Рассмотрим историю носителей информации от первобытных папирусов до современных SSD дисков. И разберем принцип работы каждого носителя + расскажем об эксперименте ученых, которые смогли записать данные прямо в ДНК живых бактерий.
Аналоговые носители
В какой-то момент истории наши предки стали наносить изображения и иероглифы на стены пещер, кости животных, глиняные таблички и папирус. Они то и стали первыми носителями информации. В каком-то смысле условная глиняная табличка – это самая древняя “флешка”.
Когда появилась бумага, суть не поменялась, но увеличился объем информации, который можно было передать. Ведь одна книга содержит в себе куда больше знаний, чем глиняная табличка.
Следующим скачком в сфере хранения данных стала технология записи звука. Изобретение фонографа Томасом Эдиссоном подарило миру возможность хранить и передавать знания (некий объем данных) в звуковом формате. Носителем информации в нем выступал цилиндр, обмотанный слоем фольги. Позже эту роль взяли на себя виниловая пластинка и магнитная лента (кассета для магнитофона).
Но в сфере носителей данных победила цифра. Первым цифровым носителем информации можно считать перфокарту – это кусок картона.
Перфокарта
Впервые мир увидел некое подобие перфокарт в самом начале 19 века, они использовались на ткацких станках. С помощью “прародителей” перфокарт можно было задавать разные узоры на тканях.
Если говорить о перфокартах как о носителях информации, то точкой отсчета можно считать 1890 год. Появление нового носителя данных связывают с именем Германа Холлерита. Он применил перфокарты при проведении переписи населения в США. Позже такие носители информации проникли во все сферы жизни, где требовалось собирать и обрабатывать большие объемы данных.
Многие удивятся, но перфокарта – это просто кусок картона с отверстиями, в нем нет никакой электроники. Однако расположенные в определенном порядке отверстия на картоне были неким прототипом двоичной системы.
Чтобы понять, как работали перфокарты, давайте вспомним, что компьютер воспринимает вообще всю информацию в двоичном коде – это нули и единицы. В нашем случае ноль – это отсутствие отверстия в определенной точке на перфокарте, а единица – это наличие прокола. Т.е. делая отверстие в куске картона, можно зашифровать в нем небольшое количество информации.
Ее считывание происходит довольно просто Представьте, что у нас есть специальная контактная площадка, она разбита на секторы, каждый из которых может пропускать ток. Если на эту площадку положить перфокарту с отверстиями в определенных местах, а после наложить сверху блок с проводами, количество которых равно количеству секторов, мы получим двоичный код.
Часть проводков будет касаться металлической пластины через отверстие, а часть нет, потому что им помешает картон. Таким образом те секторы площадки, которых касаются провода, будут единицами, а остальные – нулями.
Чуть позже немного изменился формат перфокарт и технология считывания. Например, блок с проводами заменили на фотодиоды, которые определяли наличие или отсутствие прокола в картоне. Но в глобальном смысле перфокарты не особо эволюционировали. И в какой-то момент они стали тормозить технологический прогресс.
Перфокарты вмещали только 80 байт данных. А чтобы вместить 1 Мб данных, нужно было примерно 13000 таких перфокарт. Для сравнения, одна фотография на смартфоне занимает 2 Мб памяти, то есть для его хранения на перфокартах необходимо до 65000 штук.
Картонный носитель информации по понятным причинам не имеет возможности повторной записи, поэтому лучшие умы мира работали над созданием новых носителей данных. И тут на сцену выходит жесткий диск.
Жесткий диск
Прародитель современных винчестеров появился в 1956 году, его выпустила компания IBM. Диск весил почти тонну и при этом мог хранить только 5 Мб данных.
