В постоянной погоне за гигагерцами и гигабитами в секунду, которые пропускает через себя центральный процессор, мы очень часто забываем, что в компьютере есть много других важных компонентов, требующих улучшения, например оперативная память, а также накопители, которые хранят обработанные данные. Развитие устройств, позволяющих хранить информацию, так же важно, как и увеличение вычислительной способности ЦПУ. В этой статье мы расскажем о том, какие перспективы стоят перед современными носителями информации, такими как жесткие диски.
Во второй части статьи мы опишем будущее накопителей на оптических дисках, в третьей же постараемся рассмотреть некоторые наиболее интересные и принципиально новые разработки из области микроэлектронных механических систем, которые, возможно, будут использоваться в устройствах, пришедших на смену традиционным HDD и менее традиционным, но вполне знакомым CD, DVD и BlueRay.
Чтобы иметь возможность сравнивать между собой разнообразные типы носителей, нужно выделить некоторые характеристики, присущие каждому из них. Такие, например, как скорость чтения или записи, среднее время поиска произвольного элемента данных (Random Seek), а также стоимость хранения единицы данных. Если же мы хотим сравнивать накопители данных, которых еще нет в природе, но они появятся на свет в будущем, то нам нужно постараться разбить их все на три большие группы: те, которые вот-вот начнут производиться и в ближайшее время появятся на рынке; те, которые станут массовыми в более-менее обозримом будущем и, наконец, те, что появятся только при благоприятном стечении обстоятельств и успешном окончании всех исследований, связанных с их внедрением в жизнь. В самом деле, трудно сравнивать современный винчестер с временем произвольного доступа в 9.0 мс с каким-нибудь накопителем далекого будущего, у которого эта же характеристика будет на несколько порядков лучше (т. е. меньше), но которого пока нет на полках магазинов и не будет в ближайшие полсотни лет. Естественно, в Интернете подобными сравнениями продолжают заниматься, забывая, что опытный образец, появившийся в сверхсекретной лаборатории Силиконовой долины и работающий лишь при температуре, близкой к абсолютному нулю, - это еще не то же самое, что винчестер, который стоит в компьютере у вас на рабочем столе.
Тенденции развития магнитных накопителей информации
Начнем с жестких дисков, поскольку сегодня это, пожалуй, самый распространенный и востребованный тип накопителя, и в ближайшие 3-4 года острой конкуренции со стороны других видов накопителей винчестерам испытывать, по-видимому, не придется. Соперники пока однозначно проигрывают либо по скорости, либо по емкости, либо по стоимости, а чаще всего - по нескольким показателям сразу.
Что представляет из себя винчестер сегодня, мы все хорошо знаем: емкость - скажем, от 20 до 400 гигабайт, среднее время поиска - от 8 до 12 мс, скорость последовательного чтения/записи - 30-40 Мб/сек. В принципе, характеристики неплохие, хотя, опять же, смотря с чем сравнивать: оперативная память-то побыстрее работать будет (зато и подороже оказывается, да к тому же, при выключении из сети полностью "забывает" все, что в нее было записано, - согласитесь, существенный недостаток); перезаписываемые DVD-диски куда дешевле (но вот по скорости работы и рядом не лежали, к тому же и емкость у них сравнительно маленькая).
Если вспомнить, какие объемы данных приходится считывать и записывать на винчестер при работе с мультимедиа, а также то, что большинство современных ОС так или иначе использует его в качестве дополнения к оперативной памяти, записывая туда своп-файл, становится очевидным, что как бы ни были хороши характеристики винчестеров, их было бы неплохо улучшить. В первую очередь производителям хотелось бы увеличить упомянутые скорость чтения/записи и поиска, а также емкость. На втором месте стоят габариты, а также энергопотребление и ударопрочность вкупе с надежностью. Естественно, в будущих моделях винчестеров эти характеристики будут обязательно улучшены, остаются только вопросы: как и когда?
Добиться увеличения скорости считывания можно двумя путями: либо увеличивая плотность записи информации, либо заставляя "блины" винчестера вращаться с большей скоростью. И тот и другой способ имеют свои недостатки. При увеличении скорости вращения шпинделя винчестеры начинают гораздо сильнее греться и становятся более шумными, не говоря уже о том, что материал, из которого сделаны пластины, должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать соответствующие механические нагрузки и не деформироваться. Технология их изготовления становится сложнее, и это отражается на их стоимости: она существенно выше. Зато помимо увеличения линейной скорости считывания при этом еще и уменьшается среднее время поиска - за счет того, что головка раньше оказывается над нужным сектором дорожки. Проблему с излишним трением и шумом частично помогут решить гидродинамические подшипники, которые сравнительно недавно стали использовать некоторые производители, но все равно нам кажется маловероятным, что скорость вращения шпинделя в 3,5"" винчестерах может превысить 15-20 тысяч оборотов в минуту, какие бы "хитрые" и "навороченные" подшипники ни использовались.
