Известный американский писатель-фантаст Уильям Гибсон (William Gibson) в своих книгах представлял компьютеры как заменители человеческой памяти. Когда в 1986 году он смог позволить себе купить первый компьютер (которые тогда были очень примитивные и не дешевые), то не смог скрыть своего разочарования. Первым делом, писатель стал искать в нем память и обнаружил какой-то странный механизм, напоминавший граммофон викторианской эпохи, который вращался и жужжал.
Это было запоминающее устройство на так называемом флоппи-диске (жесткие диски HDD тогда еще не применялись в персональных компьютерах и даже операционную систему необходимо было запускать с флоппи-диска).
Разочарование писателя было столь сильным, что он более никогда не использовал образ компьютера как заменителя человеческой памяти в своих книгах.
Один из первых коммерческих персональных компьютеров. Никакой графики на экране еще нет. (Источник: FM|IMAGES)
Можно сказать, что на любой успешный стандарт в компьютерных технологиях есть десяток забытых разработок, многим из которых прочилось великое будущее. То же самое относится и к технологиям систем хранения данных. Многие видели и помнят 5,25- и 3,25-дюймовые флоппи-диски (а были еще и 8-дюймовые, которые уже практически никто не помнит), диски CD-ROM и CD-RW или даже оптические ZIP-диски.
Были, однако, и другие виды носителей информации, которые вряд ли у кого отложились в памяти, даже у представителей старшего поколения.
Микро-флоппи диски 1,2 дюйма
1,2-дюймовые флоппи-диски разрабатывались компанией Fuji для видеокамер и впервые были применены в компьютерах Zenith Minisport в 1989 г. Каждый диск мог хранить 720 кбайт данных. Такие диски иногда проглатывали собаки.
Диск Fuji LT-1 1,2 дюйма на фоне обычного 3,5 дюймового флоппи-диска
Микро-хамстер (хомячок) компании Hitachi
Это крошечный жесткий диск размером с флешку, который назывался Micro Hamster. Был представлен в 1992 году компаниями IBM и Hitachi. В то время он мог хранить до 1 ГБ данных, что было очень неплохо. По сравнению с появившейся тогда флэш-памятью он показывал меньшую удельную стоимость хранения. Но тем не менее, этот формат впоследствии был вытеснен флэш-памятью.
Миниатюрный жесткий диск Micro Hamster компании Hitachi (фото Hitachi)
iPod Classic
Мало кто знает, что на самом деле популярный в середине 2000-х годов плеер iPod Classic имел внутри жесткий диск 1,8 дюйма объемом 256 Гбайт. На нем можно было не только слушать музыку, но и на небольшом экране просматривать видео. В качестве инновации в нем был применен пятипозиционный джойстик, которым, при определенных навыках, можно было достаточно легко и быстро управлять содержимым и находить нужные треки. В качестве накопителя для компьютерных данных его сложно было использовать, но такие попытки имели место. Часть диска можно было отформатировать в стандартный формат FAT32, и тогда его «видел» компьютер под Windows и его можно было подключать к автомобильному плееру. В формате Apple к автомобильной аудиосистеме он мог подключаться только через специальный переходник. Никакого Bluetooth у него тогда не было.
iPod Classic с жестким диском 1,8 дюйма (источник: Apple)
Оптическая карта Canon
Canon Optical Card могла хранить до 2 Мбайт данных на оптическом уровне при однократной записи, по принципу CD-R, но без вращающегося диска. В начале 1990-х такую карту пытались использовать для записи медицинских данных, но проект оказался неудачным.
Canon Optical Card
Привод для такого носителя был очень сложным ввиду отсутствия вращения, поэтому приходилось разрабатывать довольно сложный механизм перемещения считывающей головки.
Магнитно-пузырьковая память (Magnetic Bubble memory)
Пузырьковая память, изобретенная в компании Bell Labs в 1970 году, – это необычный вид памяти без движущихся частей. В 1980-х годах ее прочили как альтернативу жестким дискам. Хайп, однако, не стал реальностью и дальше использования в нескольких коммерческих продуктах эта память не пошла.
Основным недостатком такой памяти было высокое энергопотребление при работе. Однако усовершенствования этой памяти возможны. Она использовалась в основном как нишевой продукт в условиях нехватки памяти DRAM в конце 80-х и, кроме того, в узких применениях, например, для промышленной автоматизации, в спутниковых системах и военном оборудовании. Эта память использовалась в военных системах США во время войны в Персидском заливе в 1990-91 гг.