Долгое время подобные устройства были ориентированы исключительно на корпоративный сектор, потому что занимали очень много мест. А первый жесткий диск потребительского класса появился в 1980. Он уже не занимал половину комнаты, но по-прежнему мог хранить не более 5 Мб данных. Этот винчестер выпустила не корпорация IBM, а небольшая на тот момент компания Seagate. Жесткий диск стоил тогда 1700 долларов. То есть за 1 Мб памяти пользователи платили 340 баксов, а учитывая инфляцию, аналог сегодняшней цены такому 6000 долларов.
Со временем технология стала быстро дешеветь, а объем накопителей расти. Физический размер жестких дисков уменьшился с 5 дюймов до привычных нам 3,5 дюймов. Чуть позже появились винчестеры формата 2,5 дюйма для ноутбука.
Жесткий диск состоит из нескольких металлических (иногда керамических) пластин, покрытых магнитным слоем. При производстве на этот слой наносятся микроскопические дорожки, они разделяются на секторы. Также в корпусе носителя есть вращающийся вал (шпиндель) и намагниченные головки.
Записывающая головка работает по тому же принципу, что и головка в старых кассетных магнитофонах. Проходя над вращающимися пластинами жесткого диска, она намагничивается микроскопические области носителя. Они получают отрицательный или положительный заряд, что соответствует нулю или единице. Когда нам нужно считать данные, головка перемещается к нужной дорожке на диске и улавливает последовательность положительно и отрицательно заряженных ячеек, а специальный контроллер переводит полученный сигнал в цифровой код.
Но почему мы вообще называем жесткий диск “винчестером”? Это тоже заслуга IBM. При разработке одной из моделей жесткого диска инженеры компании между собой называли будущий носитель “3030”. Эти цифры говорили о наличии внутри корпуса диска двух вращающихся пластин емкостью по 30 Мб. В то же время в Штатах выпускали охотничье ружье под названием Winchester, оно заряжалась патронами калибра 7 и 62 с маркировкой как раз 3030. В какой-то момент свой жесткий диск с двумя пластинами инженеры IBM тоже стали называть “винчестером” так же, как и ружье.
Изобретение жесткого диска сильно упростило жизнь. Хранить и обрабатывать данные наконец-то стало удобно. Однако оставалась потребность в портативном носителе информации. Рынку нужно было компактное устройство пусть и с меньшим объемом памяти.
Дискета (Floppy Disk)
В 1971 году, через 15 лет после того, как появился первый жесткий диск, компания IBM представила новый носитель Floppy Disk (дискета). Первая такая была крупнее привычных нам дискет, ее диаметр составил 8 дюймов. При этом носитель мог вместить всего лишь 80 Кб данных. Для работы с дискетами в продаже появились специальные дисководы.
Спустя несколько лет размер дискеты уменьшился до 5,25 дюйма, а в начале 80х появились уже знакомые нам флоппи диски диаметром в 3,5 дюйма объемом чуть менее 1,5 Мб. Со временем цены на носители и дисковод для него упали настолько, что такие комплектующие появились почти в каждом персональном компьютере.
Дискета состоит из защитного корпуса, специальной шторки и гибкого пластмассового диска, который покрыт тонким магнитным слоем. Когда мы вставляем носитель в дисковод, металлическая шторка дискеты смещается и открывает доступ для магнитных головок к самому гибкому диску. Запись и считывание информации происходит практически так же, как в случае винчестера. Гибкий диск внутри дискеты раскручивается, а магнитные головки записывают данные на микроскопические дорожки носителя. На выходе мы имеем положительно или отрицательно заряженные сектора дисков, или те самые нули и единицы.
Дискету можно было перезаписывать многократно. Но в какой-то момент пользователям стало катастрофически не хватать вместительности дискет, им на смену пришли оптические носители информации.
Компакт-диск (CD)
Изначально предполагалось, что компакт-диски будут использоваться только для хранения аудиозаписей в цифровом виде. Но со временем компакт-диски стали использоваться для хранения и распространения вообще любых данных. Этому способствовало решение компаний Microsoft и Apple начать использовать CD-приводы в своих персональных компьютерах.
В отличие от дискет, информация на дорожке компакт-диска представлена в виде питов и лендов (углублений и выступов в пластмассовом слое носителя). Луч дисковода, попадая на пит, отражается от алюминиевого слоя диска и попадает на специальный фотодиод, который фиксирует сигнал. Если же Луч попадает на ленд (выступ), то свет рассеивается, и фотодиод не попадает. Появление и отсутствие сигнала переводится в тот самый двоичный код.
Первые компакт-диски вмещали в себя 650 Мб, позже появились версии на 700 Мб. На компакт-диски записывали все, что только можно – музыку, фильмы, фотографии, установочные файлы игр и программ, в том числе и для консолей, которые тоже обзавелись дисководами.
Позже на сцену вышли DVD. Объем хранимых данных вырос в несколько раз до 4,7 Гб. Носитель мог хранить любые данные, однако технология записи изменилась не сильно. Просто уменьшился размер питов, адорожки стали располагаться ближе друг к другу, таким образом на диск помещалось больше информации.
Со временем появились двуслойные DVD диски, то есть они имели 2 записывающих слоя с дорожками для питов и лендов. При записи и считывании данных лазер дисковода просто менял фокусировку. В целом же технология оставалась прежней.
В 2006 году начался выпуск носителей нового поколения Blu-ray Disc. За основу был принят новый стандарт, предусматривающее использование синего лазера. Длина его волны позволяла осуществлять запись данных на носитель с очень узкими дорожками. Они были вдвое уже, чем у DVD. Луч с короткой длиной волны позволяет еще сильнее уменьшить питы. В итоге на носитель можно было записать до 128 Гб.
Трудно сказать, как оптические носители информации будут развиваться дальше, но они вряд ли смогут составить конкуренцию флеш-памяти.
Flash-память
Работа над носителем информации, который впоследствии назвали “флэш”, началась еще в 50-е годы, однако довели технологию до ума только в 1988 году. Тогда компания Intel показала миру память с архитектурой Нор, а через год Тошиба представила флеш-память Nand. Именно вторая технология стала гораздо более распространенной и она же позволила создавать более компактные чипы.
В наше время, когда вы покупаете SSD диск, смартфон, планшет или обычную USB-флешку, можете быть уверены, что внутри стоит флеш память Nand.
Долгое время такой прорывной накопитель был доступен только крупным компаниям и военным. До простого потребителя флеш память дошла в начале нулевых, к тому времени стоимость компонентов снизилась, и стал возможен выпуск современного накопителя на массовый рынок.
Считается что первую в мире флешку с USB интерфейсом выпустила израильская компании M-Systems. Позже она была приобретена компанией SanDisk в 2006 году.
Первая флешка получила название “Disk on Key” (диск на ключе). Название обыгрывал маленький размер нового носителя который можно использовать, как брелок. За прорывной носитель информации объемом в 8 Мб просили всего 50 долларов, и это один из тех редчайших случаев, когда за новые технологии не нужно было отдавать целое состояние. В последующие годы объём памяти флешек стремительно рос, а цены стали ещё демократичнее.
Ну а мы перестали обмениваться данными с помощью компакт-дисков, ведь для этого был необходим привод, да и прожиг болванки занимал больше времени. Кроме того, диски были далеко не так долговечны. Сейчас USB флешки мы заменили на внешние SSD накопители, и внутри них стоит та же флеш-память. Ее можно найти не только в смартфонах и планшетах, но также в умных часах, телевизорах и так далее.
Как работает флеш-память? Информация на флеш накопителях хранится в ячейках памяти, они представляют из себя транзисторы с плавающим затвором, который может удерживать электроны, то есть заряд. Над плавающим затвором находится управляющий затвор, если на него подают положительное напряжение, по нему начинают бегать электроны. При этом часть из них попадает на плавающий затвор и оказывается в ловушке. В этот момент в ячейке памяти фиксируется заряд.
Мы с вами помним, что цифровая информация состоит из нулей и единиц. Когда в ячейке есть заряд – это единица, а когда его нет – это ноль. Причем заряд не может исчезнуть без внешнего вмешательства, так как находится между двух диэлектриков. Точнее может, но для этого нужно оченьмного времени. Однако за годы интенсивной работы электрическая активность изнашивает физическую структуру ячеек, и со временем они могут начать терять заряд. Когда таких ячеек станет слишком много, носитель отправляется в мусорку.
Наверняка вы слышали про ограниченное количество циклов перезаписи SSD дисков, но на самом деле это касается вообще любого носителя с флеш-памятью. При чтении данных с флеш-памяти на управляющий затвор снова подается напряжение, но оно существенно ниже, чем во время записи. Если в этот момент по транзистору пойдет ток, значит в ячейке памяти нет заряда – для системы это ноль. Если же ток по транзистору идти не будет, значит в ячейке памяти есть заряд – для системы это единица.
При стирании данных с флеш-памяти вместо положительного напряжения на управляющий затвор подается отрицательное, и электроны покидают плавающий затвор. Таким образом в этой ячейке теряется заряд.
Современные носители стали немного сложнее: сильно уменьшился техпроцесс, а электроны теперь помещаются не в плавающий затвор, а в изолированную область ячейки из нитрида кремния. Однако в глобальном смысле суть особо не поменялась – тут снова используется некая ловушка для электронов, а наличие/отсутствие заряда в ячейке трактуется как единица или ноль.
Разный подход к Flash памяти
Почти все современные устройства используют флеш-память, но при этом реализация технологии различается. Например, многие SSD содержат дополнительную кэш-память, которая повышает скорость чтения и записи информации. Обычные USB флешки или SD карты такой технологией похвастаться не могут из-за своего скромного размера.
Если говорить о встроенной памяти в мобильных устройствах, тех же смартфонах, то чаще всего можно встретить 2 стандарта флеш накопителей: eMMC и UFS. В первом случае чтение и запись информации происходит по очереди, а во втором случае – одновременно. Поэтому накопители стандарта UFS существенно быстрее и дороже. Такая память ставится во флагманские устройства, реже она попадает в гаджеты среднего ценового сегмента, а eMMC память идет в бюджетные смартфоны.
Начиная с iPhone 6s , компания Apple решила пойти по иному пути. Они взяли за основу SSD носители стандарта Nvme, выкинули из них все лишнее, чтобы уменьшить размер, и отправили носители под капот Айфона. Это тоже флеш-память, сопоставимая по скорости с UFS, просто “яблочная” корпорация в очередной раз решила сделать не как у всех.
Будущее цифровых носителей
Современные носители информации пока что практически полностью перекрывают наши потребности. Но с каждым днем объем информации растет, и этот процесс не остановить. Может случиться такое, что через 5-10 лет флеш-память просто не сможет переваривать необходимый нам объем данных, или же появится потребность сильно уменьшить физический размер памяти, а нынешние технологии этого не позволят.
И ученые уже сейчас ищут новые способы хранения информации, разработки ведутся в разных направлениях. Например, уже есть успешные кейсы в записи данных на кварцевое стекло, и возможно эта технология станет массовой в ближайшие годы, ей предрекают большое будущее.
Еще пару лет назад команда ученых из колумбийского университета разработала способ превратить в запоминающее устройство колонию бактерий. Эксперимент показал, что живые организмы могут играть роль настоящих банков памяти, как на флешке. Ученым удалось закодировать данные прямо в ДНК живой бактерии. Во время эксперимента ученым удалось записать в ДНК бактерии 72 бита информации. А благодаря тому, что бактерии могут защищать свой геном от негативных факторов окружающей среды, ученые смогли прочитать сохраненную информацию даже спустя 80 поколений подопытных микроорганизмов.
Понятно, что эта технология еще в зачаточном состоянии. Но если учёные пойдут дальше и смогут сохранять данные в ДНК человека, это уже какой-то киберпанк получается.
