Магнитный носитель информации это что такое
Эволюция носителей информации: о перфокартах, магнитных плёнках и дискетах
Привет, Geektimes! Обычно в нашем блоге мы рассказываем про новые продукты и технологии компании OCZ. Однако сегодня речь пойдет о том, как эволюционировали технологии хранения данных на протяжении всей истории их существования, которая насчитывает уже более 200 лет.
Итак, что же придумал Жаккар. В XIX веке производство ткани представляло собой довольно трудоемкий процесс, однако по своей сути это было постоянное повторение одних и тех же действий. Имея за спиной огромный опыт работы в качестве наладчика станков, Жаккар подумал, почему бы этот процесс не автоматизировать.
Плодом его работы стала система, использующая огромные твердые пластины, в которых были проделаны несколько рядов отверстий. Эти пластины и были первыми в мире перфокартами. Справедливости ради нужно отметить, что Жаккар все же не был в этой области новатором. Французские ткачи-изобретатели Базиль Бушон и Жак Вокансон также пытались использовать продырявленные ленты в своих ткацких станках, но не смогли завершить начатое.
Принцип работы Жаккардовой машины заключался в том, что на вход в считывающее устройство, которое представляло собой набор щупов, связанных со стержнями нитей, подавались перфокарты. При проходе перфорированной ленты через считывающее устройство щупы проваливались в отверстия, поднимая вверх соответствующие нити. Так определенная комбинация дыр в перфокарте позволяла получить нужный узор на ткани.
Перфокарты также занимали центральное место в изобретениях американского инженера Германа Холлерита, который в 1890 году создал табулятор – устройство, предназначенное для обработки буквенных и числовых символов, записанных на перфокарту, и вывода результата на бумажную ленту. На первых порах табулятор Холлерита использовало Бюро переписи населения США, а несколько позже систему взяли на вооружение в железнодорожном управлении и правительстве. К слову, в 1896 году Холлерит основал компанию Tabulating Machine Company, которая в 1911 году стала частью конгломерата C-T-R, который в свою очередь в 1924 году был переименован в IBM.
Основным преимуществом перфокарт была простота и удобство манипуляции данными. В любом месте колоды можно было добавить или удалить карты, а также легко заменить одни карты другими. Но были и свои минусы, которые с течением времени начали перевешивать плюсы. Прежде всего, это малая ёмкость. Как правило, перфокарта вмещала в себе всего лишь 80 символов. Это значит, что для хранения 1 Мбайта данных потребовалось бы порядка 10 тысяч перфокарт. Также для перфокарт была характерна низкая скорость чтения и записи. Даже самые быстрые считывающие устройства не обрабатывали более тысячи перфокарт в минуту, что соответствует примерно 1,6 Кбайт/мин. И, конечно, надёжность. Повредить изготовленную из тонкого картона перфокарту или проделать лишнее отверстие было проще простого.
Пик развития перфокарт пришелся на середину XX века, а закат эпохи наступил в 1980-х годах, когда им на смену пришли более совершенные магнитные носители информации.
Первая магнитная пленка была создана в 1928 году немецким ученым Фрицем Пфлюмером. Такая пленка представляла собой тонкую бумагу, на которую был нанесен тонкий слой оксида железа. В том же году Пфлюмер показал прибор, предназначенный для магнитной записи на такую ленту. При записи информации на пленку оказывалось воздействие магнитным полем, и на её поверхности сохранялась намагниченность.
Рынок ленточных накопителей поддерживается ещё тем фактом, что такие запоминающие устройства до сих пор обходятся дешевле, чем современные жесткие диски. По словам Эвангелоса Элефтеро, руководителя отдела технологий хранения данных исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, 1 Гбайт магнитной ленты стоит примерно 4 цента, тогда как 1 Гбайт дискового пространства на HDD обходится как минимум в 2,5 раза дороже – 10 центов. По этой причине выбор в пользу магнитной плёнки делают, к примеру, крупные исследовательские лаборатории, где существует необходимость хранить огромные объемы информации. К примеру, для хранения результатов на Большом адронном коллайдере используется именно магнитная лента. Для хранения 28 петабайтов данных на жестких дисках организации CERN, ответственной за создание и работу коллайдера, пришлось бы раскошелиться более чем на 38 миллионов долларов. В то время как хранение такого же объема информации на магнитной ленте обошлось им всего лишь в 1,5 миллиона.
По словам главы подразделения обработки и хранения данных CERN Альберто Пейса, помимо дешевизны, у магнитной ленты есть ещё несколько преимуществ перед жесткими дисками. Во-первых, это надежность. В случае разрыва ленты её всегда можно склеить, потеряв при этом лишь несколько сотен мегабайт даных. А при поломке жесткого диска, скорее всего, будет утеряна вся информация. Во-вторых, это скорость доступа. Роботу, который выбирает нужную кассету и вставляет её в считыватель, требуется около 40 секунд для выполнения этой операции. Но даже это примерно в 4 раза быстрее, чем если бы данные приходилось считывать с жесткого диска. В-третьих, срок службы магнитных лент достигает 30 и более лет, тогда как жесткие диски могут работать на протяжении всего 5 лет.
Альберто Пейс выделил ещё один значимый плюс магнитных лент – их безопасность. В теории злоумышленники могут получить доступ к жестким дискам, тогда как онлайн-доступ к магнитной плёнке получить невозможно.
Следующей ступенью эволюции носителей информации стала дискета. Она увидела свет в 1971 году, а её разработкой занималась компания IBM. История создания дискеты довольно проста: перед IBM встал вопрос о том, как рассылать своим клиентам обновления софта, и инженер компании Алан Шугарт предложил идею быстрого и компактного гибкого диска. Первая дискета была исполнена в 8-дюймовом форм-факторе и имела объем 80 Кбайт. Поддерживалась лишь одноразовая запись. Интересно, что изначальная конструкция дискеты не предусматривала привычный всем нам пластиковый кожух – IBM планировала поставлять гибкий диск без какой-либо защиты. Однако в таком виде дискета притягивала к себе пыль, вдобавок её легко можно было повредить. Поэтому было принято решение упаковать диск в пластиковый футляр.
На самом деле первые дискеты вовсе не пользовались популярностью. Причина этого заключается в том, что стоимость дисководов, которые требовались для чтения дискет, едва ли не превышала стоимость целого компьютера.
Шугарт и инженеры IBM продолжали работу над улучшением своего детища. В 1973 году объем гибких дисков был увеличен до 256 Кбайт, а в 1975 году он стал ещё в 4 раза больше. Но главной задачей Шугарта являлось не столько увеличение объема памяти дискеты, сколько уменьшение её размеров. Изначально дискета задумывалась как карманное устройство, но 8-дюймовый девайс можно было уместить разве что в среднеразмерную дорожную сумку.
И вот в 1976 году появился формат 5,25 дюймов. Нужно отметить, что этот стандарт разрабатывался основанной Шугартом компанией Shugart Associates в тесном сотрудничестве с организацией Wang Laboratories, которая планировала использовать уменьшенный формат в своих настольных компьютерах. Почему же 5,25″? Когда Ан Вэнг из Wang Laboratories вместе с Джимом Адкиссоном и Доном Массаро из Shugart Associates обсуждали будущий форм-фактор в баре, их внимание привлекла обычная салфетка. Так и родилась идея создать дискету с такими размерами. Она получила название mini-floppy.
Привычный 3,5-дюймовый формат дискета получила в 1981 году. Создателем формата выступила компания Sony. Первые 3,5″ дискеты имели объем 720 Кбайт, но вскоре появились модели, вмещающие 1,44 Мбайт информации. Но к середине 90-х годов даже этого объема уже было недостаточно. Тем не менее дискеты ещё долго удерживались на рынке носителей информации, и лишь с появлением по доступной цене накопителей на основе флэш-памяти начали сдавать свои позиции.
Несмотря на все преимущества «флэшек» над дискетами, некоторые производители предпринимали попытки спасти устаревающий стандарт. Так, компания Iomega разработала дискету под названием Iomega Zip, которая отличалась о классических дискет увеличенным до 100 Мбайт объемом памяти и более высокой скоростью чтения и записи. Но из-за высокой стоимости и проблем с надежностью Iomega Zip так и не смогла потеснить на рынке ни 3,5″ дискеты, ни накопители на основе флэш-памяти.
История хранения данных: вспоминаем магнитные ленты
В прошлый речь шла про то, как появились перфокарты. Сегодня попробуем разобраться в истории технологии магнитных лент.
В конце XIX века датский инженер Вальдемар Поульсен разработал метод магнитной записи звука на стальную проволоку.
Первые приборы на базе этого метода, которые назывались телеграфонами, не пользовались коммерческим успехом. Их недостатки были очевидны: качество звука страдало, а гаджеты сами по себе были далеки от совершенства и часто ломались.
