История и перспективы развития устройств хранения информации

     1.2.5. DVD

     Дальнейшее  развитие в области оптической записи привело к появлению стандарта  DVD. Компакт-диск этого формата имеет такие же размеры (4,75”),как и CD, но имеет большую емкость. Для того чтобы достичь шести-семикратного увеличения плотности хранения данных по сравнению с CD-R(RW), нужно было изменить две ключевых характеристики записывающих устройств: длину волны записывающего лазера и относительное отверстие объектива, который его фокусирует. В технологии CD-R применяется инфракрасный лазер с длиной волны 780 нанометров (нм), в то время как DVD-R(RW) использует красный лазер с длиной волны либо 635, либо 650 нм. В то же время, относительное отверстие объектива типичного устройства CD-R(RW) равно 0,5, а устройства DVD-R(RW) - 0,6. Такие характеристики аппаратуры позволяют наносить на диски DVD-R(RW) метки размером всего лишь 0,40 мкм, что гораздо меньше минимального размера метки CD-R(RW) - 0,834 мкм.

      DVD является носителем, который  может содержать любой тип  информации, который обычно размещается на массово выпускаемых дисках DVD: видео, аудио, изображения, файлы данных, мультимедийные приложения и так далее. В зависимости от типа записанной информации диски DVD-R и DVD-RW можно использовать на стандартных устройствах воспроизведения DVD, включая большинство дисководов DVD-ROM и проигрывателей DVD-Video.  
 

     Характеристики  некоторых форматов DVD.

     1.2.6. Флэш-память

     С появлением флэш-памяти производители  электроники получили возможность  без особых проблем и затрат оснастить  свои устройства новым типом накопителей. Налицо были выгоды – низкое энергопотребление, высокая надежность и устойчивость к внешним воздействиям и нагрузкам.

     USB Flash Drive - портативное устройство  для хранения и переноса данных  с одного компьютера на другой. Компактный, легкий, удобный и удивительно  простой в эксплуатации. Для его работы не нужны ни соединительные кабели, ни источники питания, ни дополнительное программное обеспечение. Особенности USB Flash Drive: высокая скорость обмена данными по USB, защита от записи переключателем на корпусе, защита данных паролем, не требуются драйверы и внешнее питание, может быть отформатирован как загрузочный диск, хранение данных до 10 лет.

     В 1994 году корпорация SanDisk представила  первую ревизию спецификаций CompactFlash. Теоретический предел емкости накопителей  на базе CompactFlash – 137 Гбайт. На данный момент на рынке доступны модели емкостью от 16 Мбайт до 12 Гбайт⁸.

     1.2.7. Голографические  устройства

     Голографическая запись позволяет записать на диск стандартного размера до 1,6 Тбайт данных. Суть ноу-хау достаточно проста. Для записи луч лазера разделяется на опорный и сигнальный потоки, последний обрабатывается с помощью пространственного светового модулятора (Spatial Light Modulator — SLM). Это устройство преобразует предназначенные для хранения данные, состоящие из последовательностей 0 и 1, в «шахматное поле» светлых и тёмных точек — каждое такое поле содержит около миллиона бит информации.

     После пересечения опорного луча и проекции «шахматной доски» образуется голограмма, и на носитель производится запись интерференционной картины. Изменяя угол наклона опорного луча, а также длину его волны или положение носителя, на одну и ту же площадь можно записать несколько различных голограмм одновременно — этот процесс называется мультиплексированием. Для чтения данных достаточно осветить диск соответствующим опорным лучом и «прочитать» получившийся срез голограммы, фактически – ту самую «шахматную доску» — с помощью сенсора. Так и восстанавливаются исходные биты информации. Кроме объёмов хранения, в технологии впечатляют и остальные характеристики. Так, например, заявленная скорость передачи данных составляет 960 Мбит/с.

