Historie datových úložišť: od děrných štítků po SSD

Štítky, pásky, magnetický buben a jádro, kazety

V době rozmachu služeb typu cloud computing, Google dokumenty a podobné, postupně ztrácíme fyzický kontakt se svými daty. Fotky dokumentující naše životy se pomalu mění v abstraktní ideu vždy dostupné galerie na Picase nebo jinde na webu. Někteří si pochvalují, že se nemusí o ukládání svých dat starat, a mají je stále přístupné. Jiné naopak vybídne nejistota z dat, na která není možné „si šáhnout“, k tomu, aby důsledně zálohovali.

Dnes nosíme po kapsách běžně USB klíčenky, občas nějaký ten „exterňák“ či „paměťovku“. Přesto je možné, že ještě váš praděd se snažil jako učeň v textilní továrně přimět tkalcovský stav ke spolknutí děrované papírové karty. Způsoby, jakými lidé uchovávali informace od počátku digitálního věku, se velmi rychlým tempem měnily a zlepšovaly. Nejdůležitější mezníky tohoto vývoje vám připomeneme v tomto článku.

Děrné štítky

Průkopníkem tohoto způsobu zachování informace byl Basile Bouchon, jenž s jejich pomocí v roce 1725  programoval tkací stroje. Pro ukládáni dat byly však využity až v 19. století. Největší obrat ve vývoji štítků pak znamenala možnost zapisovat data, jež by byla zpětně strojově čitelná. Tím se například usnadnil postup zpracování statistik s miliónovými počty hodnot. První masivní využití tohoto systému v USA zkrátilo čas vyhodnocení sčítání obyvatel v roce 1890 na jeden rok (ještě v roce 1880 bylo potřeba osm let). Štítky se v malých úpravách, týkajících se především zvyšování hustoty děr, používaly téměř celé další století až do sedmdesátých let.

Na obrázku vidíte příklad děrného štítku s raženého v roce 1972. Tento typ s devadesáti sloupci se běžně používal v počítačích UNIVAC.
Děrné štítky na vrcholu své slávy dosáhly kapacity až 0,08 kB. Zdroj: Gadgets.fosfor.se  

Děrné pásky

Tento datový nosič nahradil štítky tam, kde bylo potřeba ukládat větší množství dat najednou. Úzké, většinou papírové, pásky se totiž daly lépe spojovat do dlouhých smyček. Nejprve se používaly pro záznam z dálnopisů, později jako vstupní a výstupní datová média pro počítače. Na obrázku z Wikipedie vidíte příklad zápisu na pásce v kódování ASCII.

    Zdroj: Wikipedia

Magnetické pásky

Médium prvotně určené pro záznam zvuku vynalezl Fritz Pfleumer v Německu roku 1928. Použil tenkou magnetickou vrstvu nanesenou na pruh papíru. Podklad byl z praktických důvodů později vyráběn z plastu. Pro uchování počítačových dat začala využívat pásky v padesátých letech společnost IBM. Jedna páska mohla nést množství dat ekvivalentní deseti tisícům děrných štítků. Nejen díky kapacitě, ale také díky přijatelné výši výrobních nákladů, se stala masově využívaným médiem až do poloviny osmdesátých let. Prostor pro uložení dat měl velikost až 0,85 MB.

Zdroj: Wikipedia

Magnetický buben

S nápadem na toto zařízení přišel roku 1932 Rakušan Gustav Tauschek. Z nevodivého materiálu vytvořil válec, na který nanesl magnetickou vrstvu. Čtení a zápis byl realizován pomocí elektromagnetických hlav umístěných v malé vzdálenosti nad povrchem bubnu. Jeho principu využila IBM v roce 1953 u prvního komerčního sálového počítače IBM 650. Rotující buben v něm zastával funkci operační paměti.

Kapacita bubnu o délce 20 cm a průměru 10 cm byla přibližně 62,5 kB. Hlavní nedostatek spočíval v přístupové době, která byla daná nutností otočit buben tak, aby se požadovaná data dostala pod čtecí hlavy. Průměrné zpoždění odezvy tedy dosahovalo poloviny času potřebného k jedné otáčce. U IBM 650 dosahoval válec rychlosti 12 500 otáček za minutu.

Zdroj: Gadgets.fosfor.se

Magnetické jádro

Magnetický buben byl nahrazen mnohem sofistikovanějším zařízením. Poprvé ho sestrojil americký fyzik čínského původu An Wang v roce 1949 v Harvardských laboratořích. Jednalo se o velké množství miniaturních kroužků z magnetické keramiky (feritu). Informace v nich byla uložena v podobě polarity magnetických polí každé z nich.

Cívky se kompletovaly ručně za použití mikroskopu. Tento proces vyžadoval značnou zručnost – v sériové výrobě byli proto zaměstnáváni především pracovníci z oděvních továren. Koncem padesátých let bylo otevřeno několik továren na Dálném Východě, které díky levné pracovní síle dokázaly srazit výrobní náklady na naprosté minimum. Především díky tomu se jádra stala nejoblíbenějším paměťovým zařízením šedesátých let.

Zdroj: Universität Klagenfur

Kompaktní kazety

Tento způsob využití magnetické pásky představil Philips v roce 1963. Hojně se začaly využívat v sedmdesátých letech, kdy začaly sloužit k ukládání dat v tehdejších počítačích – ZX Spectrum, Commodore 64 nebo Amstrad CPC. Kazeta mohla na každé straně pásky obsahovat až 1 MB dat. Záznam obsahu jednovrstvého DVD by si tedy vyžádal přibližně 4500 kazet a čtení by s tehdejším vybavením trvalo déle než tři čtvrtě roku. Hlavní nevýhodou kazet byly vysoké výrobní náklady spojené se zaváděním pásky a lisováním pouzdra.

Zdroj: Gadgets.fosfor.se

Diskety, pevné disky, CD a flash

Diskety

V roce 1971 přichází IBM na trh s první, 8palcovou disketou s kapacitou 160 kB. Jejich vývoj dále spočíval ve výrobě variant s menšími rozměry a větší kapacitou. Osmipalcová varianta dokázala nést až 1 MB, 5,25palcová až 1,2 MB. V roce 1987 se začaly vyrábět 3,5palcové s kapacitou 1,44 MB, které se používaly následujících dvacet let. V devadesátých letech se na trhu objevily velkokapacitní diskety. Jako nejznámější uveďme ZIP společnosti Iomega, které dokázaly pojmout až 750 MB.

Zleva: 8palcová, 5,25palcová, a 3,5palcová disketa. Zdroj: Wikipedia

Data jsou v disketě uložená na folii s magnetickou vrstvou chráněnou u starších variant pružným, později pevným pouzdrem. Zapsána jsou ve stopě seřazené do podoby soustředných kružnic rozdělených do několika sektorů. Stopa obsahuje alokační tabulku, díky níž je možné dále používat i disketu s několika fyzicky poškozenými sektory, jež se z tabulky vyloučí. Čtení a zápis probíhá tak, že se mechanice folie roztočí, zatímco se v blízkosti nad jejím povrchem pohybuje jedna nebo dvě elektromagnetické hlavy (diskety mohly být oboustranné), které snímají nebo mění sektory ve stopě.

1 – dírka indikující disketu s vyšší kapacitou, 2 – střed pro otáčení diskem (6), 3 – kovová a posouvatelná ochrana povrchu se záznamem, 4 – plastové pouzdro, 5 – polyesterový plátek umožňující rotaci v pouzdře, 7 – znázornění jednoho datového sektoru disku. Zdroj: Wikipedia

Pevný disk

Tento dinosaurus digitálního věku spatřil světlo světa roku 1954. IBM předvedla malou revoluci v podobě počítače 305 RAMAC s kapacitou disku 4,4 MB, což bylo do té doby nevídané. K uchování tohoto objemu dat potřebovali padesát 24palcových magnetických kotoučů. Za měsíční pronájem jednoho stroje si IBM účtovala 3 200 dolarů.

IBM 305 RAMAC. Zdroj: Gadgets.fosfor.se

Princip ukládání dat opět využívá magnetické plochy. Ta se nachází na kotouči z pevného materiálu (u dnešních disků většinou z obou stran), tzv. plotně. Standardní disk velikosti 3,5 palce obsahuje čtyři. Uvnitř hermetického obalu jsou umístěny nad sebou na hřídeli hnacího motoru. Ve velmi malé vzdálenosti se nad jejich povrchem pohybují čtecí a zapisovací hlavy. U typů určených pro PC se plotny otáčí rychlostí 7200 ot./min. U úsporných disků a 2,5palcových typů pro notebooky to bývá 5400 ot/min. Serverové a další speciální disky dosahují i
15 000 ot./min.

Kapacita se u dnešních PC disků pohybuje mezi 120 GB a 3 TB s přenosovou rychlostí 100 MB/s i vyšší. První model s kapacitou 1 TB, Deskstar 7K1000, představila Hitachi. Do prodeje šel v roce 2007.

Pevný disk se drží na trhu takovou dobu díky a neustálému vývoji a nesporným výhodám. Těmi jsou nízká cena v poměru ke kapacitě a dobrá rychlost čtení a zápisu běžných dat.

Zdroj: Wikipedia

Kompaktní disk

Původně byl zamýšlen pouze pro uchovávání digitální zvukové stopy. Jeho koncept vzešel ze spolupráce společností Sony a Philips v roce 1979 a do prodeje se dostal tři roky na to. Disk měl průměr 12 centimetrů a vešlo se na něj 74 minut zvukového záznamu. Pozdější verze si zachovaly fyzickou velikost, ovšem maximální délka stopy byla prodloužena až na 90 minut. Prvním přehrávačem na trhu byl  Sony CDP-101 z roku 1982. Prodával se za 625 dolarů.

Zajímavostí je nejasný důvod pro nastavení původní velikosti CD. Jedním z možných vysvětlení, proč byla délka stopy 74 minut, je snaha autorů uložit na jeden disk Beethovenovu slavnou Devátou symfonii. Další tvrdí, že délka záznamu byla přizpůsobena kompaktním kazetám.

Datová stopa má podobu spirály, jež začíná uprostřed disku a rozvíjí se směrem k okraji. Čtení se provádí pomocí laserového paprsku. Ten snímá na vrstvě uvnitř CD prohlubně mikroskopických rozměrů. Odraz paprsku z děr a mezer mezi nimi je následně zachycen a převeden na  data. Zápis se provádí také pomocí laseru. Masová produkce v průmyslových podmínkách se řeší lisováním hotové stopy přímo do záznamové vrstvy.

Hustota zápisu na optických médiích

Kompaktní disk se velmi rychle rozšířil především díky velké kapacitě (v době svého uvedení větší než u běžných pevných disků), trvanlivosti uchovávaných dat a relativně nízkými náklady na výrobu.

S postupným zlepšováním technologie pevných disků přicházeli i nástupci CD. Prvním bylo v roce 1995 DVD. To, podobně jako jeho předchůdce, vzešlo ze spolupráce několika společností, jmenovitě jimi byly Philips, Sony, Time Warner a Toshiba. Novinka využívala kratší vlnovou délku paprsku, díky níž bylo možné dosáhnout větší hustoty datové stopy. Spolu s možností oboustranného zápisu až ve dvou vrstvách tak mohlo nést až 17 GB. Technologií, která pomalu nastupuje na místo DVD, jsou disky Blu-ray. Tato média mají standardní kapacitu 25 GB, dvouvrstvé oboustranné varianty pak až 80 GB.

Zdroj: Gadgets.fosfor.se

Flash

Flah paměť je nevolatilní paměťový čip, který může být libovolně programovatelný a přepisovatelný. Data jsou organizována do bloků, skládajících se z buněk, jež reprezentují jeden bit. Uložení informace v buňce je realizováno pomocí tranzistoru s plovoucím hradlem. Velkou výhodou této technologie je právě stabilní zachování informace i po přerušení napájení. Proto se začala využívat zejména v přenosných médiích – tedy paměťových kartách jako CompactFlash, Memory Stick, Secure Digital apod.

Komerčně nejúspěšnější variantou prvních karet byla právě CompactFlash. V roce 1994 ji začal sériově vyrábět SanDisk. Do plastové schránky se podařilo spolu s pamětí vměstnat i řadič. Díky tomu bylo možné ji použít i u starších zařízení bez problémů s kompatibilitou. Dnes již existují karty mnohem menších rozměrů se srovnatelnou rychlostí i kapacitou, přesto se stále vyrábí zařízení používající právě CF. Mluví pro ni i nízké energetické nároky. Spotřeba 16 GB CompactFlash karty činí přibližně 5% spotřeby 2,5palcového harddisku. Dalším kladem je vysoká odolnost. Průmyslové verze některých karet dokážou pracovat v teplotním rozsahu -45°C až +85°C. I s rychlostí na tom nejsou CF karty vůbec špatně. Nejrychlejší varianty dokáží zapisovat i více než 160 MB/s.

CF karty s rozhraním PATA. Zdroj: Wikipedia

Dnes velmi oblíbeným přenosným řešením jsou USB
flash disky. Jedná se o jednoduché propojení této univerzální sběrnice a
přepisovatelné flash paměti. Dnešní USB disky dosahují kapacity až 256 GB.

Takto vypadá vnitřek běžného USB flash disku Zdroj: Wikipedia

Hlavní výhody flash pamětí (vysokou odolnost, nízkou spotřebu, absenci mechanických součástí a rychlost) a pevných disků (tedy vysokou kapacitu) se snaží spojit relativně nový směr v oblasti úložišť – SSD. První disk založený na flash paměti vyrobila v roce 1995 společnost M-Systems. Dnešní modely určené pro HPC a využívající spřažení několik čipů dokáží dosáhnout přenosových rychlostí až přes 6 GB/s, běžné SSD pro uživatele se pak už v sekvenčním čtení i zápisu přehouply přes 3 Gb/s. Běžné pevné disky však budou mít své místo na trhu i nadále jisté, především díky velmi příznivé ceně v přepočtu na jednotky kapacity. Právě poměrně vysoká pořizovací cena je v dnešní době stále hlavním důvodem, proč SSD nejsou masově rozšířené.

Zdroj: Wikipedia

Malý, velký a „zelený“: životopis SSD disků

Nejste-li našimi pravidelnými čtenáři, zkuste zavítat také do sekce Disky, kde v recenzích a testech najdete také mnoho informací o současných řadičích SSD, zajímavosti kolem pevných disků a třeba jejich hustoty zápisu či rozborku optické mechaniky.