Жесткие диски знакомы всем пользователям, без них сложно представить современный компьютер. Конечно, SSD вытеснили жесткие диски в сценариях, где требуется максимальная производительность, например, для загрузочного раздела ОС. Но если нужна максимальная емкость, то без HDD не обойтись.
Сегодня жесткие диски достигли емкости 18 Тбайт, а скоро выйдут и более емкие модели, в том числе и благодаря технологии термомагнитной записи (HAMR). 3,5" форм-фактор жестких дисков сегодня утвердился, однако они не всегда были такими. В нашем цикле статей мы проведем небольшой экскурс в историю жестких дисков.
В первой части мы начали с 50-х годов прошлого века. Сейчас же мы перейдем к эпохе миникомпьютеров, которые появились в 1980-е годы.
IBM 3370 Direct Access Storage Device
В январе 1979 IBM представила 3370 Direct Access Storage Device для своих систем IBM 4331, 4341, и также компьютеров среднего класса System/38. Накопитель состоял из семи 14-дюймовых (360 мм) дисков, что обеспечивало емкость 571 Мбайт. Среднее время поиска составляло 20 мс, скорость передачи данных — 1,859 Мбайт/с. Жесткий диск интересен тем, что он впервые использовал головки на основе тонкопленочной технологии, разработка которых шла еще с 60-х годов.
Головки на основе тонкопленочной технологии изготавливается по техпроцессу, весьма похожему на фотолитографию для производства полупроводниковых чипов. Новая технология позволила сделать головки намного меньше и точнее, чем у ферритовых дизайнов ранее. На керамической подложке методом фотолитографии наносились несколько тонких слоев: магнитный (Ni-Fe), изоляции, медных катушек. В результате удавалось формировать полноценные головки чтения/записи, которые парили над поверхностью диска на воздушной подушке. Себестоимость изготовления таких головок получилось существенно снизить. Тонкопленочные головки позволили уменьшить в накопителях 3370 расстояние между диском на 30% по сравнению с винчестером 3340, а именно с 18 до 13 микродюймов (320 нм), плотность записи удалось поднять в два раза до 7,7 Мбит на квадратный дюйм, емкость семи 14-дюймовых дисков 3370 в варианте Model 1 как раз и составила 571 Мбайт. Следующее поколение 3380 в 1981 получило четырехкратное увеличение емкости. Первые катушки тонкопленочных головок имели всего восемь витков, как можно видеть на иллюстрации выше, но затем их число удалось увеличить до 31. Поэтому в 1987 году с жесткими дисками 3380K удалось повысить плотность записи до 35,9 Мбит/квадратный дюйм.
Линейка 3380 оказалась настолько успешной, что IBM производила ее на протяжении более 15 лет. Тонкопленочные головки производились до 1991 года, после чего их сменили магниторезистивные головки.
IBM 62PC (Piccolo) и IBM 3310 Direct Access Storage
В первой части статьи мы уже упомянули жесткие диски Shugart Associates SA1000, которые использовали 8-дюймовый формат. Причина перехода с 14" на 8" заключается в уменьшении размеров компьютерных систем в конце 70-х годов. Здесь можно упомянуть IBM 4331 и мини-компьютеры Data General, DEC, Hewlett-Packard Prime, Wang и других производителей. Конечно, и IBM не осталась в стороне.
В 1979 году IBM представила накопители 62PC (Piccolo) емкостью 65 Мбайт, которые использовали шесть 8-дюймовых дисков с одной служебной поверхностью для управления позиционированием актуатора. Скорость вращения шпинделя составляла 3.400 об/мин, меньший диаметр дисков привел к снижению энергопотребления и тепловыделения. В результате отпала необходимость в воздушной вентиляции накопителя, он стал герметичным. Конечно, герметичный корпус положительно повлиял на долговечность жесткого диска, поскольку внутрь не попадали посторонние частицы, загрязняющие поверхность. IBM устанавливала жесткие диски в поздние версии System/34 (представлена в 1977), System/38 (1979) и в некоторые системы AS/400. Также 62PC (Piccolo) входили в состав подключаемого хранилища 3310 Direct Access Storage Device (DASD), содержащего два таких жестких диска. DASD 3310 могли работать с системами IBM 4331, упомянутыми выше, а также с IBM System/370. Всего с января 1979 до февраля 1990 было поставлено 360 тысяч дисков.
В 1979 году шесть других производителей (BASF, International Memories, Micropolis, New World Computer, Pertec, Shugart Associates) представили конкурирующие 8-дюймовые накопители. Вскоре за ними последовали Priam и Quantum. Небольшой физический размер и низкое энергопотребление жестких дисков емкостью 10, 20,30 и 40 Мбайт привели к их популярности в паре с миникомпьютерами, хотя изначально себестоимость мегабайта была выше, чем у старых 14-дюймовых жестких дисков. Через год после Piccolo, а именно в 1980, Seagate Technology представила жесткий диск с 5,25" пластинами, который стал еще меньшее и экономичнее. Он отлично подошел для растущего рынка персональных компьютеров.
Seagate ST-506 HDD на 5 Мбайт
5,25" жесткий диск Seagate ST-506, представленный в 1980 году, можно назвать одним из эпохальных событий индустрии. Инженеры Seagate еще в 1978 году начали разработку жесткого диска на базе знаменитого "винчестера", но в физических габаритах привода Shugart Associates "Minifloppy". Новый жесткий диск должен был удовлетворить потребности растущего рынка персональных компьютеров. Вместе с HDD появился одноименный интерфейс ST-506, о котором мы поговорим ниже, а форм-фактор на долгое время стал стандартом индустрии.
Интересен вопрос стоимости. За 5-Мбайт жесткий диск в 1980-м году пришлось бы отдать $1.500, что в современных долларах составляет $4.969, в рублях — 369 тысяч.
Жесткий диск Seagate ST-506 подключался к плате контроллера через интерфейс Shugart Associates SA1000, который, в свою очередь, был унаследован от интерфейса дисковода. Жесткий диск подсоединялся к контроллеру двумя шлейфами, а именно 34-контактным кабелем управления и 20-контактным кабелем передачи данных. Для передачи информации использовалось кодирование MFM, как и для записи на диск, поэтому данный интерфейс часто называли MFM. Кабель управления поддерживал подключение до четырех жестких дисков, но к каждому подводился свой кабель данных от платы контроллера. Впрочем, большинство контроллеров поддерживали только два жестких диска. Питание HDD осуществлялось с помощью 4-контактного штекера Molex, который используется в системах и сегодня.
В том же году Tandon представила конкурента в формате 5,25". В 1981 году еще десять производителей выпустили свои жесткие диски, в том числе Texas Instruments и Honeywell Bull по лицензии Seagate.
Интерфейс ST-506 и его эволюция
В конце 1981 года Seagate представляет 10-Мбайт ST-412, в результате компания становится крупным поставщиком жестких дисков для XT, первого IBM PC с HDD. В 1984 году выходит IBM AT, жесткие диски становятся неотъемлемым компонентом всех новых персональных компьютеров. Затем был представлен ST-225 на 20 Мбайт с половинной толщиной. Все три накопителя ST-506, ST-412 и ST-225 опирались на схему кодирования MFM для передачи и записи данных.
Modified Frequency Modulation (MFM) — один из способов кодирования сигнала. Целью разработки MFM было сокращение количества зон смены знака для записи того же объема данных по сравнению с FM-кодированием, и, соответственно, увеличение потенциальной емкости носителя. При этом способе записи количество зон смены знака, используемых только для синхронизации, уменьшается. Синхронизирующие переходы записываются только в начало ячеек с нулевым битом данных, и только в том случае, если ему предшествует нулевой бит. Во всех остальных случаях синхронизирующая зона смены знака не формируется. Благодаря такому уменьшению количества зон смены знака при той же допустимой плотности их размещения на диске, информационная емкость, по сравнению с записью по методу FM, удваивается.
В итоге для гибких дисков применение MFM поднимало объём записываемой информации в два раза, такие гибкие диски назывались дисками двойной плотности (Double Density). Поскольку при способе записи MFM на одно и то же количество зон смены знака приходится вдвое больше полезных данных, чем при FM-кодировании, скорость считывания и записи информации на носитель также удваивается. Для жестких дисков Seagate сначала также использовался MFM, но вскоре был выбран более эффективный метод кодирования информации RLL.
С новым вариантом интерфейса ST-412 под названием ST412HP (High Performance) стало применяться кодирование RLL, которое увеличило пропускную способность и плотность записи на 50%. При использовании RLL происходит кодирование не отдельных битов, а целых групп, в результате чего создаются определенные последовательности зон смены знака. Термин Run Length Limited (с ограничением длины пробега) составлен из названий двух основных параметров, которыми являются минимальное число (длина пробега) и максимальное число (предел пробега) ячеек перехода, которые можно расположить между двумя зонами смены знака. Изменяя эти параметры, можно получать различные способы кодирования, но на практике используются только два из них: RLL 2,7 и RLL 1,7.
До последнего времени самым популярным был метод RLL 2,7, поскольку он позволял достичь высокой плотности записи данных (в 1,5 раза больше по сравнению с методом MFM) и надежности их считывания. Однако для накопителей очень большой емкости метод RLL 2,7 оказался недостаточно надежным. В большинстве современных жестких дисков высокой емкости используется метод RLL 1,7, позволяющий увеличить плотность записи. Подробнее о кодировании MFM и RLL можно узнать здесь.
Если скорость интерфейса MFM составляла 5 Мбит/с, то у ST412HP RLL она увеличилась до 7,5 Мбит/с. Ограниченная пропускная способность в то время не была препятствием, но кабель без экранирования часто приводил к помехам и шумам.
Интересно отметить, что контроллер жестких дисков располагался на отдельной карте расширения. Сам жесткий диск был довольно "глупым", если можно так выразиться. Например, контроллер карты посылал на HDD низкоуровневые команды по позиционированию головок. С накопителем ST-412 добавилась возможность буферизации команд позиционирования благодаря появлению встроенного на HDD микропроцессора. Последний оптимизировал переходы на дорожки. ST-506 без буферизации показывал среднее время поиска 170 мс (как у дисковода или современного оптического привода), а ST-412 с похожей механикой уменьшил время поиска до 85 мс. К концу 1980-х годов накопители с интерфейсом ST-412 снизили время поиска до 15-30 мс.
На этом перенос обработки команд с карты контроллера на сам жесткий диск не закончился. Как оказалось, если добавить контроллер непосредственно на HDD, он будет обрабатывать команды намного производительнее. Что и произошло с интерфейсами SCSI и IDE позднее. Таким образом, карте контроллера больше не нужно знать архитектуру каждого жесткого диска, она может работать с разными HDD, просто посылая команды. А встроенный контроллер HDD уже будет их оптимально обрабатывать. Роли поменялись: карта контроллера изначально выполняла все сложные вычислительные операции по чтению/записи данных и позиционированию головок, а жесткий диск был просто промежуточной средой между контроллером и магнитными пластинами. Сейчас же HDD перенял на себя вычислительную нагрузку, а карта контроллера просто передавала записанную информацию между HDD и host-системой. Все детали работы жесткого диска, такие как выбор головки и поиск дорожки, оказались полностью скрыты от host-системы, за них отвечает встроенный контроллер HDD. Такие жесткие диски какое-то время стали называть "умными/smart", а старые добрые ST-506 превратились в "глупые/dumb".
Встроенный на HDD контроллер имеет много преимуществ, но есть и недостаток: механический жесткий диск (его еще называют HDA, head-disk assembly) и контроллер представляют собой единое целое, поэтому при возникновении сбоя как-то отремонтировать жесткий диск не получится. В случае раздельного контроллера и жесткого диска можно было попытаться оживить систему, подключив HDA к другому контроллеру. Кроме того, интерфейс ST-506 позволял не только заменить контроллер без потери данных, но и получить доступ к аналоговым сигналам непосредственно с дисков, после чего провести их через специальную систему восстановления данных, которая могла их считать, в отличие от обычного контроллера. В случае современных комбинаций HDD и контроллера процедуры восстановления намного усложнились, стандартный интерфейс не дает доступа к аналоговым сигналам дисков. А внутренняя структура, формат секторов, способ записи часто остаются секретом производителя.
Интерфейс ST-506 был заимствован многими другими производителями жестких дисков, он на какое-то время стал стандартом де-факто. IBM тоже его использовала, компания использовала карты контроллеров для PC/XT от Xebec и для PC/AT от Western Digital. По этой причине большинство жестких дисков в 1980-х годах базировались на интерфейсе ST-506. Однако подключать два кабеля было неудобно, были и другие ограничения. Поэтому позднее жесткие диски перешли на интерфейс SCSI и ATA (IDE). Интересно, что ранние жесткие диски SCSI на самом деле использовали интерфейс ST-506, но содержали контроллер SCSI на ST-506 в нижней части корпуса. Например, Adaptec ACB-4000A. Atari тоже использовала данный контроллер внутри собственных внешних жестких дисков SH204/SH205. То же самое касается и ранних жестких дисков IDE, которые использовали накопитель с интерфейсом ST-506/412 и плату с контроллером. Как мы уже говорили выше, "родные" жесткие диски SCSI и ATA получили встроенный контроллер HDD, поэтому интерфейс ST-506/412 канул в лету.
