Диски, память и другие

1. Немного истории

Весенний день 8 марта 1983 года вошел в историю совсем не из-за международного женского праздника. В этот день корпорация IBM выпустила первый персональный компьютер PC/XT с встроенным жестким диском. В конце 1983 года персональные компьютеры появились в нашей лаборатории в Москве. Поверить, что внутри светло-серого пластикового корпуса спрятана коробочка объемом в 10 Мегабайт, на которую можно записать 80 миллионов ноликов и единичек было почти невозможно. И даже цена этого чуда ? 3000 долларов, или 300 долларов за Мегабайт казалась совсем небольшой.

Тогда еще не было понятно, что мы присутствуем при начале технологической революции. Появление персонального компьютера вызвало бурное развитие технологии: скорость процессоров и емкость памяти начали удваиваться меньше чем за год, а цена примерно с той же скоростью падать.

В 1956 году инженеры фирмы IBM создали монстра - первый в мире магнитный диск RAMAC. Размером он был с промышленную холодильную установку, весил несколько тонн. Диски приводились в движение мощным электромотором промышленного образца с приводом велосипедной цепью. Хранилось на этом диске страшно сказать - 5 Мегабайт, в два раза меньше, чем внутри первого персонального компьютера образца 1983 года.

А всего за два года до появления PC/XT, когда RAMAC отмечал серебряный юбилей, я начал работать в Академии Наук и чертыхаясь вез на УАЗике из Пущино в Москву два шкафчика размером с небольшой холодильник. Каждый шкафчик хранил все те же 5 Мбайт на диске диаметром с колесо школьного велосипеда. С дисками этими я намаялся - они гудели, тряслись как стиральная машина во время отжима и часто ломались. Самой страшной проблемой были тараканы, по слухам отпрыски какой-то южноамериканской породы, привезенной одним из сотрудников института с целью физиологических экспериментов. Не один диск был потерян для науки - насекомые заползали в шкафчик и размазывались по магнитной поверхности. Я ругался, даже предположить не мог, что буду заниматься магнитной записью, работать в Калифорнии в лаборатории, в которой родился первый в мире диск, напишу несколько книжек.

В 2007 году, вскоре после 50-летия магнитной записи, я работал в Кремниевой долине в компании Хитачи, несколько лет назад купившей у IBM заводы и разработчиков магнитных дисков. В холле был выставлен один из первых RAMACов. Огромный шкаф служил музейным экспонатом, напоминанием о
временах былой славы. К нему водили экскурсии, дабы у посетителей и клиентов отпало всякое сомнение в шаткости нынешнего бизнеса - здесь шутки не шутят.

Во время одной из экскурсий директор лаборатории привычным движением открыл дверцы шкафа, демонстрируя гостям электронную начинку прибора, совершившего революцию в хранении данных. К его ужасу, внутри лежала маленькая коробочка размером с человеческую ладонь, хранившая 1 Терабайт данных (в 200 тысяч раз больше, чем RAMAC). На коробочке была приклеена записка "Привет из будущего!""

К описанному инцинденту я имел довольно-таки непосредственное отношение, хотя признаюсь, что диск подложил не я..

2. Сумма технологии

Бурное развитие магнитных дисков началось именно с появлением персональных компьютеров. Первые ?Винчестеры ? казались чудом после громоздких шкафов, стоявших в компьютерных залах. Через год емкость дисков приблизилась к 20 МБайт, еще через год к 40, и пошло-поехало... Изображения, музыка, компьютерные игры. А уж про размер операционной системы Windows и говорить не хочу. Один из бывших коллег по работе в Академии Наук, работающий теперь в Microsoft рассказывал, что одна из функций вывода текста на экран занимает около 30 тысяч строк кода...

Возрастала не только емкость, но и скорость записи. В 1993 году, когда я начал заниматься магнитной записью, аппаратура позволяла записывать 50 миллионов бит в секунду - от записи одного бита до записи другого всего каких-то 20 наносекунд. В прошлом году я продемонстрировал перезапись информации за примерно 250 пикосекунд - около 4 Гигабит в секунду. За это время свет пролетает всего 7.5 сантиметров.

Магнитный диск в магазине электроники стоит недорого, обычно не больше 100 долларов за сотни Гигабайт, а то и Терабайт, настоящий ширпотреб. Мало кто знает, что цена эта является довольно смехотворной, обычно диски приносят их производителям всего несколько центов прибыли, а часто и продаются с убытком. Компания в таком случае пытается расширить свою долю рынка и насолить конкурентам (их, кстати, совсем немного осталось - Seagate, Western Digital, Hitachi GST (бывший IBM) держат около 75% рынка).

И уж почти никто не знает, что современный диск - пожалуй одно из самых сложных устройств, созданных человечеством, настоящее чудо технологии. Нобелевская премия по физике 2007 года присуждена за эффект гигантской магниторезистивности (GMR). Этот эффект, широко разрекламированный как основной двигатель прогресса в магнитной записи,на самом деле лишь приложение одной из десятков суперсоверменных технологий, живущих внутри наших компьютеров.

Представьте себе, что вы нажали на кнопочку "запись" в текстовом редакторе. Во время записи в диске разыгрывается целая нанотехнологическая (это теперь модное слово) симфония. Во-первых, сложный алгоритм определяет свободные места на диске, дает команду головке сдвинуться и размещает ее над центром магнитной дорожки с точностью в доли нанометра. Головка как крыло самолета летит над диском на расстоянии в 3-5 нанометров, а бывает и ближе.

Информация кодируется, перемешивается, в нее добавляются специальные биты лля коррекции возможных ошибок. Теперь нолики и единички подаются на скоростную электронику, за 100 пикосекунд вырабатывающую импульсы тока с программируемыми параметрами. Эти импульсы распространяются по весьма хитроумным линиям передачи к записывающей головке. Принцип записи до сих пор не изменился - это генератор магнитного поля, сердечник с катушкой, но размер записывающего элемента всего несколько десятков нанометров. Сам этот элемент состоит из нескольких слоев, разделенных пленками в два-три атомных слоя - работают квантовые эффекты.

Магнитная среда обладает гистерезисом - она сохраняет свою намагниченность при приложении внешнего магнитного поля. Поэтому когда записывающая головка "ударяет" полем по среде, частички размерном в 5-6 нанометров вздрагивают и описывают сложную траекторию, спины их прецессируют согласно уравнениям Ландау-Лифшица, и в конце концов они переворачиваются и изменяют намагниченность. Все это происходит за сотню пикосекунд. Нолик и единичка кодируются направлением намагниченности среды

Если вы думаете, что магнитный диск - простая структура, то тоже глубоко ошибаетесь. Шероховатость поверхности диска составляет доли нанометра. Так что более идеального зеркала человечество, пожалуй, еще не придумало. Современный диск состоит из десятков тонких пленок толщиной всего в несколько нанометров с различными магнитными свойствами и промежуточными интерфейсами из редкоземельных элементов в несколько атомных слоев. Это сделано для создания антиферромагнитной связи между слоями и уменьшения шумов среды при записи.

Один бит информации сегодня занимает примерно объем в 25*75*10 нанометров, где 10 нанометров - "глубина" бита, 75 - ширина, то есть размер дорожки, а 25 нанометров - расстояние на дорожке между соседними битами. В современных магнитных пленках в этом объеме помещаются примерно 40-50 магнитных "зерен", направление намагниченности которых и хранит информацию.

Ну а если вам захотелось считать файл с диска, включается читающая головка. В нескольких десятках нанометров впихнуты наномагниты, пять-шесть слоев тонких пленок, туннельные квантовые барьеры... Небольшое магнитное поле изменяет сопротивление такой структуры, возникают импульсы напряжения, которые детектируются.

Для детектирования информации задействованы крайне сложные достижения современной теории сигналов и кодирования, методы максимума правдоподобия и итерационные схемы, многие из них основаны на результатах, полученных всего несколько лет назад.

Сложность современных магнитных дисков достигла такого уровня, что я предпочитаю не задумываться над тем, что происходит внутри коробочки.
Забавно, что современные диски часто мстят профессионалам. Один из моих знакомых, эксперт по восстановлению информации с отказавших дисков, рассказывал, что его собственный диск умер когда он писал статью про восстановление той самой информации и собирался нажать на решающую кнопку ?сохранить?...

3. Взлет и падение IBM и человеческий фактор

Они были первыми. В исследовательских лабораториях IBM, в которые я пришел в 1995 году работали "отцы-основатели" практически всех направлений в технологии современной магнитной записи. У компании IBM были основания для гордости. Они изобрели первые в мире тонкопленочные головки и среды. Они заменили малоэффективные индуктивные головки на магниторезистивные, а впоследствии GMR. Одновременно они заменили старый метод детектирования сигнала на новый, разработанный в стенах исследовательского центра. PRML (Partial respone maximum likelihood) - одно это таинственное название вызывало ужас у конкурентов. Инженеры и ученые IBM были очень горды собой - они ставили рекорд за рекордом и утверждали, что совершили такой скачок, что остальная промышленность никогда их не догонит.

По иронии судьбы, я внес определенный вклад в развенчание этой точки зрения. В начале 90-х годов я начал работать в компании, разрабатывающей тестирующее оборудование для дисковой промышленности и мне предстояло разобраться с тем, что же такое сделал IBM в детектировании сигналов. Я тщательно прочел все имеющиеся статьи и труды конференций и с ужасом осознал, что ничего не понимаю. Казалось, статьи эти были написаны с тем расчетом, чтобы навести страх на окружащих, рассказав им минимум информации. Как выяснилось позже, это во многом было действительно так, но в ряде случаев и сами авторы не очень понимали о чем они пишут. Тогда мне пришлось восстанавливать недостающие звенья, привлекая знания из смежных областей В результате была опубликована книга, ставшая крайне популярной среди инженеров от Калифорнии до Японии. Забавно, что популярна она стала и в святая святых ? в IBM, в результате меня пригласили на работу, допустив к тайнам двора. Спустя несколько лет местные гуру не могли поверить, что конкуренты давно обогнали их в методах детектирования. Им пришлось доказывать это, раз за разом, преодолевая инерцию мышления. В конце концов они спохватились, но было уже поздно.

Примерно такая же история произошла и с чувствительными читающими головками. Несмотря на заверения о том, что IBM обогнал промышленность на десятилетия, спустя всего пару лет головки конкурентов превосходили IBM-овские по чувствительности и шумам.

В то же время было значительно сокращено финансирование исследовательских работ (руководство IBM решило, что они все равно самые передовые). Одновременно был сделан ряд административных ошибок в стиле театра абсурда - успешный отдел распустили, передав его функции японскому филиалу, людей уволили, а когда спохватились было уже поздно.

Бизнес IBM из прибыльного стал становиться убыточным, и около 5 лет назад детище IBM было продано Хитачи, которая хотела утвердиться на рынке записи. А IBM занялась более выгодными софтверными технологиями.

Мои коллеги, многие из которых были отцами-основоположниками магнитной записи были потрясены ? им предложили уходить на пенсию, дело жизни рушилось. Я их утешал: ?Да бросьте, - говорил я, - на моих глазах не то что научная область, целая страна развалилась, и ничего.?

Мы переезжали из исследовательского центра IBM в Калифорнии. Лаборатории уже были пустыми, приборы упакованы. В коридоре бродил мой знакомый-физик, который пока был оставлен работать в IBM. Он соответствовал образу классического рассеянного ученого и ходил по коридору, пытаясь найти полезные железяки среди гор старой списанной аппаратуры и прочего лабораторного мусора.

- Не отчаивайтесь, друзья мои,- сказал он. - Да, это грустно, несправедливо, но вы продвинули развитие нашей цивилизации как никто другой. Где бы мы были без дешевых дисков....Далее он провел аналогии с Римской империей, разрушенной варварами, и неизвестно, куда бы растеклась его извилистая мысль, если бы не пришли грузчики.

Впрочем, за 5 прошедших лет Хитачи так и не получила прибыли от дисковой промышленности, зато убытков понесла множество...

4. Природа сопротивляется

На протяжении десятилетий ученые с пессимизмом предсказывали, что дни магнитной записи сочтены. Но каждый раз происходила очередная технологическая революция, незаметная для окружающих. Нанотехнология, физика магнетизма, квантовые эффекты, химия поверхностей, высокоточная механика, теория информации ? в диске соединились последние достижения в этих областях. Современные диски используют достижения по крайней мере двух недавних ?революций?: переход к "перпендикулярной" магнитной записи с вертикальной ориентацией магнитных доменов в плоскости диска, и высокочувствительные туннельные магниторезистивные головки, работающие на основе квантового туннельного эффекта.

