Жесткие диски знакомы всем пользователям, без них сложно представить современный компьютер. Конечно, SSD вытеснили жесткие диски в сценариях, где требуется максимальная производительность, например, для загрузочного раздела ОС. Но если нужна максимальная емкость, то без HDD не обойтись.

Сегодня жесткие диски достигли емкости 18 Тбайт, а скоро выйдут и более емкие модели, в том числе и благодаря технологии термомагнитной записи (HAMR). 3,5" форм-фактор жестких дисков сегодня утвердился, однако они не всегда были такими. В нашей статье мы проведем небольшой экскурс в историю жестких дисков, и начнем мы с 50-х годов прошлого века.

В 1953 году IBM решила найти решение для хранения так называемого файла случайного доступа (Random Access File), которое позволяло бы обеспечить быстрый случайный доступ по сравнительно низкой цене. После изучения таких технологий, как запись данных на проволоке или барабанах, инженеры IBM в калифорнийской лаборатории Сан-Хосе изобрели жесткий диск. Он стал еще одним звеном в иерархии хранения данных. Тогда жесткие диски назывались хранилище случайного доступа (Random Access Storage), они были медленнее и дешевле оперативной памяти (на магнитных барабанах, позднее на сердечниках), но быстрее и дороже стримеров на магнитной ленте.

IBM 350

Коммерческий успех к HDD пришел в 1957 году, когда IBM начала поставки системы IBM 305 RAMAC с накопителями IBM 350 Disk Storage Unit. Сами диски были анонсированы годом ранее, в 1956. IBM 350 Disk Storage Unit состоял из магнитного диска с механизмом доступа, электрическими и пневматическими приводами, небольшим воздушным компрессором. Габариты составляли 152 см в ширину, 173 см в высоту и 74 см в глубину, вес — 971 кг. Внутри работали 50 магнитных дисков с 50.000 секторами в сумме. Емкость сектора составляла 100 алфавитно-цифровых символа (6 бит), что давало суммарную емкость 5 млн. символов или 3,75 Мбайт. Диски диаметром 24" (61 см) вращались на 1.200 об/мин, дорожки (20 на дюйм) записывались со скоростью до 100 битов на дюйм. Время доступа составляло порядка 600 мс.

Интересно, что инженеры IBM предлагали увеличить емкость накопителя более пяти миллионов символов, но отдел маркетинга отказал в этом, поскольку не видел потенциальных покупателей для большей емкости. Но все же в январе 1959 были объявлены варианты IBM 350 с удвоенной емкостью.

В конце 1961 года производство систем IBM 350 Disk Storage Unit было прекращено, за несколько лет IBM выпустила более тысячи первых жестких дисков.

Затем на протяжении порядка 20 лет с жесткими дисками за рынок сражались другие технологии, в том числе стримеры на магнитных лентах, массивы картриджей на магнитных лентах (IBM 3850), NCR CRAM и т.д., но позднее все они были заменены HDD. А сегодня с жесткими дисками за рынок сражаются SSD.

IBM 1301 Disk Storage Unit

В 1961 году был анонсирован IBM 1301 Disk Storage Unit, где впервые использовались головки, парящие над поверхностью диска. То есть на каждую сторону диска было выделено уже по одной головке, что избавляло от необходимости вертикального перемещения привода с головками между разными пластинами. Поддерживалась гибкая длина записи, что увеличивало эффективную емкость, появилась выборочная адресация. Скорость вращения шпинделя удалось увеличить до 1.800 об/мин. На дюйме располагалось уже 50 дорожек, теперь удавалось записывать до 520 бит на дюйм дорожки, поскольку расстояние между головкой и поверхностью уменьшили с 800 до 250 микродюймов. Плотность записи в расчете на квадратный дюйм была увеличена в 13 раз по сравнению с IBM 350 Disk Storage Unit.

Накопители IBM 1301 Disk Storage Unit могли использоваться с мейнфреймами серии 7000 и IBM 1410 Data Processing System. Емкость модуля IBM 1301 Disk Storage Unit составляла 25 млн. символов (1410) или 28 млн. (7000). К системе подключалось до пяти накопителей 1301 (каждый из двух модулей), обеспечивавших емкость до 280 или 250 млн. символов.

Интересно, что цена модуля составляла $2.100 за месяц аренды, покупка обошлась бы в $115.500. Накопитель с двумя модулями стоил $3.500 за месяц аренды, покупка — $185.000. В нынешних долларах с учетом инфляции это более $1 млн. и $1,6 млн., соответственно.

Bryant Computer Products 4000

В 1961 году Bryant Computer Products представила жесткие диски серии 4000. Массивные накопители (1,3 x 1,8 x 1,8 м) использовали до 26 пластин диаметром 39" (0,99 м) со скоростью вращения шпинделя 1.200 об/мин. Время доступа составляло от 50 до 205 мс. Емкость, в зависимости от числа пластин, составляла до 205 Мбайт.

IBM 1302 Disk Storage Unit

В 1963 году вышли накопители IBM 1302, число дорожек на дюйм и битов на дюйм были удвоены по сравнению с 1301, что привело к росту емкости в четыре раза до 117 млн. 6-битных символов на один модуль (два модуля — 234 млн.). Производительность чтения/записи удалось увеличить более чем в два раза до 184.000 символов/с. Благодаря дальнейшему снижению зазора между головкой и диском, а также меньшей толщине дисков удалось увеличить плотность записи до 1.050 бит на дюйм дорожки, число дорожек было удвоено до 100 на дюйм, среднее время доступа составило 165 мс. Каждый модуль 1302 содержал 20 раздельных вращающихся дисков. На каждой рабочей поверхности записывалось 50 дорожек, до 5.850 символов на дорожку.

IBM 1311 Disk Storage Drive

Первым накопителем со съемными дисками стал IBM 1311, вышедший в 1962 году. Он использовал блоки дисков IBM Disk Pack 1316 на два миллиона символов. Каждый блок содержал шесть 14-дюймовых дисков, толщина составляла 4" (около 10 см), вес — 4,5 кг. На фотографии выше мужчина как раз держит в левой руке такой блок. Среднее время доступа к любому сектору составляло 250 мс, скорость вращения шпинделя — 1.500 об/мин, число дорожек на дюйм составило 50, плотность записи — 1.025 бит на дюйм дорожки. Расстояние между головкой и диском было уменьшено до 125 микродюймов. Емкость блока составляла 2 млн. символов. Подобные съемные накопители знаменовали конец эпохи перфокарт.

Каждый блок дисков вне накопителя заключался в пластиковый прозрачный кожух. По центру располагалась ручка, которая поворачивалась, чтобы скрепить кожух с основанием.

IBM 2314 Direct Access Storage Facility

Следом вышли накопители IBM 2311 (1964) с блоками дисков IBM 1316 на 5 Мбайт. Через год после объявления System/360, а именно в апреле 1965, была анонсирована IBM 2314 (1965) с блоками дисков IBM 2316 на 29 Мбайт.

Новые наборы содержали уже 11 14" дисков, что удваивало число рабочих поверхностей по сравнению с первым поколением. Время доступа и задержки 2314 были идентичны старой 2311, но пропускная способность увеличилась в два раза до 310 кбайт/с. В расчете на мегабайт хранимых данных 2314 была в четыре раза дешевле. Немалую популярность накопителям добавила и эффективная работа под OS/360, операционной системой System/360.

В 1969 году IBM анонсирует две новых версии 2314 (Model 1 A1 и Model 1 A2), каждая на 20 процентов быстрее оригинальной Model 1. В первом случае использовались пять дисковых массивов, что давало емкость 145 Мбайт, во втором — восемь (233 Мбайт). Среднее время доступа уменьшилось с 75 до 60 мс. Причем минимальное время доступа составило 25 мс. Старшая версия продавалась за $256 тысяч, но ее можно было взять в аренду по цене $5.675 в месяц. Младшая — $175 тысяч, либо $3.875 в месяц. В нынешних долларах с учетом инфляции это $1,3 млн. и $1,9 млн., соответственно.

Memorex 630 Disk Drive

Memorex поставила свои первые накопители Memorex 630 в 1968 году, причем они были совместимы с IBM 2311 по подключению, что знаменовало начало конкуренции между производителями накопителей для систем IBM (Plug Compatible Manufacturer или PCM). На рынок HDD для систем IBM вышли Ampex, Century Data, Control Data Corporation, Information Storage Systems (ISS), Marshall, Potter Instruments и Telex.

Причем из-за перехода на линейный электромагнитный привод вместо гидравлического в оригинальных 2311 и уменьшения числа механических частей накопители Memorex оказались более надежными.

В 1969 году последовали более емкие Memorex 660, совместимые с IBM 2314, DEC получила их в виде OEM и продавала под собственным брендом как RP02. Оригинальные Memorex 630 DEC продавала как RP01.

Компания Burroughs, которая стала называться Unisys с 1986 года после объединения с Univac, купила Memorex в 1981 году. Сегодня брендом Memorex владеет Imation, он был известен в потребительском сегменте аудио- и видеокассетами Memorex. И фразой ''Is it live or is it Memorex?'', которую впервые произнесла джазовая певица Элла Джейн Фицджеральд в телевизионной рекламе в 1972 году.

IBM 3330 Data Storage

В 1970 году для систем IBM System/370 выходит IBM 3330 с блоками дисков 3336 на 100 Мбайт. Каждая система 3330 могла содержать от 2 до 16 блоков дисков, в результате емкость достигала 1,6 Гбайт. Среднее время доступа удалось уменьшить до 55 мс, скорость передачи данных увеличились до 806 кбайт/с.

В 1973 была анонсирована 3330-11 с блоками дисков 3336-11 на 200 Мбайт, то есть емкость по сравнению с оригинальной версией увеличилась в два раза. Системы можно было арендовать по цене от $1.550 до $1.850 в месяц, либо приобрести от $74.000 до $87.000. В нынешних долларах с учетом инфляции это $450 тыс. и $532 тыс., соответственно.

IBM 2305 Fixed Head Storage

В 1970 году IBM представила жесткий диск 2305 с собственной головкой на каждую дорожку. Идея была не нова, поскольку еще в 1964 году Burroughs анонсировала жесткие диски B-475 для систем B5500, которые тоже оснащались по головке на дорожку.

Каждый HDD в IBM 2305 состоял из шести дисков с 12 поверхностями. Было представлено две модели (2305-1 и 2305-2). Головки чтения записи были зафиксированы на каждой дорожке, поэтому задержки поиска дорожки не было, что увеличивало общую производительность.

Емкость первой модели 2305-1 составляла 5,4 Мбайт на модуль, среднее время доступа — 2,5 мс, скорость записи достигала 3 миллиона байт в секунду. У модели 2305-2 емкость увеличилась до 11,2 Мбайт на модуль, два жестких диска обеспечивали целых 22,4 Мбайт. Время доступа здесь увеличилось до 5 мс, а скорость записи снизилась до 1,5 Мбайт/с.

Вместе с 2305 использовался контроллер 2835 Storage Control, который отвечал за передачу данных между накопителем и компьютером. При этом контроллер обеспечивал проверку на ошибки при записи или чтении. В контроллер устанавливался гибкий магнитный диск, на котором была записана микропрограмма. Для апгрейда микропрограммы этот магнитный диск можно было заменить новым, с обновленной прошивкой.

Control Data Corporation SMD

В 1973 году Control Data Corporation представила первую серию жестких дисков Storage Module Drive (SMD), отойдя от стандартов IBM и знаменитых винчестеров, о которых мы расскажем чуть ниже. Была поставлена задача разработать более простой и дешевый механизм, чем IBM 3340. Линейка SMD стала весьма популярной, она использовалась в паре с миникомпьютерами в 80-е годы. Причем от совместимости с IBM было решено отказаться.

CDC 9760 представлял собой стоечный жесткий диск с 40-Мбайт съемным модулем из пяти 14" пластин с высокой емкостью и производительностью (6000 BPI и 10 Мбит/с) благодаря уникальной системе подвеса головок. Расстояние между головкой и диском удалось уменьшить до 30 микродюймов, скорость вращения шпинделя составляла 3.600 об/мин. Интересно, что верхние и нижние пластины из пяти использовались для механической защиты, а не для хранения данных. Обычно в качестве защитных пластин брались дефектные диски, которые нельзя было использовать для записи. Оставшиеся 3 пластины давали пять поверхностей для записи данных и одну служебную для позиционирования головок (верхняя на среднем диске).

Затем в 1974 году последовала версия на 80 Мбайт (9762), в последующие годы вышли модули на 150 Мбайт (9764) и 300 Мбайт (9766). В случае 300-Мбайт использовались уже 12 14-дюймовых пластин. Верхняя и нижняя вновь выполняли защитную функцию, оставшиеся десять обеспечивали 19 рабочих поверхностей и одну служебную. Многие годы данные жесткие диски лидировали по емкости среди съемных HDD на рынке.

В 1976 году был представлен вариант MMD с несъемными накопителями на 12, 24 и 48 Мбайт емкости.

Интерфейс подключения SMD оказался весьма практичным для фиксированных и съемных жестких дисков, что позволило CDC продать к 1981 году 100.000 накопителей, став самым крупным OEM-поставщиком. В 1982 году стандарт был принят в рамках ANSI X3.91M, к производству SMD-совместимых накопителей присоединились Ampex, Century Data Systems, Fujitsu, Hitachi, Micropolis, Pertec, Priam, NEC и Toshiba, а также другие компании.

Интерфейс SMD представлял собой два шлейфа ("A" для управления и "B" для передачи данных), которыми накопитель подключался к компьютеру. Скорость интерфейса — 9,6 Мбит/с. Интерфейс SMD использовался для многих 8" и 14" жестких дисков, как фиксированных, так и съемных. Затем он уступил место SCSI.

Что касается самой компании CDC, после снижения спроса на мейнфреймы она столкнулась с финансовыми проблемами, после чего была поглощена Syntegra в 1999 году.

IBM 3340 Direct Access Storage Facility

IBM 3340 под названием "винчестер" знаменовал в 1973 году новый этап в истории жестких дисков, он использовал специальные облегченные головки, которые парили на минимальной дистанции от пластины благодаря воздушной подушке. При этом зазор между головкой и пластиной удалось уменьшить до одной 18-миллионной дюйма. С каждой поверхностью дисков работали два привода, что позволило уменьшить ход для поиска дорожки в два раза. Ранее сменными были только блоки дисков, а головки располагались на приводах в накопителе, в который вставлялся блок. Сейчас диски, шпиндель и приводы были установлены в герметичный корпус под названием IBM 3348 Data Module, который стал техническим преемником ранее использовавшихся блоков дисков IBM. Плотность расположения дорожек удалось увеличить до 300 на дюйм, среднее время доступа составило 25 мс. Однако IBM 3340 стал последним съемным жестким диском в истории IBM.

Глава проекта Кеннет Хотон назвал новинку в честь винтовки Винчестер 30-30, поскольку планировалось использовать два шпинделя при емкости 30 Мбайт. Считается, что он произнес «раз уж 30-30, то это точно Винчестер». Но на самом деле емкость модулей составила 35 или 75 Мбайт. Термин "винчестер" затем закрепится в России за всеми жесткими дисками в будущем.

Интересно, что IBM 3340 опционально можно было приобрести с неподвижными приводами головок, среднее время доступа при этом снижалось до 5 мс, но емкость составляла всего 0,5 Мбайт. 

В 1974 году IBM представила электромеханический привод головок "Swinging Arm" и накопитель 62GV (Gulliver) на его основе с простым дизайном и начальной емкостью 5 Мбайт (позднее 10 и 14 Мбайт). Жесткий диск опирался на всего одну 14" пластину. Запатентованный электромеханический привод является одним из главных изобретений IBM, он в той или иной форме используется во всех жестких дисках. HDD IBM 62GV был продан в количестве 177 тысяч штук, впервые существенно преодолев магическую планку в 100 тысяч.

Shugart Associates SA1000

В 1970-х годах начали появляться диски меньших диаметров, которые закрепились в следующем десятилетии. Здесь можно вспомнить 8-дюймовые диски (SA1000 компании Shugart Associates), формат которых был унаследован от 8" дискет, поэтому HDD можно было устанавливать вместо дисковода. К 1983 году было продано более 100 тысяч жестких дисков SA1000.

Габариты SA1000 составили 117 x 241 x 362 мм, вес — 7,7 кг, энергопотребление достигало 150 Вт. Жесткие диски можно было приобрести в емкости 5,33 Мбайт (SA1002, 1 пластина, 2 головки) или 10,67 Мбайт (SA1004, 2 пластины, 4 головки). Скорость передачи данных составляла 4,34 Мбит/с, среднее время доступа — 70 мс. Скорость вращения шпинделя была всего 3.125 об/мин, плотность расположения дорожек — 172 на дюйм.

В августе 1977 года компанию Shugart Associates приобретает Xerox. В 1979 году Shugart Associates представляет протокол "Shugart Associates System Interface" (SASI), который быстро эволюционировал в SCSI (Small Computer System Interface). В 1986 году он был стандартизирован ANSI как X3.131-1986 (SCSI-1).

Вместо заключения 

В следующей части мы рассмотрим уже более привычные нашим читателям жесткие диски, которые появились в 1980-е годы вместе с миникомпьютерами.

Каждое новое поколение жестких дисков заменяло старые устройства, причем оно было компактнее и проще в использовании. Первые накопители могли работать разве что в "тепличных" условиях дата-центра. Последующие поколения распространились по промышленным предприятиям, офисам и домам пользователей, в конце концов превратившись в универсальные накопители.

Изначально пластины жесткого диска диск имели диаметр 24 дюйма, но со временем уменьшились до современных 3,5" и 2,5". Накопители с 24" и 14" дисками обычно монтировались в виде отдельных стоек (в чем-то напоминавших стиральные машины). При этом они потребляли весьма значительную мощность из-за двигателей, которым приходилось раскручивать массивные диски.

Емкость жестких дисков с годами росла экспоненциально. Первые HDD для персональных компьютеров имели емкость 5 Мбайт. В середине 90-х типичная емкость жесткого диска для ПК составляла 1 Гбайт. Сегодня чаще всего встречаются модели от 1 до 8 Тбайт, а самые емкие диски достигают 18 Тбайт. В сегменте ноутбуков емкость 2,5" HDD достигла 5 Тбайт.