От запоминающей ЭЛТ Уильямса до Intel Optane: эволюция хранилищ данных

Настенные рисунки в пещерах, глиняные дощечки, берестяные грамоты — примеры первых систем хранения информации. С течением времени и новыми открытиями в науке возрастало количество информации, которую требовалось сохранить и передать дальше. Появление компьютеров, портативных цифровых устройств, баз данных и интернета сделало эту задачу еще более актуальной и привело к появлению целого класса устройств хранения информации. Оглянемся на несколько десятков лет назад и проследим за основными этапами эволюции таких систем.

Перфокарты

В начале 19 века, во времена промышленной революции, появились механизмы и станки, которые должны были производить ряд последовательных действий по определенным алгоритмам. Инженерам понравилась идея возможности программирования таких действий в зависимости от потребностей производства, поэтому для этих целей стали использоваться перфокарты — листы тонкого картона, на которых информация кодируется наличием или отсутствием отверстий в определенных частях карты.

Перфокарты применялись в ткацких станках, «аналитической машине» Бэббиджа и других «умных» машинах. Инженер Герман Холлерит изобрел электромеханический табулятор и чтобы ускорить обработку результатов  переписи населения США 1890 года и сохранить данные, использовал в нем массивы круглых отверстий 12х24.

В дальнейшем перфокарты способствовали появлению целого класса машин для их обслуживания (например, раскладочно-подборочная машина IBM Type 77), а также стали носителями информации для хранения и обработки данных в первых поколениях компьютеров, пока не были вытеснены магнитными лентами.

Копия SSEM, использующей электронно-лучевую трубку, в Музее науки и промышленности в Манчестере

Трубка Уильямса-Килберна

Во время Второй мировой Великобритания получила опыт криптоанализа немецких сообщений шифровальной машины «Энигма», и после войны правительство страны принялось активно финансировать эксперименты по созданию автоматических устройств для цифровых вычислений.

Таким образом поддержку получил инженер-радарщик Фредерик Уильямс из Манчестерского университета, который проводил опыты с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ). В ходе одного из экспериментов со вторичной эмиссией электронов он нашел способ получить на люминофоре комбинацию точек с положительным зарядом и тире — с нейтральным. Бинарный код в чистом виде!

Получив патент на свое изобретение, Фредерик продолжил совершенствование «трубчатой» памяти, включив в проект помощника — Томаса Килберна. К 1947 году им удалось увеличить емкость хранилища на базе одной трубки до 2048 битов, а также разработать схему каскадирования ЭЛТ в запоминающие массивы. Применить эти наработки удалось в манчестерской малой экспериментальной машине SSEM под кодовым названием «Baby», которая 21 июня 1948 года была запущена для выполнения математической программы Килберна. «Малышка» произвела 3,5 миллионов операций за 52 минуты и успешно нашла наибольший делитель для числа 218, перебрав в ходе вычисления все целые числа.

После этого запоминающие трубки использовали как оперативную память еще в нескольких проектах (например, IBM 701 и ЭВМ «Стрела»), но после изобретения ферритовой памяти полностью переключились на последнюю.

Ферритовая память стала основой для мейнфрейма IBM 1401

Ферритовая память

Ферритовая память (или память на магнитных сердечниках) доминировала в вычислительной технике до появления полупроводниковой памяти, примерно с середины 50-х до середины 70-х годов. Модуль памяти состоял из крошечных намагниченных ферритовых колец (сердечников), которые в ручную вплетались в прямоугольную матрицу модуля. Через каждое кольцо прокладывали от двух до четырех проводов для считывания и записи информации в зависимости от реализации конструкции. Направление намагниченности кольца позволяло хранить один бит информации, а процесс считывания стирал сохраненную информацию, поэтому ее необходимо было записывать повторно, так же как и в ЭЛТ.

Такая память стала основой для самых популярных мейнфреймов того времени, например IBM 1401. Объем памяти такой машины составлял 4 КБ по умолчанию и мог быть расширен до 16 КБ, а частота работы составляла примерно 1 МГц.

