`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Секрет долголетия электромеханических динозавров

+11
голос

Технология хранения данных одна из наиболее наукоемких. В то же время она требует минимальных умственных усилий со стороны пользователя. Судите сами: последний может совершенно не беспокоиться о том, какого типа устройство массовой памяти установлено на компьютере, пока он записывает и получает необходимые данные с достаточной скоростью.

С самого момента своего появления (1955 г.) индустрия магнитной записи продолжает стремительно наращивать производительность и емкость устройств хранения информации на магнитных носителях. Особенно впечатляющих успехов она достигла в области накопителей на магнитных дисках. Вопреки предсказаниям многих ученых о скорой кончине, границы быстродействия и емкости этих устройств растут с завидной скоростью и постоянством. Ветераны программирования, наверное, помнят, что 8-10 лет назад объем 40-мегабайтного жесткого диска казался неисчерпаемым. Но сегодня, когда стандартной поставкой считается диск емкостью 540 MB, особо искушенные покачивают головой и в лучшем случае говорят, что «на некоторое время вам хватит». И профессионал уже считает чуть ли не оскорблением предложение работать на компьютере с диском емкостью менее 1GB.

Допингом в безудержной гонке за скоростью и объемом является ненасытный спрос компьютерной промышленности на устройства внешней памяти все большей и большей емкости при условии сохранения (или даже уменьшения) геометрических размеров форм-фактора, на языке профессионалов. Попытки предложить альтернативные внешние носители информации предпринимаются постоянно, однако накопители на жестких магнитных дисках по-прежнему имеют лучшее отношение цена/производительность.

Конструктивно современные мультимегабайтные накопители не отличаются от своих предшественников: такие же магнитные диски, быстро вращающиеся под парящими головками чтения/записи. Но на этом сходство кончается. Принципы функционирования сегодняшних устройств основываются на таких, вообщем-то говоря, далеких друг от друга науках, как квантовая механика и аэродинамика. В результате использования этих технологий емкость носителей увеличивается на порядок каждые пять лет. Аналитики утверждают, что подобная тенденция сохранится, по крайней мере, до 2000 г. Однако платой за это будут «седые волосы» разработчиков, пытающихся совместить «гений и злодейство» повысить емкость и пропускную способность устройств без увеличения формфактора, сохранив конкурентоспособную цену.

Секрет долголетия электромеханических динозавров

Так что же противостоит разработчикам? Единственный способ увеличить емкость диска при неизменном форм-факторе это повысить поверхностную плотность доменов, т. е. уменьшить их размер. Здесь сразу же возникает ряд проблем. Одни из них связаны с тем, что с уменьшением величины домена увеличивается вероятность его разрушения под действием рабочих температур, другие со способом чтения-записи информации на магнитную поверхность пластины. Дело в том, что наиболее широко используемая до настоящего времени технология чтения-записи основывается на эффекте электромагнитной индукции, т. е. возникновении э.д.с., величина которой зависит от скорости изменения магнитного потока, пересекающего токопроводящий контур. Таким образом, уменьшение домена (следствием которого является уменьшение вектора напряженности магнитного поля) сразу же приводит, во-первых, к необходимости увеличения скорости вращения жесткого диска и, во-вторых, к уменьшению зазора между поверхностью диска и головкой чтения-записи

О скорости вращения более подробно поговорим ниже, а сейчас остановимся на проблеме зазора. Приближение головки к поверхности диска довольно рискованная стратегия, однако она дает возможность совмещать использование недорогих индуктивных головок с увеличением поверхностной плотности доменов. Тщательная подготовка поверхности позволяет головкам скользить на расстоянии 3-4 микрон от пластины. Наиболее смелые решения уменьшают это расстояние до одного микрона, а в некоторых конструкциях головка даже соприкасается с поверхностью диска. Конечно, при этом предпринимаются меры против того, чтобы информация на диске превратилась в беспорядочную «свалку» магнитных доменов. Одно из направлений покрытие магнитного слоя материалом, способным противостоять разрушающему действию контакта. Например, покрытия на основе углерода предотвращают «подгорание» поверхности при контакте. А головки с так называемым виртуальным контактом допускают случайное соприкосновение с поверхностью без разрушения информации. Это дает основание для применения аэродинамических подходов. Консоль с головкой может парить (как гроб Магомета) на создающейся вращающимися дисками воздушной подушке, обеспечивающей минимальное расстояние между головкой и поверхностью.

Основным фактором, определяющим пропускную способность, является время доступа (access time), которое, в свою очередь, представляет собой сумму двух величин: среднего времени позиционирования головки на заданный трек (average seek time) и времени задержки (latency) — среднего времени установления головки на заданный сектор. Время позиционирования зависит от диаметра пластины и количества треков на дюйм (которое, в свою очередь, зависит от величины магнитных доменов), а также скорости и точности перемещений позиционера привода головки. Задержка обусловлена скоростью вращения диска и равна полу-периоду. Увеличение скорости вращения диска уменьшает время задержки и, следовательно, время доступа. В накопителях на жестких дисках, выпускавшихся несколько лет назад, скорость вращения шпинделя составляла 3 600 об./мин., что приводило к времени задержки, равному 8,3 мс. В наиболее скоростных современных устройствах на десктопах скорость вращения достигает 5 400 об./мин., а на серверах — даже 7 200 об./мин. Время задержки в этом случае равно 4,17 мс, что весьма существенно для серверов, ориентированных на обработку транзакций. Однако дальнейшее увеличение скорости вращения шпинделя ставит ряд проблем. В частности, диссипация энергии столь велика, что применять шарикоподшипники уже нельзя. Необходимы, к примеру, гидроподшипники, либо нужно отказаться от шпиндельного мотора.

Итак, мы видим, что возможности индуктивной технологии чтения/записи себя исчерпывают. Так что же, «король умер»? К счастью (потребителей, конечно), производством жестких дисков занимаются многие очень сильные в финансовом отношении компании, которые вкладывают значительные средства в разработку новых технологий. Результатом их исследований стало использование магниторезистивного (MR) эффекта свойства некоторых материалов изменять электрическое сопротивление в присутствии магнитного поля в операции чтения. Это явление было открыто лордом Кельвином в 1857 г. и сегодня известно как эффект анизотропного магнитного сопротивления. Впервые MR-roловки применила в своих устройствах компания IBM в 1991 г. Типичная MR-головка содержит два элемента: обычный индуктивный для записи и магниторезистивный для чтения. Разделив технологии чтения и записи, разработчики получили возможность оптимизировать по производительности каждый процесс отдельно. В частности, MRголовки обеспечивают лучшее отношение сигнал/шум, чем индуктивные. Кроме того, магниторезистивный эффект зависит от величины, а не от скорости изменения магнитного потока. Это снимает остроту необходимости увеличения скорости вращения дисков и позволяет оперировать с намного меньшими по величине доменами, чем при использовании индуктивной технологии чтения. Уменьшение величины магнитных доменов разрешает повысить поверхностную плотность записи. В современных устройствах количество треков доходит до 6 000, а бит до 100 000 на дюйм. В результате поверхностная плотность достигает 1 GB на кв. дюйм. Кроме того, независимость MR-эффекта от скорости перемещения доменов позволяет уменьшать радиус пластин, что было практически невыполнимо при индуктивной технологии, так как уменьшение радиуса приводит к снижению линейной скорости.

Некоторое время IBM монопольно владела MR-технологией. Это привело к тому, что компания перестала продавать головки, придерживая их для собственных нужд. Конечно, конкуренты бросились преследовать лидера. Так, в 1992 г. компания Seagate Technology инициировала программу исследований в области MR-roловок. На рисунке схематически представлена конструкция головки, разработанной данной компанией. Конфигурация головки, предложенная Seagate, стала, по сути, промышленным стандартом. К настоящему времени компания анонсировала накопители с форм-факторами 2,5, 3,5 и 5,25 дюйма. Компания Hewlett Packard предложила конструкцию головки с двумя соединенными MR-элементами, что позволяет эффективно подавлять шумы.