Принцип работы этого накопителя был основан на методе записи данных в магнитные области непосредственно на чипе. Пожалуй, самым ценным из свойств такой памяти была ее прочность, что обусловило ее использование в военных отраслях, где такая память продолжала использоваться даже после провала на «гражданском» рынке. Этот носитель мог выдерживать высокие температуры без сбоев в работе, а также ему не было страшно воздействие пыли, влажности и высокой радиации. Модули этой памяти можно было легко заменять. Поэтому военным так понравилась эта разновидность накопителя данных несмотря на все его недостатки.
Одним из гражданских продуктов, где такая память использовалась, был лаптоп Sharp PC-5000, выпущенный в 1983 году. В нем была применена магнитно-пузырьковая память CE-100B, причем и в качестве ОЗУ. Один модуль пузырькового накопителя мог хранить до 128 Кбайт данных.
Такие компании, как Magnesys, Hitachi, и сейчас продолжают академические исследования этой памяти, в том числе технологии, называемой Vertical Block Line technology, чтобы повысить емкость и снизить цену продукта.
Картридж с магнитно-пузырьковой памятью (фото: Sharp)
Магнитооптический диск (МО-диск)
В магнитооптическом диске данные считываются со специального носителя при помощи лазера, примерно так, как на диске CD-ROM. Но в отличие от CD, МО-диски могут перезаписывать информацию с использованием специального процесса перемагничивания и использования лазера для записи данных. Такой тип дисков широко поставлялся с компьютерами NeXT в 1988 г. Приводы для таких дисков и сами диски до сих пор производятся, но они предназначены для нишевых рынков в отличие от CD-RW, и DVD-RW.
Магнитооптический диск компании Fuji (фото: Fuji)
Диски «Блю-рей» (Blu-ray Disc, BD)
Формат оптической записи BD предназначен для записи с высокой плотностью хранения данных, включая видео высокой четкости. Первый прототип нового носителя был представлен в октябре 2000 года. Современный вариант был представлен на международной выставке потребительской электроники Consumer Electronics Show (CES), которая прошла в январе 2006 года. Буква «e» была намеренно исключена из слова «blue» (синий), чтобы получить возможность зарегистрировать товарный знак. Blu-ray назван так потому, что для записи и чтения используется коротковолновый (405 нм) лазер, работающий в «синем» (фиолетовом) участке оптического спектра.
Однослойный диск BD может хранить 25 Гбайт, двухслойный – 50 Гбайт, трехслойный диск – 100 Гбайт, четырехслойный диск – до 128 ГБ. В конце 2008 года японская компания Pioneer демонстрировала 16- и 20-слойные диски на 400 и 500 ГБ, способные работать с тем же самым 405 нм лазером, что и обычные BD-плееры.
Внешний вид диска и логотип Blu-ray (фото: Blu-ray Disc Association)
Альтернативный для Blu-ray формат – HD DVD. В течение двух лет многие крупнейшие киностудии, которые изначально поддерживали HD DVD, постепенно перешли на Blu-ray. Warner Brothers, последняя компания, выпускавшая свою продукцию в обоих форматах, отказалась от использования HD DVD в январе 2008 года. Затем и Toshiba, создатель формата HD DVD, прекратила разработки в этой области.
Дискеты Floptical
Дискета Floptical (фото: 3М)
Дискеты такого типа и специальный привод для них появились в 1992 году. Технология сочетала в себе магнитный принцип записи и считывания, однако, для выравнивания головки записи-считывания применялось оптическое выравнивание по нанесенным на поверхность магнитного диска дорожкам. Дорожки отслеживались инфракрасным светодиодом и сенсором. За счет этого удалось в несколько раз повысить емкость стандартного 3,5-дюймового привода за счет сокращения зазора между дорожками. Floptical-диск мог хранить до 21 Мбайт информации на специальном 3,5-дюймовом магнитном диске, аналогичном по формату обычному 3,5 дюймовому флоппи-диску. Привод Floptical мог считывать также и обычные флоппи-диски, но не наоборот.
Новые виды памяти
Память на основе ортоферрита туллия
Исследователи из московского физтеха совместно с коллегами из Германии и Нидерландов разработали новый метод изменения магнитной полярности за очень малое время при минимальных энергетических затратах. Кроме того, был разработан прототип нового типа запоминающих устройства.
Принцип магнитной записи основан на изменении ориентации магнитных диполей (микроскопических магнитов) внутри магнитного материала. Именно так информация записывается на жесткий диск любого компьютера (но не во флэш-память!). Недостатком такого метода является низкое быстродействие и высокое энергопотребление.
В 2016 году Себастиан Байерл (Sebastian Baierl) из Университета Регенсбурга, Анатолий Звездин (МФТИ), Алексей Кимель из Университета Неймегена (Нидерланды) и МИРЭА и их коллеги предложили способ быстрого переключения спинов в ортоферрите туллия (TmFeO3) с помощью воздействия Т-лучей. Такой способ «перемагничивания» оказался более быстрым и эффективным, чем переключение спинов импульсным магнитным полем, за счет связи между спиновыми состояниями и электрической составляющей Т-импульса.
Например, спин переключается за 2 пикосекунды, причем практически без рассеяния энергии. Это позволяет значительно повысить эффективность накопителей на жестких магнитных дисках.
Причем основы метода были найдены еще более полувека назад в лабораториях МГУ и физтеха. Но без редкоземельных металлов этот метод было сложно реализовать на практике, теперь решение найдено. Таким образом на базе этого изобретения может быть заложена основа для разработки принципиально новых запоминающих устройств для компьютеров с возможностью снижения времени записи до нескольких пикосекунд.
Структура TmFeO₃ (слева); справа — переходы между энергетическими состояниями и ориентирование спинов при воздействии терагерцового импульса (источник: МФТИ)
Память на спин-кроссоверных молекулах
При развитии технологий магнитных носителей данных магнитные элементы носителя, хранящие один бит информации, становились все меньше. Сейчас их размеры уже почти приблизились к фундаментальным пределам молекулярной и квантовой механики.
Новый подход заключается в использовании так называемых спин-кроссоверных молекул (spin-crossover molecules) как наименьших возможных элементах хранения данных. Аналогично обычным жестким дискам эти спиновые молекулы могут хранить информацию в их магнитном состоянии. Для этого их нужно разместить на поверхности, где они могут сохранять возможность хранить информацию. Это удалось сделать коллективу исследователей в Университете г. Киль (Kiel University) в Германии. При этом они использовали взаимодействие между соседними молекулами, что раньше рассматривалось как помеха в процессе записи.
Как показано на рисунке ниже, возможна реализация даже троичного кода, поскольку молекула может находиться в трех возможных состояниях. Это открывает новые возможности для повышения быстродействия систем памяти.
Три возможных состояния спиново-кроссоверных молекул (источник: Kiel University)
Таким образом открывается теоретическая возможность повысить емкость обычных накопителей на жестких дисках в тысячу и более раз.
Память на нанокристаллах соли
Крошечные нанокристаллы соли могут служить хранилищем данных со световым кодированием. Это обнаружили австралийские ученые, которые продемонстрировали инновационный и энергоэффективный подход к хранению данных при помощи света в кристаллах соли.
Нанокристаллы соли обладают свето-эмитирующими свойствами, которые можно включать и выключать при помощи лазера, и таким образом записывать и извлекать информацию. Лазер изменяет электронные состояния кристалла и его флуоресцентные свойства. Эти исследования вселяют надежду, что вскоре будет найдена альтернатива традиционным жестким магнитным дискам, а также SSD и Blu-ray. Плотность запись на таком носителе может быть на 1-2 порядка больше, чем на HDD, SSD и BD. Кроме того, в отличие от других оптических форматов, такой носитель можно перезаписывать.
Технология позволяет осуществлять многоуровневую запись нескольких битов на один кристалл, причем могут быть использованы очень маломощные лазеры.
Одной из многообещающих перспектив технологии является также возможность разработки трехмерной среды носителя данных (3D data storage).
Австралийские ученые работают над памятью на нанокристаллах соли (фото: computing.co.uk)
Квантовая память
Сейчас в мире идут разработки полномасштабного квантового компьютера, в которых участвуют такие гиганты, как Google and Microsoft.
Исследователи Университета Нового Южного Уэльса UNSW (University of New South Wales) в Австралии занимаются сходной проблемой – разрабатывают «квантовую память». В 2017 году ими была продемонстрирована возможность записи и извлечения данных из ядра одиночного атома, внедренного в кристаллическую решетку кремния.
Как известно, в квантовых компьютерах в качестве элементарной единицы информации используется не бит, а так называемый кубит (qubit). Ученые из UNSW использовали мощное магнитное поле при температурах, близких к абсолютному нолю (-273 Со), когда два кубита системы представлены в виде атомных ядер фосфора с одним электроном на орбите. Такая система может работать по принципу ключевого транзистора, который может находится в двух состояниях – открытом и закрытом (0 или 1). Кубиты, однако, подчиняются сложным законам атомной физики, которая допускает одновременное наличие двух состояний (0 и 1). Такое состояние называется суперпозицией. Более того, два кубита могут становиться «запутанными» (entangled), при этом порождается множество возможных состояний, в которых они могут находиться одновременно.
Состояние или позиция кубита называется «спином». В квантовом компьютере вместо 0 или 1, состояния могут быть «спин вверх» или «спин вниз» (spin up, spin down). Австралийцам удалось заставить кубиты переключаться из одного состояния в другое, используя точно настроенные импульсы микроволн.
Ячейка квантовой памяти на основе атома фосфора (источник: University of New South Wales)
