60 лет с жёсткими дисками. Из истории HDD.

Тридцать лет назад жёсткий диск был дорогой опцией. Десятилетиями он обретал статус повседневного накопителя, появился даже повод посмеяться — у вас в компьютере накопитель с крутящимся диском? Почему не флэш-память, скорость доступа к которой куда выше?

1956 год. Погрузка в транспортный самолет первого компьютерного жесткого диска от IBM. Весил около тонны и имел емкость памяти в 5 Мегабайт.

За каких-то шесть десятков лет ёмкость жёсткого диска выросла в миллион раз, стоимость мегабайта упала в пару миллионов раз, скорость чтения возросла в сто тысяч раз. Из огромного аппарата для бизнес-приложений жёсткий диск стал обыденностью любого домашнего вычислительного устройства. В отдельных категориях намагниченные «блины» исчезают в пользу флэш памяти, которая пусть и дороже, зато быстрее и не боится тряски. Но кое-где жёсткие диски будут доминировать ещё очень долго.

Необходимость

До появления Московского метрополитена обычные люди передвигались пешком или на трамваях, хотя перегруженность улиц бурно растущей столицы ощущалась. Примерно так же до жёсткого диска были свои методы постоянного хранения данных, которые удовлетворяли базовые потребности, но явно были недостаточны для будущих вычислительных машин.

Каждый раз вводить код программы вручную — сложно и очень неудобно. Владельцы дешёвых персоналок из восьмидесятых согласятся с этим: им доводилось перепечатывать множество символов из компьютерного журнала, просто чтобы разок поиграть в любимую игрушку. Затем долго искать ошибку в набранном. А потом ещё раз вводить эту же программу для повторной игры или сутками оставлять компьютер включённым, чтобы программа не сбросилась.

Первое устройство чтения и записи данных для вычислительных машин было не электромагнитным, а бумажным. Дырочки в перфокартах из тонкого картона кодировали информацию, которую считывал компьютер. Некоторые устройства могли пробивать информацию на неиспользованные перфокарты. Скорость чтения измеряли в картах в минуту. Типичное число — от 300 до 2000 карт/минуту, то есть пару тысяч символов в секунду эти устройства читать могли. Запись была медленней — до 300 карт в минуту, порядка 400 символов в секунду.

После Второй мировой по миру зашагала магнитная лента, до этого бывшая немецким военным секретом. Как и звук, информацию можно записывать на магнитную ленту для последующего чтения, она останется там даже после отключения питания. Такой носитель впервые для коммерческой ЭВМ использовали в UNIVAC I. Ряды машин с крутящимися бобинами магнитной ленты навсегда врезались в общественное восприятие как вычислительные машины шестидесятых.

Такой способ уже быстрее: до 10 ленточных накопителей UNISERVO сохраняли на полудюймовой магнитной ленте 128 бит на дюйм. Скорость чтения и записи составляла 7 200 символов в секунду — куда выше перфоленты и перфокарт. Магнитная лента обладает одним большим недостатком: с такого носителя данные приходится читать последовательно. Для достижения нужного фрагмента ленту нужно проматывать, что сказывается на скорости отклика.

Со скоростью доступа получше у прародителя жёсткого диска — магнитного барабана. Такой накопитель выглядел как быстро вращающийся металлический цилиндр, покрытый ферромагнитным слоем. В большинстве конструкций несколько неподвижных считывающих головок записывают или читают данные с магнитных дорожек, расположенных на внешней поверхности. Магнитные барабаны часто были оперативной памятью, иногда выступали в качестве внешнего накопителя.

У этого экземпляра многие из 192 головок коснулись поверхности барабана — опасность, знакомая жёстким дискам. Приблизительная ёмкость: четверть мегабайта. Kreg Steppe.

В качестве ОЗУ барабаны вытеснила память на магнитных сердечниках. Для внешней памяти появился новый накопитель, где считывающие головки работали с магнитной поверхностью пластин.

Рождение

Многие хорошие вещи в мире вычислительной техники, которые сегодня считаются стандартом, впервые появились в IBM. Позднее гигант продавал подразделения из-за возросшей конкуренции. Эта же участь постигла жёсткий диск: он родился в IBM в 1956 году, много лет был одним из ведущих продуктов компании, но позднее, в 2002 году, производственные мощности были проданы Hitachi Global Storage Technologies.

Отцом жёсткого диска часто называют Рейнольда Джосона. До HDD он уже работал с системами хранения данных: изобрёл систему mark sense, которая позволяла размечать карандашом на карточках данные, которые преобразовывались в перфокарты. В 1952 году IBM, компания из штата Нью-Йорк, направляет Джонсона в город Сан-Хосе в Калифорнии для создания лаборатории на Западном побережье США.

Промо-материал IBM про достижения новой лаборатории.

К 1954 году команда Джонсона изобрела новый тип носителя. Впервые он был представлен 13 сентября 1956 года. Вероятно, этот день можно считать днём рождения жёсткого диска. Это была машина, состоящая из 50 алюминиевых пластин диаметром 24 дюйма (≈61 сантиметр). В ней умещалось всего лишь 5 миллионов 6-битных слов — 3,75 мегабайта. Сегодня это размер не сильно раздутой веб-страницы сайта в Интернете.

Та самая, часто демонстрируемая фотография: погрузка IBM 305 RAMAC в самолёт. Явно постановочная фотография покрасоваться: для погрузки нужно развернуться на 180°. Маловероятно, что бригада грузчиков сможет подхватить ящик весом в тонну.

IBM продавала не комплектующие, а готовые компьютеры. Устройство IBM 350 — тот самый жёсткий диск — было одной из частей компьютера IBM 305 RAMAC. Как следует из названия Random Access Method of Accounting and Control, это было решение для управления и ведения финансовой отчётности на предприятиях. Первый инженерный прототип диска появился в июне 1956 года, реальные коммерческие поставки системы начались в январе 1958 года.

50 пластин по две поверхности для записи, покрытых ферромагнитным слоем. Всего 100 слоёв для записи, на каждом слое — 100 дорожек. Диски вращались на скорости 1200 оборотов в минуту. Скорость доступа составляла 8,800 6-битных слов в минуту (примерно 51 КБ/с). Была лишь одна пара головок для чтения и записи, которую вверх-вниз для выбора нужной пластины толкал специальный механизм. Эта конструкция с головками весила около 1,4 кг, но могла проскочить от верхней до нижней пластины меньше чем за секунду.

Учебный фильм IBM о компьютере RAMAC. Заметна работа жёсткого диска.

Компьютер IBM RAMAC 305 с одним таким диском IBM 350 предоставлялся за плату в 3200 долларов в месяц (аналог примерно 27 тыс. $ сегодня). Инженеры хотели сделать версию с ёмкостью повыше, но маркетологи не знали, зачем она кому-то может понадобиться.

Тридцать лет спустя

Новые компьютеры IBM содержали накопители на жёстких дисках большей ёмкости. Выходцы из компании и другие специалисты создавали свои предприятия по производству новинки.

Эпоха больших компьютеров, доступных только крупным предприятиям, уходила. Было ещё далеко до общедоступности, но первые персональные компьютеры постепенно появлялись. Поначалу это были слабые машины без графического интерфейса. Объём ОЗУ рос, процессоры становились мощнее, зарождались оконные системы.

5,25-дюймовый ST-506 от Shugart Technology (ныне Seagate) раскручивается. 5 мегабайтов, 1500 долларов. 1980 год.

Но в начале восьмидесятых накопителем первых микрокомпьютеров чаще всего были дискеты, картриджи или магнитная лента. В крайнем случае программу приходилось набирать в память компьютера самостоятельно. Жёсткие диски были дороги. Часто они выглядели как внешние устройства, подключаемые отдельно. К примеру, у оригинального Macintosh (2495$, 1984) был лишь привод дискет. К дорогой машине Apple Lisa (9,995 $) подключался жёсткий диск Apple ProFile, стоимостью 3499 долларов.

Цена жёстких дисков была сравнима со стоимостью компьютеров, стандартов подключения было много. Число производителей росло: среди них были не только знакомые сегодня Seagate, Western Digital, но и Rodime, Shugart Associates и Control Data. Многие из них сотрудничали и разрабатывали унифицированные стандарты для подключения: SCSI, 40-пиновый IDE и ESDI. Следуя за размером дискет, жёсткие диски стали меньше: 5,25 дюйма, после производители освоили 3,5-дюймовый стандарт, затем попробовали 2,5-дюйма.

Звуки работы 3,5-дюймового Western Digital WD93028-X. 20 мегабайтов, 1989 год.

К 1985 году число участников рынка жёстких дисков достигло 75. С того момента поглощениями, слияниями и банкротствами оно падало. К концу восьмидесятых жёсткий диск подешевел, и начал встречаться в качестве стандарта в компьютере. К концу восьмидесятых стоимость мегабайта накопителя упала ниже пятидесяти долларов. 20-мегабайтный диск Western Digital в марте 1989 года стоил всего 899 долларов. В начале десятилетия накопитель аналогичного объема обходился в четыре раза дороже.

Шестьдесят лет спустя и дальше

К 1999 году число производителей упало до 15. В 2009 году их было 6. Сегодня всего три компании в мире производят жёсткие диски.

За шестьдесят лет ёмкость жёсткого диска достигла десятка терабайт. Если бы речь шла про автомобиль, то за шестьдесят лет развития в четырёхдверный седан помещался бы небольшой город, а сам он стоил бы как спичечный коробок.

Ёмкость пластин растёт за счёт разнообразных ухищрений. Пластины первых жёстких дисков покрывались одним магнитным слоем, сегодня их куда больше, и каждый выполняет свою функцию. На смену головкам на основе эффекта гигантского магнитного сопротивления пришли головки с туннельным магниторезистивным эффектом. Головки пишут данные не горизонтально, а вертикально, что позволяет повысить плотность записи. Гермозону некоторых дисков заполняют гелием, чтобы увеличить число пластин.

За десятки лет жёсткий диск начал уменьшаться до немыслимых размеров. Появились диски диаметром в дюйм и меньше. Казалось, жёсткие диски будут в каждом устройстве: от порноразмерных 3,5-дюймовых в стационарных компьютерах до мобильных телефонов. Реальность распорядилась иначе.

Шесть форматов: 8-, 5,25-, 3,5-, 2,5-, 1,8- и 1-дюймовые жёсткие диски.

Сегодня дешевеет флэш-память, выполненная в виде микросхем без движущихся частей. Сначала она поставила крест на крошечных форматах жёстких дисков в аудиоплеерах, затем начала появляться в ноутбуках и настольных компьютерах. Диски на ней быстрее, потребляют меньше энергии, тише в работе и не боятся тряски. Движущихся частей нет — отклик куда ниже. Твердотельные накопители пока дороже, а их ячейки имеют ограниченный ресурс перезаписи. Впрочем, цена продолжает опускаться, а циклов записи твердотельника нетерпеливому на смену гаджетов пользователю хватает с избытком.

И всё равно в ближайшее время жёсткие диски никуда не уйдут. Они прослужат миру ещё не одно десятилетие, а возможно, останутся как архивный формат надолго. Магнитная лента, которая вроде как исчезла, всё равно существует в качестве архивного накопителя. Когда-то жёстким дискам может грозить что-то подобное — несколько узкопрофессиональных применений.

Сами производители говорят, что термоассистируемая магнитная запись и её дальнейшее развитие позволят жёстким дискам оставаться конкурентоспособными ещё лет двадцать. Возможно, лет через десять обычный жёсткий диск будет умещать сотню терабайт.