Dyski twarde – krótka historia gromadzenia danych

Historia dysku twardego sięga połowy XX wieku, jednak kwestie związane z magazynowaniem i przetwarzaniem danych pojawiają się dużo wcześniej, a towarzyszą im pomysły zapisu informacji za pomocą perforowanych kart, na taśmach magnetycznych, dyskietkach czy w pamięci bębnowej.

Co jeśli nie dysk?

Karta perforowana

Za wynalazcę kart perforowanych uznaje się Josepha Jacquarda, tkacza, który w 1805 roku wykorzystał podziurkowaną kartę papierową do sterowania nićmi osnowy podczas pracy krosna, zapewniając w ten sposób powtarzalność zaprojektowanego wzoru, tym samym czyniąc znaczący krok na drodze standaryzacji i automatyzacji procesu produkcyjnego. Prekursorem w dziedzinie zastosowania karty w procesie przetwarzania informacji był rosyjski pionier homeopatii (z zamiłowania) i statystyk (z zatrudnienia) Siemion Korsakow. Karty dziurkowane wykorzystywał w skonstruowanym przez siebie tabulatorze (rodzaj maszyny licząco – analitycznej). Prawdopodobnie właśnie praca w dziale statystycznym Ministerstwa Spraw Wewnętrznych zainspirowała go do poszukiwań zmechanizowanych sposobów archiwizowania i wyszukiwania posiadanych informacji. Jego prace w tej dziedzinie nie spotkały się jednak z odzewem. Zainteresowanie technikami gromadzenia informacji było w pierwszej połowie XIX wieku znikome, jednak on profetycznie przewidywał ich rozwój w przyszłości. W roku 1887 Herman Hollerith opatentował swój własny format karty wielkości ówczesnego banknotu dolarowego (90x215 mm) z okrągłymi otworami. Karty takie posłużyły 3 lata później podczas przeprowadzonego w USA powszechnego spisu ludności. Początkowo karty projektowano specjalnie dla danego typu urządzenia. Standaryzacja rozpoczęła się w 1928 roku. Ustalony rozmiar wynosił 7 3/8 na 3 1/4 cala. Z upływem lat najpopularniejszy stał się format proponowany przez IBM – 80 kolumn z pojedynczym znakiem i prostokątne otwory. Karto produkowano z bardzo cienkiej ale sztywnej tektury o grubości 0,18 mm. System zapisu na kartach perforowanych przetrwał do lat 80.

Taśma dziurkowana

Podobnym rodzajem nośnika była taśma perforowana wykonana najczęściej z papieru. Informacja zapisywana była, podobnie jak w przypadku karty, poprzez kombinację dziurek. Miała ona około 300 m długości a jej szerokość zależała od ilości ścieżek informacyjnych (5 – 8).

Taśma magnetyczna

Innym rodzajem nośnika była taśma magnetyczna wykorzystywana w taśmowej pamięci zewnętrznej. Rozpoczęła ona erę nośników magnetycznych. Kiedy w 1910 opracowano magnetyczny sposób zapisu dźwięku podłożem był stalowy drut, zastąpiony szybko stalową taśmą. Rozwiązanie to posiadało jednak wadę – spory ciężar. Aby nieco ulżyć operatorom zastosowano papier, który z kolei był nietrwały. Taśmy po prostu się rwały i dopiero zastosowanie lekkiego i mocniejszego nylonu rozwiązało problem. Taśmę pokrywa się materiałem ferromagnetycznym (np. tlenkiem żelaza), którego domeny (magnesowane obszary) mają porządkowane odpowiednio momenty magnetyczne za pomocą zmiennego pola magnetycznego generowanego przez głowicę elektromagnetyczną. W ten sposób powstaje zapis. Odczyt polega na rejestracji zmian strumienia magnetycznego głowicy proporcjonalnie do zmian wartości namagnesowanego nośnika. Pamięć taśmową wprowadzono w roku 1951. Pierwszy model, wielkości szafy, zapisywał 1 MB danych z gęstością 100 bitów na cal na 9 ścieżkach, wykorzystując około 330 metrów taśmy magnetycznej. Pamięci taśmowe zaczęły być wypierane stopniowo wraz z pojawieniem się mikrokomputerów, które posiadały już inny rodzaj pamięci – małe dyski. Są one jednak używane do dzisiaj, głównie w jednostkach administracyjnych, gdzie znajduje się wiele zgromadzonych z upływem czasu informacji i istnieje potrzeba pracy na dużych zbiorach danych.

