Uciec Przed Potopem Danych.pdf

RAPORT SPECJALNY

UCIEC PRZED

POTOPEM DANYCH

100 000 000

10 000 000

1 000 000

100 000

10 000

1000

100

G¢STOå DANYCH na magnetycznym dysku twar-

dym wzros¸a 1 300 000 razy w 40 lat po wprowadze-

niu przez IBM pierwszego komercyjnego nap«du

w 1957 roku. G¸wn przyczyn tego spektakularne-

go wzrostu sta¸y si« osigni«cia w miniaturyzacji.

1957

1962

1967

1972

1977

1982

1987

1992

1997

2002

Rok

42 å WIAT N AUKI SierpieÄ 2000

Technologia komputerowych dyskw twardych szybko zbliýa si«

do bariery fizycznej zwizanej z efektem nadparamagnetycznym.

Jej pokonanie b«dzie nie lada wyzwaniem

Jon William Toigo

wielu firmach dostrzega si«,

ýe co rok podwaja si« obj«-

toæ danych generowanych

przez ich komputery. Ol-

brzymie bazy danych o roz-

miarach przekraczajcych terabajt (czy-

li 10 12 bajtw) to juý codziennoæ.

Korporacje chc, aby coraz wi«cej infor-

macji by¸o po r«k Ð zapisujc je na dys-

kach twardych, maj do nich ¸atwy do-

st«p. Takie rozwizanie ma wiele zalet:

dzi«ki oprogramowaniu do przetwarza-

nia i analizy danych moýna szybko do-

strzec trendy w zachowaniu rynku, za-

pewni lepsz obs¸ug« klientw, dosko-

nali proces produkcji itd. Podobnie

uýytkownicy indywidualni wykorzy-

stuj swoje niezbyt drogie komputery

osobiste, aby przechowywa rozleg¸

korespondencj« elektroniczn, zestawie-

nia wydatkw domowych, gry i pliki

z fotografiami przetworzonymi na po-

sta cyfrow.

To wszystko zawdzi«czamy tanim

magnetycznym dyskom twardym o du-

ýej pojemnoæci. Ich rozwj jest prawdzi-

wie baæniowy: w latach osiemdziesi-

tych tempo wzrostu pojemnoæci dyskw

twardych zwi«ksza¸o si« co rok o 25Ð

30%, w latach dziewi«dziesitych Ð do

60%, aby pod koniec ubieg¸ego roku

osign 130%. Obecnie pojemnoæ dys-

kw twardych podwaja si« co dziewi«

miesi«cy i pod tym wzgl«dem znacznie

wyprzedza post«p w technologii uk¸a-

dw scalonych, opisywany przez pra-

wo MooreÕa, wed¸ug ktrego g«stoæ

upakowania wzrasta dwukrotnie w

okresach 18-miesi«cznych.

W tym samym czasie ceny dyskw

twardych gwa¸townie spada¸y. Firma

Disk/Trend z Mountain View w Kali-

fornii, specjalizujca si« w analizach ryn-

kowych, informuje, ýe ærednia cena jed-

nego megabajta na dysku zmala¸a z

11.54 dolara w 1988 roku do 0.04 dola-

ra w 1998. Szacunkowy wynik w ubie-

g¸ym roku to 0.02 dolara. James N. Por-

ter, prezes Disk/Trend, przewiduje, ýe

najdalej w 2002 roku cena jednego me-

gabajta spadnie do 0.003 dolara.

Niespotykane po¸czenie wzrostu po-

jemnoæci i spadku cen zaowocowa¸o

rozkwitem rynku. W 1998 roku wypro-

dukowano 145 mln dyskw twardych,

a w 1999 blisko 170 mln. Jak przewidu-

je firma Disk/Trend, produkcja w 2002

roku osignie 250 mln dyskw, co przy-

niesie dochd oko¸o 50 mld dolarw.

Pojawiaj si« jednak powaýne wt-

pliwoæci, czy przemys¸ zdo¸a utrzyma

te fantastyczne wyniki ekonomiczne.

W nadchodzcych latach moýemy osi-

gn w technologii granic« wyznaczo-

n przez efekt nadparamagnetyczny

(SPE Ð superparamagnetic effect). M-

wic najproæciej, efekt nadparama-

gnetyczny wyst«puje wtedy, kiedy

ca¸kowita energia uk¸adu spinw ato-

mw tworzcych pojedynczy bit (0 lub

1) zbliýa si« do energii termicznej w

temperaturze otoczenia. Spe¸nienie wa-

runku oznacza, ýe bity mog losowo

zmienia swoj wartoæ z 0 na 1, i od-

wrotnie, powodujc utrat« zapisanych

informacji.

Dýc do stworzenia coraz pojemniej-

szych dyskw, IBM, Seagate Technolo-

gy, Quantum Corporation oraz inni pro-

ducenci sukcesywnie zmniejszali obszar

zajmowany przez pojedynczy bit, co

sprawi¸o, ýe dane sta¸y si« bardziej

wraýliwe na efekt nadparamagnetycz-

ny. Cz«æ ekspertw przewiduje, ýe

przy obecnym tempie miniaturyzacji

w przemyæle prawdopodobnie napo-

100

0.1

0.01

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

ROK

SPRZEDAû DYSKîW TWARDYCH wzrasta¸a wraz ze spadkiem ceny za 1 MB. Jak si«

przewiduje, w 2002 roku zyski ze sprzedaýy powinny si«gn 50 mld dolarw.

å WIAT N AUKI SierpieÄ 2000 43

tkamy barier« nadparamagnetyczn juý

w 2005 roku. Jednakýe naukowcy inten-

sywnie szukaj rozwizaÄ tego proble-

mu. Ich realizacja w warunkach ostrej

konkurencji, nieustannych wojen ceno-

wych i w sytuacji, gdy klienci coraz sta-

ranniej licz wydatki, to z punktu wi-

dzenia inýynierii czyn godny Herkulesa.

Jak dzia¸a dysk twardy

Magnetyczne cuda

PLIKI s zapisywane na talerzach

w postaci zakodowanych magne-

tycznie obszarw. Jeden plik mo-

ýe by podzielony pomi«dzy kilka

obszarw na rýnych talerzach.

Dysk twardy jest arcydzie¸em nowo-

czesnej technologii. Sk¸ada si« z ze-

spo¸u talerzy wykonanych ze stopu

aluminium lub ze szk¸a i pokrytych ma-

teria¸em magnetycznym oraz warstwa-

mi ochronnymi. G¸owice umieszczone

zwykle po obu stronach kaýdego tale-

rza odczytuj i zapisuj dane na koncen-

trycznych æcieýkach w oærodku ma-

gnetycznym. Rami« si¸ownika serwo-

mechanicznego ustawia g¸owic« nad

æcieýk, a powietrzne ¸oýyska hydrody-

namiczne pozwalaj przesuwa g¸owi-

ce nad powierzchni na wysokoæci u¸am-

ka mikrometra. Silnik elektryczny obraca

zesp¸ talerzy z pr«dkoæci od 3600 do

10 000 obrotw na minut«. 1

Podstawowe elementy konstrukcji

wywodz si« z pierwszego dysku twar-

dego, jakim by¸ RAMAC (Random

Access Method of Accounting and Con-

trol), opracowany w 1956 roku w IBM.

Zawiera¸ on 50 aluminiowych talerzy

o ærednicy 24 cali kaýdy, pokrytych

z obu stron magnetycznym tlenkiem

ýelaza. (Do tego celu pos¸uýy¸a farba

podk¸adowa, taka sama jak uýyta do ma-

lowania mostu Golden Gate w San Fran-

cisco). Dysk RAMAC umoýliwia¸ zapisa-

nie do 5 mln znakw, waýy¸ blisko ton«

i zajmowa¸ przestrzeÄ mniej wi«cej

dwch wsp¸czesnych lodwek.

Kolejne udoskonalenia w cigu ponad

czterdziestu lat przynios¸y ogromne

powi«kszenie pojemnoæci i podobnie

zdumiewajce zmniejszenie fizycznych

rozmiarw dyskw. 2 I tak pojemnoæ

zwi«kszy¸a si« o kilka rz«dw wielko-

æci Ð niektre wsp¸czesne komputery

osobiste s wyposaýone w dyski prze-

sz¸o 70-gigabajtowe. Tom H. Porter,

g¸wny technolog filii kalifornijskiej fir-

my Seagate Technology w Minneapolis,

wyjaænia, ýe to bezpoærednia konse-

kwencja miniaturyzacji. ãMniejsze g¸o-

wice, cieÄsze dyski, niýsza wysokoæ ro-

bocza [odleg¸oæ pomi«dzy g¸owic

a talerzem]: wszystko polega na zmia-

nie skaliÓ Ð stwierdza.

TALERZE wykonane z metalu lub szk¸a i pokry-

te materia¸em magnetycznym wiruj z pr«dko-

æci kilku tysi«cy obrotw na minut«, nap«dza-

ne przez silnik elektryczny. Pojemnoæ dysku

zaleýy od liczby talerzy (moýe ich by nawet

osiem) i rodzaju warstwy magnetycznej

SIüOWNIK przesuwa ramiona g¸owic

odczytujco-zapisujcych nad po-

wierzchni talerza. Jego zadaniem

jest precyzyjne ustawianie g¸owic nad

okrg¸ymi koncentrycznymi æcieýka-

mi na powierzchni talerzy.

OBUDOWA

ODLEGüOå pomi«dzy g¸owic odczytujco-

-zapisujc a powierzchni talerza jest 5000

razy mniejsza niý ærednica ludzkiego w¸osa.

åREDNICA WüOSA

75 000 nm

GüOWICA

Doskonalenie g¸owic

15 nm

W minionych latach znaczny wzrost

pojemnoæci dyskw by¸ w duýej mierze

rezultatem rozwoju g¸owic odczytujco-

44 å WIAT N AUKI SierpieÄ 2000

GüOWICA ODCZYTUJCO-ZAPISUJCA

DYSK

WARSTWA

MAGNETYCZNA

GüOWICE ODCZYTUJCO-ZAPISUJCE zamoco-

wane na koÄcu ruchomych ramion ælizgaj si« nad

obiema stronami wirujcych talerzy. G¸owica za-

pisuje dane, porzdkujc pola magnetyczne dro-

bin na powierzchni talerzy. Dane s odczytywa-

ne dzi«ki detekowaniu polaryzacji ziaren we

wczeæniej zapisanym obszarze.

UKüAD ELEKTRONICZNY na p¸ytce drukowanej odbiera polecenia przycho-

dzce z kontrolera dysku. Kontrolerem zarzdza system operacyjny i BIOS

(basic input-output system) Ð oprogramowanie niskiego poziomu sprz«ga-

jce system operacyjny z podzespo¸ami komputera. Uk¸ad elektroniczny

t¸umaczy polecenia na zmieniajce si« sygna¸y elektryczne, ktre sprawia-

j, ýe si¸ownik g¸owicy przesuwa j nad powierzchni talerza. P¸ytka ta jest

takýe odpowiedzialna za dzia¸anie silnika obracajcego talerze ze sta¸

pr«dkoæci i informuje g¸owice, kiedy rozpocz odczyt i zapis danych.

å WIAT N AUKI SierpieÄ 2000 45

-zapisujcych. Ich zadaniem jest reje-

strowanie danych przez zmian« pola-

ryzacji magnetycznej niewielkich obsza-

rw oærodka, nazywanych domenami

(kaýda domena odpowiada pojedyncze-

mu bitowi). W celu odczytania informa-

cji g¸owica jest ustawiana tak, ýe do-

meny magnetyczne generuj sygna¸

elektryczny, interpretowany nast«pnie

jako cig zer i jedynek.

Pierwsze dyski by¸y wyposaýone

w g¸owice ferrytowe. W 1979 roku po-

st«p w technologii krzemowych uk¸a-

dw scalonych umoýliwi¸ wytwarzanie

g¸owic cienkowarstwowych. G¸owice

nowego typu pozwoli¸y na odczyt i za-

pis bitw w mniejszych domenach. Na

pocztku lat dziewi«dziesitych przy-

by¸ konkurent g¸owic cienkowarstwo-

wych, poniewaý koncern IBM opraco-

wa¸ nowe rewolucyjne rozwizanie,

wykorzystujce zjawiska magnetoopo-

ru (po raz pierwszy zaobserwowa¸ je

lord Kelvin w 1857 roku). Doprowadzi-

¸o to do zasadniczego prze¸omu w g«-

stoæci zapisu.

Zamiast bezpoærednio odczytywa

zmiany pola magnetycznego na po-

wierzchni dysku, g¸owica magneto-

rezystywna rejestruje bardzo ma¸e

zmiany oporu elektrycznego (rezy-

stancji) p¸przewodnika pod wp¸y-

wem pola magnetycznego. Wi«ksza

czu¸oæ umoýliwia dalsze ograniczenie

rozmiarw domen, w ktrych s prze-

chowywane informacje. Mimo iý w

1996 roku producenci nadal sprzeda-

wali g¸owice cienkowarstwowe, to na-

p«dy z g¸owicami magnetorezystyw-

nymi juý zdominowa¸y rynek.

W 1997 roku IBM wprowadzi¸ kolej-

n innowacj« Ð g¸owice wykorzystu-

jce tzw. gigantyczny magnetoopr

(GMR Ð giant magnetoresistance), w

ktrych warstwy p¸przewodnikowe-

go materia¸u ferromagnetycznego i

niemagnetycznego s umieszczane na-

przemiennie, co podwaja, a nawet po-

traja czu¸oæ g¸owicy odczytujcej.

Uk¸ad warstw o rýnych w¸aæciwo-

æciach kwantowych pozwala uzyska

g¸owic« GMR o ýdanej charakterysty-

ce. Currie Munce, dyrektor oddzia¸u

systemw i technologii pami«ci maso-

wej w IBM Almaden Research Center

w San Jose w Kalifornii, twierdzi, ýe

rozwj tej technologii umoýliwi zapis

danych na dysku z g«stoæci wi«ksz

niý 100 gigabitw na cal kwadratowy

(100 Gb/cal 2 = 15.5 Gb/cm 2 ) powierzch-

ni talerza. 3

Jeszcze niedawno, bo w 1998 roku,

niektrzy eksperci przewidywali, ýe

granica g«stoæci zapisu zwizana z

efektem nadparamagnetycznym to

30 Gb/cal 2 . Dziæ chyba nikt nie wie,

gdzie dok¸adnie leýy wspomniana gra-

nica, ale sukcesy IBM sugeruj, ýe de-

mon g«stoæci mieszka gdzieæ dalej niý

150 Gb/cal 2 .

Nieco o rozmiarach bitw

Oczywiæcie, wszelkie udoskonale-

nia g¸owic odczytujco-zapisujcych

nie mia¸yby znaczenia, gdyby nie moý-

na by¸o g«æciej upakowa informacji

na talerzu. Aby zmieæci ich wi«cej na

dysku Ð t¸umaczy Pat McGarrah, dyrek-

tor odpowiedzialny za marketing stra-

tegiczny i techniczny w Quantum Cor-

poration w Milpitas w Kalifornii Ð wiele

firm poszukuje noænikw umoýliwiaj-

cych skrcenie d¸ugoæci bitw.

Problemem jest efekt nadparamagne-

tyczny: gdy redukujemy rozmiary zia-

ren materia¸u magnetycznego, aby

zmniejszy obszar bitw, mog one

utraci zdolnoæ do utrzymywania po-

la magnetycznego w danej temperatu-

rze. ãW rzeczywistoæci problem spro-

wadza si« do termicznej stabilnoæci

oærodka Ð wyjaænia Munce. Ð Moýna

zwi«ksza czu¸oæ g¸owic, ale w koÄcu

trzeba przyjrze si« w¸aæciwoæciom ma-

gnetycznym oærodka: koercji, stabilno-

æci magnetycznej i liczbie ziaren, ktra

zapewni ýdan odpornoæ na termicz-

ne wymazanie danych.Ó

Pole magnetyczne wspomagane æwiat¸em

ednym z rozwizaÄ, ktre maj przed¸uýy ýycie ma-

gnetycznych dyskw twardych, jest uzupe¸nienie ich o ele-

menty optyczne. Uzyskana konstrukcja hybrydowa moýe

znacznie zwi«kszy g«stoæ zapisu ponad obecn wartoæ

10Ð30 Gb/cal 2 . Firma TeraStor z San Jose w Kalifornii twierdzi

wr«cz, ýe realne jest uzyskanie nawet 200 Gb/cal 2 , czyli wi«-

cej niý przewidywana granica nadparamagnetyczna [ patrz

tekst g¸wny ].

Nap«d zaprojektowany w TeraStor to odmiana uk¸adu ma-

gnetooptycznego, w ktrym laser ogrzewa niewielki obszar na

dysku, co z kolei umoýliwia zapis magnetyczny. Podstawow

rýnic jest zastosowanie przez TeraStor sta¸ych soczewek im-

mersyjnych (SIL Ð solid-immersion lens) b«dcych szczegln

odmian soczewek sferycznych.

Sta¸e soczewki immersyjne opracowane w Stanford Univer-

sity dzia¸aj na tej samej zasadzie co cieczowa mikroskopia

immersyjna, w ktrej zarwno obserwowany przedmiot, jak

i obiektyw s zanurzone w cieczy, zwykle w oleju, co wyra-

nie polepsza uzyskiwane powi«kszenia. W konstrukcji dysku

wykorzystanie soczewek zosta¸o odwrcone, a ich zadaniem

WIZKA

LASEROWA

OBIEKTYW

UNOSZCA SI¢

GüOWICA

CEWKA

WIZKA LASERA ogrzewa malutki obszar na dysku, co pozwa-

la unoszcej si« g¸owicy zmieni jego w¸aæciwoæci magnetyczne,

tak aby zawiera¸ on wartoæ 0 lub 1. Dwie soczewki ogniskuj

wizk« do postaci niezwykle ma¸ej plamki, co umoýliwia zapis

bitw z bardzo duý g«stoæci. Obiektyw skupia wizk« na sta-

¸ej soczewce immersyjnej Ð jest ona zasadniczym elementem uk¸a-

du Ð ktra z kolei daje plamk« o ærednicy mniejszej niý 1 µm.

STAüA

SOCZEWKA

IMMERSYJNA

WARSTWA

MAGNETYCZNA

PODüOûE

PLASTIKOWE

46 å WIAT N AUKI SierpieÄ 2000

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: