60 let pevného disku jako média pro ukládání dat

Pevný disk slaví 60. narozeniny. Znamená to, že je na odchodu do penze? Vůbec ne! Zařízení, které bylo 4. září 1956 představeno veřejnosti pod názvem IBM 350, zůstává i nadále nenahraditelným prostředkem pro ukládání dat. Nutno ale připustit, že s hmotností kolem jedné tuny a výškou 172 cm nevypadal tento novorozenec jako něco, co by se mohlo hromadně rozšířit. Na počátku nebylo ani co koupit, protože pevný disk byl součástí počítače IBM 305, který se mohl pouze pronajímat za 3 200 dolarů měsíčně, přičemž k převezení byl potřeba nákladní letoun.

Princip pevného disku zůstal stejný do dnešních dnů. Médium, na které se ukládají data, tvoří rotující disk s magneticky citlivým povrchem. Ukládání dat se provádí magnetizací povrchu disku, která probíhá specifickým způsobem s pomocí hlavy pro čtení a zápis dat (read-write head), pohyblivě umístěné těsně nad povrchem rotujícího disku. Zápis zakódovaných dat na disk probíhá změnou magnetizace malé plošky disku, zatímco čtení uložených dat probíhá detekováním magnetických plošek disku a jejich rozkódováním. Aby se tak stalo, hlava se vrátí do místa na disku (zvaného „track“), ve kterém byla data zapsána, a čeká, až se data dostanou pod hlavu otáčením disku. Magnetický vzor povrchu disku je detekován ve formě analogového signálu, který je potom převeden zpět na digitální informaci.

Před 60 lety umožnila tehdejší technika zajistit na IBM disku téměř 5 MB kapacity pro uložení dat. IBM 350 obsahoval 50 hliníkových disků o průměru 24 palců (téměř 61 cm) a 2 read-write hlavy. Disky se otáčely rychlostí 1 200 ot/min a doba přístupu k datům byla 600 ms.

Netrvalo dlouho a tento vynález se stal centrem pozornosti a následného výrazného vylepšování. Velikost a spotřeba energie se zmenšovala, zatímco kapacita a rychlost přístupu k datům se rapidně zvyšovala. Pouze o několik let později, v roce 1962, představila firma IBM nový model pevného disku – IBM 1301 s kapacitou 25 MB, který měl již „pouze“ 20 disků s 1 800 ot/min. Podstatným vylepšením bylo zavedení read-write hlavic pro každý rotující disk, čímž se přístupová doba k datům snížila na 180 ms. Takový disk již bylo možné koupit za 115 tisíc dolarů.

Původně byla společnost IBM jediným výrobcem pevných disků, ale brzy se objevily další firmy, které si nechtěly nechat ujít příležitost dalšího vývoje a výroby: v roce 1963 přišla Fujitsu, o dva roky později CDC, v roce 1967 Toshiba, Hitachi a DEC. Na začátku nového milénia nabízelo pevné disky již 15 hlavních dodavatelů, ale tento počet zase postupně klesal jen na několik výrobců – Western Digital, Seagate a Toshiba.

Společnost Seagate nabízela v roce 1980 svůj model ST-506 za 1 500 dolarů. Ten měl sice kapacitu pouhých 5 MB, ale zato měl na svou dobu nejmenší rozměry – byl to první 5,25" disk. Tato velikost byla standardem až do 90. let minulého století.

V roce 1983 přišla firma Rodime s modelem RO352, který byl prvním diskem o rozměrech 3,5", s kapacitou 10 MB. První 2,5" disk byl vyroben firmou PrairieTek v roce 1988 – model PrairieTek 220.

Obr. 1 Pevný disk o velikosti 2,5"

Až do začátku 80. let minulého století nebyly pevné disky běžným vybavením počítačů, protože byly velmi drahé. Ale již na konci dekády se staly standardní součástí většiny osobních počítačů. Kapacita disku se neustále zvyšovala s tím, jak se nacházely nové možnosti v technice záznamu dat – na začátku byla označována v MB, od poloviny devadesátých let v GB a od roku 2008 dokonce v TB.

Na pevném disku bylo vždy co vylepšovat. V roce 1990 přišla společnost IBM s modelem IBM 0681 Redwing, který měl kapacitu 857 MB při velikosti 5,25". Byl to první pevný disk s PMRL technologií, což byla nová metoda převodu analogového signálu na digitální, která se stala standardem pro všechny moderní pevné disky. Tato metoda umožnila podstatně přesnější detekci magnetických signálů během čtení a zvýšila rozsah hustoty dat zapsaných na měrné jednotce povrchu disku.

V roce 1991 představila společnost Integral Peripherals svůj model ‚1820 Mustang‘ – první disk o velikosti 1,8" a s kapacitou 21,4 MB. Společnost HP předvedla o rok později model Kittyhawk, první 1,3" disk, který měl kapacitu 20 MB.

Firma Toshiba přišla s novým převratným diskem v roce 2004. Její model MK2001MTN měl již kapacitu 2 GB při velikosti pouhých 0,85", kterou doposud nikdo nepřekonal.

V roce 2005 představila Toshiba první 1,8" disky s kapacitou 40 a 80 GB, které používaly tzv. PR (perpendicular recording). Při tomto způsobu záznamu dat na disk jsou magnetická pole zarovnána k povrchu rotujícího disku v pravých úhlech, nikoliv přes disk, což umožňuje zvýšit poměr kapacity a plochy až o 33 %.

Prvním pevným diskem s kapacitou 1 TB byl v roce 2007 disk Hitachi Deskstar 7K1000 o velikosti 3,5".

V roce 2010 přišly pevné disky s tzv. Advanced Format. Pevné disky ukládají data v logických blocích (sectors). Až do roku 2010 používali všichni výrobci jednotnou velikost sektoru – 512 bytů. Obchodní organizace IDEMA rozhodla o zvýšení velikosti sektoru na 4 096 bytů (4 kB). To umožnilo zvýšit hustotu uložených dat a vytvořit disky s kapacitou přes 2,2 TB.

V roce 2013 byl představen pevný disk Ultrastar He8 o velikosti 3,5" od HGST, který byl jako první vyplněn heliem. Tato technika umožnila použít součástky menších velikostí, což ve svém důsledku dále umožnilo použít více disků v jednotce a dosáhnout kapacity až 6 TB. Použití helia v pevném disku mělo i další výhody – nižší spotřebu energie, menší generování tepla a nižší hlučnost.

V roce 2014 předvedla společnost Seagate model Archive HDD v2, první pevný disk s kapacitou 8 TB, který používal techniku SMR (Shingled Magnetic Recording). SMR je metoda zápisu dat, při které se magnetické stopy záznamu (tracks) navzájem překrývají, místo aby byly paralelně vedle sebe. To opět zvyšuje hustotu záznamu na jednotce plochy a tím i celkovou kapacitu pevného disku.

V průběhu času se na pevném disku provedlo mnoho modifikací. Zpracování dat se vyvíjelo neuvěřitelnou rychlostí s tím, jak se požadavky kladené na disk upřesňovaly. Před 60 lety si dokázalo představit budoucnost pevného disku jen několik málo lidí. V té době se i samotná firma IBM dívala na vzniklý pevný disk jenom jako na alternativní možnost ukládání dat, zatímco nyní to je nenahraditelná součást digitálního světa.

V některých oblastech výpočetní techniky ale došlo v poslední době k poklesu zájmu o pevné disky. Je to způsobeno pokrokem tzv. flash pamětí. Ty mají výhody v menších rozměrech, vyšší rychlosti a nižší ceně, takže v případech, kdy se nejedná o velké kapacity paměti, úspěšně nahrazují pevný disk. Na rozdíl od pevného disku nepoužívá flash technika žádné mechanické součásti. Data jsou uložena ve formě elektrických nábojů v tzv. plovoucích hradlech (floating gate). Budoucí vývoj velmi pokročilých flash technik, jako je např. 3D-NAND, umožní konkurovat pevnému disku i v případě velkých objemů dat. Ale i ty budou pod neustálým tlakem náročných požadavků a nových možností ukládání dat, jako např. paměti využívající atomy chlóru. Tato budoucí technika slibuje zvýšit hustotu záznamu až 500× v porovnání s dnešními nejvýkonnějšími způsoby ukládání dat. Úložné médium založené na DNA, které pracuje na molekulární úrovni, nabízí rovněž mnohem větší hustotu záznamu.

Nicméně pevný disk zatím nemá přímého konkurenta, zejména když se jedná o ukládání velkých objemů dat. I v porovnání s flash pamětí má pořád ještě jednu velkou výhodu, kterou je cena za uložený gigabyte dat. V době velkých objemů dat, IoT a využívání cloudu zůstává tato výhoda významným argumentem pro používání pevných disků.

V posledních letech generujeme stále větší a větší objemy dat. 90 % dat, která dnes existují, pochází z posledních dvou let. V současné době je každou minutu posláno kolem 204 miliónů emailů, na YouTube je nahráno 12 hodin video záznamů, posláno 277 tisíc tweetů a 216 tisíc obrázků je vystaveno na Instagramu. Internet of Things (IoT) je v současné době napojen na přibližně 6,4 miliardy zařízení a strojů.

Nároky na kapacitu úložiště se zvyšují paralelně s objemem dat, která jsou generována. Podle prognóz IDC dosáhne příští rok objem uložených dat ve světě neuvěřitelných 16 triliónů GB. Tam, kde se pracuje s takovým objemem dat, mají rozdíly několika centů za úložné médium celkovou hodnotu miliónů dolarů. Řešení pomocí flash techniky v takových případech není proveditelné, aniž by se investovaly miliardy do výrobních zařízení.

Obr. 2 Datové centrum

Z pohledu budoucnosti tak šedesát let stará technika hraje i nadále důležitou roli. Podle společnosti PwC zamýšlejí firmy do roku 2020 investovat přibližně 910 miliard dolarů ročně do Industry 4.0. V té době bude k IoT připojeno 21 miliard zařízení a strojů, přičemž podle odhadů firmy Seagate budou generovat 40 zettabytů dat. Poptávka po levných úložištích dat se tak ještě zvýší. Pro pevný disk to znamená další vývoj s cílem zvýšit kapacitu a rychlost. Jedním z možných vylepšení může být např. technika HAMR. Ta využívá laser, který při zápisu dat krátkodobě zvýší teplotu magnetického materiálu na 450 °C. Protože se tak zmenší samotná stopa záznamu (track), bude stačit i menší hlava pro zápis.

Otázkou, která zůstává, je způsob vybrání vhodného pevného disku pro určitou aplikaci. Pevný disk slaví šedesátiny a pro firmu Rutronik je již 30 let důležitým komponentem, pro který se snaží nalézt vhodné použití v průmyslu. Rutronik dodává pevné disky všech velikostí a kapacit, které jsou v současnosti dostupné a bude tak i nadále pokračovat ve spolupráci s předními výrobci – Intel, Swissbit, Apacer, Toshiba a Transcend. Tito dodavatelé jsou schopni splnit všechny požadavky zákazníků s ohledem na kvalitu, dobu dodání a cenu, včetně specifických požadavků pro speciální aplikace. Rutronik na druhé straně podporuje své zákazníky prostřednictvím svých specialistů při výběru vhodného disku.