Накопители информации. Виды. Механизмы записи и стирания

На скорость работы винчестера существенно влияет кэш-память – ячейки памяти, размещенные  на контроллере винчестера. Она работает по принципу кэш памяти 2-го уровня. Типичная величина может варьироваться  от 64 Кб до 1024 Кб. 
Съемные/внешние/переносные жесткие диски по своим характеристикам не отличаются от обычных. Альтернативой являются накопители со сменными дисками, в отличии от съемных винчестеров подвижным является лишь непосредственно носитель информации, функционально напоминают накопители на жестких дисках, но существенно превосходят их по характеристикам. Объем записываемой информации варьируется от 100 Мб, до 1 Гб, среднее время доступа 10-30 мс, средняя скорость обмена 4-6 Мб/сек.  
 

5. ПРИВОДЫ CD-ROM

Ранее использовавшиеся для аудиоаппаратуры  компакт-диски были модифицированы для применения в РС и теперь стали  неотъемлемой частью современных компьютеров. СD являются отличным носителем информации. Они более компактны, удобны и дешевы, чем винчестер, однако, не могут использоваться как HDD, так как стоимость записи и ее скорость намного выше. Привод выполняется как внутренне устройство, и имеет размер дисковода 5,25”. Могут управляться через IDE-, SCSI-интерфейс или звуковую карту. Диск изготавливается из поликарбоната, с одной стороны его покрывают отражающим слоем (из алюминия или золота). Запись осуществляется путем выжигания чередований углублений в металлическом слое лазерным лучом. Считывание информации с диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отражённого от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приёмник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был ли он рассеян или поглощен. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены углубления (штрихи). Сильное отражение луча происходит там, где этих углублений нет. Фотодатчик, размещённый в накопителе CD - ROM, воспринимает рассеянный луч, отражённый от поверхности диска. Затем эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.

Глубина каждого штриха на диске равна 0.12 мкм, ширина - 0.6 мкм. Они расположены  вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой  составляет 1.6 мкм, что соответствует  плотности 16000 витков на дюйм или 625 витков на миллиметр. Длина штрихов вдоль  дорожки записи может колебаться от 0.9 до 3.3 мкм. Дорожка начинается на некотором расстоянии от центрального отверстия и заканчивается примерно в 5 мм от внешнего края.

Если  на компакт - диске необходимо отыскать место записи определённых данных, то его координаты предварительно считываются из оглавления диска, после чего считывающее устройство перемещается к нужному витку спирали и ждёт появления определённой последовательности битов.

В каждом блоке диска, записанного в формате CD - DA (аудиокомпакт - диск), содержится 2352 байт. На диске CD - ROM 304 из них используется для синхронизации, идентификации и коррекции кодов ошибок, а оставшиеся 2048 байт - для хранения полезной информации.

 
   Алгоритм работы накопителя CD-ROM:

1.  Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на отражающее зеркало.

2.  Серводвигатель по командам встроенного микропроцессора, смещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт - диске.

3.  Отражённый от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму.

4.  Разделительная призма направляет отражённый луч на другую фокусирующую линзу.

5.  Эта линза направляет отражённый луч на фотодатчик, который преобразует световую энергию в электрические импульсы.

6.  Сигналы с фотодатчика декодируются встроенным микропроцессором и передаются в компьютер в виде данных.

Штрихи, нанесённые на поверхность диска, имеют  разную длину. Интенсивность отражённого  луча изменяется, соответственно изменяя  электрический сигнал, поступающий  на фотодатчик. Биты данных считываются  как переходы между высокими и  низкими уровнями сигналов, которые  физически записываются как начало и конец каждого штриха.

 
Основная характеристика - скорость передачи данных. Единицей считывания является скорость считывания с магнитной  ленты. У созданных позже устройств скорость считывания кратна ей и варьируется от 150 Кб/сек до 6-7 Мб/сек. Качество считывания характеризует коэффициент ошибок. Качество является оценкой вероятности искажения информационного бита при его считывании. Этот параметр отражает способность устройства корректировать ошибки чтения/записи. 
Среднее время доступа – время, требующееся приводу для поиска необходимых данных на носителе, варьируется от 400 до 80 мс. Буферная память позволяет передавать данные с постоянной скоростью. Существует три типа буферов: динамический, статический и с опережающим чтением. Средняя наработка на отказ составляет 50-125 тысяч часов, что намного опережает сроки морального устаревания устройства. 
Существуют также накопители CD-RW, позволяющие производить запись на компакт-диск. При этом диск покрыт слоем термочувствительной краски, с такими же отражающими свойствами, как и у алюминиевого покрытия. Этот привод считается последним достижением в области разработок записываемых компакт дисков.  

6.ПРИВОДЫ  DVD-ROM

DVD (Digital Video Disk) – диски, которые первоначально разрабатывались для домашнего видео. Отличаются тем, что могут хранить объем данных многократно превышающий возможности компакт дисков (от 4,7 до 17 Гб.). При этом уровень качества звука и изображения хранимого на DVD приближается к студийному качеству. 
В DVD лазерный луч уже, что позволяет снизить толщину защитного слоя диска в 2 раза. Это привело к появлению двухслойных дисков. 
Магнитооптические накопители (Magneto-Optical) являются накопителем информации, в основе которого лежит магнитный носитель с оптическим управлением. Сплав, которым покрыта поверхность такого магнитооптического диска, меняет свои свойства как под воздействием тепла, так и под воздействием магнитного поля. Если происходит нагревание диска сверх некоторой температуры, то становится возможным изменение магнитной поляризации с помощью небольшого магнитного поля. На этом свойстве основываются технологии чтения записи магнитооптических дисков. Такие диски могут быть односторонними 3,5” емкости 128, 230, и 640 Мб. Двухсторонними 5,25” емкостью 600 Мб. – 2,6 Гб. 2,5” диски Mini Disk Data фирмы Sony, созданы специально для аудиоустройств и имеют емкость 140 Мб. 12” диски для однократной записи емкостью 3,5 – 7 Гб получили большое распространение при построении оптических библиотек. 

     7.FDM ROM

Относительно  недавно, компанией C3D было объявлено  о создании новейшего типа носителей  информации, под общим названием FMD ROM (fluorescent multilayer disk), то есть флуоресцентный многослойный диск. Эта перспективная разработка, как ожидают ее создатели, должна после своего выхода заменить все существующие на сегодняшний момент устройства хранения информации, причем не только устаревающие диски CD-ROM, но и относительно новые DVD-ROM.

Магнитные диски просуществовали более  тридцати лет, CD-ROM чуть меньше двадцати, на смену CD совсем недавно пришел стандарт DVD и вот не прошло и три года, как появился преемник DVD.

Разработчики  заявляют, что уже сейчас первые прототипы способны вмещать при  размере диска 12 см в диаметре, то есть на стандартном 5 дюймовом носителе до 140Гб. Это при десяти слоях. А  в ближайших планах компании C3D есть желание, как минимум удесятерить  число слоев. При этом становится вполне реальной возможность создания сменных носителей информации емкостью в десятки терабайт. Та емкость, которую  на сегодняшний день можно получить лишь при использовании громадных  дисковых массивов, занимающих подчас целые шкафы и даже комнаты, будет  обеспечиваться компактным диском, который  с легкостью умещается в кармане!

Насчет  скорости доступа еще очень мало данных. Разработчики обещают, что этот параметр будет намного выше, нежели у DVD. Хотелось бы верить, ведь иначе, с  существующими скоростями, при работе с терабайтными массивами информации даже простые операции, например, перечитка диска, может затянуться на несколько часов. Новые гигантские объемы требуют и соответствующих скоростей доступа.

Что же касается соотношения емкость/стоимость  носителя, то и тут FMD ROM не имеет себе равных. Ведь он представляет собой практически кусок пластмассы, вернее полимерную матрицу с фотохромным веществом, но по стоимости, это просто пластиковый диск.

И ни каких  затрат по созданию дорогостоящих полупрозрачных слоев, как в DVD.

В оптических носителях (CD, DVD, магнитооптика) во время  чтения луч полупроводникового лазера отражается от слоя с записанной информацией.

Отраженный  луч затем фиксируется детектором - приемником. Грубо говоря, считывание идет по принципу: попал или не попал  луч в приемник. Максимальная удельная емкость диска определяется размером светового пятна от лазера, которое  в свою очередь зависит от длины  волны (у красных лазеров - 650нм).

Можно использовать два слоя, причем сделать  один из слоев прозрачным для излучения  с определенной длиной волны, как  это реализовано в DVD. Но два слоя - это предел, больше сделать очень  сложно, так как нужны очень  точные фокусирующие системы, которые  будут работать только в лабораторных условиях. Разумеется, массовое производство таких систем является невероятно дорогим  и нерентабельным. Да и вообще, технология отражающих слоев подошла к своему пределу развития.

Но вот  создатели технологии многослойных дисков, компания C3D, нашли способ обошли проблему множественной интерференции  между слоями и потери самого луча в многослойных дисках. И технологически это выглядит очень красиво и  остроумно.

Разработчиками FMD было предложено следующее решение: материал, содержащий записанную информацию, не отражает, как подложка в DVD или CD, а излучает! Использовано явление  флуоресценции, то есть, при освещении  активирующим излучением (в данном случае полупроводниковым лазером  с определенной длиной волны) вещество начинает излучать, сдвигая спектр падающего на него излучения в сторону красного цвета на определенную величину. Причем величина сдвига зависит от толщины слоя. Таким образом, выбрав такую толщину слоя, что бы спектр отраженного света получается смещенным относительно длины волны излучающего лазера на строго определенную величину, например на 30 или 50 нм, можно с высокой достоверностью записывать информацию вглубь диска и впоследствии считывать ее без потери данных.

Таким образом, плотность записи будет  зависеть и от чувствительности регистрирующего  детектора. Чем меньше то дополнительное излучение флюоресцирующего вещества, добавляющееся к частоте рабочего лазера, который удастся зафиксировать, тем большее число слоев можно  вместить в один диск.

Излученный  свет от флуоресцентного слоя некогерентен и хорошо контрастирует с отраженным светом лазера, что является дополнительной гарантией надежности считывания, ведь без отражений все равно не обойтись, они будут происходить от поверхности диска и других записанных слоев. Качественное ухудшение сигнала в обычных (отражающих) многослойных дисках нарастает с увеличением числа слоев, но вот в случае с флуоресцентными дисками это ухудшение происходит гораздо медленнее. По заявлению разработчиков FMD ROM, даже при количестве слоев больше сотни не будет происходить сильного искажения полезного сигнала. Используя синий лазер (480нм) можно увеличить плотность записи до десятков Терабайт на один FM диск. Вполне возможно создание диска с 1000 слоями - это уже субмолекулярные размеры. Теоретически возможно создание пятна размером в несколько молекул, проблема лишь в том, как зафиксировать столь малое флуоресцентное излучение.

Одна  из главных особенностей этой разработки - возможность параллельного чтения слоев (т.е. последовательность бит  будет записана не по "дорожкам", а по слоям) - скорость выборки данных в этом случае должна быть очень  высокой.

Так же на FMD можно записывать. Принцип записи на FMD ROM основан на явлении фотохромизма. Фотохромизм - это свойство некоторых  веществ под действием активирующего  излучения обратимо переходить из одного состояния в другое, при этом изменяя  свои физические свойства (например, такие  как цвет, появление/исчезновение флюоресценции и т.д.). Материал, из которого состоит FMD ROM содержит специальную фотохромную субстанцию, которая циклизуется под воздействием лазерного луча определенной длины волны, превращаясь в необходимый устойчивый флуоресцент. Обратная реакция рециклизации, приводящая к исчезновению флуоресцентных свойств (операция стирания), происходит под действием лазера с другой длиной волны. Стирающая частота лазера выбирается с таким расчетом, чтобы она не встречалась в повседневной жизни, во избежание потери данных.  

8. ФЛЭШ-ПАМЯТЬ

Она используется в самых разнообразных цифровых устройствах. Небольшой брелок умеет  хранить массу полезных данных: флэш-память также служит памятью в МР3-плеерах  и игровых приставках. 
Само название Flash впервые применила компания Toshiba в 1984 г. для описания своих новых микросхем, в которых доступ к данным осуществляется «in a flash», т.е. быстро, мгновенно. 
Флэш представляет собой твердотельное полупроводникивое устройство, которое не требует дополнительной энергии для хранения данных, т.е. при выключении питания информация сохраняется. Данные с флэш-носителя можно сколько угодно раз считать и ограниченное число раз перезаписать. Последнее связано с тем, что перезапись идет через стирание, которое приводит к износу микросхемы. Современная флэш-память позволяет заменять содержимое ячеек от 10 тыс. до 1 млн. раз. 
В отличие от жестких дисков, CD - и DVD-ROM, во флэш-накопителях нет движущихся частей. Это существенно снизило потребление энергии при записи, а также в 5-10 раз по сравнению с жесткими дисками увеличило механическую нагрузку, которую способно выдерживать устройство памяти. Твердотельные носители можно трясти и ронять без ущерба для их работоспособности по оценкам производителей, информация на флэш-микросхемах хранится от 20 до 100 лет. 
Благодаря компактным размерам, высокой степени надежности и низкому энергопотреблению твердотельные накопители активно используют в современных портативных устройствах, причем как в качестве съемного носителя, так и для хранения кода ПО.