Как сохранить данные в век информации

Факты и цифры

Раздвигая границы технологий

Что за горизонтом?

Всякий раз, когда вы выходите в Интернет, отправляете сообщение по электронной почте, играете на онлайновой бирже, пользуетесь банкоматом или смотрите очередной голливудский боевик, вы имеете дело с колоссальными объемами цифровой информации: создаете ее, обращаетесь к ней, делитесь ею с другими людьми. Но что если в один прекрасный день вы вдруг лишитесь всех этих возможностей?

изнь нашего сетевого и цифрового мира напрямую связана с хранением, получением доступа и управлением огромными массивами данных, которых с каждым днем становится все больше и больше. Что же позволяет нам справляться с этими задачами? Ответ прост: развитие технологии хранения данных. От того, сумеют ли технологии хранения данных и дальше развиваться столь быстрыми темпами, зависит, сможет ли человечество в будущем эффективно использовать накопленные информационные ресурсы.

Продолжающийся бум на рынке запоминающих устройств во многом стал возможным благодаря постоянному уменьшению удельной стоимости хранения данных. Но возможности современных технологий не безграничны. Хотя мы уже привыкли ежегодно получать накопители вдвое большей емкости за прежнюю цену, когда-нибудь этому придет конец. Именно поэтому следует уделять особое внимание разработке новых технологий, обеспечивающих еще более доступную и емкую память.

Если говорить о дисковых накопителях, то их емкость во многом зависит от достигнутой удельной плотности записи. Эта величина, в свою очередь, определяется двумя параметрами: площадью, занимаемой элементарной структурной единицей данных (в данном случае — магнитным доменом), и расстоянием между соседними доменами. Чем меньше эти параметры, тем выше удельная плотность записи, а это означает, что, во-первых, можно сохранить больше информации на диске того же размера, а во-вторых, можно создавать дисковые накопители с меньшим количеством пластин (магнитных дисков). Используемые в настоящее время технологии хранения данных накладывают определенные ограничения на максимальную величину удельной плотности записи, и сейчас инженеры заняты поиском новых решений, которые будут применяться в будущем. Важность этой задачи трудно переоценить, учитывая распространение различных устройств хранения данных.

Последние пять лет особенно стремительно возрастал спрос на запоминающие устройства, использующие принцип дисковой магнитной записи. Это связано с развитием как глобальных информационных сетей (в частности, Интернета), так и корпоративных сетей и баз данных, используемых для хранения и обработки деловой информации в рамках отдельных организаций. Постоянный рост числа пользователей и объема хранимых документов выдвигает повышенные требования к емкости накопителей и к скорости доступа. Если в ближайшее время не появятся новые, революционные технологии, способные преодолеть существующие ограничения удельной плотности записи и удовлетворить всевозрастающий спрос, может произойти замедление развития информационных технологий, а это отрицательно скажется не только на деловой активности, но и на жизни людей во всем мире. Такое развитие событий чревато и другими последствиями, в частности резким удорожанием устройств хранения данных.

Факты и цифры

режде чем перейти к описанию различных способов, с помощью которых инженеры пытаются решить проблему поверхностной плотности записи, необходимо хотя бы приблизительно оценить объем информации, ежегодно создаваемой в цифровом виде и хранимой на жестких магнитных дисках. Согласно исследованию, проведенному в октябре 2000 года специалистами факультета управления информацией и информационных систем Калифорнийского университета, за год в мире создается и записывается на магнитные носители 1 693 000 Тбайт данных, причем эта цифра ежегодно возрастает на 55%. Чтобы нагляднее представить себе такие величины, напомним: 1 тбайт (или 1000 гбайт) информации эквивалентен стопке бумажных документов, высота которой в 16 раз превышает высоту нью-йоркского небоскреба «Эмпайр Стейт Билдинг». А если добавить к этой стопке еще и остальные 1 692 999 Тбайт, то станет совершенно ясно, что мир производит и сохраняет на магнитных носителях просто несметное количество данных.

