита. Это, в свою очередь, уменьшает сигнал, который вы можете получить, когда читаете его. И если вы слишком сильно уменьшите сигнал, он потеряется в шуме, который возникает из-за зернистой природы магнитных зерен, покрывающих диск.

Можно уменьшить этот фоновый шум, уменьшив эти зерна. Но трудно уменьшить магнитные зерна сверх определенного размера, не ставя под угрозу их способность сохранять магнитное состояние стабильным образом. Наименьший размер, который можно использовать для магнитной записи, известен в этом бизнесе как суперпарамагнитный предел. И производители дисков достигли этого.

До недавнего времени это замедление не было очевидным для потребителей, поскольку производители жестких дисков могли компенсировать это, добавляя к каждому устройству больше головок и пластин, что позволяло увеличить емкость при том же размере. Но теперь как доступное пространство, так и затраты на добавление дополнительных головок и пластин ограничивают выгоды, которые могут получить производители дисков, и плато становится очевидным.

В настоящее время разрабатываются несколько технологий, которые могут обеспечить масштабирование жесткого диска за пределы современного суперпарамагнитного предела. К ним относятся магнитная запись с нагреванием (HAMR) и магнитная запись с использованием микроволн (MAMR), методы, которые позволяют использовать более мелкие зерна и, следовательно, позволяют намагничивать меньшие области диска. Но эти подходы увеличивают стоимость и создают неприятные инженерные проблемы. И даже если они будут успешными, масштабирование, которое они обеспечивают, по мнению производителей, скорее всего, останется ограниченным. Например, компания Western Digital Corp., недавно объявившая о том, что, вероятно, начнет поставлять жесткие диски MAMR в 2019 году, рассчитывает, что эта технология позволит масштабировать плотность размещения примерно на 15 % в год.

С другой стороны, оборудование для хранения данных на магнитных лентах в настоящее время работает с плотностью записи, которая значительно ниже суперпарамагнитного предела. Таким образом, закон Мура на магнитной ленте может действовать в течение десяти или более лет, не сталкиваясь с такими препятствиями со стороны фундаментальной физики.

Тем не менее лента — сложная технология. Его сменный характер, использование тонкой полимерной подложки вместо жесткого диска и одновременная запись до 32 дорожек параллельно создают значительные трудности для дизайнеров. Вот почему моя исследовательская группа в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе усердно работала над поиском способов обеспечить постоянное масштабирование ленты либо за счет адаптации технологий жестких дисков, либо за счет изобретения совершенно новых подходов.

В 2015 году мы и наши сотрудники из FujiFilm Corp. показали, что, используя сверхмалые частицы феррита бария, ориентированные перпендикулярно ленте, можно записывать данные с плотностью, более чем в 12 раз превышающей достижимую с помощью современных коммерческих технологий. А совсем недавно в сотрудничестве с Sony Storage Media Solutions мы продемонстрировали возможность записи данных с плотностью записи, которая примерно в 20 раз превышает текущий показатель для современных ленточных накопителей. Чтобы представить это в перспективе, если бы эта технология была коммерциализирована, киностудия, которой сейчас может понадобиться дюжина ленточных картриджей для архивирования всех цифровых компонентов высокобюджетного фильма, смогла бы разместить их все на одном устройстве. лента.

Поток данных: современные ленточные библиотеки могут хранить сотни петабайт, тогда как IBM 726 (справа), представленный в 1952 году, может хранить всего пару мегабайт. Фото: Дэвид Паркер /Научный источник; справа: IBM

Чтобы обеспечить такую ​​степень масштабирования, нам пришлось внедрить ряд технических усовершенствований. Во-первых, мы улучшили способность головок чтения и записи следовать по тонким дорожкам на ленте, ширина которых в нашей последней демонстрации составляла всего около 100 нанометров.

Нам также пришлось уменьшить ширину считывателя данных — магниторезистивного датчика, используемого для считывания записанных дорожек данных, — с нынешнего микронного размера до менее 50 нм. В результате сигнал, который мы могли уловить таким крошечным ридером, становился очень зашумленным. Мы компенсировали это увеличением отношения сигнал/шум, присущего носителям, которое зависит от размера и ориентации магнитных частиц, а также от их состава, а также от гладкости и гладкости поверхности ленты. Чтобы еще больше помочь, мы улучшили схемы обработки сигналов и исправления ошибок, используемые в нашем оборудовании.

Чтобы наш новый прототип носителя мог сохранять записанные данные десятилетиями, мы изменили природу магнитных частиц в записывающем слое, сделав их более стабильными. Но это изменение усложнило запись данных, в первую очередь, до такой степени, что обычный ленточный преобразователь не мог надежно записывать на новый носитель. Поэтому мы использовали специальную записывающую головку, которая создает магнитные поля намного сильнее, чем обычные головки.

Сочетая эти технологии, мы смогли считывать и записывать данные в нашей лабораторной системе с линейной плотностью 818 000 бит на дюйм. (По историческим причинам инженеры по производству магнитных лент во всем мире измеряют плотность данных в дюймах.) В сочетании с 246 200 дорожек на дюйм, которые может обрабатывать новая технология, наш прототип устройства достиг плотности 201 гигабит на квадратный дюйм.Если предположить, что один картридж может вместить 1140 метров ленты (разумное предположение, основанное на уменьшенной толщине используемых нами новых ленточных носителей), то эта плотность соответствует емкости картриджа в колоссальные 330 ТБ. Это означает, что на один ленточный картридж можно записать столько же данных, сколько на тачку с жесткими дисками.

В 2015 году отраслевой консорциум по хранению информации, в который входят HP Enterprise, IBM, Oracle и Quantum, а также ряд академических исследовательских групп, выпустил так называемую "Международную дорожную карту хранения данных на магнитных лентах". предсказал, что к 2025 году плотность ленточных накопителей достигнет 91 ГБ на квадратный дюйм. Экстраполируя эту тенденцию, можно предположить, что к 2028 году она превысит 200 ГБ на квадратный дюйм.

Каждый из авторов этой дорожной карты интересовался будущим ленточных накопителей. Но вам не нужно беспокоиться о том, что они были слишком оптимистичны. Лабораторные эксперименты, которые мы с коллегами недавно провели, показывают, что 200 Гб на квадратный дюйм вполне возможны. Таким образом, возможность сохранить ленту на пути роста, который она имела, по крайней мере, еще одно десятилетие, на мой взгляд, вполне гарантирована.

Действительно, магнитные ленты могут быть одной из последних информационных технологий, которая следует масштабированию, подобному закону Мура, и сохранит это в течение следующего десятилетия, если не дольше. И эта полоса, в свою очередь, только увеличит экономическое преимущество ленты по сравнению с жесткими дисками и другими технологиями хранения. Так что даже если вы редко увидите ее, кроме черно-белого фильма, магнитная лента, какой бы старой она ни была, будет здесь еще долгие годы.

Эта статья появилась в печатном выпуске за сентябрь 2018 г. под названием "Ленточное хранилище возвращается".

Магнитные диски представляют собой плоские круглые пластины из металла или пластика, покрытые с обеих сторон оксидом железа. Входные сигналы, которые могут быть аудио, видео или данными, записываются на поверхность диска в виде магнитных узоров или пятен на спиральных дорожках записывающей головкой, в то время как диск вращается приводным устройством. Головки, которые также используются для считывания магнитных отпечатков на диске, могут быть с большой точностью расположены в любом месте на диске. Для компьютерных приложений хранения данных набор из 20 дисков (называемый пакетом дисков) устанавливается вертикально на шпиндель приводного устройства. Привод оснащен несколькими головками чтения/записи.

Эти функции дают устройствам с магнитными дисками преимущество перед магнитофонами. Дисковое устройство имеет возможность считывать любой заданный сегмент аудио- или видеозаписи или блока данных без необходимости последовательного прохождения большей части его содержимого; поиск нужной информации на ленте может занять много минут. В магнитном диске прямой доступ к точной дорожке на конкретном диске сокращает время поиска до доли секунды.

Технология магнитных дисков была применена для хранения данных в 1962 году. Случайный доступ к данным, хранящимся на дисках, сделал эти устройства особенно подходящими для использования в качестве вспомогательной памяти в высокоскоростных компьютерных системах. Маленькие гибкие пластиковые диски, называемые дискетами, были разработаны в 1970-х годах. Хотя дискеты не могут хранить столько же информации, как обычные диски, и не могут извлекать данные так же быстро, они подходят для таких приложений, как миникомпьютеры и микрокомпьютеры, где первостепенное значение имеют низкая стоимость и простота использования.

Запись на магнитный диск имеет множество других применений. Офисные диктофоны и транскрибирующие устройства используют этот процесс для хранения голосовых сообщений для последующего использования. Технология магнитных дисков также упростила и улучшила метод, известный как «мгновенный повтор», который широко используется в прямых трансляциях, особенно спортивных событий. Этот метод включает в себя немедленный повторный показ, например, решающей игры в футбольном матче во время прямой трансляции. Видеомагнитофоны изначально использовались для мгновенного воспроизведения, но они оказались слишком громоздкими. В 1967 году компания Ampex разработала специальную видеодисковую машину, которая позволяла находить и воспроизводить нужное действие менее чем за четыре секунды.

Другие магнитные записывающие устройства.

Такие магнитные носители записи, как барабаны и ферритовые сердечники, использовались для хранения данных с начала 1950-х годов. Более поздней разработкой является магнитно-пузырьковая память, разработанная в конце 1970-х годов в Bell Telephone Laboratories.

Вспомогательная компьютерная память, использующая магнитный барабан, работает примерно так же, как магнитные ленты и диски. Они хранят данные в виде намагниченных пятен на соседних кольцевых дорожках на поверхности металлического цилиндра. На одном барабане может быть от одной до 200 дорожек. Данные записываются и считываются головками, расположенными вблизи поверхности барабана, когда барабан вращается со скоростью около 3000 оборотов в минуту. Барабаны обеспечивают быстрый произвольный доступ к сохраненной информации. Они могут извлекать информацию быстрее, чем ленточные и дисковые накопители, но не могут хранить столько же данных, сколько любой из них.

Основная память использует сотни тысяч намагничиваемых ферритовых сердечников, которые напоминают крошечные пончики. Через каждый из сердечников проходят два или более провода, по которым проходят электрические токи, которые намагничивают сердечники либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Говорят, что сердечники, намагниченные в одном направлении, представляют 0, а сердечники, намагниченные в противоположном направлении, представляют 1. 0 и 1 соответствуют цифрам двоичной системы, основы для операций цифрового компьютера. Данные сохраняются путем намагничивания массива ядер в определенной комбинации нулей и единиц. Основные блоки памяти обеспечивают чрезвычайно быстрый произвольный доступ к сохраненной информации. В отличие от других магнитных запоминающих устройств, которые должны ждать, пока катушка с лентой размотается или барабаны начнут вращаться, извлечение выполняется просто путем отправки электрических импульсов на определенный массив ядер, содержащих нужные данные. Импульсы меняют направление намагниченности в сердечниках, включая выходные сигналы, соответствующие сохраненным данным.