     1.2.8. MODS-диски

     Физики  из Имперского колледжа в Лондоне  разработали оптический диск размером с CD или DVD, в котором помещается 1 терабайт данных (472 часа высококачественного видео). Новый формат назван MODS (Multiplexed Optical Data Storage). Его секрет заключается не только в размерах одного пита или их плотной упаковке. Главное новшество — один пит в MODS кодирует не один бит (1 или 0, как у всех систем записи), а десятки бит. Дело в том, что каждый пит в новом формате не симметричен. Он содержит небольшую дополнительную впадинку, наклонённую вглубь под одним из 332 углов. Они создали аппаратуру и специальное программное обеспечение, позволяющее точно идентифицировать тонкие различия в отражении света от таких питов. По прогнозу физиков, серийные диски MODS и дисководы для них могут прийти на рынок между 2010 и 2015 годами, при условии финансирования дальнейшей работы группы. Интересно, что эти приводы будут обратно совместимыми с DVD и CD, хотя, разумеется, нынешние дисководы MODS-диски прочитать не смогут⁹.

     Основные  пользовательские характеристики рассмотренных  видов ВЗУ приведены в Приложении 2.

2. ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ УСТРОЙСТВ ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

  2.1. История развития устройств хранения информации

     За  точку отсчета в развитии магнитной  памяти следует принимать далекий 1898 год. Именно в том году датский инженер В. Поулсен продемонстрировал прибор, который мог записать речь на стальную струну. Поулсен перемещался от одного конца проволоки к другому, говоря в микрофон, подсоединенный к электромагнитной катушке. Когда Поулсен вернул тележку в исходное положение и заменил микрофон динамиком, слышно было его голос в процессе движения тележки. В основе современных устройств магнитной записи информации лежит этот же принцип с той лишь разницей, что струна заменена тонкой магнитной пленкой. Применяемые в настоящее время способы записи и считывания информации можно разбить на две группы: магнитный и оптический.

     Технология  магнитной записи стала широко использоваться в различных элементах памяти с начала 1950-х годов. Именно эта технология до сих пор применяется в работе большинства компьютеров.

     В современных носителях один бит  магнитной информации - это один магнитный домен, направление вектора намагниченности в котором может быть изменено внешним полем. В магнитной записи используются так называемые продольные домены, намагниченность которых ориентирована в плоскости диска. Запись одного бита информации осуществляется путем подачи тока в электрическую катушку. Считывание информации при данной схеме работы может осуществляться различными способами. Данная схема используется в процессе работы жестких дисков компьютеров, флоппи-дисков и стриммеров. Для записи битов с высокой плотностью записи необходимо, чтобы не только расстояние между магнитной средой и считывающей/записывающей головкой было мало, но и чтобы сама среда была как можно более тонкой и гладкой.

     Одним из наиболее хорошо известных магнитных  материалов, используемых для записи, является порошок в связывающей матрице (например, лаке). Порошок представляет собой микрочастицы с большой остаточной намагниченностью размером от 0,05 до 1,0 мкм, температурой Кюри от 125 до 770 К и коэрцитивной силой Я_с от 22 до 240 кА/м (0,4—3 кЭ) в зависимости от материала. Соединение Y-Fe,O₃ в недалеком прошлом являлось наиболее популярным материалом для ленточных магнитных накопителей. Позднее было показано, что твердый раствор соединений y-Fe-,O₃ и y-Fe₃O₄, а также кобальтсодержащий y-Fe,O₃ имеют существенно большую коэрцитивную силу, чем соединение y-Fe,O.. Величина Н_с существенно зависит от размера и формы частиц и, например, в случае феррита бария Н_с может изменяться от 56 до 240 кА/м (700—3000 Э).

     В отличие от порошковых материалов тонкие пленки — это практически полностью  магнитный материал, и, следовательно, в процессе записи информации весь материал пленки находится в зоне действия большого магнитного поля. В то же время при считывании поле, создаваемое отдельными доменами, сконцентрировано вблизи поверхности пленки (вблизи головки) и, следовательно, информация может быть считана более эффективно. Таким образом, использование пленок позволяет добиться более высокой по сравнению с порошковыми материалами плотности записи. В качестве материалов для записи информации используются, например, пленки сплавов кобальта, нанесенные на алюминиевые или стеклянные пластины. Причем скорость их вращения может достигать 7200 об./мин. Толщина магнитного слоя в пленочных продольных носителях составляет около 10—50 нм. В течение последних лет коммерчески доступными являются диски с плотностью записи несколько Гбит на 1 см², то есть один бит информации имеет размер 0,8 х 0,06 мкм и менее.