При увеличении плотности записи также наблюдаются свои негативные побочные эффекты, но с ними все же проще бороться. Зато к плюсам можно отнести увеличение емкости накопителя, а это для производителей винчестеров во многом куда более важный параметр, чем среднее время поиска. Ведь на него среднестатистический покупатель обращает больше внимания. Поэтому компании-производители жестких дисков чаще всего пытаются улучшить свою продукцию именно этим способом.
Суперпарамагнитный предел
Помеха на пути достижения сверхвысокой плотности записи
Пластина современного жесткого диска состоит из стеклянной или алюминиевой подложки с нанесенным сверху магнитным покрытием. Отдельные участки этого покрытия могут быть намагничены одним из двух возможных способов, которые обозначают ноль и единицу (т. е. 1 байт). Такая намагниченная область называется магнитным доменом, и представляет собой миниатюрный магнитик с определенной ориентацией южного и северного магнитных полюсов. Если задать намагниченность домена, информация будет записана. В конечном счете, плотность записи информации определяют размеры этого самого домена. Казалось бы, уменьшайте себе размеры доменов на здоровье, и будут винчестеры такими емкими, какими только можно себе представить, однако не все так просто.
Те из нас, кто не забыл еще школьную физику, могут поднапрячься и вспомнить, что все вещества делятся на парамагнитные, диамагнитные и ферромагнитные. Диамагнитными являются те вещества, которые, находясь вне магнитного поля, не обладают магнитными свойствами - понятно, что для создания накопителей информации они не годятся. Атомы и молекулы парамагнитных веществ, напротив, уже сами по себе, еще до того, как на них начало действовать внешнее магнитное поле, представляют собой элементарные магнитики - однако они тоже мало подходят для создания накопителей. И лишь ферромагнетики, в которых в качестве элементарных магнитиков выступают магнитные зерна достаточно большого размера, подходят для длительного хранения информации.
Чтобы записать один бит информации, головка винчестера создает определенным образом направленное магнитное поле, которое ориентирует все элементарные магнитики домена преимущественно в одном направлении. Эта ориентация благополучно сохраняется в течение длительного времени уже после того, как головка прекратила свое воздействие на ферромагнетик. Однако даже после многократной записи в домене всегда остаются такие магнитные зерна, магнитная ориентация которых не совпадает с ориентацией всего домена; причем относительное содержание "плохих" зерен тем больше, чем меньше зерен в домене, то есть, чем меньше его размер. Если попытаться сделать домен слишком маленьким, то относительное количество "плохих" зерен окажется настолько большим, что информационный сигнал невозможно уже будет выделить на фоне шума. Из сложившейся ситуации существует два выхода - поиск новых парамагнитных материалов с малыми и по преимуществу однородными магнитными зернами и разработка алгоритмов, позволяющих выделять полезный сигнал даже при низком соотношении "сигнал/шум". Однако и тут существует свой предел возможностей. Если магнитное зерно будет слишком малым, то тепловой энергии окружающей среды с лихвой хватит на то, чтобы спонтанно сменить его намагниченность. Грубо говоря, в этом случае мы получим вещество, очень близкое по свойством к парамагнитному - винчестеры, изготовленные из таких материалов, смогут работать лишь при охлаждении жидким азотом или, что еще хуже, жидким гелием. Из-за этого квазиперехода ферромагнитного вещества в парамагнитное описанное ограничение и получило название суперпарамагнитного предела.
Ну и помимо чисто физического ограничения в виде суперпарамагнитного предела существует еще и техническое, связанное с процессом записи и чтения информации, для которого, как уже упоминалось, используется специальная головка. В самых первых моделях винчестеров головка была универсальной - одна и та же малюсенькая катушка индуктивности использовалась как для чтения, так и для записи информации. Современные головки состоят из двух частей: записывающей (катушки индуктивности) и читающей (магниторезистивной головки, изменяющей свое сопротивление в зависимости от напряженности магнитного поля). Естественно, размеры головки конечны, и сегодня именно они во многом определяют размеры минимальной намагничиваемой области - домена. Однако в современных винчестерах размер домена настолько мал, что для дальнейшего его уменьшения производителям потребуется перешагнуть через суперпарамагнитный предел.
Именно поэтому специалисты ведущих компаний, разрабатывающих жесткие диски, уже давно бьются над возникшей проблемой, и надо сказать, весьма успешно. Пути развития технологий и собственные ноу-хау, позволяющие в будущем преодолеть суперпарамагнитный предел, разработаны каждой из них. Причем некоторые уже применяются при серийном производстве винчестеров, некоторые используются только в опытных образцах, но со дня на день будут использоваться и при конвейерной сборке, некоторые, возможно, так никогда и не доберутся до массового использования.
AFC
Пожалуй, первой ласточкой, предвещавшей скорую победу над суперпарамагнитным пределом, явилась технология создания магнитно-компенсированных пленок, предложенная фирмой IBM. Суть идеи заключается в нанесении на диск винчестера трехслойного антиферромагнитного покрытия под названием AFC (antiferromagnetically-coupled, антиферромагнитная пара), в котором пара магнитных слоев разделена специальной изолирующей прослойкой из рутения.
За счет того что расположенные друг под другом магнитные домены имеют антипараллельную ориентацию магнитного поля, они образуют пару, которая оказывается более устойчивой к спонтанному перемагничиванию, чем одиночный "плоский" домен. Пробные партии винчестеров, использующих технологию AFC, появились в 2001 году, но массовое ее использование началось только сейчас. Однако AFC не является абсолютной панацеей - это лишь маленькое усовершенствование старой технологии, позволяющее увеличить емкость винчестеров в 4-8 раз, но не больше.
PMR
Существенно больший выигрыш сулит применение
перпендикулярной записи (PMR, Perpendicular Magnetic Recording). Эта
технология известна достаточно давно, ее исследованиями активно
занимались уже лет 20-30 назад, однако довести дело до работающего и
недорогого в производстве устройства тогда не получилось. Сейчас о
PMR вновь вспомнили, разработкой новых жестких дисков на основе этой
технологии весьма плодотворно занимается компания Seagate. В августе
2002 года в Питтсбурге (США) ею был организован специальный научный
центр, в планы которого входило тщательное исследование не только
PMR, но и других проблем, связанных с созданием перспективных
накопителей информации на магнитных носителях. Как следует из
названия, PMR, в отличие от классической технологии записи,
использует магнитные домены с перпендикулярным (а не параллельным
поверхности диска) магнитным полем.
Это позволяет уменьшить продольные размеры домена, слегка увеличив при этом его высоту. Кроме того, в случае PMR соседние инвертные биты (1 и 0) уже не глядят друг на друга одноименными полюсами, которые, как известно, отталкиваются, - это позволяет уменьшить размер междоменного пространства, по сравнению с классической технологией записи, что еще больше увеличивает емкость винчестеров.
Понятно, что для реализации PMR необходимо применять как совершенно иную конструкцию головки чтения/записи, так и новую структуру магнитной поверхности диска. Головка, записывающая методом PMR, должна иметь всего один основной полюс сердечника, второй полюс будет вспомогательным. Основной полюс сердечника создает сильное магнитное поле, линии которого выходят перпендикулярно магнитной поверхности диска; проходя через специальный внутренний магнитный слой, они замыкаются на широком вспомогательном полюсе сердечника. Естественно, наиболее сильное по величине поле будет у основного полюса - там и будет происходить перемагничивание домена, у широкого вспомогательного полюса поле будет слишком слабое, чтобы воздействовать на поверхность диска, и она при записи останется без изменений. Так же как и AFC, PMR - это технология уже готовая к применению в серийном производстве. Использующие ее винчестеры должны появиться если не в этом, то в следующем 2005 году.
HAMR и SOMA - технологии 2010 года
К числу наиболее перспективных технологий будущего, в
задачу которых входит дополнить PMR, когда та исчерпает свои ресурсы
и подойдет к очередному пределу, можно отнести термомагнитную запись
(HAMR, Heat Assistant Magnetic Recording) и самоорганизующиеся
магнитные решетки (SOMA, Self-Organized Magnetic Array). Дитер
Веллер, директор отделения исследований в области носителей центра
Seagate, считает, что HAMR призвана в очередной раз изменить принцип
чтения и записи данных, а SOMA - процесс изготовления магнитного
напыления для дисков.
Особенность HAMR заключается в использовании магнитных материалов с высокой коэрцитивной силой, которые обеспечивают высокую термостабильность записанных участков поверхности. Для записи информации магнитный домен предварительно разогревается с помощью сфокусированного лазерного пучка. Диаметр пучка и определяет размер области, соответствующей одному биту информации. При повышении температуры домена происходит существенное изменение его магнитных свойств (уменьшается коэрцитивная сила), и, таким образом, нагретые участки становятся способными к намагничиванию. Естественно, что для внедрения HAMR в серийное производство необходимо решить множество проблем, таких как разработка недорогих и миниатюрных лазеров с очень маленькой длиной волны (иначе будет невозможно создать фокусирующую систему), также необходимо обеспечить эффективный теплоотвод от пластин (вспомним, как греются современные винчестеры, что же будет, если их еще и лазером подогревать, словно пищу в микроволновке?!) и еще ряд других. Однако тот факт, что специалисты Seagate уже собрали действующую экспериментальную установку, реализующую запись по технологии HAMR, говорит о том, что эти проблемы будут, скорее всего, успешно решены. Компания обещает, что HAMR получит применение в коммерческих продуктах уже в 2010 году.
Тем не менее, как уже говорилось, для дальнейшего
повышения плотности записи необходимо еще и изменить технологию
изготовления самих магнитных дисков, добиваясь равномерности и
однородности слоя частиц, составляющих его поверхность. Если этого
не сделать, то не поможет ни HAMR, ни любые другие ухищрения с
записывающей головкой. Модернизация механизмов чтения/записи должны
идти рука об руку с улучшением материалов и качества напыления
магнитного слоя. Здесь специалисты видят выход в использовании уже
упоминавшейся технологии SOMA, которая предусматривает формирование
на поверхности диска монодисперсного слоя "самоорганизующихся
магнитных массивов" из мельчайших однородных железно-платиновых
конгломератов размером около 3 нм (3 нм - это 10-15 атомов твердого
вещества, выложенных в ряд).
Применение этой "нанотехнологии" позволит существенно снизить уровень нестабильности отдельных магнитных зерен и уменьшить размеры намагничиваемой области для записи бита данных. В Seagate считают, что все это может позволить выпускать накопители емкостью в десятки, а может быть, даже сотни терабайт. Причем случится это не в заоблачном будущем, а к началу следующего десятилетия.
Вместо заключения
Как мы видим, совершенствование жестких дисков на их пути к достижению суперпарамагнитного предела может привести к тому, что они вольют в себя некоторые свойства ближайших конкурентов - оптических носителей информации, таких как CD и DVD. Естественно, все это приведет к резкому возрастанию их сложности, а значит и стоимости. В то же самое время, лишенные каких-либо суперпарамагнитных пределов, оптические устройства будут развиваться, захватывая все новые и новые рубежи, одерживая очередные победы, и, вероятно, лет через десять-пятнадцать по всем основным характеристикам превзойдут магнитные накопители. Во второй части статьи мы попробуем разобраться с будущим CD и DVD, а также их многочисленными модификациями и преемниками.
План практического занятия 17
Тема: Носители информации
Цель: изучить типологию носителей информации и физические основы записи цифровой информации
Время: 4 часа
Вопросы:
1. Физические основы записи цифровой информации.
2. Жесткий диск. Физические носители информации.
3. Компактные оптические диски.
4. Портативные носители информации
Методика выполнения:
Физические основы записи цифровой информации
На первых порах достаточно существенным было деление возможных носителей цифровой информации на стационарные и портативные устройства (в данном случае правильнее бы использовать прямой перевод - переносимые). Для систем персональных компьютеров обоих типов - IBM PC или Macintosh основным стационарным носителем информации был и остается жесткий диск.
Портативные устройства очень быстро развивались и трансформировались. Первые по времени появления стандартные гибкие диски диаметром пять дюймов с четвертью и емкостью несколько сотен килобайтов (до 360) уже не используются, и довольно трудно будет найти оборудование для считывания информации, записанной в свое время на них. Пришедшие на смену стандартные диски три с половиной дюйма и емкостью 1.44 Мб также понемногу выходят из употребления. Новые компьютеры уже зачастую не имеют соответствующих приводов. Впоследствии пришли записываемые оптические компакт-диски - CD-R или CD-RW, DVD-R. DVD-RW, а также устройства, не содержащие вращающихся частей, - FlashJet и подобные, совместимые с универсальными портами USB. Нужно сказать, что на развитие компактных устройств памяти очень большое влияние оказало внедрение музыкальных стандартов, цифровых видео- и фотокамер.
Для записи символов машиночитаемой информации используются изменения различных физических параметров, например:
Сквозная проницаемость «на просвет» (перфокарты);
Светоотражающая способность (оптические компакт-диски CD-ROM. вся печатная и рукописная продукция, исключая тексты Брайля):
Изменения электрической проводимости (открытое или закрытое положение транзистора);
Изменения намагниченности (магнитные ленты, диски);
Изменения квантовых параметров:
Формирование последовательностей выпуклых точек (тексты Брайля);
В соответствии с параметрами физической среды записи и считывания информации различаются; магнитные носители, оптические носители, смешанные магнитооптические носители, платы памяти - микросхемы.
Наиболее распространенная геометрическая форма носителя:
Диски (односторонние и двусторонние);
Плоские платы памяти - микросхемы (чипы);
Отдельные портативные устройства.
Жесткий диск. Физические носители информации
Это общепринятый физический носитель информации в сервере и в персональном компьютере. Жесткий диск, иногда называемый «винчестер», состоит из набора вращающихся на одной оси плоских дисков диаметром несколько сантиметров (типичный диаметр - от трех с половиной дюймов и менее), покрытых магнитным слоем. Эксплуатационные свойства жесткого диска весьма привлекательны: большая емкость, быстрый доступ к записанной информации, высокий темп считывания информации и взаимозаменяемость (стандартизация дисков). Быстрый доступ к информации обеспечивается небольшим расстоянием, которое проходит считывающая головка при поиске нужного места, а также записью информации в предварительно созданные (отформатированные) секторы на диске. Технические особенности, обеспечивающие малый износ считывающих головок и магнитного слоя поверхности пластины, - бесконтактное считывание информации, «полет» головки над диском. Принимаются специальные меры по обеспечению надежности опорных подшипников жесткого диска, например используются газодинамические подшипники, то есть также режим «полета» над опорной поверхностью. Поэтому для обеспечения ресурса сервера опасно не количество отработанных часов, а число включений/выключений, связанных с «посадкой» головок и разгоном дисков. Указанная особенность конструкции диска дает возможность (при наличии устройств бесперебойного питания) оставлять сервер включенным в течение многих суток (недель). Таким образом, достигается одно из существенных преимуществ электронной библиотеки - обслуживание пользователя 24 часа в сутки круглый год. Примерные параметры жестких дисков.
1. Семейство жестких дисков компании Seagate Technology, Barracuda 7200, емкость 160/120/80/40 Гб, с интерфейсом Serial АТА. среднее время поиска 8,5 мс; одна из последних разработок - жесткий диск Barracuda NL35. объем памяти 500 Гб, 3 пластины, скорость вращения пластин 7200 оборотов в минуту. Скорость считывания данных составляет 47 Мб/с. Еще один образец продукции той же компании - семейство дисков Cheethah со скоростью вращения дисков 15 тыс. оборотов в минуту, памятью до 300 Гб.
2. Отвечает самым высоким требованиям надежности бесшумный и противоударный жесткий диск компании Samsung емкостью 40.8 Гб; скорость вращения пакета из 2 дисков 5400 оборотов в минуту; емкость буфера 512 Кб, среднее время доступа 8,5 мс, скорость передачи данных до 66 Мбит/сек. Среднее время наработки на отказ 500 тыс. часов (это примерно 57 лет), удельная стоимость хранения данных - 1 доллар за 200 Мб. то есть 0,5 цента за I Мб.
3. Тот же принцип обеспечения высокой надежности реализует конструкция жесткого диска WD Caviar компании Western Digital для серверов емкостью до 250 Гб, обладающего специальной функцией контроля надежности и предупреждения выхода диска из строя. Расчетное время наработки на отказ составляет 1 млн часов (более 100 лет).
Для хранения больших массивов данных существуют специальные дисковые системы с высоким быстродействием, например, в продажу поступает цифровая библиотека-хранилище (конструктивно - один шкаф) из дисков по 73 Гб каждый, суммарной емкостью 9 Тб.
В позиции ожидания и в работе диск находится в состоянии равномерного, непрерывного и быстрого вращения. Обращение к записанной информации происходит за счет поперечного перемещения головок на очень короткую дистанцию. Нагрузка на физическую основу носителя (создается центробежной силой) постоянна во все моменты времени.
Носители информации на магнитных лентах. Данные носители реже используются сегодня, чем на заре компьютерной эры. Тем не менее их преимущества очевидны: это хорошо освоенные технологии производства, высокая плотность записи, высокая скорость считывания информации и большая емкость. Однако конструктивное различие ленточных устройств по сравнению с жесткими дисками в кинематике является абсолютно принципиальным.
Состояние ожидания - это неподвижная лента.
Выход на исходную позицию при поиске файла на определенном и заранее неизвестном участке ленты - это ускоренное движение (перемотка) и последующее резкое торможение.
Рабочий режим считывания или записи - это равномерное движение ленты со скоростью, намного меньшей, чем при поиске.
Ленточные устройства используют не монотонный, а «рваный», пульсирующий режим работы, с большой и переменной во времени механической нагрузкой на физическую основу носителя информации. Неустранимый недостаток устройств с использованием магнитных лент - большое время доступа к информации, постепенное стирание магнитного слоя, ухудшение записи из-за размагничивания ленты, вытягивание ленты-основы в ходе эксплуатации. Тем не менее цифровые устройства хранения информации очень часто реализуются на магнитных лентах, например стримеры, цифровые магнитофоны DAT (Digital Audio Таре), магнитофоны со спирапьной дорожкой записи, занимающей всю ширину магнитной ленты (Exabyte).
Некоторые примеры устройств хранения информации: ленточные накопители Surestore с технологией DLT (Digital Linear Таре), в которых используются кассеты емкостью 160 Гб каждая, скорость передачи данных 16 Мбит/с (384 дорожки, среднее время доступа к файлу порядка 70 с). В качестве иллюстрации широкого распространения этих систем укажем, что к 2002 г. было продано 2 млн приводов, 80 млн картриджей.
Разработан открытый формат Ultriym, в котором используются кассеты на 200 Гб, и скорость передачи данных составляет 20 Мбит/с. На базе этих устройств созданы цифровые хранилища - роботизированные библиотеки с суммарной емкостью 10 Тб, темпом передачи данных до 10 Мбит/с.
Российская компания «Мобильные ТелеСистемы» (МТС) установила недавно ленточную библиотеку Exabyte Х200 (один шкаф), способную хранить до 30 Тб сжатых данных (это эквивалент 30 млн томов), - для резервного копирования и архивирования биллинговых (платежных) записей. Библиотека состоит из 200 кассет, до 150 Гб на кассету, темп передачи данных 30 Мбит/с.
Компактные оптические диски
Диски «только для чтения» CD-ROM с предварительно записанной и неизменяемой информацией - один из наиболее надежных и распространенных носителей цифровой информации. Особенно полезны такие диски для записи неизменяемой информации, например архивных или ретроспективных изданий, коллекций рисунков и подобных данных, которые могут потребоваться большому числу пользователей. Полезно отметить разницу и сходство между веб-сайтом и оптическим диском. Хотя оба вида содержат машиночитаемую информацию, диск в обслуживании намного ближе к печатному формату. Это подтверждает библиотечная практика. Диском владеют физически, его можно каталогизировать и поставить на полку библиотеки. В то же время есть и очень важное технологическое и логическое единство: обе технологии работают в режиме формирования стандартных пакетов информации.
Технология CD-ROM появилась благодаря сотрудничеству фирм Sony (Япония) и Philips (Нидерланды). В 1987 г. Международная организация по стандартизации выпустила международный стандарт ISO 9660 «Обработка информации - структура файла и тома CD-ROM для обмена информацией (1988)», которому в настоящее время соответствуют практически все рыночные виды CD-ROM.
Аудиокомпакт-диск, или CD-ROM. - это диск диаметром 12 см из чистого пол и карбонатного пластика, покрытый отражающим металлом (алюминий, золото) и защитным слоем прозрачного лака. Сфокусированный лазерный луч считывает мельчайшие (0.5 микрона) углубления вдоль спиральной дорожки общей длиной 4,5 км. Плотность кодирования очень высока: на дорожке аудиокомпакт-диска, или CD-ROM. содержится около 3 млрд кодов. На стандартном компакт-диске может быть записано 74 минуты звучания или около 680 Мб информации. Диск не имеет физически выделенных дорожек и не нуждается в форматировании, а запись идет вдоль некоей виртуальной спирали, делающей 20 тыс. оборотов от центра наружу. Информация считывается с диска при движении с постоянной линейной скоростью: диск вращается медленнее (200 оборотов в минуту), когда считывающая головка находится на его внешней части. Воспроизведение осуществляется встроенными в компьютер устройствами с возможностью ускоренного вращения диска (и передачи данных) кратностью 8. 16, 32, 40 и выше.
Логическая структура дисков CD-ROM в формате ISO 9660 имеет четырехуровневую архитектуру: бит, байт, блок, файл. Физическая структура приведена ниже. Эта архитектура позволяет использовать CD-ROM с различными операционными системами так, как будто это просто еше один магнитный диск или накопитель файлов. Структура блока CD-ROM приведена в табл. 31 (в каждом блоке 2352 байта).
Поле «Синхронизация» обозначает начало блока и выставляет счетчик блоков в нужную позицию. В «Заголовке» содержится адрес блока и описание типа основных данных. В поле «Основные данные» содержится полезный цифровой массив, который может быть текстом, графикой, звукозаписью, изображением. видео. Блоки CD-ROM включают три уровня обнаружения и исправления ошибок EDC (Error Detection Code) и ЕСС (Error Correction Code), которые не используются в аудиодисках.
Ошибки на диске чаше всего связаны с появлением царапин на его поверхности; выяапение их специальной подпрограммой основано на многократной циклической проверке сумм бинарных символов. Исправление ошибок осуществляется достаточно сложной программой (перекрестная чередующаяся кодировка Рида - Соломона). Указанные системы позволяют снизить ожидаемый уровень ошибок на CD-ROM до чрезвычайно низкого значения - 10 в минус 12-й степени, одна ошибка на триллион бинарных кодов, или 1 ошибка на 20 тыс. дисков!
В звуковых компакт-дисках такая предосторожность не нужна, и при появлении ошибки программа просто повторит предыдущий кусочек записи длительностью в 1/75 с, что совершенно недоступно человеческому уху.
Для воспроизведения информации, записанной на оптических дисках, на первых порах использовались либо отдельно стоящие устройства, либо встроенные в компьютер дисководы. В профессиональных целях применяются хранилища на 50- 100 дисков с механической подачей дисков на считыватель (Juke Box). Созданы также специальные многоприводные компьютерные системы, допускающие считывание с нескольких одновременно врашаюшихся дисков. Однако колоссальные возможности памяти современных серверов допускают перенос информации с дисков CD-ROM или DVD и непосредственное обслуживание с жесткого диска; например, сервер AXONIX содержит информацию, списанную с 512 дисков.