В период Второй мировой войны какое-то время использовались «проволочные» диктофоны, однако и их популярность сошла на нет с появлением магнитной плёнки.
Первая магнитная лента была создана в 1928 году немцем Фрицем Пфлюмером. Изобретатель нанёс на бумажную ленту слой из оксида железа, который позволил ей сохранять заряд.
Успешной разработка стала далеко не сразу — первые версии магнитной пленки легко рвались и сильно шуршали. Технологии потребовалось несколько лет, чтобы «дозреть» и стать массовой.
Первые высококачественные магнитофоны были стратегическими инструментами немецкой машины пропаганды. Технологию держали в секрете, и уже после поражения Германии американские солдаты обнаружили немецкие магнитофоны и привезли их на родину, где магнитная плёнка зажила новой жизнью.
Первые американские магнитофоны, основанные на немецких разработках, выпускались под брендом Ampex. Технология совершила переворот в радиовещании, сделав возможными идентичные трансляции передач в разных часовых поясах.
И не прошло много времени, как магнитные ленты начали использоваться для хранения данных.
Первым устройством c поддержкой чтения и вывода данных на магнитную плёнку, и по совместительству первым коммерчески доступным компьютером американского производства, был UNIVAC 1. Он увидел свет в 1951 году. Один такой компьютер поддерживал до десяти цифровых «магнитофонов» UNISERVO.
Плёнка, совместимая с мейнфреймами IBM больше напоминала своих аудиособратьев: она состояла из ацетата целлюлозы, покрытого тонким слоем оксида железа. IBM представили её в 1952 году вместе с компьютерным магнитофоном IBM 726.
Преимущества такого формата были очевидны, поэтому «тяжелые» пленки не получили дальнейшего распространения.
С 50-х годов до конца эпохи мейнфреймов было создано большое количество плёночных форматов. Внешних различий между ними было мало. Стандартная полудюймовая плёнка распространялась на больших бобинах диаметром до 10,5 дюймов.
На одну бобину помещалось до 730 метров плёнки толщиной в 1,5 миллиметра, и до 1100 метров тонкой майларовой плёнки — после её распространения в 80-е. Однако форматы отличало следующее:
Покрытие. На протяжении всей истории магнитной ленты производители искали надёжный базовый материал и покрытие для него. Ленты создавались из различных видов пластика, включая поливинил и полиэтилен. Вариантов покрытия тоже было много: от различных оксидов железа и хрома до тонкого слоя чистого железа.
Дорожки. В эпоху мейнфреймов большая часть магнитных носителей предназначалась для линейной записи с дорожками, параллельно пролегающими по всей длине ленты. Ранние ленты имели семь дорожек, а в 1964 году IBM представило формат с девятью дорожками. Несмотря на больший объём таких лент, они не захватили рынок целиком — плёнка с семью дорожками продолжала совершенствоваться и выпускаться ещё долго.
Кодирование. Для записи цифровой информации на дорожку передавался либо отрицательный, либо положительный заряд. Способ определения «нулей» и «единиц» на магнитной ленте влиял на плотность записи и срок службы носителя.
Первая коммерчески доступная плёнка IBM вмещала в себя чуть больше мегабайта, и имела плотность записи в 100 символов на дюйм. Она и другие ранние ленты производства IBM использовали модуляцию NRZI (Non Return to Zero Invertive).
Заряд менялся только тогда, когда на плёнку записывалась единица. При записи нуля ничего не происходило.
Плёнки UNIVAC, а впоследствии и 9-трековые ленты производства IBM, использовали кодировку, известную как PE (phase encoding) или манчестерский код. В отличие от NRZI, и нули и единицы в такой кодировке представлялись изменением заряда.
Логическая единица обозначалась сменой заряда с положительного на отрицательный, а логический ноль наоборот.
Пишущие головки и плотность записи. Способность головок быстрее и точнее прикладывать к ленте заряд напрямую влияла на объём носителя. За первые десять лет существования формата плотность записи магнитных лент возросла в сотни раз.
Учитывая количество факторов, выбор магнитофона и магнитных лент для работы с ним в основном зависел от компьютера, с которым его собирались использовать. Мало кто мог себе позволить просто переключиться с одного формата на другой.
Большая часть периферийных устройств имели очень ограниченную совместимость, переход на другой мейнфрейм стоил больших денег, а перевод данных в новый формат также занимал много времени.
По мере развития магнитных технологий появлялись всевозможные компактные плёночные форматы. Но ни один из них не был таким распространенным, как кассета Phillips. Поначалу кассеты обошли компьютерный рынок стороной, но с уменьшением размеров вычислительных машин, они также нашли свою нишу.
