Накопители информации - история и перспективы развития

Следующая статья: Накопители на магнитных лентах

Содержание

• Накопители массивов информации (внешние ЗУ)
• Магнитные накопители. Ленты (МЛ)
• Поверхностная плотность записи постоянно увеличивается
• Перпендикулярная магнитозапись (PMR)
• Технология накопителей на магнитных лентах
• Технология картриджей QIC
• Таблица характеристик форматов метода QIC
• Формат Travan
• Таблица характеристик форматов метода Travan
• Формат DAT
• Таблица характеристик стандарта DAT
• Технологии 8-мм лент
• Таблица характеристика форматов группы «8 мм»
• Технологии AIT
• Таблица характеристика метода записи AIT
• Лента цифровой линейной записи (Digital Linear Таре - DLT)
• Super DLT
• Таблица характеристика накопителей на основе Super DLT
• Технология VXA
• Таблица ленточных накопителей Sony

Накопители массивов информации (внешние ЗУ)

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) можно разделить на следующие классы:

• по типу доступа:
  • с произвольным доступом (диски, флэш-карты);
  • с последовательным доступом (ленты);
• по используемой технологии записи/считывания информации:
  • с магнитными носителями (HDD, FDD);
  • с оптическими носителями (CD, DVD);
  • с магнитооптическими носителями (Fujitsu DynaMO);
  • использующие флэш-память;
• по типу носителя:
  • с постоянным носителем (жесткие диски);
  • со сменными носителями (гибкие диски, картриджи стримеров), сменные пакеты жестких дисков.

Магнитные накопители. Ленты (МЛ)

Магнитные накопители являются основной средой хранения информации в ЭВМ и разделяются на магнитные ленты (НМЛ) и магнитные диски (НМД).

Общая технология магнитных носителе

Долгое время основным устройством хранения данных в компьютерах были перфорационные носители (карты и ленты). В 1949 года компания IBM приступила к разработке нового устройства хранения данных. Именно это и стало точкой отсчета в истории развития устройств магнитного хранения данных. 21 мая 1952 года IBM анонсировала модуль ленточного накопителя IBM 726 для вычислительной машины IBM 701. Четыре года спустя, 13 сентября 1956 года, IBM объявила о создании первой дисковой системы хранения данных - 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Эта система могла хранить 5 млн символов (5 Мбайт) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см).

Основной критерий оценки накопителей на магнитных носителях - поверхностная плотность записи. Она определяется как произведение линейной плотности записи вдоль дорожки, выражаемой в битах на дюйм (Bits Per Inch - BPI), и количества дорожек на дюйм (Tracks Per Inch - TPI). В результате поверхностная плотность записи выражается в Мбит/дюйм² или Гбит/дюйм².

Поверхностная плотность записи (а) и ее эволюция (б)

Поверхностная плотность записи постоянно увеличивается

После появления первого устройства магнитного хранения данных (IBM RAMAC) рост поверхностной плотности записи достигал 25 % в год, а с начала 1990-х - 60 процентов. Разработка и внедрение магниторезистивных (1991 года ) и гигантских магниторезистивных (1997 года) головок еще больше ускорили увеличение поверхностной плотности записи. За 45 лет, прошедших с момента появления первых устройств магнитного хранения данных, поверхностная плотность записи выросла более чем в 5 миллионов раз.

В современных накопителях размером 3.5 дюйма величина этого параметра составляет 10-20 Гбит/дюйм², а в экспериментальных моделях достигает 40 Гбит/дюйм². Это позволяет выпускать накопители емкостью более 400 Гбайт.

Рассмотрим основные технологии магнитной записи.

Поверхностная (параллельная) магнитная запись. В течение около 50 лет производители магнитных накопителей (как на MЛ, так и на МД) использовали почти исключительно метод, именуемый параллельной магнитной записью (longitudinal magnetic recording - LMR), в которой вектор намагниченности для каждого бита информации (элементарной области намагниченности, или магнитного домена) расположен параллельно поверхности носителя (пленки или диска).

В то время как в исторической ретроспективе поверхностная плотность записи удваивалась приблизительно каждый год, в конце концов скорость этого роста замедлилась и, как это оценивают специалисты, технология LMR (из-за суперпарамагнитного эффекта) вряд ли сможет обеспечить плотность выше 100-200 Гбит/дюйм².

Технологии магнитной записи

• а - параллельная магнитная запись (LMR);
• б - перпендикулярная (PMR).

Этот вывод привел к росту усилий по преодолению суперпарамагнитного эффекта, и была предложена технология перпендикулярной магнитной записи (perpendicular magnetic recording - PMR) как решение, которое может удвоить плотность записи НЖМД в самое ближайшее время и обеспечить в дальнейшем более чем 10-кратный ее прирост.

В LMR зоны намагниченности (домены, или «микромагниты») лежат горизонтально и в случае высокоинформативного сигнала, когда частота чередования «1» и «0» велика, сплошь и рядом возникают точки, в которых полярности «микромагнитов» противоположны, что требует их разграничения или наличия «области перехода».

Поскольку противоположные полюсы отталкиваются, с повышением плотности записи и уменьшением ширины области перехода возникает опасность самопроизвольного «переворачивания мик-ромагнитов» (особенно под влиянием теплового движения молекул) и разрушения информации.

Перпендикулярная магнитозапись (PMR)

В этом случае битовые «микромагниты» расположены вертикально или перпендикулярно поверхности диска. Поскольку векторы намагниченности не направлены «друг на друга», потребность в области перехода значительно сокращается. Это позволяет осуществлять более плотную упаковку битов и получать более «острые» сигналы перехода, облегчая обнаружение разрядов и исправление ошибок, а это - возможность достижения более высоких значений поверхностной плотности записи.

Основой данного подхода является, во-первых, использование для записи материала с более высокой коэрцитивной силой (большая остаточная намагниченность), а во-вторых - размещение под ним слоя магнитомягкого материала, осуществляющего замыкание силовых линий пишущего элемента головки устройства (фактически он работает как часть пишущей головки). Этот слой относительно толст, так что он усложняет конструкцию платтеров (дисков) НЖМД и затрудняет использование PMR в магнитных лентах.

Фирма Hitachi Global Storage Technologies в лабораторных испытаниях достигла осенью 2005 года поверхностную плотность записи в 345 Гбит/дюйм² (это обеспечивает емкость в 1 Тбайт для диска 3.5»). Предполагается, что НЖМД в 3.5' для настольных персональных компьютеров емкости 2 Тбайт может быть выпущен в 2009 году В конечном итоге прогнозируется, что методика PMR в течение ближайших 20 лет обеспечит повышение поверхностной плотности записи до 100 Тбит/дюйм².

Технология накопителей на магнитных лентах

Эти накопители относятся к классу внешних запоминающих Устройств последовательного доступа. В них доступ к требуемому набору данных происходит только после завершения перемотки всей предшествующей части магнитной ленты (МЛ).

Магнитные ленты для цифровой записи данных размещаются на бобинах или кассетах (подобно лентам для бытовой аудио- или видеозаписи). Однако принципы размещения информации на МЛ в данном случае существенно другие:

• информация размещается на носителе в виде блоков (массивов данных фиксированной или переменной длины);
• информационные блоки разделены пустыми промежутками (gap), позволяющими считывающему устройству распознать начало (окончание) блока. Размер промежутка между записями выбирается достаточным для разгона ленты до установленной скорости и остановки ее точно на следующем промежутке. Недостаток промежутков между записями - уменьшение полезного объема МЛ, так как области, отведенные под промежутки, нельзя использовать для хранения данных;
• блоки разделяются на информационные (ИБ распознаются программами) и служебные (распознаются устройством конец файла и конец тома);
• физическое начало и физический конец ленты обычно определяются оптическим или механическим образом (независимо от содержания ленты).

Структура данных на магнитных лентах

• 1 - физическое начало ленты (начальный ракорд);
• 2 - информационные блоки (ИБ) 1-го файла;
• 3 - GAP, промежуток между блоками;
• 4 - EOF - end-of-file служебный блок, задающий конец 1-го файла;
• 5 - информационные блоки (ИБ) 2-го файла;
• 6 - конец 2-го файла;
• 7 - EOV - end-of-volume, служебный блок задающий логический конец ленты;
• 8 - физический конец ленты (ракорд)

Обычно информация записывается одновременно девятью магнитными головками. Из девяти одновременно записываемых битов информации восемь являются информационными (один байт) и один - контрольным битом четности. Начало области магнитной ленты, в которую записывается информация, называется точкой загрузки и помечается специальным физическим маркером. Физический маркер представляет собой кусочек алюминиевой фольги, наклеиваемый на расстоянии 1 - 2 метра от начала магнитной ленты. Конец информационной области МЛ помечается таким же физическим маркером, наклеиваемым на расстоянии от конца МЛ. Наличие указанных специальных маркеров, распознавание которых производится фотоэлектронным способом, позволяет осуществить перемотку МЛ к началу информационной области и автоматический остановки по достижении ее конца.

Системы хранения на магнитных лентах разрабатывались с целью резервного копирования информации, содержащейся на дисковых устройствах. В одной из таких систем, получившем довольно широкое распространение, используются 8-миллиметровые ленты видеоформата, заключенные внутрь кассеты. Такая кассета называется картриджем.

Накопители информации на магнитных лентах

• а - НМЛ ЕС 5017;
• б - картриджи с МЛ.

Размещение информации на MЛ связано со следующими проблемами. Для уверенного распознавания промежутка (gap) он должен иметь значительную длину (особенно при высоких скоростях перемотки/чтения). При скорости движения ленты 2-3 м/с длина промежутка должна составлять не менее 1-2 см. Очевидно, что для того, чтобы эффективность использования МЛ была достаточно высокой, длина ИБ должна как минимум в 2-3 раза превышать длину промежутка (при этом коэффициент полезного использования MJ1 будет составлять 60- 75 %). При этом также увеличивается скорость обмена между ОП и ВУ, так как за одно обращение к MЛ считывается как минимум один ИБ. Однако увеличение длины ИБ требует увеличения объема ОП для размещения буфера, связанного с данным файлом (буфер выделяется операционной системой при открытии файла), поэтому одновременное открытие большого числа файлов может оказаться невозможным при ограниченном размере ОП.

Технология картриджей QIC

Картриджи 0.25 дюйма (лента шириной 0.25" или 6.35 миллиметров широко использовалась в катушечных магнитофонах в 50-80-х годов ) или QIC (quarter-inch-tape cartridge) были введены в обращение в 1972 году компанией ЗМ для сбора и хранения данных. В дальнейшем из-за Дешевизны и удобства использования они получили распространение в качестве среды архивного хранения данных для персонального компьютера.

QIC-картридж выглядит наподобие обычной аудиокассеты, содержит две бобины для перемотки ленты в обе стороны, которые связаны приводным ремнем, встроенным в кассету. МЛ проходит между металлическим приводным стержнем (кабестан), соединенным с двигателем и прижимным резиновым роликом.

Формат QIC предусматривает линейную запись, что подразумевает образование параллельных дорожек, направленных по длине ленты.

Известно два формата картриджей - DC600 и DC2000 (более популярный). Используются методы кодирования MFM или RLL аналогичные для записи на НМД.

Для работы используется головка стирания (стирающая всю ширину ленты за один проход), записывающая головка и две считывающие головки, предназначенные для контроля записи. При записи лента движется равномерно со скоростью 25-30 см/с, каждая головка записывает одну дорожку за проход. Дополнительные головки увеличивают скорость и плотность записи. Так, две головки обеспечивают 800 Кбайт/с, четыре - 1.6 Мбайт/с. Дорожки, расположенные в верхней половине ширины ленты, записываются при прямом движении ленты, расположенные снизу - при обратном движении. Каждая дорожка записывается блоками по 512 или 1024 байт, которые группируются в сегменты по 32 блока. В конце каждого блока записывается циклическая контрольная сумма (CRC) для обнаружения и коррекции ошибок.

Основным недостатком QIC является несовместимость, поскольку различные форматы записи использовали от 28 до 72 дорожек и даже более (таблица 3.1). Например, форматы QIC-3220-MC и Travan определяют стандарт мини-картриджа, использующего 108 дорожек; Tandberg предложил формат, обеспечивающий до 13 Гбайт емкости. Здесь используются серводорожки, которые позволяют увеличить плотность записи и скорость ленты, при этом скорость сравнима с НМД.

Запись методом QIC (а) и DAT (б)

Таблица характеристик форматов метода QIC

Формат Travan

Форматы Travan представляют собой набор высокоэффективных спецификаций, обладающих обратной совместимостью с QIC-форматами. Длительное время эти системы были более дорогими, чем DAT. В них внесен ряд усовершенствований, например картриджи Travan-4 содержат встроенные механизмы выравнивания и натяжения MЛ, что упрощает конструкцию ЛПМ.

Таблица характеристик форматов метода Travan

Формат DAT

Наименование DAT происходит от Digital Audio Таре (цифровая звукозапись), которая обеспечивает качество записи на уровне аудио CD. На этой основе в 1998 году Sony и HP ввели новый стандарт записи DDS (Digital Data Storage), который был предназначен для записи компьютерных данных. Технология DAT /DSS использует МЛ шириной 4 миллиметров, на которую наносятся данные с помощью вращающихся головок (helical scan recording, или «винтовая запись»), что совпадает с методикой видеозаписи.

Лента движется между бобинами картриджа и облегает цилиндрический барабан, который содержит две записывающие головки и две для контрольного считывания. Поскольку барабан вращается со скоростью 2000 об/мин, эквивалентная скорость движения ленты относительно головок достигает 381 см/с. На ленту записываются диагональные треки (блоки данных), каждый из которых имеет ширину 9.1 мкм и вмещает 128 Кбайт данных и контрольные коды.

Системы DAT имеют два формата: DDS и DataDAT. Протокол DDS более распространен и имеет несколько вариантов с обратной совместимостью.

Таблица характеристик стандарта DAT

DDS-3 использует технологию винтовой записи, однако дополнительно применяется метод, характерный для НЖМД - PRML (Partial Response Maximum Likelihood), который позволяет снизить уровень шумов.

Более поздний формат - DDS-4 - был предложен Hewlett-Packard и Sony в апреле 1998 года Это технология 4-го поколения, которая использует снижение ширины дорожки с 9.1 до 6.8 мкм, а длина ленты увеличена до 150 м, что дает возможность достигать емкости свыше 16 Гбайт. Более высокая емкость устройств DAT по сравнению с QIC/Travan, однако, приводит к тому, что эти устройства почти в 2 раза дороже, чем QIC.

Технологии 8-мм лент

Технология 8-мм ленты первоначально была разработана для видеопромышленности и была принята компьютерной промышленностью как надежный путь для сохранения больших объемов компьютерных данных. Подобно DAT, здесь также применяется винтовое сканирование. Недостаток этой системы сканирования - сложный путь ленты. Поскольку лента сматывается с подающей кассеты и плотно прижимается к цилиндру чтения-записи, в ней возникают сильные механические напряжения.

ЛГШ для ленты 8 миллиметров (а); МЛ типа AIT (б)

Известны два основных стандарта, использующих разные алгоритмы сжатия данных и конструкций НМЛ, но основная функция одна и та же. Корпорация Exabyte поддерживает стандарты «8 мм» и «Мамонт», a Seagate и Сони представляют новую 8-мм технологию, известную как AIT (Advanced Intelligent Таре - интеллектуальная МЛ). Таблица содержит ключевые характеристики текущих 8-мм стандартов.

Таблица характеристика форматов группы «8 мм»

Технологии AIT

AIT (Advanced Intelligent Tape) - быстродействующие накопители с низкой частотой ошибок, предназначенные для организации архивных библиотек робототехнических приложений. Основные компоненты технологии:

• микросхема памяти на кассете (Memory-In-Cassette - MIC);
• передовой метод сжатия данных без потерь (Advanced Lossless Data Compression - ALDC), разработанный IBM;
• лента с вакуумным нанесением магнитного слоя (Advanced Metal Evaporated - АМЕ).

MIC представляет собой программируемую микросхему памяти объемом 16-64 Кбайт, размещенную на кассете. Пятиштырьковый разъем соединяет кассету с ЛПМ при ее установке. MIC содержит информацию о размещении файлов на ленте, индексы и сведения о дополнительных областях данных.

Поскольку микропрограммы накопителя оценивают расстояние до необходимого сегмента, нет необходимости читать индивидуальные маркеры адреса при перемотке МЛ. При приближении к цели двигатели замедляются, чтобы можно было считывать маркеры ID для более точного позиционирования. Результатом является повышение скорости поиска (вплоть до 150 раз более высокой, чем скорость накопителя при чтении/записи), а также уровня надежности ключевого поиска. Среднее время доступа уменьшается до 20 с (сравнительно со 100 с для других конкурирующих моделей).

Метод сжатия ALDC реализуется микросхемами, которые были ранее доступны только в мейнфрейм-машинах, и обеспечивает средний коэффициент сжатия данных 2.6: 1 для многочисленных типов данных, по сравнению с 2:1 для более старых алгоритмов IDRC или DLZ. Для обнаружения и коррекции ошибок используется метод «чтение во время записи», коррекция кода записи (Е. СС) обнаруживает и корректирует любые аномалии-записи, перезаписывая данные после того, как отбракованная область ленты прошла.

МЛ АМЕ изготовляется новым методом, ранее использовавшимся в массовом производстве в видеопромышленности. Основа ленты проходит через вакуумную камеру, которая содержит пар, молекулы которого внедряются непосредственно во внешний слой основы без использования клейких веществ и, следовательно, становятся частью основы. Кроме того, покрытие DLC (diamond like carbon - алмазоподобный углерод) защищает напыленный слой от Царапин на поверхности.

Первоначальная емкость НМЛ AIT-1 составляла 25 Гбайт и в 1999 году была повышена до 35 Гбайт без сжатия и 90 Гбайт со сжатием, а в начале 2001 года была достигнута скорость передачи в 4 и 10 Мбайт/с соответственно. Затем был введен формат AIT-2, полностью совместимый по чтению и записи назад с АIТ-1, который обеспечивает повышение емкости и скорости.

Таблица характеристика метода записи AIT

Кроме того, в AIT-2 используются многослойные «гиперметаллические» головки, обеспечивающие плотность записи на 50 % большую, чем обычное оборудование.

Лента цифровой линейной записи (Digital Linear Таре - DLT)

Появление технологии DLT относится к середине 1980-х годов, когда корпорация DEC разработала методы записи на стандартную полудюймовую магнитную ленту для использования в системах MicroVAX. Первая DLT-система появилась в 1989 году Фактически, DLT - адаптация старого метода записи при перемотке ленты с катушки на катушку, здесь картридж ленты выполняет роль одной катушки, а привод ленты - другой.

DLT использует полудюймовую металлизированную ленту, которая на 60 % шире, чем 8-мм пленка. Каждая дорожка данных занимает полную длину пленки. Когда конец ленты достигнут, головки повторно устанавливаются, чтобы произвести запись нового набора дорожек, и лента снова записывается на полной длине в противоположном направлении. Процесс продолжается в обе стороны, пока лента не заполнена; может быть записано от 128 до 208 дорожек.

В НМЛ DLT используется уникальный дизайн «блока управления головкой» (Head Guide Assembly - HGA). DLT HGA - имеющая форму бумеранга алюминиевая пластина с шестью установленными на ней роликами. Система рычагов регулирует скорость и натяжение ленты, минимизируя трение. Это продлевает «время жизни» головок до 30000 часов (2000 часов для «винтовых» устройств на 8 мм).

ЛПМ для метода DLT (а); метод записи Advanced Digital Recording (ADR) (б)

• а - ЛПМ для метода DLT;
• б - метод записи Advanced Digital Recording (ADR).

Super DLT

Следующее поколение Digital Linear Tape (DLT) - Super DLT. Накопители, базирующиеся на технологиях Super DLT, далеко превосходят по своей емкости предел в 35 Гбайт, присущий формату DLTape IV, сохраняя обратную совместимость.

В Super DLT применяется лазер для точного позиционирования головок записи-считывания - принцип магнитной записи с лазерным управлением (Laser Guided Magnetic Recording - LGMR) В основе LGMR находится оптическая сервосистема (Pivoting Optical Servo, POS), которая позволяет на 10-20 процентов увеличить емкость накопителей. При движении носителя через систему POS лазерный луч следит за обратной стороной лены, на которую нанесены оптические метки. Механизмы POS обеспечивают размещение магнитной головки точно по магнитным трекам ленты.

Другой инновационной технологией, используемой в Super DLT, является усовершенствованный вариант метода записи-чтения PRML, который более ассоциируется с НЖМД, нежели с НМЛ.

Как это видно из таблицы, технология Super DLT позволяет Достичь емкости до 1.2 Тбайт несжатых данных на один картридж Устройства и соответствующей скорости передачи - 100 Мбайт/с.

Таблица характеристика накопителей на основе Super DLT

Технология VXA

В процессе передачи данных с МЛ может возникнуть необходимость остановки передачи с последующим ее возобновлением (при разрыве связи, занятости шины, переполнении буфера чтения и другое ). Для этого необходима обратная перемотка ленты и поиск точки прерывания чтения, что приводит к затратам времени и физическим перегрузкам для механизма и носителя информации.

Технология, предложенная Ecrix Corp. (VXA) в 1999 году, для разрешения этой и ряда других проблем НМЛ использует разбиение потока данных не на традиционно длинные блоки, а на небольшие пакеты данных, содержащие также контрольную информацию (Discrete Packet Format - DPF) - перед записью на ленту.

DPF допускает, чтобы пакеты, образующие поток данных, прибывали в буфер данных в различные моменты времени, с последующей сборкой в исходный поток (строку). Каждый пакет данных включает 64 байта пользовательских данных, маркер синхронизации, уникальный адрес коды CRC и ЕСС. Каждая дорожка содержит 387 отдельных пакетов данных и считывается через специальный буферный массив.

VXA использует 4-х уровневую схему коррекции ошибок, которая реализована в двух фазах. Во-первых, каждый пакет содержит корректирующий код Рида - Соломона (Reed-Solomon ЕСС), который позволяет устранить небольшие ошибки, связанные с шумовыми воздействиями. Во-вторых, когда пакеты собираются в буфере, они формируют массив, содержащий трехмерный корректирующий код (ЕСС оси X, ЕСС оси Y и диагональный ЕСС).

Организация данных при технологии VXA

Внутренние ленточные массовые накопители, поддерживающие технологию AIT-2, предусматривают использование в накопителе на магнитной ленте встроенного микропроцессора. В устройстве также предусмотрена аппаратная проверка данных посредством чтения сразу после записи.

Таблица ленточных накопителей Sony

Марка	Характеристики	Общий вид изделия
Sony SDX-300C	Форм-фактор - 3.5'. Емкость (без сжатия данных) - 25 Гбайт. Емкость (со сжатием) - 50 Гбайт. Скорость передачи данных (с учетом компрессии) - 3 Мбайт/с. Средняя наработка на отказ - 200000 часов Поддержка технологий AIT-1, АМЕ, Super Head Cleaner. Тип интерфейса - SCSI-2. Размеры (В х Ш х Д) - 102 x 41 x 155 мм	Sony SDX-300C
Sony SDX-500C	Форм-фактор - 3.5'. Емкость (со сжатием) - 130 Гбайт. Емкость (без сжатия) - 50 Гбайт. Тип интерфейса - Wide Ultra SCSI SE/LVD. Скорость передачи данных (с учетом компрессии) - 12 Мбайт/с. Скорость доступа - 27 с. Скорость поиска - 720 Мбайт/с. Средняя наработка на отказ (при 100%-ной нагрузке) - 300 000 ч. Совместимость с картриджами SDX1 -35 С (35 Гбайт), SDX1-25C (25 Гбайт), SDX2-50C (50 Гбайт), SDX2-36C (36 Гбайт). Размеры (В х Ш х Д) - 101.5 х 41.1 х 154.9 миллиметров. Вес - 0.78 килограмм	Sony SDX-500C

Видео: «У Русских с юмором нет проблем»

Видео на тему юмора у русских