В наши дни очень широко распространены встроенные устройства записи информации на оптические диски (однократной или многократной записи) как дополнение штатного жесткого диска компьютера: например, накопитель Mitsumi CR4808 ТЕ емкостью 483 Мб.
Дальнейшее развитие технологии аудиокомпакт-дисков пошло по двум направлениям. Первое - это усовершенствованные CD (Super Audio Compact Disc, SACD) за счет очень высокой частоты отбора образцов (2822,4 кГц по сравнению с 44,1 кГц), обеспечивающие новое качество звука - погружение (surround sound). По этому пути пошли разработчики исходных
Аудиодисков - компании Sony и Philips.
Параллельно развивается другое направление - двусторонние диски высокой плотности записи (их называют DVD - Digital Versatile Disk либо Digital Video Disk; имеется в виду возможность на данном диске записывать полноценные видеофильмы) с объемом памяти 4,7 Гб на одной стороне диска. Сейчас ведущие компании мира договорились о стандарте перезаписываемого лазером в голубой части спектра диска Audio DVD емкостью 27 Гб, с гарантированным сроком хранения информации 100 лет. Точно так же, как и в системах CD, в DVD создано семейство перезаписываемых дисков, перспективных для использования в работе библиотек и центров информации, например DVD-RW (1 тыс. перезаписей) и DVD-RAM (100 тыс. перезаписей). Интересны также магнитооптические диски диаметром 3,5 дюйма емкостью 2,3 Гб и дисководы Fujitsu. Срок службы такого диска - более 70 лет, допускается более 10 млн перезаписей, доступ к данным со скоростью 8 Мбит/с. Рекомендованная цена привода 300 долларов, одного диска - 18 долларов, то есть удельная стоимость менее 1 цента за мегабайт.
На начало 2005 г. ведущие американские фирмы прекратили выпуск видеомагнитофонов VHS, на смену которым идут оптические диски DVD емкостью 20 Гб, которые пока что представляют два конкурирующих формата оптических дисков. Один - так называемый минусовый формат HD-DVD, диски DVD-R с возможностью записи. DVD-RW с возможностью перезаписи и емкостью 4.6 Гб, разработанный компаниями Toshiba NEC, Sanyo и поддержанный компаниями Paramaunt Pictures, Warner Bros.. Universal Pictures. Конкурентом является продвинутый «плюсовой» формат Blue-Ray с возможностью дополнения записей DVD+R и диски DVD+RW с возможностью корректировки и редактирования записей, соответственно разработанные Sony и поддержанные Hewlett Packard и Dell. Удельная стоимость хранения данных на такого типа дисках составляет 15-20 центов за гигабайт.
Доминирующая рыночная роль стандартных, традиционных дисков CD видна из табл. 1.
Таблица 1
Рыночная роль различных типов аудио-, видеодисков (количество и объемы продаж в мире в 2003 году)*
Задание №1
Изучить технологию записи на компакт-диски CD и DVD, промышленного тиражирования CD и DVD, технологию записи BLU-RAY, оборудование и программное обеспечение. Подготовить отчетный документ с иллюстрациями оборудования и схемами записи.
Задание №2
Рассмотреть типы жестких дисков (IDE/ATA, UDMA , UIDE , АТ-6 , Fast ATA , Ultra ATA , SATA, SCSI) , их характеристики ( емкость (capacity), время доступа (access time), скорость передачи данных (data transfer rate), скорость передачи пакета/скорость непрерывной передачи данных (burst/sustained), 5000/7200/10000 RPM) и аппаратное обеспечение. Подготовить отчетный документ.
Для хранения и переноса информации с одного компьютера на другие удобно использовать внешние носители. В качестве носителей информации чаще всего выступают оптические диски (CD, DVD, Blu-Ray), флеш-накопители (флешки) и внешние жесткие диски. В этой статье мы разберем виды внешних носителей информации и ответим на вопрос «На чем хранить данные?»
Сейчас оптические диски постепенно отходят на второй план и это понятно. Оптические диски позволяют записать относительно небольшое количество информации. Также удобство использования оптического диска оставляет желать лучше, к тому же диски можно легко повредить, поцарапать, что приводит к потере читаемости диска. Однако для длительного хранения медиаинформации (фильмов, музыки) оптические диски подходят как никакой другой внешний носитель. Все медиацентры и видеопроигрыватели по-прежнему воспроизводят оптические диски.
Флешки
Флеш-накопители или по-простому «флешка» сейчас пользуется наибольшим спросом у пользователей. Ее малый размер и внушительные объемы памяти (до 64Гб и более) позволяют использовать для различных целей. Чаще всего флешки подключаются к компьютеру или медиацентр через порт USB. Отличительной особенность флешек является высокая скорость чтения и записи. Флешка имеет пластиковый корпус, внутрь которого помещена электронная плата с чипом памяти.
USB-флешки
К разновидностью флешек можно отнести карты памяти, которые с картриддером являются полноценной USB-флешкой. Удобство использование такого тандема позволяет хранить значительные объемы информации на различных картах памяти, которые будет занимать минимум места. К тому же вы всегда можете прочитать карту памяти вашего смартфона, фотоаппарата.
Флешки удобно использовать в повседневной жизни – переносить документы, сохранять и копировать различные файлы, просматривать видео и прослушивать музыку.
Внешние жесткие диски
Внешние жесткие диски технически представляют собой жесткий диск, помещенный в компактный корпус с USB адаптером и системой защиты от вибрации. Как известно жесткие диски обладают впечатляющими объемами дискового пространства, что в купе с мобильностью делает их очень привлекательными. На внешнем жестком диске вы сможете хранить всю свою видео и аудиоколлекцию. Однако для оптимальной работы внешнего жесткого диска требуется повышенная мощность питания. Один разъем USB не в силе обеспечить полноценное питание. Вот почему на внешних жестких дисках имеется двойной кабель USB. По габаритам внешние жесткие диски совеем небольшие, и могут легко поместиться в обычном кармане.
HDD боксы
Существуют HDD боксы, предназначенные для использования в качестве носителя информации обычный жесткий диск (HDD). Такие боксы представляют собой коробку с контроллером USB, к которому подключаются самые простые жесткие диски стационарного компьютера.
Таким образом, вы легко можете переносить информацию непосредственно с жесткого диска вашего компьютера напрямую, без дополнительного копирования и вставки. Такой вариант будет намного дешевле покупки внешнего жесткого диска, особенно если перенести на другой компьютер нужно почти весь раздел жесткого диска.
Что такое HDD, жёсткий диск и винчестер - эти слова являются разными широко распространёнными терминами одного и того же устройства, входящего в состав компьютера. В связи с необходимостью хранения информации на компьютере появились устройства, хранители информации как жёсткий диск и стали неотъемлемой частью персонального компьютера.
Ранее на первых вычислительных машинах информация хранилась на перфолентах - это картонная бумага с пробитыми дырками, следующим шагом человека в развитие компьютера появилась магнитная запись, принцип работы которой сохранён в нынешних жёстких дисках. В отличие от сегодняшних терабайтных HDD, информация для сохранения помещаемая на них насчитывала десятки килобайт, это ничтожные размеры по сравнению с сегодняшней информацией.
Для чего нужен HDD и его функционал
Жёсткий диск - это постоянное запоминающее устройство компьютера, то есть, его основная функция - долговременное хранение данных. HDD в отличие от оперативной памяти не считается энергозависимой памятью, то есть, после отключения питания от компьютера, а потом как следствие и от жёсткого диска, вся информация, ранее сохранённая на этом накопителе, обязательно сохранится. Получается, что жёсткий диск служит лучшим местом на компьютере для хранения личной информации: файлы , фотографии, документы и видеозаписи, явно будут долго храниться именно на нём, а сохранённую информацию можно будет использовать и в дальнейшем в своих нуждах.
ATA/PATA (IDE) - этот параллельный интерфейс служит не только для подключения жёстких дисков, но и устройств для чтения дисков - оптических приводов . Ultra ATA является самым продвинутым представителем стандарта и имеет возможную скорость использования данных информации до 133 мегабайт в секунду. Указанный способ передачи данных считается сильно устаревшим и в сегодняшние дни используются в устаревших компьютерах, на современных системных платах разъёма IDE уже найти не получится.
SATA (Serial ATA) - представляет из себя последовательный интерфейс, который стал хорошей заменой для устаревшего PATA и в отличие от него имеется возможность для подключения только одного устройства, но на бюджетных системных платах, имеется несколько разъёмов для подключения. Стандарт подразделяется на ревизии, имеющие разные скорости передачи/обмена данных:
- SATA имеет скорость обмена данных возможную до 150 Мб/с. (1.2 Гбит/с);
- SATA rev. 2.0 - у данной ревизии скорость обмена данными в сравнение с первым SATA интерфейсом выросла в 2 раза до 300 МБ/с (2,4 Гбит/с);
- SATA rev. 3.0 - обмен данных у ревизии стал ещё выше до 6 Гбит/с (600 МБ/с).
Все вышеописанные интерфейсы подключения семейства SATA взаимозаменяемы, но подключив, например, жёсткий диск с интерфейсом SATA 2 в разъём материнской платы SATA, обмен данных с жёстким диском будет проходит на основе самой старшей ревизии, в данном случает SATA ревизии 1.0.