Эволюция компьютерных носителей информации
Потребность хранить какую-либо информацию у человека появилась еще в доисторические времена, чему яркий пример — наскальная живопись, которая сохранилась и по сей день. Наскальные рисунки можно по праву назвать самым износостойким носителем информации на данный момент, хотя с портативностью и удобством использования есть некоторые трудности. С появлением ЭВМ (и ПК в частности) разработка емких и удобных в использовании носителей информации стала особенно актуальной.
Бумажные носители
В первых компьютерах использовалась перфокарты и перфорированная бумажная лента, намотанная на бобины, так называемая перфолента. Ее прародителями были автоматизированные ткацкие станки, в частности машина Жаккара, финальный вариант которой был создан изобретателем (в честь которого она и названа) в 1808 году. Для автоматизации процесса подачи нитей использовались перфорированные пластины:
Перфокарты — картонные карточки, которые использовали подобный метод. Их было много разновидностей, как с отверстиями, которые отвечали за «1» в двоичном коде, так и текстового вида. Самым распространенным был формат IBM: размер карты составлял 187х83 мм, на ней инфомация располагалась в 12 строк и 80 столбцов. В современных терминах, одна перфокарта хранила 120 байт информации. Для ввода информации перфокарты нужно было подавать в определенной последовательности.
В перфоленте используется тот же принцип. Информация хранится на ней в виде отверстий. Первые компьютеры, созданные в 40-х годах прошлого века работали как с вводимыми с помощью перфоленты в реальном времени данными, так и использовали некое подобие оперативной памяти, преимущественно с использованием электронно-лучевых трубок. Бумажные носители активно использовались в 20-50 годах, после чего постепенно начали заменяться магнитными носителями.
Магнитные носители
В 50-х годах началось активное развитие магнитных носителей. За основу взято было явление электромагнетизма (образование магнитного поля в проводнике при пропускании тока через него). Магнитный носитель состоит из поверхности, покрытой ферромагнетиком и считывающей/пишущей головки (сердечник с обмоткой). По обмотке протекает ток, появляется магнитное поле определенной полярности (в зависимости от направления тока). Магнитное поле воздействует на ферромагнетик и магнитные частицы в нем поляризуются в направлении действия поля и создают остаточную намагниченность. Для записи данных на разные участки производится воздействие магнитным полем разной полярности, а при считывании данных регистрируются зоны, в которых изменяется направление остаточной намагниченности ферромагнетика. Первыми такими носителями были магнитные барабаны: большие металлические цилиндры, покрытые ферромагнетиком. Вокруг них устанавливались считывающие головки.
После них появился жесткий диск в 1956 году, это был 305 RAMAC компании IBM, который состоял из 50 дисков диаметром 60 см, по размером был соизмерим с большим холодильником современного формата Side-by-Side и весил чуть меньше тонны. Его объем составлял невероятные по тем временам 5 МБ. Головка свободно перемещалась по поверхности диска и скорость работы была выше, чем у магнитных барабанов. Процесс погрузки 305 RAMAC в самолет:
Объем быстро начал увеличиваться и в конце 60-х годов IBM выпустила высокоскоростной накопитель с двумя дисками емкостью по 30 МБ. Производители активно работали над уменьшением габаритов и к 1980 году жесткий диск имел размеры 5.25-дюймового привода. С тех времен конструкция, технологии, объем, плотность и размеры претерпели колоссальных изменений и самыми популярными стали форм-факторы и 3.5, 2.5 дюйма, в меньшей мере — 1.8 дюйма, а объемы уже достигают десятка терабайт на одном носителе.
Некоторое время использовался еще формат IBM Microdrive, который представлял из себя миниатюрный жесткий диск в форм-факторе карты памяти CompactFlash тип II. Выпущен в 2003 году, позже продан компании Hitachi.
Параллельно развивалась магнитная лента. Появилась она вместе с выходом первого американского коммерческого компьютера UNIVAC I в 1951 году. Опять же постаралась компания IBM. Магнитная лента представляла из себя тонкую пластиковую полосу с магниточувствительным покрытием. С тех времен использовалась в самых разных форм-факторах.
Начиная с бобин, ленточных картриджей и заканчивая компакт-кассетами и видеокассетами VHS. В компьютерах использовались начиная с 70 годов и заканчивая 90-ми (уже в значительно меньших количествах). Часто в качестве внешнего носителя к ПК использовался подключаемый магнитофон.
Накопители на магнитной ленте под названием Стримеры применяются и сейчас, преимущественно в промышленности и крупном бизнесе. На данный момент используются бобины стандарта Linear Tape-Open (LTO), а рекорд в этом году поставили IBM и FujiFilm, умудрившись записать на стандартную бобину 154 терабайта информации. Предыдущий рекорд — 2.5 терабайт, LTO 2012 года.
Еще один тип магнитных носителей — дискеты или флоппи-диск. Тут слой ферромагнетика наносится на гибкую, легкую основу и помещается в пластиковый корпус. Такие носители были просты с точки зрения изготовления и отличались невысокой стоимостью. Первая дискета имела форм-фактор 8 дюймов и появилась в конце 60-х. Создатель — опять IBM. К 1975 году емкость достигла 1 МБ. Хотя популярность дискеты заработали благодаря выходцам из IBM, которые основали собственную компанию Shugart Associates и в 1976 году выпустили дискету формата 5.25 дюйма, емкость составляла 110 КБ. К 1984 году емкость уже составляла 1.2 МБ, а Sony подсуетилась с более компактным форм-фактором 3.5 дюйма. Такие дискеты до сих пор можно найти у многих дома.
Компания Iomega выпустила в 1980-х картриджи с магнитными дисками Bernoulli Box, емкостью 10 и 20 МБ, а в 1994 году — так называемые Zip размера 3.5 дюйма объемом 100 МБ, до конца 90-х они достаточно активно использовались, но конкурировать с компакт-дисками им было не по зубам.
Оптические носители
В семидесятых годах началась разработка оптических носителей нового образца, в результате Philips и Sony представили в 1980 году формат CD (Compact Disk), который был впервые продемонстрирован в 1980 году. В продажу компакт-диски и аппаратура поступили в 1982 году. Изначально использовались для аудио, помещалось до 74 минут. В 1984 году Philips и Sony создали стандарт CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) для любых типов данных. Объем диска составлял 650 МБ, позже — 700 МБ. Первые диски, которые можно было записывать в домашних условиях, а не на заводе были выпущены в 1988 году и получили название CD-R (Compact Disc Recordable), а CD-RW, позволяющие многократную перезапись данных на диске, появились уже в 1997.
Форм-фактор не менялся, увеличивалась плотность записи. В 1996 году появился формат DVD (Digital Versatile Disc), который имел ту же форму и диаметр 12 см, а объем — 4.7 ГБ или 8.5 ГБ у двухслойного. Для работы с DVD-дисками были выпущены соответствующие приводы, обратно совместимые с CD. В последующие годы было выпущено еще несколько стандартов DVD.
В 2002 году миру были представлены два разных и несовместимых формата оптических дисков нового поколения: HD DVD и Blu-ray Disc (BD). В обоих случаях для записи и чтения данных используется голубой лазер с длинной волны 405 нм, что позволило еще увеличить плотность. HD DVD способен хранить 15 ГБ, 30 ГБ или 45 ГБ (один, два или три слоя), Blu-ray — 25, 50, 100 и 128 ГБ. Последний стал более популярен и 2008 году компания Toshiba (один из создателей) отказалась от HD DVD.
Полупроводниковые носители
В 1984 году компания Toshiba предложила полупроводниковые носители, так называемую флэш-память NAND, которая стала популярна спустя десятилетие после изобретения. Второй вариант NOR был предложен Intel в 1988 году и используется для хранения программных кодов, например BIOS. NAND-память используется сейчас в картах памяти, флэшках, SSD-накопителях и гибридных жестких дисках.
Технология NAND позволяет создавать чипы с высокой плотностью записи, она компактна, менее энергозатратна в использовании и имеет более высокую скорость работы (в сравнении с жесткими дисками). Основным минусом на данный момент является достаточно высокая стоимость.
Облачные хранилища
С развитием всемирной сети, увеличением скоростей и мобильного интернета появились многочисленные облачные хранилища, в которых данные хранятся на многочисленных распределенных в сети серверах. Данные хранятся и обрабатываются в так называемом виртуальном облаке и пользователь имеет к ним доступ при наличии доступа в интернет. Физически серверы могут находиться удаленно друг от друга. Есть как специализированные сервисы типа Dropbox, так и варианты компаний-производителей ПО или устройств. У Microsoft — OneDrive (ранее SkyDrive), iCloud у Apple, Google Диск и так далее.
Подписывайтесь на наш нескучный канал в Telegram, чтобы ничего не пропустить.