     Для предупреждения повреждения пленки, особенно когда диск начинает двигаться, проводится текстурирование дисков: импульсным лазерным излучением на вращающийся диск наносятся кратероподобные шишки высотой около 20 нм. Шишки расположены по спирали, начинающейся от внутреннего радиуса диска, остальная поверхность диска имеет минимальную шероховатость, является рабочей и используется для магнитной записи. Ожидается, что в ближайшее время будет достигнут практически прямой контакт между средой и головкой. С этой целью необходимо использовать практически гладкие материалы толщиной 5—10 нм, покрытые слоем смазки, обеспечивающей практически безфрикшюнное движение головки относительно плоскости диска.

     К средам для магнитной записи предъявляются  также следующие требования: стабильность свойств при изменении температуры, механических воздействиях, радиации и сырости; неограниченное количество циклов записи и сохранность записанной информации более 30 лет; возможность нанесения антифрикционных/защитных покрытий и использования подложек с хорошей аэродинамикой и, что самое главное, малая стоимость производства.

     К преимуществам магнитной записи можно отнести простоту и высокую  надежность записи (малую вероятность ошибки), более высокую скорость записи/считывания по сравнению с оптическими системами; малую стоимость одного бита и сравнительно низкую стоимость дальнейшего увеличения плотности записи. Недостатками магнитных систем являются ограничение скорости записи индуктивностью используемого кольца, а также определенное ограничение емкости диска. При использовании механических систем ограничения накладываются также на время доступа к информации и точность позиционирования головки.

     В настоящее время для магнитной записи информации используются индукционные головки. В процессе работы головки поле, создаваемое электрической микрокатушкой, концентрируется с помощью магни-топровода в непосредственной близости от поверхности диска. В отличие от диска головка может перемещаться только в радиальном направлении. Запись продольных доменов различной ориентации осуществляется за счет изменения направления тока в микрокатушке. Существуют универсальные головки, которые совмещают как функцию записи, так и воспроизведения. Современные жесткие компьютерные диски емкостью 120 Гбайт имеют шесть головок для записи и считывания информации.

     Наиболее  плотная магнитная запись достигнута с применением тонкопленочных головок  для считывания информации, действие которых основано на эффекте гигантского магнитосопротивления. Этот эффект заключается в изменении сопротивления материалов под воздействием магнитного поля. Он был открыт лордом Кельвином в 1856 году в обычном железе и составлял 1/3000 долю от величины сопротивления железа в нормальных условиях. Ученым удалось найти вещества, в которых относительное изменение сопротивления превышает величину 1%/Э. Этот гигантский эффект и используется в считывающих головках компьютеров для регистрации поля, создаваемого одним доменом (магнитное поле на поверхности диска не превышает 20— 25 Э). Отметим, что в современных компьютерах запись информации осуществляется с помощью индукционной головки, а считывание — экранированной  магниторезистивной головкой.

     В середине 1970-х — начале 1980-х г.г. фундаментальные исследования в области оптической записи достигли уровня, позволившего таким промышленным гигантам, как RСА, «Sony» и «Philips», запустить в производство оптические устройства хранения информации. Первый оптический диск для хранения информации был выпущен в 1985 году. Наиболее известными устройствами такого рода в России являются компакт-диски (CD). В каждую из систем для считывания информации с CD встроен лазерный диод, работающий в ближней инфракрасной области спектра. Этот диод способен легко детектировать выбитые на поверхности диска ямы с характерным размером около 1 мкм и тем самым считывать записанную информацию. Увеличение плотности записи информации на оптических дисках в некоторой степени сдерживается отсутствием твердотельных лазеров с меньшей длиной волны. Выпускаемые CD позволяют перезаписывать информацию до ста раз. Оптические системы (так называемые Jukebox) наибольшей емкости могут записывать до 1,45 Тбит на 278 дисках.