Журнал Компьютерра - Журнал "Компьютерра" N741-742

Как ни странно, гораздо более примитивные дискеты (флоппи [Floppy (англ.) — свободно висящий.]-диски) изобрели позже жестких дисков — только в 1970 году сотрудник IBM Дэвид Ноубл под руководством Алана Шугарта сконструировал флоппи-диск, имевший 8 дюймов в диаметре и в первой версии позволявший записать 80 Кбайт данных. Вы не поверите, но дискета такой емкости вмещала ядро операционной системы далеко не персональных по возможностям и назначению компьютеров IBM System 370 — на ней содержались все данные, достаточные для "холодной" перезагрузки машины.

Собственно, для этой цели первые дискеты, работавшие в режиме "только для чтения", и создавались.

По инициативе того же Шугарта (впоследствии, кстати, основавшего фирму Sea gate) в 1975 году в его компании Shugart As sociates (совместно с Wang La boratories) была сконструирована дискета 5,25 дюйма, а в 1981 году из стен корпорации Sony вышла привычная ныне 3,5-дюймовая дискета в жестком пластмассовом корпусе (отчего в некоторых странах ее называют "жесткой"). Сначала для записи использовали одну сторону, так что 5-дюймовая дискета вмещала всего 110 Кбайт данных.

Потом стали использовать обе стороны, удвоили количество дорожек (вместо сорока — восемьдесят) и усовершенствовали технологии кодирования данных. В результате удалось довести емкость 5-дюймовой дискеты до 1,2 Мбайт, а 3-дюймовой — до 1,44 Мбайт.

Изобретение дешевых сменных носителей в виде флоппи-дисков во многом по спо собствовало появлению персонального ком пьютера: первый IBM PC, как известно, жесткого диска не имел, и операционная система DOS, пользовательские программы и данные записывались в нем на 5-дюймовые дискеты емкостью 320 Кбайт, для которых было предусмотрено целых два привода. Аналогично был устроен и знаменитый Apple в своих первых модификациях I и II.

Кстати, по моим личным наблюдениям, несмотря на относительно примитивную конструкцию, "гибкие" дискеты 5,25 дюйма были даже надежнее, чем "твердые" 3,5-дюймовые: с последними, притом независимо от производителя, я в свое время достаточно натерпелся, даже выработалась привычка всегда писать данные в двух экземплярах, чего практически не требовалось в эпоху пятидюймовок (возможно, оттого, что поверхностная плотность информации в них значительно ниже). Факт: когда мне недавно потребовалось разыскать один старинный документ, датируемый примерно 1989 годом, я отряхнул пыль с пятидюймового привода, лежавшего на шкафу с незапамятных времен, без особой надежды засунул туда дискету "Изот" болгарского производства, предположительно содержавшую требуемое, и вся информация с нее прочиталась, словно была записана накануне. Без единого сбойного сектора — вот ведь!

Современный диск, в отличие от древних накопителей вроде RAMAC, во многом подобных бытовому магнитофону, имеет отдельные головки чтения и записи, лишь конструктивно объединенные в одну. При этом в традиционных накопителях с продольной записью, каковые доминировали на рынке еще года два назад, головка записи в принципе мало чем отличается от обычной индуктивной магнитофонной головки, показанной на рис. 1. Со временем менялись лишь размеры и расстояния — сейчас зазор между головкой и поверхностью не превышает 100 нм (в сто раз меньше, чем в конструкциях 1970-х — начала 1980-х годов).

А вот с головкой чтения происходили гораздо более значимые изменения. Совмещающая функции записи и чтения индуктивная головка имеет множество недостатков: очень плохое отношение сигнал/шум, зависимость чувствительности от скорости носителя и т. п. Потому еще в 1980-е вместо индуктивной головки для чтения стали применять более чувствительные тонкопленочные. А начиная примерно с 1991 года вообще изменили принцип их работы: в головках чтения стали использовать так называемый магниторезистивный эффект (MR). Суть его в том, что в зависимости от интенсивности внешнего магнитного поля меняется сопротивление некоего материала. Немаловажно, что эффект этот статический: головка будет выдавать сигнал, даже если носитель под ней остановить — в отличие от индуктивных, которые реагируют лишь на изменяющееся магнитное поле во время движения носителя. Поэтому сигнал в MR-головках не зависит от скорости. Увеличивается и отношение сигнал/шум, особенно в головках с "гигантским" (giant) магнито-резистивным эффектом (GMR), что очень важно в связи с прогрессирующим уменьшением площади, занимаемой единичным битом на поверхности диска. И примерно со второй половины 1990-х все накопители стали выпускать только с GMR-головками.

В накопителях поколения RAMAC плотность записи составляла какие-то жалкие 2 кбит/кв. дюйм, а инженеров тогда больше занимали вопросы быстродействия и способы кодирования информации для повышения надежности хранения данных. По мере развития технологий емкость дисков увеличивалась, а габариты уменьшались (напомним, что 5-мегабайтный RAMAC в 1956 году был размером с платяной шкаф, а такой же емкости накопитель начала 1980-х уже занимал "всего" пару 5-дюймовых отсеков). К началу 1990-х размеры более-менее стабилизировались (появился, в частности, общепринятый ныне 3,5-дюймовый конструктив), но емкость продолжала расти. То есть плотность записи непрерывно повышалась, перевалив к концу 1990-х рубеж 1 Гбит/кв. дюйм.

В ходе этого процесса, изобретая все новые магнитные материалы и методы их нанесения, совершенствуя головки, схемы управления и механику, разработчики изыскивали способы сделать область хранения единичного бита, называемую магнитным доменом, как можно меньше.

Но беспредельно уменьшать размеры домена нельзя, и вот почему.

Каждый домен состоит из отдельных магнитных зерен. Когда записывающая головка выдает импульс, сообщающий домену определенное направление намагничивания, то надо, чтобы большая часть зерен ориентировалась в нужном направлении.

Чем больше таких правильно сориентированных зерен, тем больше отношение сигнал/шум. Следовательно, для повышения надежности чтения мы заинтересованы в том, чтобы увеличивать количество элементарных зерен в домене (сейчас их около сотни на каждый домен), а если хочется повышать плотность записи, то ничего не остается, кроме как уменьшать размер каждого зерна. Но беспредельно уменьшать их тоже нельзя — слишком маленькие зерна будут самопроизвольно размагничиваться из-за теплового движения — помните, что магнитные ленты хранили в холодильниках? Это явление получило название суперпарамагнитного эффекта, и поначалу предсказывалось, что физическое ограничение на плотность записи, наложенное им, наступит уже при 10 Мбит/кв. дюйм. За счет разных технологических ухищрений и подбора материалов порог удалось снизить в десятки тысяч раз — сейчас считается, что суперпарамагнетизм начнет сказываться при плотностях 100-200 Гбит/кв. дюйм, характерных для дисков в 3,5-дюймовом конструктиве. Это составляет примерно 250 Гбайт данных на пластину и в принципе позволяет довести емкость диска до терабайта. На практике же последние традиционные накопители с продольной записью имели емкость 100-133 Гбайт на пластину, что фактически было пределом.

Недавно, проанализировав патент Поульсена, инженеры пришли к выводу, что датчанин делал запись не продольным, как во всех последующих конструкциях, а поперечным способом — когда ось намагниченности домена находится перпендикулярно плоскости материала. В 1970-х годах Шуничи Ивасаки из японского Технологического института Тохоку, ничего, видимо, не зная про Поульсена, изобрел перпендикулярную запись заново.

Любопытно, что этот способ первоначально пытались использовать для увеличения емкости дискет (до 2,88 Мбайт, такая емкость даже предусмотрена в некоторых технических спецификациях; например, Windows ее поддерживает), но что-то не заладилось, и технология "не пошла".

Почему во всех конструкциях, от бытовых магнитофонов до последних моделей винчестеров, традиционно использовали продольную запись, когда оси намагниченности доменов находятся в плоскости носителя, понятно из рис. 2 — просто симметричная индуктивная головка записи имеет именно такое, продольное направление магнитных линий. Перпендикулярная же запись (рис. 3) дает массу преимуществ — линейные размеры домена, если смотреть со стороны плоскости диска, становятся намного меньше, не теряя в объеме, то есть в количестве элементарных зерен, что увеличивает отношение сигнал/шум. Кроме того, соседние домены меньше влияют друг на друга, а границы между ними становятся более четкими.

Диск с перпендикулярной записью устроен сложнее обычного и имеет двухслойное покрытие. Нижний слой состоит из магнитомягкого материала, то есть такого, который не сохраняет намагничивание после воздействия магнитного поля, а верхний слой представляет собой обычное магнитное покрытие. Толщина каждого слоя составляет несколько десятков нанометров, в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Главная роль во всем этом деле отведена записывающей головке новой конструкции — на рис. 3 видно, что она имеет несимметричную форму.