Dyskietka

Nośnikiem, w którym także wykorzystano materiał ferromagnetyczny była dyskietka, zaprezentowana po raz pierwszy przez koncern IBM w 1971 roku. Miała ona pojemność 1 MB i średnicę 8 cali. Najbardziej popularne stały się jednak nośniki wielkości 5,25 i 3,5 cala. Dyskietka zbudowana była z elastycznego podłoża z tworzywa sztucznego oraz naniesionej warstwy magnetycznej. Okres świetności dyskietek to lata 70. i 80., choć w użyciu były praktycznie do końca ubiegłego stulecia. Jako ostatnia zaprzestała produkcji dyskietek firma SONY w 2010 roku.

Płyta CD (DVD)

Innym pomysłem rejestracji informacji jest optyczny zapis danych. Idea zmaterializowała się w roku 1987 będąc efektem kooperacji firm Sony oraz Philips. Dane przechowywane są w tym przypadku na płytach w formie mikroskopijnych rowków i pustych miejsc. Płyty są 12. centymetrowej średnicy i jak głosi plotka ich rozmiar ustalony został na potrzebę nagrania 9. Symfonii Beethovena. Fizycznie płyta wykonana jest z poliwęglanu, pokryta warstwą aluminium (lub specjalnego barwnika z warstwą złota w przypadku płyt RW) i zabezpieczona lakierem. Napęd dysku posiada mechanizm laserowy służący do odczytu (zapisu) informacji. Promień emitowany przez laser jest rozpraszany (wytłoczony rowek) lub odbijany (brak rowka) od powierzchni dysku. Tak powstaje ciąg danych, który zapisywany jest w formie spiralnej ścieżki okrążającej dysk 20000 razy.

Pamięć bębnowa

Pamięć bębnowa, chyba najbliższa dyskowi twardemu, wykorzystywała do przechowywania danych cienką warstwę materiału magnetycznego, która naniesiona była na powierzchnię wirującego walca. Pierwszy bęben pojawił się w 1932 roku a jego konstruktorem był austriacki inżynier Gustaw Tauschek. Początkowo służył on do zapisu szybkich sygnałów analogowych, dla których nie wystarczał inny rejestrator. Po raz pierwszy zaprzęgnięto ten rodzaj pamięci do pracy z komputerem w roku 1951, bardzo szybko jednak został on wyparty przez dysk twardy, którego pierwszy egzemplarz pojawił się w 1956.

Era IBM

IBM 350 (widoczny podczas transportu na zdjęciu powyżej)  był technologicznym skokiem. Co prawda posiadał 5 MB pojemności a jego czas dostępu wynosił 600 ms (obecnie HDD oferują czas poniżej 10 ms, pojemności zaś są rzędu tera bajtów), jednak to właśnie ta konstrukcja wyznaczyła drogę rozwoju na kolejne kilkadziesiąt lat, a patent o numerze 3503060, pod którym została zarejestrowana, jest powszechnie uznawany za zasadniczy w kwestii idei pamięci dyskowej. Trzysta pięćdziesiątka posiadała 50 magnetycznych talerzy wirujących z prędkością 1200 obrotów/min. Mogła zapisać 5 milionów znaków – obie powierzchnie talerza zawierały po 100 ścieżek mieszczących 500 alfanumerycznych znaków każda. Szybkość przesyłu danych wynosił 8800 znaków/s. Talerze pokryte były magnetycznym nośnikiem a informacja zapisywana i odczytywana za pomocą głowic elektromagnetycznych. Mechanizm napędu poruszał perę głowic wertykalnie w celu wyboru powierzchni talerzy (górnej lub dolnej) i horyzontalnie, wybierając odpowiednią ścieżkę. W napędy te wyposażane były komputery IBM 305 RAMAC. Każdy z nich mógł obsługiwać do 4 jednostek pamięci, ważył tonę i zajmował powierzchnię sporego pomieszczenia. Ciekawostką jest, iż początkowo zarząd IBM wstrzymał prace nad konstrukcją napędu, uważając ją za zagrożenie dla kart perforowanych, których obrót stanowił wówczas poważną część przychodów korporacji. Krążą także opinie, iż technologicznie istniała możliwość zwiększenia pojemności napędu. Została ona jednak ograniczona do 5. milionów znaków przez dział marketingu IBM, który nie widział wówczas możliwości sprzedaży bardziej rozbudowanego produktu (!). Niemniej jednak bardzo szybko, bo już w 1958 roku, podjęto decyzję o rozpoczęciu produkcji napędów z podwojoną pierwotną pojemnością.

W latach 60, bazując na „350”, IBM projektował kolejne konstrukcje. Model 1301 z roku 1961 zbudowany był z 25 talerzy – każdy talerz miał przypisaną głowicę, dzięki czemu skrócono czas dostępu z 600. do 180. ms. Pojemność tego dysku sięgała zawrotnych 28 MB.

Także w 1961 roku konkurencyjna dla IBM firma Bryant Computer Products (znany producent pamięci bębnowych) zaprezentowała swoje stacje dysków serii 4000. Były to potężne jednostki współpracujące z dyskami złożonymi z maksymalnie 26. talerzy średnicy 29 cali, wirującymi z prędkością 1200. obrotów/min. Czas dostępu wahał się w przedziale 50 – 205 ms, a pojemność, w zależności od liczby talerzy, osiągała 205 MB.

W roku 1962 powstała pierwsza stacja (IBM 1311) z możliwością korzystania z wymiennych dysków IBM 1316 zbudowanych z 6 talerzy z przestrzenią zapisu dwóch milionów znaków.

W 1964 roku zaprezentowano pierwszy na świecie wymienny nośnik jednotalerzowy IBM 2310 o pojemności 1 MB, korzystający z kasety IBM 2315. Pojedyncze dyski wielkości 14. cali można było przenosić i łatwo magazynować, o ile było wystarczająco dużo miejsca. Dysk współpracował z komputerem IBM 1130, który gabarytami zbliżonymi do biurka osiągnął szczyt ówczesnej miniaturyzacji. Model 1130 potrafił współpracować z pięcioma dyskami 2310 jednocześnie.

W 1968 roku firma Memorex zaprezentowała stację dysków o symbolu 630. Była ona kompatybilna z modelem 2301 IBM – dyski były wymienne i mogły być czytane na obu urządzeniach. Był to pierwszy i znaczący krok na drodze rozwoju niezależnych producentów urządzeń peryferyjnych.

W 1970 roku koncern wprowadził na rynek model IBM 3330, modułową stację dysków z mechanizmem korekcji błędów. Każdy z modułów mógł być wyposażony w wymienny nośnik (IBM 3336) składający się z 11 talerzy o średnicy 14 cali, oferujący pojemność 100 MB, rozszerzoną w 1974 roku do 200 MB. Moduły można było łączyć uzyskuję w ten sposób wzrost pojemności dostępnej przestrzeni dyskowej. Ciągle jednak słabą stroną systemu pozostawały spore gabaryty wymiennych nośników.

W 1973 roku IBM zaprezentował „Winchester” (3340), pierwszy model z przeznaczeniem do komercyjnej dystrybucji. Nazwa nawiązywała do strzelby Winchester 30–30, a to ze względu na planowane wyposażenie modelu w podwójny napęd 30. MB każdy. I choć oferowane pojemności w fazie prac nad projektem wzrosły (35 i 70 MB), nazwę jednak utrzymano. W związku ze sporą popularnością urządzenia, termin „Winchester” przyjął się w wielu krajach nieanglojęzycznych (Europa Wschodnia) jako określenie jakiejkolwiek pamięci dyskowej. Charakterystyczne w tym modelu było umieszczenie w jednej wymiennej obudowie talerzy wraz z ramieniem i zespołem głowic (IBM 3348).

W tym samym roku firma Control Data Corporation przedstawiła model napędu z pierwszym oficjalnym interfejsem komunikującym napęd z systemem nadrzędnym. Interfejs nosił miano SMD (Storage Module Drivers) i stal się w latach 80 ulubionym interfejsem dysków 8. calowych będących na wyposażeniu minikomputerów tamtych czasów. W roku 1976 po raz pierwszy zmaterializowała się nieco inna koncepcja gromadzenia danych. Firma Dataram zaprezentowała wtedy napęd Bulk Core, który można uznać za protoplastę współczesnych dysków SSD. Wykorzystywał on pamięć ferrytową, a jego szczególną cechą był brak mechanicznych elementów ruchomych. Charakteryzował się niebywale krótkim czasem dostępu (2ms). Projekt ten był jednak nieprawdopodobnie kosztowny, przez co wdrożenie do produkcji masowej nie było opłacalne.

Pod koniec lat 70. napędy dyskowe technologicznie zdolne były już do przekroczenia granicy 1GB pojemności. Niestety gabaryty takiej konstrukcji ciągle wymagały sporej wielkości obudowy i tym samym odpowiednio dużych pomieszczeń. 

Lata 80. to początek ery miniaturyzacji dysków twardych. W roku 1980 zaprezentowany został model ST 506 firmy Shugart Technology (obecnie Seagate). Jego pojemność nie była imponująca, wynosiła bowiem 5 MB, dokładnie tyle, ile posiadała pierwsza konstrukcja IBM z 1956 roku. Jednak jego niewielkie rozmiary i masa zaskakiwały: format dysku 5,25 cala, ciężar 3,2 kg. Choć posiadał gabaryty dużo większe niż dyski spotykane obecnie, można go było jednak „upchnąć” w obudowach pierwszych komputerów PC.

W 1983 pojawił się RO 352 zaprojektowany przez nieistniejącą już szkocką firmę Rodime. Konstrukcja posiadała zwartą obudowę mieszczącą w środku pierwszy na świecie 3,5 calowy dysk (o pojemności 10 MB). Tak narodził się „desktopowy”standard dysków HDD.

W 1988 roku zadebiutował pierwszy model wyposażony w dysk wielkości 2,5 cala – PrairieTek 220. 10 lat później format ten zaczął powszechnie występować w laptopach. Rozwój dysków zaczął nabierać rozpędu.

W roku 1991 firma IBM zaprezentowała swoją konstrukcję 3,5 calowego formatu o pojemności 1 GB (model 0663 Corsair z 8. talerzami), a rok później Seagate przedstawił model (BarraCuda) 2,1 GB z nośnikiem obracającym się z prędkością 7200 obrotów/min. Choć pojawiały się później dyski szybsze, co przekładało się na ich wydajność, to jednak ze względu na zbyt głośną pracę nie zagościły one na dłużej wewnątrz komputerów. Przykładem dysku wirującego z prędkością 1000 RPM był model z 1997 roku – ST 19101 Cheetah, zaprojektowany przez Seagate. 7200 RPM do dziś jednak stanowi standard.

W 1999 roku IBM przedstawił napędy Microdrive o pojemności 170 i 340 MB. W chwili premiery były to najmniejsze dyski twarde na świecie. Urządzenia te, ze względu na swoje niewielkie rozmiary, charakteryzowały się jednak zwiększoną podatnością na uszkodzenia mechaniczne. Pomimo zalet w postaci sporych pojemności zaczęły być szybko zastępowane w urządzeniach przez bardziej niezawodne pamięci flash (np. karty SD).

Kiedy podkręcanie prędkości okazało się ślepą uliczką, konstruktorom pozostało rozszerzanie pojemności produkowanych urządzeń. Na tym polu niezwykle skuteczna okazała się firma Hitachi. W 2005 roku na rynku pojawił się Deskstar 7K500 o pojemności 500GB, a dwa lata później 7K1000, pierwszy dysk o pojemności 1 TB – tym samym przekroczona została zdawałoby się niewyobrażalna w latach 50. granica. XXI wiek nie przyniósł jak na razie żadnej rewolucji w technologii HDD. Co prawda w 2002 roku miała miejsce premiera interfejsu SATA, połączenia zwiększającego szybkość transmisji danych (rozwijana w kolejnych latach: 2004 – SATA II/3 GB/s, 2009 – SATA III/6 GB/s), jednak tak naprawdę z upływem czasu wzrastała jedynie pojemność produkowanych urządzeń.

Dysk SSD

Jak już wspomniano pomysł dysku SSD narodził się w latach 70. Późniejsze próby wyprodukowania nośnika oparte na tzw. pamięci bąbelkowej także okazały się ślepą uliczką. Nośnikom opartym na tego typu pamięci brakowało możliwości miniaturyzacji a wyprodukowanie ich było absurdalnie drogie. Pomysły te były jednak ciągle obecne i zmaterializowały się ponownie w 1995 roku, gdy izraelska firma M-System stworzyła napęd FFD (Fast Flash Disk), który 3,5 calowym formatem nawiązywał do klasycznego dysku, jednak oparty był na kościach pamięci NAND/flash. Działanie pamięci tego typu podobne jest do pamięci DRAM, z ta różnicą, iż nie jest tutaj potrzebne stałe zasilanie – zamiast kondensatora zastosowano tu tranzystor polowy (wymagający podania napięcia tylko w momencie przełączania stanu) utrzymujący na stałe ładunek elektronów. Napędy takie nie posiadając mechanicznych części ruchomych oferują bardzo krótki czas dostępu i uchodzą za nośniki wyjątkowo trwałe. Trzeba jednak przyznać, iż urządzenia te początkowo były jednak drogie i dopiero około 2006 roku ich rynkowa cena stała się na tyle niska, by napędy mogły zacząć być upowszechniane. Ten sam rodzaj pamięci (flash) wykorzystywany jest we wszelkiego rodzaju miniaturowych nośnikach danych typu pendrive czy karta SD.

Pavel Kroupka