A přece se (aspoň zatím) točí!
V dnešních dobách se všichni jenom třesou na smršťoidní SSD disky, odolné vůči vibracím a pádům a trhajícím s každou další generací nové a nové rychlostní rekordy - a úspěchy rotačních disků jsou poněkud přehlíženy. Jejich kapacity přitom rostou neuvěřitelným tempem a terabajty se do našich počítačů jenom hrnou. A budou s námi ještě hezkých pár let, takže si rozhodně zaslouží trošku pozornosti.
V dnešních dobách se všichni jenom třesou na smršťoidní SSD disky, odolné vůči vibracím a pádům a trhajícím s každou další generací nové a nové rychlostní rekordy - a úspěchy rotačních disků jsou poněkud přehlíženy.
Přitom jde o úspěchy rozhodně nemalé: Nedávno se objevil působivý Western Digital Velociraptor, nabízející přenosovou rychlost kolem 130 MB/s a díky gigantickému chladiči rovněž vynikající provozní teploty, nedosahující ani čtyřiceti stupňů.
Stojí nějakých pět a půl tisíce s daní a prakticky každý si může za zhruba jedenáct tisíc udělat pro svůj komputer supervýkonné RAID 0 velociraptorové pole s kapacitou 600 GB, které by mělo nějaký pátek vystačit i náročnějším operačním systémům a nejnabušenějším hrám. Je to docela rozumné řešení - zkuste si podobnou rychlost a kapacitu dosáhnout se současnými SSD disky! Portmonka se vám pěkně pročistí a hladovějící, na ulici vystěhovaná rodina vás za to bezpochyby prokleje!
To je ovšem jenom jedna strana úspěchů. Na straně druhé máme nepochybné pokroky v nárůstu kapacity - jen před pár dny byl oznámen první harddisk s kapacitou 1,5 TB - Seagate ho plánuje začít prodávat někdy od srpna. Při 7200 otáčkách to jistě nebude nic pomalého - a skvěle to poslouží pro ukládání čehokoliv gigantického. Puristé, vyznávající Svatý Netový Cloud, mohou žehrat na nebezpečí selhání disku - ale dovedete si představit, že si uložíte tak gigantické množství dat kamsi na internet a budete k němu "neomezeně přistupovat" (což v našich podmínkách taky může znamenat EDGE, které stačí jakž-tak možná pro běžné surfování)? Ceny velkých disků stále klesají a tak se, možná trochu paradoxně, pro zálohování hlavního disku v počítači dnes hodí jiný disk, ať už je připojený přes USB 2.0, eSATA a nebo třeba sedí v komoře v NAS boxu a slouží celé rodině či menší firmě coby odkladiště filmů, fotek a záloh.
Disky s rotujícími plotnami jsou, přes temné přísliby ze strany SSD, velice životaschopné a ještě hodně dlouho budou představovat základní tažné koně pro ukládání dat. Přitom jde o technologii neobyčejně starou! Za první komerčně používaný systém s rotačním diskem je považován RAMAC firmy IBM, který byl uveden v roce 1956.
"Harddisk" RAMACu byl poměrně bizarní, nicméně v něm snadno vidíme ideu, na které stojí všechny moderní harddisky: Svazek padesáti ploten o průměru 24 palců se otáčel konstantní rychlostí a byl obhospodařován jediným párem hlaviček, které se pohybovaly nahoru a dolů a hledaly správnou plotnu a stopu. Disk RAMACu byl na svou dobu revoluční rychlík, vystavení hlav trvalo 600 milisekund a celková kapacita byla velmi slušná, 4,8 MB. Konstruktéři původně chtěli překročit hranici 5 MB, ale marketing jednak nevěděl, jak prodávat stroj s tak "nadbytečně velkou pamětí" a potom ta věc vážila víc než tunu, což činilo její přepravu poměrně obtížnou.
Tento disk neměl souborový systém, jak ho chápeme dnes, používal disk vlastně jako "pásku" ideálního von Neumannova stroje jak pro data, tak pro instrukce - ale nevadí, myšlenka byla zde a její perspektiva byla obrovská.
Není paměť jako paměť
Základní myšlenka konstrukce moderních disků je opřena o koncept cyklické paměti - tedy paměti, kdy v každém okamžiku nejsou dostupná všechna data. Pamětí je několik typů, jednak máme asociativní, kdy se paměti zeptáme, zda obsahuje požadovaná data a ona v konstantním čase odpoví, zda daná data obsahuje a nebo neobsahuje. Jde o složitou paměť, která se využívá hlavně u procesorové cache. Taková paměť je pochopitelně poměrně drahá a její použití je proto omezené. Levnější a snáze masově produkovatelnou pamětí je paměť s náhodným přístupem, u které řekneme, odkud chceme obsah vylovit a ona nám ho v konstantním čase vrátí. Tento systém používají jak hlavní paměti počítače, tak, svým způsobem, i SSD disky, které díky tomu mají konstantní "seek" (i když, technicky vzato, jde spíše o "latenci").
Nejpomalejší, ale (kdysi) nejlevnější pamětí byla sekvenční, představovaná typicky páskem. Ten měl nějaký začátek a nějaký konec a data byla uložena jedno za druhým.
Jde o nejjednodušší model paměti, používaný mj. i ve von Neumannovém ideovém konceptu - máme pásku, u které můžeme přečíst znak, zapsat znak a pohnout se napravo a nebo nalevo. Pokud si sami programem "nepočítáme" posuvy hlavou, vlastně ani nevíme, kde na pásce jsme! Přitom, jak nám ukazuje teorie složitosti, nám takto primitivní zařízení vlastně v principu stačí na to, abychom s ním řešili i ty nejsložitější problémy. Extrémní nenáročnost na inteligenci pásky vede k tomu, že takové zařízení je, teoreticky, nejlevnější - a dlouhou dobu tomu bylo, vzpomeňte nejen na sálové počítače s cívkami, ale také na kazetové a cívkové magnetofony, které sloužily pro ukládání dat u nejlevnějších domácích počítačů první poloviny osmdesátých let!
Pochopitelně: "Páskový" koncept můžete sestavit i z velmi drahých dílů: Z jakýchsi nekonečně bizarních důvodů se tak např. společnosti Sharp podařilo vyrobit pro osmibit Sharp MZ800 zálohovaný 64KB RAMdisk, který se choval jako páska: Jedna instrukce nastavila polohu "hlavy" na začátek paměti, další přečetla obsah byte na pozici "hlavy" a posunula ji o adresu dále a třetí a poslední instrukce na místo "hlavy" zapsala byte a posunula hlavu o pozici dále. Pokud jste chtěli např. zapsat nějaký byte na adresu 1000 decimálně, udělali jste "reset", pak jste 1000 krát provedli "čtení s inkrementací" a potom jeden "zápis s inkrementací". Divné, ale fungovalo to. Tato společnost rovněž vyvinula jednu z nejbizarnějších disketových mechanik s názvem Quick Disk, velikostí 2,8", kapacitou 64 KB a extrémně divným systémem ukládání dat, který nevyužíval sektory, ale jednu sekvenční datovou stopu, která se stáčela od středu k okrajům kapku jako gramofonová stopa. Celé to dobrodružství se chovalo spíše jako chytřejší magnetofon než jako disketová jednotka!
Moderní disky vycházejí z konceptu cyklické paměti. V ní se data permanentně pohybují vůči čtecí hlavě - a to v mnoha rozličných zařízeních s velmi různorodým mechanickým provedením, podstatné je jenom to, že se data neustále dokolečka vozí po nějakém datovém toboganu a jen na chvíli se objeví v okénku oné datově ukládací atrakce - a jen tehdy je můžeme vidět. Může to být bubnová paměť, kde jsou data uložena v magnetické podobě na povrchu bubnu, který se otáčí. A nebo třebas slepená smyčka pásky, která jede stále dokola - jak byla využívána v "kazetkách" Microdrive pro počítače ZX Spectrum.
A nebo paměť založená na zpožďovacích drátech, kde neustále krouží sekvence impulsů. A nebo bublinková paměť... a nebo rotující disk. Zařízení může číst jenom ta data, která se nachází přímo pod hlavou, pokud požadavek na čtení přijde chvilku potom, co data na svém kolotoči odsvištěla, následuje čekání. Cyklická paměť tedy není zdaleka tak svižná, jako paměť s náhodným přístupem, ale zase není tak těžko přístupná jako paměť sekvenční, kde každý pokus o čtení a zápis vede ke složité manipulaci s médiem - u nejprimitivnějších typů, jako jsou bubnové paměti, si stačí počkat zase na okamžik, až data pojedou kolem. Disky to mají kapku složitější - musí posouvat hlavičky mezi stopami, což přináší jistou složitost v řízení, tento nárůst komplexity je ale více než kompenzován (oproti bubnu :-) zmenšením média, zrychlením přístupu a zvýšením kapacity.
Vyladěno k dokonalosti
První experimenty s různými typy pamětí vedly k tomu, že se podivné experimenty typu Microdrive velmi rychle eliminovaly. Koncept "nekonečné pásky" byl v teorii hezký, mechanicky to mělo jenom jednu magnetickou hlavu a jediné kolečko, které konstantně unášelo pásek jednou rychlostí jedním směrem - bylo to tedy mnohem jednodušší než běžný magnetofon, tento systém se ale v praxi ukázal jako neuvěřitelně nespolehlivý.
Rotační média byla zpočátku nákladná, takže se pro "levné ukládání velkých objemů dat" používaly pásky a pro "rychlý přístup" pak diskové mechaniky. Rozdíl v rychlosti a využitelnosti systémů s páskou a systémů s disketami byl naprosto propastný. Objevovaly se různé pokusy, jako dálkově řízené páskové mechaniky typu KZD-1 a nebo páskových mechanik přenosných počítačů Hewlett-Packard.
Obrázek manuálu mechaniky KZD-1 (ze serveru www.digitron.cz)
Byly inteligentní a chovaly se skoro jako disketa (vypsaly obsah média, načetly soubor podle jména, ukládaly data automaticky na volné místo...), ale prostě to nebylo ono. Jednak takové pásky musíte pravidelně převíjet (jinak se slepí) a pak mají také svoje mušky - jsou schopny zapsat soubor jen tak velký, jak velkou "díru" na pásce najdou. "Defragmentace" pásky znamená přečíst platný obsah, pásku smazat (či prohlásit za smazanou) a vše znova zapsat. Opruz, přátelé! Pásky tedy s časem více a více nalézaly uplatnění jenom u streamerů, kde se používaly pro zálohy - přece jenom jsou jednoduché a docela spolehlivé. Našlo se i několik celkem famózních domácích pokusů - například systém pro zálohování dat pro Amigy na VHS pásky - ale to jsou vážně jenom kuriozity.
Rotační média, to je ovšem jiná káva. Jsou relativně rychlá, relativně levná a mají relativně vysokou kapacitu - a navíc je možné jejich vlastnosti vylepšovat vhodným použitím souborového systému. Je zde tedy velký prostor pro vylepšování vlastností. Kdysi ve dřevních dobách, kdy jsem bylo ještě malé štěně (tedy někdy v roce 1984) jsme se bavili s jedním kolegou o zálohování - a já byl skálopevně přesvědčen o tom, že pásky jsou pro zálohování výhodnější než disky. On tvrdil opak - v době, kdy disketová mechanika stála více než počítač samotný, místo jediné diskety jste si mohli koupit krabici dobrých doutníků a PC vybavené grandiózním 10 MB harddiskem bylo dražší než rodinný dům. Přesto uznávám: Měl pravdu. S masovým nástupem výroby floppy a harddisků pásky mizely a mizely, s každým rokem, přes všechna vylepšení a pokroky, vyklízely rotačním médiím místo. Pásky jsou dnes marginální záležitostí, najdeme už jenom málo prodejců, kteří by měli skladem páskové mechaniky, je to víceméně vše na objednávku a navíc téměř výlučně jen pro zálohování serverů. Dnes představuje ideální zálohovací zařízení RAID 1 NAS - a pro ty méně náročné pak USB 2.0 boxík se dvěma disky v RAID 1.
Znamená to, že vývoj u počítačových pamětí pokračuje směrem k asociativním pamětem - tak, jak klesá cena technologií? Mohli bychom udělat jednoduchou úvahu: Před lety byly paměti s cyklickým přístupem příliš drahé pro "masové" uložení dat (byť šlo o objemy dnes spíše úsměvné) a proto se používala zařízení z "horší", tedy sekvenční kategorie. Dnes nastupují SSD disky, které už prakticky patří do kategorie pamětí s náhodným přístupem - a situace se opakuje. Tato zařízení jsou příliš drahá a představují to, co před lety představovala rotační média: Hlavní úložný prostor pro systém a aplikace. Disky dnes začínají zaujímat stejnou pozici, jako měla sekvenční média: Jsou to "tažní koně" pro ukládání dat, nabízí hlavně velikou kapacitu a dobrou cenu při (relativně) pomalejším přístupu.
Zvoní diskům hrana?
Dnes se zdá, že rotační disky naráží na technologické meze a kolem roku 2012 už nebude kvůli superparamagnetickému efektu možné snadno navyšovat hustotu záznamu na jednotlivé plotny, jednoduše řečeno se dosáhne tak malých magnetických zrn a jeden bit jich kóduje tak málo, že se data začínají ztrácet už při pokojových teplotách. Pak by bylo možné už jenom přidávat plotny, což je poměrně nerozumné - přijatelný počet je maximálně pět. Řešením je příchod nějaké nové technologie, na obzoru jsou dvě: Seagate přichází s technologií "heat-assisted magnetic recording", kdy se používá jiný, vůči teplu odolnější typ magnetického zrna a jemnějšímu zápisu dat napomáhá zahříváním miniaturních oblastí na médiu.
Hitachi naopak zkoumá systém, kterému říkají "patterned media" a spočívá v tom, že se jednotlivé oblasti obsahující data od sebe oddělují, takže místo kontinuálních změn na médiu výsledek připomíná oddělené tečky. Jejich cílem údajně dosáhnout toho, aby jeden bit byl kódován jediným magnetickým zrnem, třeba i větším, než jsou ta současná.
Ve finále se počítá s kombinací obou technologií a dosažení další teoretické meze, která se očekává kolem zhruba 100 terabitů na čtvereční palec. To je circa o tři řády více, než u dnešních disků a potenciálně to dovoluje, aby se kapacita klasického 3,5" disku dostala někam k 1 PB. Pokud zlepšení technologií vyjde a vše se zadaří (buďme na chvilku optimisty!), znamená to, že rotační disky mají před sebou ještě docela dlouhou životnost. U osobních počítačů vydržely a přežily už 25 let - a je klidně možné, že mají před sebou ještě jednou tak dlouhou životnost.
Četl jsem jednu (pravda, poněkud od boku vystřelenou) studii o tom, že dokud budou harddisky nabízet za stejné peníze alespoň 10x větší kapacitu než SSD, je jejich budoucnost jistá. Je možné, že je SSD svými rychlostními parametry během následujících pěti let převálcuje, úplně je vyžene z notebooků a výkonných počítačů. Stále zde ale bude obrovský prostor pro lokální zálohování - a je tedy možné, že se harddisky vystěhují z počítačů do zálohovacích zařízení. Ať už expanduje šíře broadbandu do internetových úložišť jakkoliv, expanze lokálně dostupného úložného prostoru a přenosové rychlosti bude větší. Přestože je pro putující jedince nepochybně výhodné mít svá data k dispozici kdekoliv kde je internet, je stále praktické uložit si data lokálně - ať už proto, že jsou prostě "velká" a nebo proto, že bezpečně víte, že se v nich nikdo nevrtá a nehledá v nich marketingově zneužitelné informace. Ostatně - na čem že jsou data tam daleko v i-obláčku fyzicky uložena? Ano, nepochybně to budou harddisky!
Stejně je ale úžasné, že myšlenka z roku 1956 dokáže během 80. let získat naprostou dominanci na počítačovém trhu - a díky neustálému vylepšování technologií udržet tuto dominanci po dvacet let - a to s dobrými výhledy dále do budoucnosti. Stačí se podívat na harddisky staré a nové: Mechanicky se velice podobají, i když, samozřejmě, technologicky jsou mnohem, mnohem pokročilejší. Vážně: Kolik takových konceptů u počítačů znáte? x86 procesory? Oddělenou klávesnici? VGA videovýstup? Rotační disky, i když jsou dnes poněkud přehlíženy ve prospěch SSD, jsou tím opravdovým tahounem, který drží drtivou většinu našich dat - a tak to i v dohledné budoucnosti zůstane.