Однако новые технологии чтения-записи были бы не так эффективны, если бы не были поддержаны столь же новыми алгоритмами обработки считываемого сигнала. Долгое время основным методом обнаружения магнитного домена являлась «тупая» фиксация пика напряженности магнитного поля. Этому методу присущи два главных недостатка: восприятие шума как полезного сигнала и плохая разрешающая способность, т. е. интерпретация двух следующих друг за другом пиков как одного. Последнее становится особенно актуальным при увеличении плотности записи. Затем появился метод обработки, называемый «частичный отклик максимальное правдоподобие» (Partial Response Maximum Likelihood PRML). Он не требует четкого разделения пиков. Для определения наиболее вероятной последовательности бит, записанных на магнитный носитель, он использует технику цифровой фильтрации, которая обычно применяется для выделения полезного сигнала при плохом отношении сигнал/ шум. Испытания показали, что частота возникновения ошибки при соответствующей обработке составляет один к десяти миллиардам считанных бит. Метод PRML позволяет увеличить плотность записи за счет более узких дорожек и более близкого расположения магнитных доменов на дорожке. Другое новшество в технологии обработки считываемой с магнитного носителя информации предложила компания Texas Instruments (совместно с Maxtor), заменив 16-разрядный микроконтроллер цифровым сигнальным процессором. Эта технология позволила Maxtor выпустить диск объемом 171 MB в стандарте PCMCIA III. Так что, no problem? К сожалению, проблемы есть. Однако они из категории тех, которые сопровождают внедрение практически любой новой технологии: более высокая стоимость, недостаточно развитое производственное окружение и, как правило, большее энергопотребление. Для разработчиков решение подобных проблем не является чем-то новым.

Еще одной, заслуживающей не только внимания, но и удивления особенностью современных накопителей на жестких дисках, выступает их надежность. Ведь не так давно среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failure — MTBF) исчислялось несколькими годами. Отказ мог произойти в любое время и без какого-либо предупреждения, поэтому мысль о необходимости резервирования не оставляла вас ни на минуту. Казалось бы, бешенные скорости вращения и практическое отсутствие зазора между головками и поверхностью диска должны были еще болыпе снизить надежность. Однако время наработки на отказ для современных дисков исчисляется миллионами часов более чем 100 лет. Очень велика вероятность, что недавно приобретенный жесткий диск намного вас переживет. Кроме того, некоторые устройства выполняют самотестирование и предоставляют информацию пользователю о своем состоянии.

Таков сегодняшний день накопителей на жестких дисках. А что день грядущий?

Технологии завтрашнего дня в представлении, скажем, таких компаний, как IBM и HP, будут использовать весьма тонкие квантово-механические эффекты. К примеру, новый метод считывания, разрабатываемый этими компаниями и рядом других исследовательских центров, базируется на туннельном эффекте, заключающемся в том, что электрон может с ненулевой вероятностью преодолеть потенциальный барьер, высота которого больше полной энергии электрона. Оказывается, что вероятность туннелирования электрона из одного специального проводящего намагниченного слоя в аналогичный другой зависит от их взаимной намагниченности. Использование этого сугубо квантово-механического эффекта позволяет распознавать магнитный домен в несколько раз эффективней, чем с помощью MR. Другая, не менее «изысканная», технология носит название «спиновый клапан». Считывающая головка состоит из четырех слоев. Между первым (нижним) и третьим магнитными и проводящими слоями располагается проводящий, по не магнитный слой. Четвертый магнитный слой служит своеобразным якорем для третьего, фиксируя направление его магнитного поля (ориентируя спины). Величина потока электронов через этот «слоеный пирог» зависит от ориентации магнитного поля нижнего слоя. Такая головка показала очень высокую чувствительность к присутствию домена. По предварительным оценкам специалистов. плотность записи при использовании данной технологии может быть увеличена в 10-20 раз по сравнению с существующей. И если эти технологии в недалеком будущем переместятся из лабораторий в производство, то вполне возможно, что нынешнее поколение пользователей будет жить пусть и не при коммунизме, но зато используя накопители на жестких дисках в качестве внешней памяти.

Секрет долголетия электромеханических динозавров

 

+11
голос

Напечатать Отправить другу

Читайте также

а быстро время пролетело.
казалось бы я будучи студентом... вот не помню, читал ли я этот номер, скорее всего нет, т.к. начал с октября или начала ноября,
ну да фиг с ним.

Тут другой момент важен, как оно всё поперло буквально через 2-3 года, когда накатили супер сокет 7, полезли всякие 350МГц++ процессоры и память.

А потом бац-бац-бац год 2000й и 4-6-8-10-20ГБ диски, после чего уже вообще перестала интересовать технология изготовления этих самых дисков. А уже сколько радости было от 1ТБ самсунга F3 серии, ухх купил осенью же 2008 года да еще и продать умудрился в январе 2015, полностью работоспособным!!!

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT