Эволюция носителей информации реферат
Обновлено: 04.07.2024
Технологии хранения данных активно совершенствуются со времен появления первых компьютеров. Еще вчера мы пользовались 1,44-мегабайтными дискетами, а сегодня в продаже можно найти 256-гигабатные флеш-накопители. А ведь это далеко не предел. Пока инженеры трудятся над созданием новых, более прогрессивных носителей информации, мы вспоминаем, как повлияли на компьютерную индустрию перфокарты, магнитные ленты и форматы CD и DVD.
С древнейших времен люди искали способы записи и хранения различной информации. Сначала они рисовали на скалах и глине. Затем появился пергамент, а позже — бумага. В XX веке с появлением первых компьютеров хранить информацию стало легче, но эволюция носителей информации лишь ускорилась. Казалось бы, еще вчера мы записывали нужные нам файлы на дискеты. А сегодня мы уже пользуемся 256-гигабайтными флешками! В общем, развитие технологий хранения информации не стоит на месте. Поэтому в этот раз мы вспоминаем, с чего же началась история компьютерных носителей информации, и расскажем о том, каких результатов добилась индустрия к концу XX века.
В таком виде сохраняли информацию в былые времена
Станок Жаккара. Перфокарты
История носителей информации берет свое начало в начале XIX века. Причем в роли прародителя запоминающих устройств выступает — кто бы мог подумать! — ткацкий станок. Автором первого изобретения в области хранения данных стал французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар. Долгое время он работал со станками в качестве подмастерья, ткача и наладчика, поэтому богатый опыт значительно помог ему в дальнейшей изобретательской деятельности. Итак, в чем же заключалась инновационная идея Жаккара? Несмотря на то, что производство ткани в то время являлось довольно сложным процессом, по своей сути оно представляло собой постоянное повторение одних и тех же действий. Жаккар пришел к выводу, что этот процесс можно автоматизировать.
Жозеф Мари Жаккар — создатель ткацкого станка, использующего перфокарты
Французский изобретатель придумал такую систему, которая использовала в своей работе специальные твердые пластины с отверстиями. Они и являлись первыми в мире перфокартами. Прежде подобные пластины использовались в станках Вокансона и Бушона, однако эти устройства были слишком дороги в производстве и по этой причине так и не прижились. В своей же разработке Жаккар учел все недостатки этих аппаратов. В пластинах было увеличено количество рядов отверстий, что обеспечило обработку большего числа нитей, а, следовательно, и повышение производительности станка. Кроме этого, был значительно упрощен процесс подачи пластин в считывающее устройство — набор щупов, связанных со стержнями нитей. При проходе пластины щупы проваливались в отверстия, поднимая вверх соответствующие нити и образуя основные перекрытия в ткани. Таким образом, определенная комбинация отверстий на пластине позволяла создать ткань с нужным узором.
Ткацкий станок Жаккара
Первый автоматизированный станок Жаккар создал в 1801 году и на протяжении еще нескольких лет дорабатывал его. За свои достижения изобретатель получил пенсию в 3000 франков и одобрение Наполеона. Однако ни сам Жаккар, ни французский император не имели ни малейшего понятия, насколько важным станет это изобретение в будущем.
В 30-х годах XIX века на разработанные Жаккаром перфокарты обратил внимание английский математик Чарльз Бэббидж. В то время ученый ум трудился над созданием аналитической машины и решил использовать в ее конструкции перфокарты. Для этого англичанин даже совершил путешествие во Францию с целью подробно изучить станки Жаккара. Увы, но из-за низкого уровня технологий и недостатка финансовых средств аналитическая машина Бэббиджа так и не увидела свет. Тем не менее, ее конструкция стала впоследствии прообразом современных компьютеров.
Кроме этого, перфокарты использовались в табуляторе, разработанном в 1890 году Германом Холлеритом. Табулятор являлся механизмом для обработки статистических данных и использовался на благо Бюро переписи населения США. Кстати, созданная Холлеритом компания Tabulating Machine Company в конечном итоге была переименована в International Business Machines (IBM). На протяжении нескольких десятков лет IBM развивала и продвигала технологию перфокарт. В середине XX века они использовались повсеместно, получив особенно широкое распространение в компьютерной технике и различных станках. Закат эпохи перфокарт пришелся на 1980-е годы, когда на смену им пришли более совершенные магнитные носители информации. Интересно, что отдел исследования перфокарт компании IBM существовал вплоть до 2000-х годов. Например, в 2002 году в IBM изучали создание перфокарты размером с почтовую марку, которая могла бы содержать до 25 миллионов страниц информации.
Магнитные диски
Магнитная лента использовалась в компьютере UNIVAC-I
Впервые магнитная лента была применена в коммерческом компьютере UNIVAC-I, выпущенном в 1951 году. Кстати, его первый экземпляр попал в то же самое Бюро переписи населения США. Магнитная пленка, используемая в UNIVAC-I, была намного более емкой, нежели перфокарты. Ее объем равнялся емкости десяти тысяч перфокарт, то есть он составлял примерно 1 Мбайт.
Развитие технологии магнитных лент продолжалось до 1980-х годов. В течение этого времени подобные накопители использовались в основном в мейнфреймах и мини-компьютерах. Ну а с 80-х годов магнитная лента использовалась лишь для резервного хранения данных. Этому способствовало то, что ленточные картриджи оставались надежным и очень дешевым носителем информации. Но даже несмотря на эти преимущества, к концу 2000-х годов специалисты предрекали конец эпохи магнитных лент — цены на жесткие диски продолжали падать. Вдобавок они предлагали высокую плотность записи. Начиная с 2008 года, рынок ленточных накопителей уменьшался примерно на 14% в год, и даже ярые сторонники технологии признавали, что у нее нет шансов на выживание. Однако ситуация резко изменилась в 2011 году. В Таиланде произошло наводнение, продолжавшееся, по официальным данным, 175 дней. В результате наводнения было затоплено несколько индустриальных зон, где были расположены заводы по производству жестких дисков таких компаний, как Seagate, Western Digital и Toshiba. Как итог, цены на продукцию возросли на 60%, а объемы производства упали. Так магнитная лента получила вторую жизнь.
Магнитная лента IBM
Стоит отметить, что ленточные накопители, как правило, используются в тех сферах, где необходимо хранить очень большое количество информации. Например, в каких-либо крупных исследованиях. Так, магнитную ленту используют для записи результатов исследований на Большом адронном коллайдере. О преимуществах технологии в свое время рассказывал Альберто Пейс (Alberto Pace) — глава подразделения обработки и хранения данных CERN. Он отметил, что магнитная лента имеет четыре основных преимущества над жесткими дисками. Прежде всего, это скорость. Несмотря на то, что специализированному роботу требуется до 40 секунд, чтобы выбрать нужную кассету и вставить ее в считыватель, чтение данных из ленты происходит в четыре раза быстрее, чем с жесткого диска. Еще одним преимуществом магнитной ленты, по словам Пейса, является ее надежность. Если она рвётся, то ее можно легко склеить. В этом случае теряется лишь несколько сотен мегабайт данных. Когда выходит из строя жесткий диск, теряются абсолютно все данные. Глава подразделения CERN привел некоторые статистические данные, касающиеся надежности устройств. Так, в среднем за год в CERN из 100 петабайт данных, хранящихся на магнитных лентах, теряется лишь несколько сотен мегабайт. На жестких дисках располагается около 50 петабайт информации, и каждый год организация теряет до нескольких сотен терабайт в результате неисправностей HDD. Третьим преимуществом магнитной ленты является ее энергоэффективность, а точнее, экономичность. Сами ленты хранятся в неактивном состоянии, следовательно, они не потребляют энергию. Наконец, четвертое — это безопасность. Если злоумышленники получат доступ к жестким дискам, то они смогут уничтожить всю информацию за считанные минуты. В случае с магнитными лентами на это может уйти не один год.
Хранилище магнитных лент в CERN
Еще на два преимущества ленточных накопителей указал Эвангелос Элефтеро — руководитель отдела технологий хранения данных исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе. Он отметил, что магнитные ленты все еще дешевле, чем жесткие диски. 1 Гбайт HDD стоит примерно 10 центов, тогда как стоимость аналогичной емкости магнитной ленты оценивается в 4 цента. Также Элефтеро обратил внимание на долговечность лент. Такой накопитель будет служить верой и правдой даже через 30 лет, в то время как рабочий цикл жесткого диска составляет всего 5 лет.
Тем не менее, стоит понимать, что магнитные ленты уже никогда не будут использоваться как единственная система хранения данных. Они занимают важное место в иерархической структуре хранения информации, но не являются (и не будут) ее основным звеном.
Дискеты
По своей конструкции дискета представляла собой диск из полимерных материалов, на который наносилось магнитное покрытие. Пластиковый кожух имел несколько отверстий. Центральное предназначалось для шпинделя дисковода, малое отверстие являлось индексным, то есть позволяло определить начало сектора. Наконец, через прямоугольное отверстие с закругленными углами магнитные головки дисковода работали непосредственно с диском.
Потребность хранить какую-либо информацию у человека появилась еще в доисторические времена, чему яркий пример — наскальная живопись, которая сохранилась и по сей день. Наскальные рисунки можно по праву назвать самым износостойким носителем информации на данный момент, хотя с портативностью и удобством использования есть некоторые трудности. С появлением ЭВМ (и ПК в частности) разработка емких и удобных в использовании носителей информации стала особенно актуальной.
Бумажные носители
В первых компьютерах использовалась перфокарты и перфорированная бумажная лента, намотанная на бобины, так называемая перфолента. Ее прародителями были автоматизированные ткацкие станки, в частности машина Жаккара, финальный вариант которой был создан изобретателем (в честь которого она и названа) в 1808 году. Для автоматизации процесса подачи нитей использовались перфорированные пластины:
Перфокарты — картонные карточки, которые использовали подобный метод. Их было много разновидностей, как с отверстиями, которые отвечали за "1" в двоичном коде, так и текстового вида. Самым распространенным был формат IBM: размер карты составлял 187х83 мм, на ней инфомация располагалась в 12 строк и 80 столбцов. В современных терминах, одна перфокарта хранила 120 байт информации. Для ввода информации перфокарты нужно было подавать в определенной последовательности.
В перфоленте используется тот же принцип. Информация хранится на ней в виде отверстий. Первые компьютеры, созданные в 40-х годах прошлого века работали как с вводимыми с помощью перфоленты в реальном времени данными, так и использовали некое подобие оперативной памяти, преимущественно с использованием электронно-лучевых трубок. Бумажные носители активно использовались в 20-50 годах, после чего постепенно начали заменяться магнитными носителями.
Магнитные носители
В 50-х годах началось активное развитие магнитных носителей. За основу взято было явление электромагнетизма (образование магнитного поля в проводнике при пропускании тока через него). Магнитный носитель состоит из поверхности, покрытой ферромагнетиком и считывающей/пишущей головки (сердечник с обмоткой). По обмотке протекает ток, появляется магнитное поле определенной полярности (в зависимости от направления тока). Магнитное поле воздействует на ферромагнетик и магнитные частицы в нем поляризуются в направлении действия поля и создают остаточную намагниченность. Для записи данных на разные участки производится воздействие магнитным полем разной полярности, а при считывании данных регистрируются зоны, в которых изменяется направление остаточной намагниченности ферромагнетика. Первыми такими носителями были магнитные барабаны: большие металлические цилиндры, покрытые ферромагнетиком. Вокруг них устанавливались считывающие головки.
После них появился жесткий диск в 1956 году, это был 305 RAMAC компании IBM, который состоял из 50 дисков диаметром 60 см, по размером был соизмерим с большим холодильником современного формата Side-by-Side и весил чуть меньше тонны. Его объем составлял невероятные по тем временам 5 МБ. Головка свободно перемещалась по поверхности диска и скорость работы была выше, чем у магнитных барабанов. Процесс погрузки 305 RAMAC в самолет:
Объем быстро начал увеличиваться и в конце 60-х годов IBM выпустила высокоскоростной накопитель с двумя дисками емкостью по 30 МБ. Производители активно работали над уменьшением габаритов и к 1980 году жесткий диск имел размеры 5.25-дюймового привода. С тех времен конструкция, технологии, объем, плотность и размеры претерпели колоссальных изменений и самыми популярными стали форм-факторы и 3.5, 2.5 дюйма, в меньшей мере — 1.8 дюйма, а объемы уже достигают десятка терабайт на одном носителе.
Некоторое время использовался еще формат IBM Microdrive, который представлял из себя миниатюрный жесткий диск в форм-факторе карты памяти CompactFlash тип II. Выпущен в 2003 году, позже продан компании Hitachi.
Параллельно развивалась магнитная лента. Появилась она вместе с выходом первого американского коммерческого компьютера UNIVAC I в 1951 году. Опять же постаралась компания IBM. Магнитная лента представляла из себя тонкую пластиковую полосу с магниточувствительным покрытием. С тех времен использовалась в самых разных форм-факторах.
Начиная с бобин, ленточных картриджей и заканчивая компакт-кассетами и видеокассетами VHS. В компьютерах использовались начиная с 70 годов и заканчивая 90-ми (уже в значительно меньших количествах). Часто в качестве внешнего носителя к ПК использовался подключаемый магнитофон.
Накопители на магнитной ленте под названием Стримеры применяются и сейчас, преимущественно в промышленности и крупном бизнесе. На данный момент используются бобины стандарта Linear Tape-Open (LTO), а рекорд в этом году поставили IBM и FujiFilm, умудрившись записать на стандартную бобину 154 терабайта информации. Предыдущий рекорд — 2.5 терабайт, LTO 2012 года.
Еще один тип магнитных носителей — дискеты или флоппи-диск. Тут слой ферромагнетика наносится на гибкую, легкую основу и помещается в пластиковый корпус. Такие носители были просты с точки зрения изготовления и отличались невысокой стоимостью. Первая дискета имела форм-фактор 8 дюймов и появилась в конце 60-х. Создатель — опять IBM. К 1975 году емкость достигла 1 МБ. Хотя популярность дискеты заработали благодаря выходцам из IBM, которые основали собственную компанию Shugart Associates и в 1976 году выпустили дискету формата 5.25 дюйма, емкость составляла 110 КБ. К 1984 году емкость уже составляла 1.2 МБ, а Sony подсуетилась с более компактным форм-фактором 3.5 дюйма. Такие дискеты до сих пор можно найти у многих дома.
Компания Iomega выпустила в 1980-х картриджи с магнитными дисками Bernoulli Box, емкостью 10 и 20 МБ, а в 1994 году — так называемые Zip размера 3.5 дюйма объемом 100 МБ, до конца 90-х они достаточно активно использовались, но конкурировать с компакт-дисками им было не по зубам.
Оптические носители
Оптические носители имеют форму дисков, чтение с них ведется с помощью оптического излучения, обычно лазера. Луч лазера направляется на специальный слой и отражается от него. При отражении луч модулируется мельчайшими выемками на специальном слое, при регистрации и декодировании этих изменений восстанавливается записанная на диск информация. Впервые технологию оптической записи с использованием светопропускающего носителя была разработана Дэвидом Полом Греггом в 1958 году и запатентована в 1961 и 1990 годах, а в 1969 году компания Philips создала так называемый LaserDisc , в котором свет отражался. Впервые публике LaserDisc был показан в 1972 году, а в продажу поступил в 1978. По размеру он был близок к виниловым пластинкам и предназначался для фильмов.
В семидесятых годах началась разработка оптических носителей нового образца, в результате Philips и Sony представили в 1980 году формат CD (Compact Disk), который был впервые продемонстрирован в 1980 году. В продажу компакт-диски и аппаратура поступили в 1982 году. Изначально использовались для аудио, помещалось до 74 минут. В 1984 году Philips и Sony создали стандарт CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) для любых типов данных. Объем диска составлял 650 МБ, позже — 700 МБ. Первые диски, которые можно было записывать в домашних условиях, а не на заводе были выпущены в 1988 году и получили название CD-R (Compact Disc Recordable), а CD-RW, позволяющие многократную перезапись данных на диске, появились уже в 1997.
Форм-фактор не менялся, увеличивалась плотность записи. В 1996 году появился формат DVD (Digital Versatile Disc), который имел ту же форму и диаметр 12 см, а объем — 4.7 ГБ или 8.5 ГБ у двухслойного. Для работы с DVD-дисками были выпущены соответствующие приводы, обратно совместимые с CD. В последующие годы было выпущено еще несколько стандартов DVD.
В 2002 году миру были представлены два разных и несовместимых формата оптических дисков нового поколения: HD DVD и Blu-ray Disc (BD). В обоих случаях для записи и чтения данных используется голубой лазер с длинной волны 405 нм, что позволило еще увеличить плотность. HD DVD способен хранить 15 ГБ, 30 ГБ или 45 ГБ (один, два или три слоя), Blu-ray — 25, 50, 100 и 128 ГБ. Последний стал более популярен и 2008 году компания Toshiba (один из создателей) отказалась от HD DVD.
Полупроводниковые носители
В 1984 году компания Toshiba предложила полупроводниковые носители, так называемую флэш-память NAND, которая стала популярна спустя десятилетие после изобретения. Второй вариант NOR был предложен Intel в 1988 году и используется для хранения программных кодов, например BIOS. NAND-память используется сейчас в картах памяти, флэшках, SSD-накопителях и гибридных жестких дисках.
Технология NAND позволяет создавать чипы с высокой плотностью записи, она компактна, менее энергозатратна в использовании и имеет более высокую скорость работы (в сравнении с жесткими дисками). Основным минусом на данный момент является достаточно высокая стоимость.
Облачные хранилища
С развитием всемирной сети, увеличением скоростей и мобильного интернета появились многочисленные облачные хранилища, в которых данные хранятся на многочисленных распределенных в сети серверах. Данные хранятся и обрабатываются в так называемом виртуальном облаке и пользователь имеет к ним доступ при наличии доступа в интернет. Физически серверы могут находиться удаленно друг от друга. Есть как специализированные сервисы типа Dropbox, так и варианты компаний-производителей ПО или устройств. У Microsoft — OneDrive (ранее SkyDrive), iCloud у Apple, Google Диск и так далее.
Подписывайтесь на наш нескучный канал в Telegram, чтобы ничего не пропустить.
Читайте также: