Кратка история на съхранението на данните (първа част) – от перфокартите до мехурчестата памет: ревю

4
1822

Днес твърде малко се замисляме за пътя, който са изминали запомнящите устройства, за да се стигне до съвременните SSD или облачни дискови структури. Ние с лекота изразходваме десетки гигабайти информация наведнъж, без дори да се замисляме за това, че само преди двадесетина години такъв бе капацитетът на хард дисковете, а ако тази информация бъде записана на дискети, то те не биха се събрали дори дори в раница или куфар. Нека да разгледаме, с какво започва „компютърното“ съхранение на информация и докъде се стигна след тридесет години активно развитие на тези технологии.

Перфокартите

Перфокартите бяха първият опит за запис на данни на машинен език. Те се използваха за прехвърляне на данни още преди компютрите да бъдат разработени. Перфорираните отверстия първоначално са били последователност от елементарни инструкции за тъкачните станове, с помощта на които е можело да се задават съчетанията от линиите и шарките на тъканите. Първата перфокарта от този тип създава Базил Бушон още през 1725 година – повече от 200 години преди създаването на първата изчислителна система.

След малко повече от 100 години, през 1837 година, Чарлз Бабидж предлага своята идея за създаването на аналитична машина – примитивен калкулатор с подвижни механични части, който може да използва перфокарти за получаване на инструкции. Но само половин столетие по-късно Херман Холерит усъвършенства тази идея и представя първия табулатор. Тази табулираща машина вече може да прочита задачите от перфокартите и да показва резултата на хартиена лента или на специални бланки. Неговата машина се използва за преброяване на населението на САЩ през 1890 година. А през 1896 година Холерит основава компанията Tabulation Machine.

Има много видове перфокарти, но най-известният е „форматът IBM“ въведен през 1928 година: всяка перфокарта е с размери 187х83 мм и дебелина 0,178 мм. като на нея се побират 12 реда и 80 колонки. За записа на 1 GB информация на подобни перфокарти ще е необходима средно голяма стая, а тяхното тегло ще бъде нас 22 тона.

Ако някой си мисли, че перфокартите отдавна вече не се използват, това не е така: през 2011 година в САЩ все още съществуваше компанията Cardamation, която доставя перфокарти и устройсва за работа с тях. Те се използват в правителствените организации, където древните по днешните разбирания компютри и дори табулатори съвсем не са рядкост.

Стримерите

Въпреки че думите си приличат стримерите нямат нищо общо с геймърите, които печелят пари от стриймване на игрите си. В този случай стримерът е лентово устройство за запис и съхранение на информация.

През 1927 година германският инженер Фриц Пфлеймър (Fritz Pfleumer) след редица експерименти с най-различни материали, се спира на технологията за разпрашване на железен оксид върху тънка хартия и неговото фиксиране с помощта на лепило. През 1928 година той демонстрира пред публика своя прибор за магнитен запис, в който се използва хартиена лента.Хартиената лента добре се намагнитвала и размагнитвала, четенето на информация от нея е било лесно и тя можела да се реже и залепва. Само че перфокартите били евтини, а техният малък капацитет за запомняне на информация по това време удовлетворява всички.

Принципът на работа е съвсем опростен: феромагнетиците (като желязото) се намагнитват, под въздействието на магнитно поле и запазват това си състояние след неговото изключване. Именно по този начин се записва информацията: записващата глава генерира определено магнитно поле, когато й се подаде ток. Магнитното поле на главата от своя страна намагнитва металните частици върху лентата по време на нейното движение, като е възможен записът на няколко пътечки. За четенето на данните се използва друга глава, в която възниква известно напрежение, когато тя преминава над намагнитените участъци и това напрежение може да се интерпретира като поток от данни. Очевидният минус на тази технология е само един – до записаните касети не трябва да се приближава магнит.

Магнитната лента за първи път се използва за запис на компютърни данни през 1951 година от компанията Eckert-Mauchly Computer Corporation в електронно изчислителната машина UNIVAC I. Използва се тънка метална лента с широчина 12,65 мм, направена от никелиран бронз, която носи името Vicalloy. Плътността на запис е 198 микрометра на осем пътечки за един символ. Поради своето удобство и голям капацитет магнитните ленти се използват чак до масовото разпространение на хард дисковете, като тотално изместват перфокартите.

Що се отнася до персоналните компютри, основните носители на информация през 70-те и 80-те години са обикновените и достъпни аудиокасети. Не е много удобно, но тогава цената решаваше всичко. Касетофоните по това време вече не са рядкост, на една аудиокасета могат да се запишат 60-69 MB данни, което за времето си даже е много. Но през 90-те години в потребителските компютри масово започна поставянето на хард дискове и използването на аудиокасети за запис на информация бе прекратено.

Но те не са забравени. IBM например, продължава да развива стандарта 3592, в който стример касетите побират 4 TB, а понякога дори и повече. Естествено, няма да ги видите в обикновените сървъри – тяхната скорост е твърде ниска и не превишава 140 MB/s. Но за дългосрочно съхраняване на информация стримерите са идеални и нищо по-добро засега няма. Така например, една роботизирана стример библиотека, каквито използват нашите по-големи банки е едно автоматизирано хранилище на информация с хиляди стример касети. Използването на подобни системи е много изгодно. Така например, за едно хранилище с капацитет 6,6 петабайта са необходими по-малко от $700 хиляди за поддръжка на неговата работа в продължение на минимум 5 години. Ако същото хранилище бъде изградено от хард дискове, цената скача на над $14 милиона.

Вакуумните тръби

В средата на 20-ти век става ясно, че за компютрите е необходима бърза памет, в която да се съхраняват например, междинните пресмятания и инструкциите. Така се ражда идеята за първото оперативно запомнящо устройство (ОЗУ).

През 1948 година професор Фредерик Уйлямс и неговите колеги разработват запомняща електронно лъчева тръба. Принципът на нейната работа съвсем не е сложен и се базира на факта, че луминофорният екран (като екрана в старите телевизори) за известно време съхранява заряда, образувал се при попадението на лъча от електрони, попаднал върху него. От другата страна на екрана е поставено четящо устройство, което след прочитането на информацията „обнулява“ екрана, Като се има предвид, че луминофорът съхранява данните само за част от секундата, то се е налагало те непрекъснато да се презаписват. И така се е получил прадядото на съвременната DRAM памет. Информационният капацитет на първата лъчева тръба, използвана в манчестерската изчислителна машина е цели 1024 бита или 32 32-битови думи.

Феритната памет

Бързо станало ясно, че вакуумната тръба на Уйлямс не е ефективна и е скъпа. И за да може на нея да се записват поне 10 KB информация, нейните размери трябва да са на нивото на кинескопите в телевизорите от 80-те години. но с технологиите от 40-те години това явно нямало как да се направи.

Ето защо, когато през 1949 година Ан Ванг и Ву Вайдун – младши специалисти в Харвардския университет изобретяват регистър с феритни сърцевини, той много бързо започва да се използва в производството на феритна памет, при това толкова бързо, че в средата на 50-години, когато Ванг получава патента за своето изобретение, тази памет вече активно се използва от IBM, която веднага купува патента за $500 000.

Принципът на работа на феритната памет е много по-опростен от този на вакуумните тръби. Всичко се базира на това, че феритнния пръстен може да се намагнити, а направлението на намагнитеността е достатъчно за съхранението на един бит информация. През всеки един от феритните пръстени преминават четири проводника: X и Y са проводниците за възбуждане, проводник за забрана Z под ъгъл 45° и проводник за четене S (Sense) под ъгъл 90°. За прочитането на един бит на проводниците за възбуждане се подава импулс и ако на проводника за четене възникне ток, то това означава, че феритният пръстен е намагнитен и имаме записана логическа единица. Ако на проводника за четене не се появява ток, то намагнитеността не е променяна и имаме 0.

Очевидно, че за осъществяването на запис се подава същия токов импулс, но с обратна посока, за да се осъществи намагнитване и запис на логическа 1. А ако трябва да се запише 0, то на забраняващия проводник се подава токов импулс с обратно направление. Като резултат сумата на токовете става недостатъчна, за да се предизвика намагнитване на феритния пръстен.

Изглежда сложно, но не е. Себестойността на тази памет е много по-ниска от вакуумните тръби и този вид памет се използва чак до средата на 70-те години.

През 1953 година Масачузетският университет разработва първия компютър Whirlwind, използващ тази технология. В неговата памет е можело да се запишат 2048 16-битови думи – тоест, цели 4 KB. Това е 40 пъти повече в сравнение с първата вакуумна тръба на Уилямс, появила се само пред 5 години.

Хард дисковете

Първият хард диск се появява 15 години преди изобретяването на дискетата, през 1956 година. Дядото на съвременните HDD е IBM 305 RAMAC — Random Access Method of Accounting and Control или метод за случаен достъп към данните и контрола. Размерите са му колкото два шкафа, теглото му е било 970 кг и има 50 алуминиеви пластини, покрити с феромагнитен материал. Всяка пластина е с диаметър 61 см и е можела да записва цели 150 KB информация – тоест, общият капацитет на това устройство е 5 MB.

Скоростта на въртене за дисковете е била гигантска за времето си – 1200 оборота в минута. Това означава, че необходимата информация на едната пластина може да бъде намерена за 600 милисекунди, а средната скорост за обмен на информацията е 9 бита в секунда. Този първи хард диск има два сериозни проблема. Първо, пластините с 50, а четящата глава само една и ако трябва да се осъществи преместване от първата към 20-тата пластина, то за това са необходими секунди. Вторият проблем е в това, че главата се докосва до пластините и те бързо се износват.

Но въпреки това, тези устройства се купуват като топъл хляб. Въпреки че цената им е 10 000 долара за една бройка, IBM успява да продаде 1000 екземпляра. И това през 50-те години! Причината е ясна – един от тези HDD заменя 64 000 перфокарти и той е по-бърз от запомнящите устройства с магнитна лента от това време.

Разбира се, за 60 години много неща се промениха: хард дисковете станаха много по-миниатюрни, главите не докосват пластините, а се носят над тях. Корпусите станаха херметични, а някои модели са запълнени с хелий, за да се ускори тяхната работа. Информационният капацитет на пластините нарасна милиони пъти и вече достига терабайти и разбира се, днес никой не използва само една глава. Само скоростта на въртене не се увеличи много – само няколко пъти.

Мехурчеста памет

Известна още като памет с цилиндрични магнитни домейни, която има кратка, но ярка история. Изобретена е през 1967 година от инженера на Bell Labs Андрю Бобек и в средата на 90-те години изцяло измества флаш паметта. Плюсът на мехурчестата памет в сравнение с магнитните ленти са нейните компактни размери, които дават възможност тя да се използва в неголеми портативни устройства, както и високата плътност на запис на информацията. Така например, кутийка с площ два квадратни сантиметра, представена от Texas Instruments през 1977 година има капацитет 92304 бита или малко повече от 11 KB.

Но принципът на нейната работа е сложен. Идеята е в това, че някои вещества могат да се намагнитват само в една посока и ако до него се появи магнитно поле, то намагнитените области ще се съберат във вид на мехурчета и оттук идва и името на тази памет.

Как може да се използва това? Обикновено се използва стъклена подложка, която не провежда ток, като върху нея се нанасят във вид на прах метални слоеве с фирмата на буквата Т или V, като всичко се покрива отгоре с това вещество – обикновено се използва гадолиний-галиево съединение. Когато към този чип се подаде магнитно поле в две перпендикулярни направления, става възможно мехурчетата да се придвижват по въпросните „букви“ и по този начин се образува хранилище на информация.

Хубавото на тази памет е, че е енергийно независима – тоест конфигурацията на мехурчетата извън магнитното поле не се променя, Огромният минус е, че за да се получи достъп до информацията на определена „буква“ – един бит, трябва да се прекарат всички мехурчета в затворен кръг, за да се разбере, какво е било положението на мехурчето в съответната „буква“. А този процес е доста дълъг. Малко по-късно този вид памет се усъвършенства и се измисля памет с много тракове. Но появата на Flash паметта за броени години зарови тази интересна от физическа гледна точка идея.


Следващият път ще се спрем върху по-съвременните устройства за запис и съхранение на информация, като например, дискетите, DRAM паметта и оптичните дискове. Накрая ще обърнем внимание и на облачните хранилища и различните видове флаш дискове и други запомнящи устройства, в които се използват нови технологии.

4
ДОБАВИ КОМЕНТАР

avatar
2 Коментари
2 Отговори на коментарите
0 Последователи
 
Коментарът с най-много реакции
Най-горещият коментар
  Абонирай се  
нови стари оценка
Извести ме за
Един
Един

Не е лоша статиката, но си личи, че авторът не е много врял и кипял в сферата…
Перфокартите са ползвани преди тъкачните станове в латерните
Преди перфокартите има други начини на съхранение на информация.
Не видях грамофонната плоча ?
Касетъчната технология-3592 е изключително стар стандарт. Това,че в Бг го ползват, не значи че няма по-добри. Ягуар касетите могат да поемат десетки терабайти за касета. И скоростите им са десетки пъти по- високи от посочените. (Все пак говорим за медия за последователен достъп, не за произволен !)

Един
Един

Тогава си оправете заглавието и може би да махнете препратката към тъкачните станове 🙂 Колкото до пианото – малко трудно би могло да бъде наречено запаметяващо устройство, но както и да е. Забележката за касетъчната технология си остава 😉

я-я
я-я

Статията е добра, но за да е коректна трябва още доста четене. Тейпове (наричани от автора „стримери“, което наименование не съм срещал никъде досега) допреди 2-3 години стигаха до 12-14ТБ на касета. LTO лентите стигат 7-800МБ/сек… Пропуснати са флоп дисковите устройства..

Малко е като събрана от усторически записки и технически факти. Надявам се следващата статия да е по-точна, предвид на по-младите технологии.