ハードドライブの進化：ハードドライブは60年の歴史の中でどのように変化しましたか？

最新のハードドライブは、最も洗練されたハイテクデバイスです。 想像してみてください。磁気ヘッドの書き込み部分のサイズはわずか120ナノメートルで、読み取り部分はわずか70ナノメートルです。 このようなスケールを想像するには、10セントのコインに対して39倍の倍率で頭のブロックがどのように見えるかを見てください。





ヘッドブロックサイズと10セント硬貨の比較



同時に、磁気ヘッドは約12-15ナノメートルの高度でプレートの上をホバリングしますが、これはスクリーン効果のために達成されます。それぞれの下に、離陸中のボーイングの翼の下にあるかのように、空気（またはHelioSealプラットフォームのソリューションについて話している場合はヘリウム）枕必要な持ち上げ力を提供します。 このようなわずかな距離を考えると、パンケーキ自体の表面は完全に滑らかでなければなりません。これは、わずかな粗さがデバイスのコンポーネントの不可逆的な損傷につながるためです。 プレート製造の精度は、次の例で簡単に評価できます。



2.5インチドライブを約1300万倍増やして、プレートと磁気ヘッドの間隔が1メートルに達すると、後者はニューヨークとサンフランシスコの距離（> 4000キロメートル）に匹敵する距離をカバーできます。 ）、全長に沿った高さの差が4センチを超えないようにします。





実世界のHDDパフォーマンスの精度



さらに驚くべきことは、HDD設計の基本原則が過去60年間変わっていないという単純な事実です！ 厄介なRAMACの時代から現在まで、ウィンチェスターがとげのある道を歩んできたことについては、本日の出版物で説明します。

RAMACからウィンチェスターへ

世界初のハードドライブは、フロッピーディスクの発明の15年前に登場しました-1956年。 最新のHDDの先駆者はIBM Corporationの発案でした-モデル305 RAMACは、その名前は「Random Access Method of Accounting and Control」の略です。 このユニットは、工業用冷蔵庫の寸法に匹敵する巨大な寸法を持ち、ほぼ1トン（または正確には-970キログラム）の重さで、強磁性体でコーティングされた50枚のアルミニウム板のシステムであり、それぞれ直径24インチ（61センチメートル）でした。





最新のハードドライブの先駆者-IBM RAMAC 305



その時点でパンケーキの回転速度は1200 rpmに達し、約600ミリ秒のアクセス時間と8.8バイト/秒の情報転送速度を保証しました。 これらの数値は平均化されます。 問題は、このデバイスには、ステッパーモーターを使用してプレート間を移動するリーダーが1つしかなかったことです。 このアプローチでは、コンピューターが、たとえば最初と50番目のディスクに記録されたデータを受信する必要がある場合、一定の遅延が発生しました。 RAMAC 305のもう1つの弱点は、システムの信頼性でした。書き込みヘッドがプレートの表面に直接触れたため、両方の部品の強力な加熱と急速な機械的摩耗につながりました。



記載されている欠点と高コストにもかかわらず（発行価格は10,000ドルですが、顧客は月額3200ドルで「たった」リースすることができます）、IBMは約1000製品を販売することができました。 64,000枚のパンチカードとテープドライブよりもはるかに高速に動作し、1951年以来IT業界でデータアーカイブに積極的に使用されています。 ちなみに、HGST（旧日立事業部）の買収後、Western DigitalはLive OaksにあるIBMプロダクションコンプレックスの処分になりました。RAMAC305シリーズの最初のデバイスが開発されたのはここです。



1961年、RAMAC 305は廃止され、IBM 1301に置き換えられ、多くの重要な技術革新が実現されました。 主な革新は、エアベアリングテクノロジーの実装でした。パンケーキと書き込みヘッドの間に5マイクロメートルの隙間ができ、デバイスの信頼性と耐久性を高めることができました。 プレート自体は今では二国間であり、それぞれが独自のリーダーを受け取りました。





進歩の最先端：IBM 1301ドライブ



これらの機能のおかげで、IBM 1301はその前身のほぼ3倍の生産性と容量を備えました。アクセス時間は180ミリ秒に短縮され、スピンドル速度は毎分1800回転に増加し、保存された情報の量は28メガバイトに達しました（つまり、記録密度は520でした）ビット/平方インチ）。 さらに、IBMは新しいモデルの価格設定ポリシーをわずかに調整しました。現在、2,100ドルで機器をレンタルでき、これは115.5千ドルの価格でレンタルできました。



次の非常に重要なステップは、1962年にすでに行われました。 修正1311は、交換可能なカートリッジを受け取るという点で根本的に異なっていました。 重量が4.5 kgのそれらのそれぞれは、その構成に6つの「コンパクトな」（わずか14インチ）磁気ディスクがありました。 記録に使用できるプレーンは10面のみで（外面には強磁性層がありません）、合計容量は2.6メガバイトで、これは25,000枚のパンチカードまたは1⁄5標準コイルに相当します。 移植性のため、IBM 1311は生産性が低下しました。記録密度は2倍（1025ビット/平方インチ）増加しましたが、回転速度を1500 rpmに下げる必要があり、その結果、100バイトを収容できるセクターへの平均アクセス時間が増加しました最大250ミリ秒。 それにもかかわらず、交換可能なカートリッジにより情報の単位を保存するコストが大幅に削減されたため、このモデルは企業環境で非常に人気がありました。





これが、IBM 1311でのカセット交換手順の様子です。



商業的成功により、IBM 1311は10年以上（1975年まで）製造され、この期間中にハードドライブのモデル範囲は改良されたモデル2302、2305、1311で補充されましたが、どれもそれほど普及していませんでした。



しかし、1973年に光を見たインデックス3340の下のデバイスは、歴史上ダウンしました。 まず、既存のテクノロジーが頭に浮かびました。 企業のエンジニアの努力のおかげで、このセクターへのアクセスは以前の25ミリ秒に比べて10倍減少し、データ転送速度は毎秒885キロバイトに達しました。 空力を改善するために、カセットケースは完全に密閉され、磁気プレートに対する環境要因の影響を平準化して、信頼性を高めました。





世界初の「ウィンチェスター」-ドライブIBM 3340 30-30



デバイス自体がマイクロチップを取得し、磁気ヘッドの軌道をより正確に計算し、スピンドル速度を調整して、位置決め精度を高め、トラック間の距離を短くし、その結果、各カートリッジの容量を30 MBに増やしました。 さらに、デバイスは、接尾辞「30-30」で示されるように、2つのディスクモジュール-固定およびリムーバブルの保守方法を学習しました。 このマーキングのおかげで、プロジェクトマネージャーのケネスE.ホートンの軽い手で、30から30カートリッジを使用する世界的に有名なウィンチェスターライフルを称えてスラング名「ウィンチェスター」がデバイスに付けられました。 オリジナルでは、これらの数字は弾丸の口径（0.3インチ）と装薬の重量（30粒）を意味していました。 今日、ハードドライブはあらゆるモデルのハードドライブの共通名になっています。

薄膜コーティング技術の紹介

ハードドライブの進化における重要なマイルストーンは、薄膜磁気コーティングの作成です。 この分野の研究は、1960年代後半にヨークタウンハイツ（NY）の研究センターで始まりましたが、80年代後半にはパンケーキの製造に酸化鉄が使用されました。 コーティングは次のように準備されました：急速に回転するアルミニウムビレットに、ポリマー溶液中のFe 2 O 3粉末の懸濁液が注がれました。 遠心力の作用下で、組成物は表面全体に均一に分布した。 次に、低摩擦係数を特徴とする外部保護層を研削および適用する段階に続き、これも研磨されました。



このようなコーティングの主な欠点は、機械的な脆弱性です。ヘッドと衝突した場合、簡単に砕け、ディスク自体が使用できなくなります。 それにもかかわらず、技術の単純さとその安価さにより、酸化物コーティングはほぼ四半世紀にわたって記憶媒体に使用され成功しています。





書き込みヘッドの固着の結果：ディスクは不可逆的な損傷を受けました



薄膜作業層への移行により、1979年に市場に導入されたIBM 3370ドライブの革新的なモデルの出現が可能になりました。 直径14インチの7台のディスクで構成されるシステムは、1平方インチあたり最大7.53メガバイトの記録密度を誇り、571.3メガバイトの容量がありました。 データ転送速度は1.86メガバイト/秒に増加し、平均アクセス時間は記録的な20ミリ秒に短縮されました。 デバイスの価格も非常に手頃な価格であることが判明しました。デバイスはたった35,100ドルで購入でき、レンタル料金は月額900ドルまで下がりました。 このソリューションは、IBM System / 38サーバープラットフォーム専用に開発されました。各マシンに最大4台のハードドライブを接続でき、合計で2.28ギガバイトのストレージ容量を確保できました。





IBM System / 38サーバープラットフォーム



薄膜コーティングの使用により、上記のすべてが正確に可能になりました。 当初は、亜鉛メッキを使用して作成しましたが、より高度な真空蒸着法に置き換えられました。 プロセス自体は次のとおりです。使用される物質と合金は、真空チャンバー内で気体状態に移行し、その後、アルミニウムディスクによって再生される基板上に堆積されます。



方法に関係なく、最初の段階では、ニッケルの亜リン酸塩が金属表面に堆積され、続いて磁気特性を備えたコバルト合金が堆積され、最後はダイヤモンドと同等の強度の保護カーボン層でした。 その存在のおかげで、書き込みヘッドと接触した場合（たとえば、激しい衝撃による）の作業面への損傷の可能性をほぼ完全に排除することができました。 しかし、最も重要なことは、薄膜コーティングの使用により、磁気ヘッドとパンケーキ間の距離が大幅に短縮され、記録密度が数十倍に増加したことです。 1980年、薄膜コーティング技術のおかげで、IBMはギガバイトの制限を克服する最初のハードドライブを導入しました。 3380モデルの容量は2.52ギガバイトでしたが、データ転送速度は1秒あたり3メガバイトとかなり許容範囲に達しました。

パソコン用ハードドライブの時代の始まり

上記のすべてのHDDは、純粋に企業部門向けでした。 そして、価格に目を向けても、非常にイデオロギー愛好家を除いて、膨大な情報が含まれていても、印象的なサイズのキャビネットを自分の家に置くことに同意することはほとんどありません。 70年代後半まで、ハードドライブは大規模な商業および国営企業の特権であり続けました。 当時、PCには5.25インチフロッピーディスク用のドライブが1つまたは2つ装備されていました。各ドライブは平均1200キロバイトのデータを保存でき、平均的なユーザーには十分でした。



しかし、コンピューター革命は容赦ないものでした。情報技術に関与する顧客が増えているため、1.2メガバイトのフレームに満足しなくなったうるさい顧客が増えています。 需要は供給を生み出しますが、今回はIBMは仕事をしていませんでした：ビジネスセグメントに焦点を当て、同社は小売市場を逃し、Al Shugartと世界的に有名な企業の居心地の良いオフィスを去った数人の従業員によって設立された小さな会社Seagateは空のニッチを占有しました。 1980年に世界初の一般消費者向けのHDDを作成したのは、控えめな名前のST-506でした。





Seagate ST-506-世界初のパーソナルコンピューター用HDD



このデバイスは、標準の5.25インチドライブベイ（フロッピードライブの代わりにマウント）にインストールすることを目的としており、容量はわずか5メガバイトでしたが、これは産業用モデルとは比較になりません。 しかし、ウィンチェスターは優れた速度を誇り、3600 rpmに達した印象的なスピンドル速度のおかげです。 ドライブの価格は1,700ドルでした。したがって、1メガバイトの情報ごとに、新しいアイテムの所有者は340ドルかかりました。



IBMに関しては、企業は大衆ユーザーの闘争に関与しないことを決定しましたが、逆に、新しい競合他社と戦略的契約を締結しました。 その結果、1983年3月8日に、伝説的なIBM PCの修正が市場に登場しました-IBM 5160またはIBM PC / XT（XT後置記号はeXtended Technologyの略でした）には、既に10メガバイトのデータが含まれていたST-412ハードドライブの改良された修正が装備されていました。 この決定がどれほど成功したかは、数字から容易に理解できます。1988年までに、このシリーズの2,500万台を超えるパソコンが販売されました。





Seagate ST-412ハードドライブを搭載したIBM 5160



他の企業は小型化の傾向を取り入れています。 そこで、すでに1983年に、スコットランドの会社ロディムはRO351と呼ばれる装置を導入しました。 このドライブには10メガバイトのプレートが2枚ずつ入っているだけでなく、競合製品よりもはるかに小さいことがわかりました。HDDは通常の3.5インチのフォームファクターで作られています。 そして、ラップトップおよびポータブルストレージメディアの一部として使用される最新のソリューションの先駆者が1988年に登場しました。そのとき、PrarieieTekはラップトップの一部として使用するために設計された5および10メガバイトの2.5インチドライブの量産を開始しました。 わずか3年後に東芝がリリースする最初のTamba-1ミニチュアハードドライブを考えて、ロングモント（コロラド州）の企業について既に覚えている人がほとんどいないのは面白いことです。 たぶんその理由は思慮深いマーケティングにあります-63メガバイトの容量を誇り、重量がわずか200グラムのコンパクトなドライブは所有者の切り札としてのみ提供され、広告ポスターで非常に成功しました。





Toshiba Tamba-1はあなたの切り札です！

ハードドライブの開発パスを定義する重要なマイルストーン

概して、ハードドライブのさらなる進化は、3つの単純な言葉に短縮されます。より高速で、より容量が多く、より信頼性の高い言葉です。 この経路で何が起こったのか：可能な限り最も効率的なデバイスを作成したいという欲求が、中小企業と大企業の両方を行き止まりに導きました。 絶望的な開発の方向の顕著な例は、スピンドルの回転速度の増加と呼ばれます。 80年代後半に3600 rpmのマイルストーンに達した場合、1992年にすでにSeagate Barracuda 2LPが市場に登場しました。これは、7200 rpmのインジケーターを誇る最初のハードドライブです。





最初の7200 rpmスピンドルドライブ-Seagate Barracuda 2LP



これは停止する必要がありますが、「軍拡競争」が独自のルールを決定しました。 バラクーダに続いて、チーターが10,000 rpmに加速しました。 Western Digitalも遅れをとらず、すぐにコードネームRaptorの1万番目の世界を紹介しました。 また、上記のドライブははるかに優れたパフォーマンスを発揮しましたが、このような高速化により、より高価なベアリングが必要になり、製品の最終コストが大幅に増加し、サーバーソリューションの位置付けモデルであるMTBFの大幅な削減にも貢献しました）受け入れられない。 SSD時代の到来により、「フロッピー」HDDの必要性はほぼ完全になくなり、現在、トップバーは7200 rpmのままであり、「レーシング」ハードドライブはIT業界の代表者や愛好家にはもはや必要ありません。



ただし、上記のようなケースはまれです。ほとんどの場合、ハードドライブを改善したいという欲求が、驚くべき科学的発見や新しい標準の出現につながりました。 時系列で最も重要なイベントを検討してください。

IDE開発

最初に、ハードドライブをパーソナルコンピューターに接続するために、ST-506インターフェイスまたはより高度なST-412で拡張カードが使用されました。これは、バッファリングされた検索機能（これによりアクセス時間を15-30ミリ秒に短縮するのに役立ちました）およびRLLメソッド（グループ録音による録音）をサポートしましたエンコード）、Seagateが製造した同名のハードドライブの容量を2倍にすることができました。



1986年、Western DigitalとCompaqは、IDE（Integrated Drive Electronics-“ Integrated Electronic Components”）と呼ばれる根本的に新しい標準の開発を完了しました。 その時点から、16ビットISAバスを使用するAT互換コントローラーはドライブの不可欠な部分となり、ディスクサブシステム全体のコストに好影響を与えました。デバイスの価格はわずかに上昇しましたが、ユーザーは追加のモジュールを購入する必要がなくなりました。 次に、チャネルコントローラーがユニバーサルになり、ドライブコントローラーが特定のHDDモデル用に既に設計されたため、製造プロセスが簡素化され、ベンダーのファームウェア実験の実質的に無限の可能性も開かれました。

GMRヘッドの作成

巨大磁気抵抗効果（巨大磁気抵抗効果、GMR）は、1988年にフランスの物理学者アルバートファースとドイツの科学者ピーターグリュンベルクによって発見されました。 彼らは、透明な結晶構造を持つクロムと鉄のサンプルが強い電磁場に置かれると、物質の電気抵抗の急激な増加が記録されることを発見しました。これは、磁場ベクトルと物質の電子スピンの不一致によって説明されます。 反対に、電子の回転方向が磁場の方向に対応する場合、抵抗ははるかに小さくなります。





磁場の影響下での電気抵抗の変化



IBMのエンジニアは、この現象を実践できることにすぐに気付きました。 彼らの仕事の結果は、1994年にGMR効果に基づいたセンサー要素の出現でした（ちなみに、作成時に上記の薄膜堆積が使用されました）。この技術を使用した最初の商用ハードドライブは、16ギガバイトの容量を持つIBM Deskstar 16GPでした。



新世代の磁気ヘッドは、磁気プレートの表面で生成された非常に弱い信号を拾い上げることができたため、センサー面積を縮小することで記録密度を数倍に増やすことができ、その結果、トラックの配置がよりコンパクトになりました。 1998 IBM 11,6 , MR- 3,09 ( 2,5- IBM Travelstar 8GS 8,1 ). 5000%, 100 .

, PMR (Perpendicular Magnetic Recording), 2006 . 2005 , . , : ( ), , - .









, 70- XX , - , , 90° . . PMR : 30% — 400 , 1 .

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