Но физические ограничения все же берут свое ? природу не обманешь. Например, процесс прецессии при перемагничивании среды определяется частотой ферромагнитного резонанса и занимает примерно 100 пикосекунд, так что пока не очень понятно, как достичь скорости записи быстрее 10 Гигабит в секунду.

Одна из основных проблем, с которой приходится бороться - устойчивость записанной информации, так называемый суперпарамагнитный эффект. Для того, чтобы записанная на диск информация сохранялась в течение десятков лет, необходимо, чтобы тепловой фон среды (тепловые флуктуации) не привод ил к спонтанному размагничиванию битов информации. Достичь этого трудно - для повышения плотности записи требуется как можно более маленький размер элементарных "зернышек" магнитной среды, их устойчивость теряется при размерах частичек в несколько нанометров. Я работал с экспериментальными средами и с интересом наблюдал тепловой распад на экране осциллографа - записанные биты информации дрожали, уменьшались и через минуту исчезали с экрана.

В сентябре 2007 года компания Western Digital объявила очередной рекорд - была продемонстрирована запись 500 Гигабит информации на площади в квадратный дюйм (2.54*2.54 сантиметра)..

Поскольку я принимал участие в нескольких таких ?рекордах?, я всегда вспоминаю анекдот про алкоголика и кошку, которую он выжимал (?Ну кисонька, ну еще, ну еще капельку?). При разработке новых продуктов в дисковой промышленности происходит ровно то же самое. По крохам, по долям децибела выжимется все возможное из среды, записи, чтения, детектирования...

Так или иначе, в течение уже нескольких лет мечтой промышленности, поставленной во главу угла является Терабит на квадратный дюйм, думаю, что цель эта будет достигнута в течение года или двух.

5. Что же дальше?

В настоящее время наиболее перспективными являются два направления, в которых идут активные исследования. Первое из них - дискретные среды (patterned media), в которых диск вместо непрерывной магнитной пленки состоит из дискретных магнитных островков размером в несколько нанометров. Такие структуры удается сделать в небольших масштабах (десятки микрон), получится ли создать однородный диск скажем диаметром в 65 мм без дефектов пока не ясно. Да и физика перемагничивания этих наноостровков оказалась значительно сложнее, чем ожидалось.

Вторым направлением является метод записи с локальным разогревом среды. Это позволяет записывать информацию на диск с очень высоким коэрцетивным порогом и тем самым обеспечить устойчивость к тепловым флуктуациям. Записывающая головка в таком диске совмещена с лазером, который локально нагревает магнтную среду в момент записи информации. Разогрев происходит за доли наносекунды в области десятков нанометров. Еще пару лет назад казалось, что это фантастика, ведь длина волны света в десятки раз больше, но человеческий разум изощрен и первые экспериментальные образцы уже появились в лабораториях. Все же пока неясно, насколько надежным и дешевым будет практическое использование этого метода.

Апологеты электронной памяти предрекают скорую гибель магнитных дисков. Некоторые основания у них безусловно есть - флэш память, например, дешевеет стремительно, а плотность ее каждый год удваивается.Производители флеш-памяти пытаются создать трехмерные микросхемы, и судя по всему добьются успеха, так что не исключено, что лаптоп с 200-300 Гигабайтами флэш памяти по доступной цене появится через несколько лет. Однако не следует забывать, что у электронной флеш-памяти достаточно своих проблем. При уменьшении размеров записывающих ячеек время хранения информации уменьшается - сейчас оно специфицируется примерно десятью годами. К тому же, одной из основных и до сих пор нерешенных проблем является ограниченное число циклов записи - примерно через сто тысяч циклов происходит разрушение барьера и ячейка памяти перестает работать. Музыку и фотографии на флэш-памяти хранить можно, а вот постоянно переписывать содержимое ячеек нельзя. Мои знакомые пробовали ставить флэш память вместо диска в один из компьютерных серверов ? она отказала через две недели, ресурс перезаписи был исчерпан.

Так что в ближайшие годы диски не исчезнут, скорее наоборот, потребность в них возрастет - теперь на них хранят видеоинформацию, и чем дальше - тем больше. Думаю, что дешевые, компактные магнитные диски с 10 Терабайтами памяти и скоростью записи несколько Гигабит в секунду станут доступны через несколько лет. Произойдет и симбиоз дисков с флэш-памятью, он уже начался и будет набирать обороты.

автор