3,5" жесткие диски и патенты
В 1983 году шотландская компания Rodime представила первый 3,5" HDD R0351/352 на 10 Мбайт (5 Мбайт на пластину), который соответствовал форм-фактору 3,5" дисковода. Данные накопители были ориентированы на компактные системы. Пластины имели внешний диаметр 96 мм, внутренний — 40 мм, Rodime даже запатентовала свое изобретение. Однако формат не прижился, большинство конкурентов выбрали 95-мм внешний и меньший внутренний диаметр пластин, что в итоге и стало стандартом индустрии. Формат Rodime оказался неудачным, поскольку полезная площадь пластин была меньше. Rodime не смогла выдержать темп по увеличению емкости и производительности 3,5" жестких дисков, и в 1989 году компания сменила руководство. Но это не помогло, и с 1991 года Rodime прекращает производство жестких дисков.
Conner CP340 на 42 Мбайт
За Rodime быстро последовали Microcomputer Memories, Microscience International и MiniScribe. Джон Сквайр и Терри Джонсон из MiniScribe присоединились к Файнису Коннору, после чего в 1987 году компания Conner Peripherals представила первый 3,5" жесткий диск CP340 на 42 Мбайт, который подключался через интерфейс SCSI.
CP340 использовал две пластины, среднее время поиска составляло 29 мс, скорость записи на диски — 1,0 Мбайт/с, в буфер — 4,0 Мбайт/с. Скорость вращения шпинделя по современным меркам была небольшой, всего 3.600 об/мин.
В 1989 году Conner стала самой быстрорастущей компанией в истории США. 3,5" HDD стал преобладающим форм-фактором для ПК на следующие 30+ лет. 3,5" жесткие диски используются и по сей день как в корпоративных, так и домашних системах.
Появление RAID
Наконец, в конце 80-х годов произошло еще одно знаковое событие, повлиявшее на всю индустрию жестких дисков. В 1988 году в Калифорнийском университете в Беркли Дэвид Паттерсон, Гарт Гибсон и Рэнди Кац публикуют документ "A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID)". Он доказывает, что массив из множества недорогих дисков, предназначенных для персональных компьютеров, может работать быстрее одиночных, больших и дорогих накопителей для мейнфреймов. Концепция зеркалирования, знакомая к тому времени по некоторым системам хранения данных, была распространена на массив небольших дисков. Позднее слово "недорогих" (Inexpensive) было заменено на "независимых" (Independent). Конечно, такой подход привлек внимание многих компаний, поскольку был выгоднее.
Зеркалированием данных еще до RAID 1 занимались Tandem Computers с архитектурой Non-Stop Architecture и DEC с массивом дисков RA8X в системах HSC50 и HSC70 в начале 1980-х годов. DataVault от Thinking Machines поднялась на ступеньку выше и добавила код коррекции ошибок (RAID 2). Накопитель IBM 353 опирался на схожий принцип еще в начале 1960-х. Многие принципы работы RAID были заложены в патентах инженеров IBM Нормана Кен Оучи (1977) и Брайана Кларка (1988). Из первых производителей систем RAID можно отметить Adaptec и Array Technology, которая была основана в 1987.
В процессе эволюции RAID были добавлены уровни с различной конфигурацией. Уровни RAID стандартизованы Storage Networking Industry Association (SNIA) в рамках Common RAID Disk Drive Format (DDF). Сегодня большинство систем хранения серверов и NAS опираются на RAID. В персональных компьютерах массивы RAID тоже распространены довольно широко.
Заключение
Здесь хотелось бы напомнить, что рост емкости жестких дисков был неразрывно связан с увеличением плотности записи на пластины и развитием технологий головок.
IBM 3370 — тонкопленочные головки позволили поднять плотность записи 14-дюймовых пластин до 7,7 Мбит/дюйм². Дальнейшее совершенствование головок в накопителях 3380K (1987 год) увеличило плотность до 35,9 Мбит/дюйм². Плотность записи 8-дюймовых пластин IBM 62PC изначально составляла 3,8 Мбит/дюйм².
В 1980 году у 5-Мбайт Seagate ST-506 с 5,25" пластинами плотность записи изначально была 1,9 Мбит/дюйм², у ST-412 на 10 Мбайт удалось увеличить плотность до 3,1 Мбит/дюйм² при сохранении тех же двух пластин. ST-225 на 20 Мбайт с двумя пластинами плотность достигла уже уровня 5,8 Мбит/дюйм², хотя толщина диска была уменьшена в два раза.
У 3,5" Conner CP-340 в 1989 году с двумя пластинами емкость составила 42 Мбайт, при этом плотность записи была увеличена до 21,4 Мбит/дюйм².
На этом мы заканчиваем вторую часть нашего экскурса в историю жестких дисков. В третьей части мы перенесемся в 90-е годы, которые тоже оказались весьма интересными. Нас ждут новые технологии головок чтения/записи, а также дальнейшее увеличение плотности.