Чрезвычайно высокая потребность в памяти объясняется целым рядом факторов. В опубликованном в 2001 году докладе под названием «Is there a Moore’s Law for data traffic?» («Действует ли закон Мура в отношении трафика данных?») утверждается, что трафик во Всемирной сети за год увеличивается примерно вдвое. Согласно результатам исследования ETForecasts, число пользователей, имеющих доступ в Интернет дома, возросло в четыре раза менее чем за пять лет. Если в 1995 году доступ в Интернет был только у 9% американских семей, то сейчас он есть уже у 41,5%. Некоторые специалисты утверждают, что наибольшая доля в трафике Интернета принадлежит электронной почте. Именно она, а вовсе не содержимое Всемирной паутины, требует огромной емкости хранения данных. Эти выводы подтвердили исследователи из калифорнийского университета в Беркли, по оценке которых в мире ежегодно пересылается около 610 млрд. сообщений электронной почты.

Однако потребность в хранении информации очень быстро растет и за пределами Интернета — в локальных сетях и базах данных различных компаний. По прогнозам корпорации International Data, совокупный доход компаний, занимающихся построением корпоративных сетевых хранилищ данных, в 2003 году составит 18,6 млрд. долл. Не следует забывать и об услугах по хранению информации, общая стоимость которых, как ожидается, превысит 40 млрд. долл.

Раздвигая границы технологий

жестких магнитных дисках цифровая информация в двоичном виде записывается на крохотные магнитные участки (домены), каждый из которых, в свою очередь, состоит из множества еще более мелких зерен. В момент записи информационного бита магнитное поле головки ориентирует домен в направлении, соответствующем текущему значению — нулю или единице. Проще говоря, головка «переключает» домены между двумя возможными стабильными состояниями. В современных дисковых накопителях применяется продольная запись, при которой вектор намагничивания может быть как параллельным, так и не параллельным направлению перемещения головки относительно диска.

Повышение удельной плотности записи в дисковом накопителе — задача не из легких. В течение последних нескольких лет инженерам удавалось ежегодно увеличивать этот показатель более чем на 100%, однако делать это становится все труднее. Как ожидается, темпы роста будут постепенно замедляться до тех пор, пока не появятся новые методы магнитной записи информации.

Чтобы и дальше повышать удельную плотность продольной записи и, следовательно, общую емкость дисковых накопителей, нужно уменьшать размер доменов и размещать их как можно ближе друг к другу. Однако здесь начинают действовать технологические ограничения. Если сделать единичный участок хранения слишком маленьким, его магнитная энергия будет настолько мала, что со временем может совсем исчезнуть — вследствие нагрева поверхности. Это явление называется суперпарамагнетизмом, и чтобы избежать его последствий, производители дисковых накопителей повышают коэрцитивную силу диска (то есть величину магнитного поля, необходимую для записи бита информации).

Однако возможности повышения величины магнитного поля, индуцируемого головкой, ограничиваются свойствами материала, из которого она изготовлена, и этот потенциал уже практически исчерпан.

По мнению д-ра Марка Крайдера, старшего вице-президента компании Seagate и директора исследовательского центра Seagate Research, продольная магнитная запись еще будет какое-то время развиваться, пока не будет достигнут суперпарамагнитный предел. «Мы считаем, что современные методы продольной записи позволят записывать информацию с плотностью более 100 гбит на кв. дюйм, — говорит он. — Главная трудность в том, чтобы при записи данных обеспечить высокое соотношение «сигнал/шум». С сокращением размеров единичного участка записи уровень сигнала все больше приближается к уровню шума, а следовательно, становится все труднее распознавать отдельные биты информации и поддерживать их в стабильном состоянии».

В качестве перспективной технологии, которая позволит увеличить удельную плотность записи, все чаще рассматривают метод перпендикулярной записи (perpendicular recording). По прогнозам д-ра Крайдера, переход на перпендикулярную запись произойдет при увеличении удельной плотности до 100-200 Гбайт на кв. дюйм. При перпендикулярной записи намагничивание участков производится не параллельно плоскости диска, как при продольной записи, а перпендикулярно ей (рис. 1). Биты информации здесь сохраняются в доменах с восходящим и нисходящим намагничиванием, которые соответствуют единицам и нулям цифровых данных.

Перпендикулярная запись обеспечивает более высокую плотность хранения информации, чем продольная, поскольку позволяет работать с более высокими величинами магнитного поля в носителе. При таком методе носитель можно разместить на магнитомягкой подложке, что позволит примерно вдвое увеличить магнитное поле записи.

И все же, хотя перпендикулярная запись обладает гораздо лучшими характеристиками, чем продольная, она также подвержена суперпарамагнитным эффектам. Точно предсказать, когда начнет сказываться их влияние, сейчас трудно, но в том, что это произойдет, специалисты не сомневаются. «На данный момент мы считаем, что методы перпендикулярной записи помогут довести плотность записи информации до 1 Тбайт на кв. дюйм, — продолжает доктор Крайдер. — Когда мы выйдем на этот уровень, одна дисковая пластина диаметром 3,5 дюйма будет вмещать 1,5 Тбайт данных».

Приведенные цифры намного превышают то, что могут предложить современные дисковые накопители. Однако, принимая во внимание прогнозируемое увеличение потребности в объемах хранимых данных, очень скоро и такого значения плотности может оказаться недостаточно. Поэтому инженерам уже сейчас необходимо разрабатывать новые, еще более перспективные технологии. Согласно докладу Калифорнийского университета в Беркли, ежегодно в мире производится от 1 до 2 экзабайт (1 экзабайт эквивалентен миллиарду гигабайт) информации на самых разных носителях, включая магнитные, бумажные, пленочные и оптические. Не следует забывать и о том, что на магнитные диски постепенно будут переноситься и традиционные бумажные и пленочные документы.

Что за горизонтом?

качестве наиболее вероятных альтернатив для замены продольной и перпендикулярной записи сейчас рассматриваются тепловая магнитная запись (Heat Assisted Magnetic Recording, HAMR — произносится как английское «hammer») и так называемые самоорганизующиеся магнитные решетки (Self-Ordered Magnetic Arrays, SOMA). Однако на разработку этих технологий могут уйти годы.

Тепловая магнитная запись методом HAMR предусматривает точечный разогрев (например, с помощью лазера) поверхности носителя с одновременной магнитной записью информации (рис. 2). Преимущество этого метода в том, что для записи информации на разогретый материал требуется меньшая коэрцитивная сила. Это позволяет применять более высококоэрцитивные материалы (что, как сказано выше, обеспечит большую устойчивость к суперпарамагнетизму) без увеличения магнитного поля записывающей головки.

Что касается технологии SOMA, то один из ее разработчиков д-р Дитер Уэллер из Seagate Research говорит по этому поводу следующее: «Для записи одного бита информации сейчас необходимо примерно 100 зерен магнитного материала, мы же работаем над тем, чтобы каждое из них хранило собственный уникальный бит. Это позволит резко увеличить плотность записи». По словам д-ра Уэллера, Seagate Research ищет способы «выстроить» магнитные зерна в правильные решетки, которые не только позволят считывать и записывать данные, но и обеспечат высокую стойкость к температурным воздействиям. Уэллер считает, что наилучшим материалом для изготовления таких носителей является сплав железа и платины с небольшим добавлением некоторых других химических элементов.

Одним из самых необычных способов записи, видимо, можно считать зондовое хранение данных (probe storage) — оно вообще не предусматривает применение дисков, вследствие чего такие устройства могут быть выполнены в виде обычной микросхемы. В основу зондового хранения положен принцип сканирующего микроскопа, однако здесь используется не один такой микроскоп (или, как его называют, зонд), а целая матрица. Каждый зонд просматривает собственную группу информационных битов, причем запись и считывание данных производятся параллельно. Носитель информации пока не выбран, а в качестве возможных вариантов рассматриваются самые различные среды, включая магнитные. Существенное отличие зондовых устройств хранения от полупроводниковой памяти состоит в том, что при отключении питающего напряжения записанная в них информация сохраняется. Как ожидается, применение этого метода позволит хранить до 10 Гбайт информации в микросхеме размером 1×1 см.

Хотя использование носителей, построенных по принципу зондового хранения, сулит весьма заманчивые перспективы, д-р Крайдер не склонен рассматривать их как альтернативу дисковым накопителям. Скорее всего, микросхемы зондового хранения данных найдут применение в бытовых электронных приборах, где требуется твердотельная память средней емкости с малым энергопотреблением. Не исключено, что такие запоминающие устройства будут применяться в качестве буферной памяти дисковых накопителей.

Материал предоставлен компанией Seagate Research (http://www.seagate.com/).

КомпьютерПресс 1'2002