Хотя полупроводниковая память довольно быстро вытеснила с рынка ферритовую, последнюю еще долгое время продолжали использовать в военных и космических целях из-за относительной стойкости таких модулей памяти к радиации и электромагнитному излучению.

Чип Intel 1103 объемом 1 Кб

Полупроводниковая память

В середине 60-х годов эксперименты с полупроводниковыми материалами и устройствами хранения информации привели к появлению нового класса ячеек памяти на основе конденсаторов и транзисторов. В такой ячейке конденсаторы заряжаются при записи единичного бита информации и разряжаются при записи нулевого бита. При отсутствии электроэнергии конденсаторы довольно быстро теряют заряд, поэтому для сохранения данных их необходимо периодически подзаряжать подачей напряжения через транзисторные ключи.

В 1969 году Уильям Региц и его коллеги по компании Honeywell изобрели трехтранзисторную динамическую ячейку памяти и стали искать потенциальных производителей. На призыв исследователей откликнулась молодая компания Intel, разработавшая чипы 1102 и 1103 объемом 1 Кб. Именно эта динамическая память с произвольным доступом (DRAM) стала прародительницей современной оперативной компьютерной памяти (ОЗУ).

С течением времени менялись техпроцессы производства, форм-факторы модулей памяти и их характеристики, но тем не менее подавляющее большинство окружающих нас сегодня цифровых устройств использует для временного хранения информации память именно такого типа.

Магнитная лента стала частью революции в сфере звукозаписи

Магнитная лента

Первые описания технологии магнитной ленты были сделаны еще в конце 19 века, но на практике ее реализовали немецкие инженеры в начале Второй мировой войны. Это энергонезависимая память, в которой носителем информации является гибкая лента, покрытая тонким магнитным слоем ферромагнитного порошка, на который при прокрутке ленты происходит магнитная запись.

Лента сразу же хорошо зарекомендовала себя в звукозаписи (ленточные бобины и аудиокассеты) и видеозаписи (кассеты VHS), во многом способствовав революции в этих индустриях и став на долгое время стандартом де-факто.

Также она нашла свое место в системах хранения и компьютерных данных. Первая успешная запись данных на ленту состоялась в 1951 году в компании Eckert-Mauchly Computer Corporation, где информацию записали на тонкую полоску металла шириной 12,65 мм, сделанную из никелированной бронзы и разделенную на 8 логических дорожек. В результате плотность записи составила 128 символов на дюйм ленты.

В дальнейшем ленты широко применялись в домашних ПК, в которых в 70-80-х годах магнитофон и компакт-кассета часто использовались в качестве основного или дополнительного внешнего запоминающего устройства. Сегодня производство магнитных лент продолжается, и каждые два-три года появляется новый стандарт записи LTO. Последние накопители LTO-8 обладают емкостью в 12 ТБ и используются компаниями, которые хотят получить долгосрочное и недорогое хранилище данных.

Чтение информации с CD ведется с помощью лазерного излучения

Оптические диски

Разработки советских ученых Александра Прохорова и Николая Басова в области  создания оптических квантовых генераторов (лазеров) оказали большое влияние на многие отрасли науки и техники, включая аудиоиндустрию, а также системы передачи и хранения информации.

CD, CD-R, CD-RW, DVD, Blu Ray — хорошо известные примеры оптических дисков — носителей информации, чтение с которых ведется с помощью лазерного излучения. Как правило, диск имеет плоскую форму с основой из поликарбоната: на нее наносится специальный слой, который и служит для хранения информации. Для считывания информации с диска используется луч лазера, который направляется на этот слой и отражается от него.

Оптические диски стали особенно популярны в 80-90 годы благодаря буму персональных компьютеров и широкой поддержке компьютерной индустрии. В настоящее время оптические диски почти вытеснены с рынка жесткими дисками и флеш-памятью.

Сегодня плотность записи на жестких дисках увеличилась более чем в 60 млн раз по сравнению с первыми устройствами

Жесткие диски

Жесткий диск — запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. В нем используются несколько тонких металлических пластин, покрытых слоем ферромагнетика и закрепленных на одной оси. В рабочем состоянии пластины вращаются с частотой в несколько тысяч оборотов в минуту.

Для записи и считывания данных используется движущаяся головка, которая «парит» над поверхностью пластины благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. При записи информации на катушку индуктивности головки подается переменный ток, что приводит к возникновению переменного магнитного поля и изменению вектора намагниченности доменов ферромагнетика пластины.

Жесткий диск был впервые представлен IBM в 1956 году как часть мейнфрейма IBM 305 RAMAC. Диск весил 0,9 кг, имел емкость 3,75 МБ и плотность записи 2000 бит на кв. дюйм. К настоящему времени плотность записи на жестких дисках увеличилась более чем в 60 млн раз, а стоимость емкости снизилась с 9200 до 0,000003 долларов за один мегабайт сохраненных данных. Современные экземпляры жестких дисков могут похвастать емкостью 16 ТБ, а у ведущих разработчиков имеются прототипы на 64 ТБ.

Хотя в последние годы флеш-память активно теснит жесткие диски, последние по-прежнему считаются самым эффективным решением для хранения информации в пересчете стоимости хранения на единицу информации, а также обладают большим ресурсом перезаписи данных.

Появление флеш-памяти удешевило многие знакомые нам устройства: ноутбуки, мобильные телефоны, маршрутизаторы, фотоаппараты и другие

Флеш-память

Японские инженеры Toshiba представили результаты экспериментов с полупроводниковыми материалами на выставке IEEE 1987: им удалось разработать новую технологию хранения информации — флеш-память. Основной компонент памяти — транзистор с плавающим затвором, в котором дополнительный плавающий затвор расположен между управляющим затвором и p-слоем. Плавающий затвор изолирован, поэтому хранимый в нем отрицательный заряд надежно сохранен. В зависимости от количества битов информации, хранящихся в ячейке, стали разделять однобитовые (SLC) и многобитовые ячейки. В настоящее время наиболее распространены реализации MLC — два бита в ячейке памяти и TLC — три бита в ячейке. В модуле ячейки соединяются последовательно в группы, образуя страницы памяти, из которых формируется блок данных.

Спустя год с момента анонса технологии на рынке появились коммерческие образцы модулей памяти: Intel первой представила флеш-чип NOR-типа, а Toshiba — NAND-чипы. Флеш-память позволила развить и удешевить вычислительные платформы бытовой техники и многие знакомые нам приборы: ноутбуки, мобильные телефоны, маршрутизаторы, медиаплееры, фотоаппараты и др. Дешевизна, компактность, механическая прочность, большая емкость устройств и низкое энергопотребление — большие преимущества такой технологии.

Развитие флеш-памяти заключалось в переходе схем на меньшие техпроцессы и попытках сохранить больше битов информации в одной ячейке памяти. К 2015 году был достигнут технологический предел уменьшения физического размера ячеек такой планарной памяти. Попытки еще большего уменьшения размера столкнулись с эффектом перетекания заряда между соседними ячейками.

Следующим этапом развития стала технология 3D NAND: в ней ячейка имеет форму цилиндра, в котором внешний слой — это управляющий затвор, внутренний — изолятор, и между ними слой, хранящий биты. Это позволило существенно повысить емкость кристалла и использовать более «толстые» техпроцессы, снизив взаимовлияние соседних ячеек друг на друга и риск перетекания заряда из одной ячейки в другую.

Intel Optane — энергонезависимая память с использованием сопротивления халькогенидных материалов в ячейках

Intel Optane и будущее

Учитывая то, с какой скоростью растет объем цифровых данных (100 зеттабайт информации к 2022 году), системы хранения информации точно не останутся в стороне от прогресса. Прямо сейчас разрабатываются перспективные технологии, некоторые из которых, например, Intel Optane™ Memory  — энергонезависимая память с использованием сопротивления халькогенидных материалов в ячейках памяти — уже готовы для коммерческого применения. Большие надежды также связывают с системами на базе мемристоров, четвертого базового элемента электротехники, который долгое время не удавалось произвести. В любом случае, следующее поколение систем хранения уже в пути, а нам остается только дождаться, как оно будет выглядеть.

Автор: Андрей Железко

Поделиться этой статьей

Read Full Story