Плотность записи информации

Твердотельные накопители используют флеш-память для хранения энергонезависимых данных. Они являются новейшей формой массово производимых накопителей и конкурируют с магнитными дисками. Данные на твердотельных носителях сохраняются в массиве NAND-флеш-памяти. Сам NAND состоит из так называемых транзисторов с плавающим затвором. В отличие от транзисторов, используемых в DRAM, которые требуют многократного обновления зарядов в секунду, NAND-флеш спроектирована так, чтобы сохранять своё состояние заряда даже при отключённом питании. Самые ёмкие накопители, доступные на рынке, — это серии Nimbus Data Exadrive© DC, объём которых варьируется от 16 ТБ до 100 ТБ. Компания Nimbus утверждает, что по своим размерам SSD ёмкостью 100 ТБ обеспечивает экономию пространства в соотношении 6:1 по сравнению с nearline HDD^[2].

Жёсткие диски хранят данные в магнитной поляризации небольших участков покрытия поверхности диска. Максимальная плотность записи определяется размером магнитных частиц на поверхности, а также размером головки, используемой для чтения и записи данных. В 1956 году первый жёсткий диск IBM 350 имел плотность записи 2000 бит/дюйм². С тех пор рост плотности соответствовал закону Мура, достигнув 1 Тбит/дюйм² в 2014 году^[3]. В 2015 году компания Seagate представила жёсткий диск с плотностью 1,34 Тбит/дюйм²^[4], что более чем в 600 миллионов раз превышает показатель IBM 350.

Разрабатываются новые технологии, такие как термомагнитная магнитная запись (HAMR) и микроволновая магнитная запись (MAMR), которые, как ожидается, позволят продолжить увеличение плотности записи^[4][5][6].

В 2024 году компания Seagate объявила о выпуске платформы жёстких дисков Mozaic 3+, в которой реализована технология HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording). Эта платформа сочетает в себе различные передовые компоненты, включая диски из сплава платины и железа, нанофотонный лазер, спинтронные считыватели седьмого поколения и 12-нм интегрированные контроллеры. Эти усовершенствования позволяют увеличить плотность и ёмкость хранения данных: первоначальная ёмкость одного диска составляет 3 ТБ, а при использовании 10 дисков возможно создание продукта емкостью 30 ТБ^[7]. 6 января 2025 года на сайте компании опубликована информация о том, что с помощью новых технологий будет возможным увеличение плотности записи до 4—5 ТБ на одну пластину^[8].

Оптические диски хранят данные в виде небольших углублений на пластиковой поверхности, которая затем покрывается тонким слоем отражающего металла. Компакт-диски (CD) обеспечивают плотность около 0,90 Гбит/дюйм², используя углубления длиной 0,83 микрометра и шириной 0,5 микрометра, расположенные на дорожках с шагом 1,6 микрометра. DVD-диски по сути представляют собой компакт-диски с более высокой плотностью, используя бо́льшую часть поверхности диска, меньшие ямки (0,64 микрометра) и более плотные дорожки (0,74 микрометра), что обеспечивает плотность примерно 2,2 Гбит/дюйм². Однослойные HD DVD и Blu-ray диски обеспечивают плотности около 7,5 Гбит/дюйм² и 12,5 Гбит/дюйм² соответственно.

На момент появления в 1982 году компакт-диски имели значительно более высокую плотность записи, чем жёсткие диски, однако с тех пор технологии жёстких дисков развивались гораздо быстрее, и они превзошли оптические носители как по плотности записи, так и по ёмкости на устройство.

Первый магнитный ленточный накопитель, Univac Uniservo, записывал данные с плотностью 128 бит/дюйм на магнитную ленту шириной полдюйма, что соответствовало плотности записи 256 бит/дюйм²^[9]. В 2015 году компании IBM и Fujifilm заявили о новом рекорде по плотности записи на магнитной ленте — 123 Гбит/дюйм²^[10], тогда как LTO-6, самая плотная серийная лента, поставляемая в 2015 году, обеспечивает плотность записи 0,84 Гбит/дюйм²^[11].

За исключением флэш-памяти NAND, увеличение плотности хранения носителя обычно улучшает скорость передачи данных, с которой этот носитель может работать. Это особенно очевидно при рассмотрении различных дисковых носителей, где элементы хранения распределены по поверхности диска и должны физически вращаться под головкой для чтения или записи. Более высокая плотность записи информации означает, что при любом заданном механическом движении под головкой проходит больше данных.

Например, мы можем вычислить эффективную скорость передачи данных для дискеты, определив, с какой скоростью биты проходят под головкой. Стандартный 3½-дюймовый гибкий диск вращается со скоростью 300 об/мин, а длина внутреннего трека (дорожки) составляет примерно 66 мм (радиус 10,5 мм). При 300 об/мин линейная скорость носителя под головкой составляет примерно 66 мм × 300 об/мин = 19 800 мм/мин, или 330 мм/с. По этому треку биты записаны с плотностью 686 бит/мм, что означает, что головка считывает 686 бит/мм × 330 мм/с = 226 380 бит/с (или 28,3 КБ/с).

Теперь рассмотрим усовершенствование конструкции, которое удваивает плотность битов за счёт уменьшения длины выборки при сохранении того же расстояния между дорожками. Это удвоит скорость передачи данных, поскольку биты будут проходить под головкой в два раза быстрее. Ранние интерфейсы гибких дисков были рассчитаны на скорость передачи 250 кбит/с, но быстро устарели с появлением «высокоплотных» дискет ёмкостью 1,44 МБ (1 440 КБ) в 1980-х годах. Подавляющее большинство ПК включали интерфейсы, рассчитанные на высокоплотные приводы с пропускной способностью 500 кбит/с. Однако и эти интерфейсы были полностью вытеснены более новыми устройствами, такими как LS-120, которым пришлось использовать высокоскоростные интерфейсы, например IDE.

Хотя влияние на производительность наиболее заметно у вращающихся носителей, аналогичные эффекты проявляются и у твердотельных носителей, таких как Flash RAM или DRAM. В этом случае производительность обычно определяется временем, необходимым электрическим сигналам для прохождения через компьютерную шину к микросхемам, а затем внутри микросхем до отдельных ячеек, используемых для хранения данных (каждая ячейка хранит один бит).

Одним из определяющих электрических свойств является сопротивление проводников внутри микросхем. По мере уменьшения размера ячеек благодаря улучшениям в технологии производства полупроводников, лежащим в основе закона Мура, сопротивление снижается, и для работы ячеек требуется меньше энергии. Это, в свою очередь, означает, что для работы требуется меньший электрический ток, а значит, меньше времени затрачивается на передачу необходимого количества электрического заряда в систему. В частности, в DRAM количество заряда, которое необходимо хранить в конденсаторе ячейки, также напрямую влияет на это время.

С развитием технологий производства твердотельная память значительно улучшилась по показателям производительности. Современные микросхемы DRAM работают с тактовой скоростью порядка 10 нс или быстрее. Менее очевидным эффектом является то, что с увеличением плотности записи информации уменьшается количество модулей DIMM, необходимых для обеспечения определённого объёма памяти, а значит, в конкретном компьютере используется меньше модулей DIMM. Это часто приводит к улучшению производительности, поскольку уменьшается нагрузка на системную шину. Однако этот эффект обычно не является линейным.

Вместе с ростом плотности записи меняются и другие характеристики жёстких дисков. В частности, если говорить о геометрическом возрастании плотности записи информации, то в такой же пропорции увеличивается и максимальная ёмкость дисков, а кроме того, уменьшается и стоимость дисков в расчете на один гигабайт емкости^[17].

В случае дисковых носителей основную стоимость составляют движущиеся части внутри привода. Это устанавливает фиксированный нижний предел цены, поэтому средняя цена продажи у обоих крупных производителей жёстких дисков с 2007 года составляет 45—75 долларов США. Тем не менее цена на накопители большой ёмкости быстро снижалась, и это действительно связано с увеличением плотности записи информации. Накопители с самой высокой ёмкостью используют больше пластин — по сути, несколько отдельных жёстких дисков внутри корпуса. По мере роста плотности записи информации количество пластин можно уменьшить, что приводит к снижению затрат.

Жёсткие диски часто оцениваются с точки зрения стоимости за единицу хранения информации: бит (или байт). Например, первый коммерческий жёсткий диск IBM RAMAC ёмкостью 3,75 МБ продавался в 1957 году за 34 500 долларов, что составляло 9200 долларов за мегабайт. В 1989 году жёсткий диск ёмкостью 40 МБ стоил 1200 долларов, или 30 долларов за мегабайт. В 2018 году диски ёмкостью 4 ТБ продавались за 75 долларов, или 1,9 цента за гигабайт, что является улучшением в 1,5 миллиона раз по сравнению с 1989 годом и в 520 миллионов раз по сравнению с RAMAC. В 2024 году диски ёмкостью 8 ТБ продавались за 112 долларов (1,4 цента за гигабайт)^[18].

Твердотельные накопители также испытали значительное снижение стоимости за бит. В данном случае стоимость определяется продуктивностью: количеством работоспособных микросхем (чипов), произведённых за единицу времени. Чипы изготавливаются партиями, напечатанными на поверхности одного большого кремниевого диска, который затем разрезается, а неработающие образцы отбраковываются. С течением времени технология производства улучшала выход работоспособных изделий за счёт использования больших дисков и снижения количества дефектов на дисках. Нижний предел стоимости этого процесса составляет примерно 1 доллар за готовую микросхему из-за затрат на упаковку и других расходов.

Взаимосвязь между плотностью записи информации и стоимостью за бит можно проиллюстрировать следующим образом: если микросхема памяти имеет вдвое меньший физический размер, то на одном и том же кремниевом диске можно произвести вдвое больше единиц, что вдвое снижает цену каждой из них. Для сравнения, DRAM впервые была коммерчески представлена в 1971 году — микросхема ёмкостью 1 кбит стоила около 50 долларов при больших партиях, или примерно 5 центов за бит. В 1999 году широко использовались микросхемы ёмкостью 64 Мбит, стоимость которых составляла около 0,00002 цента за бит (20 микроцентов за бит).

В 2024 году накопители с интерфейсом стандарта SATA продавались от 90 долларов за 2 ТБ до 190 за 4 ТБ, то есть цена за бит составляла около 50 микроцентов^[19].