Магнитно-пузырьковая память более экономична в эксплуатации, чем механическая лента, диск или барабан, и значительно компактнее. Устройство состоит из кусочка синтетического граната размером со спичечный коробок. Он хранит данные в крошечных магнитных доменах цилиндрической формы, называемых пузырьками, которые появляются и исчезают под контролем электромагнитного поля. Наличие и отсутствие пузырьков представляют информацию в бинарной форме почти так же, как два состояния магнитных сердечников. Поскольку каждая крошечная гранатовая микросхема содержит сотни тысяч двоичных разрядов, огромные объемы данных могут храниться в блоке памяти, состоящем из небольшого набора этих микросхем.

Дисковые накопители достигают предела своих возможностей, но магнитная лента становится все лучше и лучше

Неудивительно, что недавние достижения в области аналитики больших данных и искусственного интеллекта создали для предприятий сильные стимулы к сбору информации обо всех поддающихся измерению аспектах их бизнеса. А финансовые правила теперь требуют, чтобы организации хранили записи гораздо дольше, чем в прошлом. Так что компании и учреждения всех мастей держат все больше и больше.

Исследования показывают [PDF], что объем записываемых данных увеличивается на 30–40 % в год. В то же время емкость современных жестких дисков, на которых хранится большая часть этих данных, увеличивается менее чем в два раза быстрее. К счастью, большая часть этой информации не требует мгновенного доступа. И для таких вещей магнитная лента — идеальное решение.

Серьезно? Лента? Сама идея может вызвать образ барабанов, прерывисто вращающихся рядом с громоздким мэйнфреймом, в старом фильме, таком как Desk Set или Dr. Странная любовь. Итак, быстрая проверка на практике: лента никуда не делась!

Действительно, большая часть мировых данных все еще хранится на пленке, включая данные для фундаментальных наук, таких как физика элементарных частиц и радиоастрономия, человеческое наследие и национальные архивы, основные кинофильмы, банковское дело, страхование, разведка нефти и многое другое. Есть даже группа людей (включая меня, имеющую образование в области материаловедения, инженерии или физики), чья работа заключается в постоянном совершенствовании ленточных накопителей.

Да, ленты существуют уже давно, но технология не застыла во времени. Наоборот. Подобно жесткому диску и транзистору, магнитная лента значительно продвинулась вперед за десятилетия.

Первая коммерческая цифровая ленточная система хранения, модель IBM 726, могла хранить около 1,1 мегабайта на одной катушке с лентой. Сегодня современный ленточный картридж может вмещать 15 терабайт. А одна роботизированная ленточная библиотека может содержать до 278 петабайт данных. Для хранения такого количества данных на компакт-дисках потребуется более 397 миллионов дисков, которые, если их сложить, образуют башню высотой более 476 км.

Это правда, что ленты не обеспечивают таких высоких скоростей доступа, как жесткие диски или полупроводниковые запоминающие устройства. Тем не менее, у среды много преимуществ. Начнем с того, что ленточные хранилища более энергоэффективны: после того, как все данные записаны, кассета с лентой просто спокойно устанавливается в слот в роботизированной библиотеке и вообще не потребляет энергии. Лента также чрезвычайно надежна, частота ошибок на четыре-пять порядков ниже, чем у жестких дисков. А лента очень надежна благодаря встроенному шифрованию «на лету» и дополнительной безопасности, обеспечиваемой самой природой носителя. В конце концов, если картридж не установлен в накопитель, доступ к данным или их изменение невозможно. Этот «воздушный зазор» особенно привлекателен в свете растущего числа краж данных посредством кибератак.

Автономный характер ленты также обеспечивает дополнительную линию защиты от программного обеспечения с ошибками.Например, в 2011 году из-за ошибки в обновлении программного обеспечения Google случайно удалил сохраненные сообщения электронной почты примерно в 40 000 учетных записей Gmail. Эта потеря произошла, несмотря на то, что несколько копий данных хранились на жестких дисках в нескольких центрах обработки данных. К счастью, данные также были записаны на ленту, и Google в конечном итоге смог восстановить все потерянные данные из этой резервной копии.

Инцидент с Gmail в 2011 году стал одним из первых разоблачений того, что поставщик облачных услуг использует ленту для своих операций. Совсем недавно Microsoft сообщила, что в ее архивном хранилище Azure используется ленточное хранилище IBM.

1951: магнитная лента впервые используется для записи данных на компьютер (Univac).

Несмотря на все эти плюсы, основная причина, по которой компании используют ленту, обычно кроется в простой экономии. Ленточные хранилища стоят в шесть раз меньше, чем вы должны были бы заплатить за хранение того же объема данных на дисках, поэтому ленточные системы можно найти почти везде, где хранятся огромные объемы данных. Но поскольку магнитная лента полностью исчезла из продуктов потребительского уровня, большинство людей не знают о ее существовании, не говоря уже об огромных достижениях, достигнутых в технологии записи на магнитную ленту за последние годы и продолжающихся в обозримом будущем.

Все это говорит о том, что кассеты были с нами десятилетиями и будут существовать еще десятилетия. Как я могу быть так уверен? Читайте дальше.

Ленты существуют так долго по одной фундаментальной причине: они дешевы. И все время дешевеет. Но всегда ли так будет?

Можно предположить, что если возможности записи все большего количества данных на магнитные диски уменьшаются, то же самое должно быть верно и для лент, которые используют ту же базовую технологию, но еще старше. Удивительная реальность заключается в том, что для ленточных накопителей это увеличение емкости не показывает никаких признаков замедления. На самом деле, он должен продолжаться еще много лет с исторической скоростью около 33 процентов в год, а это означает, что вы можете ожидать удвоения мощности примерно каждые два-три года. Думайте об этом как о законе Мура для магнитной ленты.

Отличная новость для всех, кому приходится иметь дело с резким увеличением объема данных при неизменном бюджете на хранение. Чтобы понять, почему ленты по-прежнему имеют такой большой потенциал по сравнению с жесткими дисками, рассмотрим, как эволюционировали ленты и жесткие диски.

В обоих случаях для хранения цифровых данных используются одни и те же основные физические механизмы. Они делают это в виде узких дорожек в тонкой пленке магнитного материала, в которых магнетизм переключается между двумя состояниями полярности. Информация кодируется в виде последовательности битов, представленных наличием или отсутствием перехода магнитной полярности в определенных точках дорожки. С момента появления ленточных и жестких дисков в 1950-х годах производители обоих движимы мантрой «плотнее, быстрее, дешевле». на много порядков.

Такое снижение затрат является результатом экспоненциального увеличения плотности информации, которая может быть записана на каждом квадратном миллиметре магнитной подложки. Эта плотность является произведением плотности записи вдоль дорожек данных и плотности этих дорожек в перпендикулярном направлении.

Сначала плотность лент и жестких дисков была одинаковой. Но гораздо больший размер рынка и доходы от продажи жестких дисков обеспечили финансирование гораздо более масштабных исследований и разработок, что позволило их производителям более агрессивно расширяться. В результате текущая плотность размещения жестких дисков большой емкости примерно в 100 раз выше, чем у самых современных ленточных накопителей.

Тем не менее, благодаря тому, что они имеют гораздо большую площадь поверхности, доступную для записи, современные ленточные системы обеспечивают собственную емкость картриджа до 15 ТБ — больше, чем самые емкие жесткие диски на рынке. Это верно, несмотря на то, что оба вида оборудования занимают примерно одинаковое количество места.

Внутри и снаружи. Современный ленточный картридж Linear Tape-Open (LTO) состоит из одной катушки. После того, как кассета вставлена, лента автоматически подается на катушку, встроенную в приводной механизм. Фото: Виктор Прадо

За исключением емкости, рабочие характеристики ленточных и жестких дисков, конечно же, сильно различаются. Большая длина ленты в картридже — обычно сотни метров — приводит к тому, что среднее время доступа к данным составляет от 50 до 60 секунд по сравнению с 5–10 миллисекундами для жестких дисков. Но скорость записи данных на ленту, как это ни удивительно, более чем в два раза превышает скорость записи на диск.

За последние несколько лет масштабирование плотности хранения данных на жестких дисках снизилось с исторического среднего значения примерно 40 % в год до 10–15 %. Причина связана с некоторой фундаментальной физикой: чтобы записать больше данных в данной области, вам нужно выделить меньшую область для каждого бита. Это, в свою очередь, уменьшает сигнал, который вы можете получить, когда читаете его. И если вы слишком сильно уменьшите сигнал, он потеряется в шуме, который возникает из-за зернистой природы магнитных зерен, покрывающих диск.

Можно уменьшить этот фоновый шум, уменьшив эти зерна. Но трудно уменьшить магнитные зерна сверх определенного размера, не ставя под угрозу их способность сохранять магнитное состояние стабильным образом. Наименьший размер, который можно использовать для магнитной записи, известен в этом бизнесе как суперпарамагнитный предел. И производители дисков достигли этого.

До недавнего времени это замедление не было очевидным для потребителей, поскольку производители жестких дисков могли компенсировать это, добавляя к каждому устройству больше головок и пластин, что позволяло увеличить емкость при том же размере. Но теперь как доступное пространство, так и затраты на добавление дополнительных головок и пластин ограничивают выгоды, которые могут получить производители дисков, и плато становится очевидным.

В настоящее время разрабатываются несколько технологий, которые могут обеспечить масштабирование жесткого диска за пределы современного суперпарамагнитного предела. К ним относятся магнитная запись с нагреванием (HAMR) и магнитная запись с использованием микроволн (MAMR), методы, которые позволяют использовать более мелкие зерна и, следовательно, позволяют намагничивать меньшие области диска.Но эти подходы увеличивают стоимость и создают неприятные инженерные проблемы. И даже если они будут успешными, масштабирование, которое они обеспечивают, по мнению производителей, скорее всего, останется ограниченным. Например, компания Western Digital Corp., недавно объявившая о том, что, вероятно, начнет поставлять жесткие диски MAMR в 2019 году, рассчитывает, что эта технология позволит масштабировать плотность размещения примерно на 15 % в год.

С другой стороны, оборудование для хранения данных на магнитных лентах в настоящее время работает с плотностью записи, которая значительно ниже суперпарамагнитного предела. Таким образом, закон Мура на магнитной ленте может действовать в течение десяти или более лет, не сталкиваясь с такими препятствиями со стороны фундаментальной физики.

Тем не менее лента — сложная технология. Его сменный характер, использование тонкой полимерной подложки вместо жесткого диска и одновременная запись до 32 дорожек параллельно создают значительные трудности для дизайнеров. Вот почему моя исследовательская группа в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе усердно работала над поиском способов обеспечить постоянное масштабирование ленты либо за счет адаптации технологий жестких дисков, либо за счет изобретения совершенно новых подходов.

В 2015 году мы и наши сотрудники из FujiFilm Corp. показали, что, используя сверхмалые частицы феррита бария, ориентированные перпендикулярно ленте, можно записывать данные с плотностью, более чем в 12 раз превышающей достижимую с помощью современных коммерческих технологий. А совсем недавно в сотрудничестве с Sony Storage Media Solutions мы продемонстрировали возможность записи данных с плотностью записи, которая примерно в 20 раз превышает текущий показатель для современных ленточных накопителей. Чтобы представить это в перспективе, если бы эта технология была коммерциализирована, киностудия, которой сейчас может понадобиться дюжина ленточных картриджей для архивирования всех цифровых компонентов высокобюджетного фильма, смогла бы разместить их все на одном устройстве. лента.

Поток данных: современные ленточные библиотеки могут хранить сотни петабайт, тогда как IBM 726 (справа), представленный в 1952 году, может хранить всего пару мегабайт. Фото: Дэвид Паркер /Научный источник; справа: IBM

Чтобы обеспечить такую ​​степень масштабирования, нам пришлось внедрить ряд технических усовершенствований. Во-первых, мы улучшили способность головок чтения и записи следовать по тонким дорожкам на ленте, ширина которых в нашей последней демонстрации составляла всего около 100 нанометров.

Нам также пришлось уменьшить ширину считывателя данных — магниторезистивного датчика, используемого для считывания записанных дорожек данных, — с нынешнего микронного размера до менее 50 нм. В результате сигнал, который мы могли уловить таким крошечным ридером, становился очень зашумленным. Мы компенсировали это увеличением отношения сигнал/шум, присущего носителям, которое зависит от размера и ориентации магнитных частиц, а также от их состава, а также от гладкости и гладкости поверхности ленты. Чтобы еще больше помочь, мы улучшили схемы обработки сигналов и исправления ошибок, используемые в нашем оборудовании.

Чтобы наш новый прототип носителя мог сохранять записанные данные десятилетиями, мы изменили природу магнитных частиц в записывающем слое, сделав их более стабильными. Но это изменение усложнило запись данных, в первую очередь, до такой степени, что обычный ленточный преобразователь не мог надежно записывать на новый носитель. Поэтому мы использовали специальную записывающую головку, которая создает магнитные поля намного сильнее, чем обычные головки.

Сочетая эти технологии, мы смогли считывать и записывать данные в нашей лабораторной системе с линейной плотностью 818 000 бит на дюйм. (По историческим причинам инженеры по производству магнитных лент во всем мире измеряют плотность данных в дюймах.) В сочетании с 246 200 дорожек на дюйм, которые может обрабатывать новая технология, наш прототип устройства достиг плотности 201 гигабит на квадратный дюйм. Если предположить, что один картридж может вместить 1140 метров ленты (разумное предположение, основанное на уменьшенной толщине используемых нами новых ленточных носителей), то эта плотность соответствует емкости картриджа в колоссальные 330 ТБ. Это означает, что на один ленточный картридж можно записать столько же данных, сколько на тачку с жесткими дисками.

В 2015 году отраслевой консорциум по хранению информации, в который входят HP Enterprise, IBM, Oracle и Quantum, а также ряд академических исследовательских групп, выпустил так называемую "Международную дорожную карту хранения данных на магнитных лентах". предсказал, что к 2025 году плотность ленточных накопителей достигнет 91 ГБ на квадратный дюйм. Экстраполируя эту тенденцию, можно предположить, что к 2028 году она превысит 200 ГБ на квадратный дюйм.

Каждый из авторов этой дорожной карты интересовался будущим ленточных накопителей. Но вам не нужно беспокоиться о том, что они были слишком оптимистичны. Лабораторные эксперименты, которые мы с коллегами недавно провели, показывают, что 200 Гб на квадратный дюйм вполне возможны. Таким образом, возможность сохранить ленту на пути роста, который она имела, по крайней мере, еще одно десятилетие, на мой взгляд, вполне гарантирована.

Действительно, магнитные ленты могут стать одной из последних информационных технологий, которая следует масштабированию по закону Мура и сохранит его в течение следующего десятилетия, если не дольше. И эта полоса, в свою очередь, только увеличит экономическое преимущество ленты по сравнению с жесткими дисками и другими технологиями хранения. Так что даже если вы редко увидите ее, кроме черно-белого фильма, магнитная лента, какой бы старой она ни была, будет здесь еще долгие годы.

Эта статья появилась в печатном выпуске за сентябрь 2018 г. под названием "Ленточное хранилище возвращается".

Читайте также:

  
• Параметры подключения к базе данных можно задать вручную в файле
  
• Как понять, откуда идет звук на компьютере
  
• Что такое PS в Excel
  
• Как скопировать файл в несколько папок одновременно
  
• Как отозвать электронное письмо в Mozilla Thunderbird