Historie a současnost datových úložišť

Historie a současnost

Pod pojmem datový nosič, nebo také datové či záznamové médium, si můžeme představit nějaký nosič informací, který používá určitou formu záznamu. Za nejrozšířenější v oblasti počítačů bych zmínil zejména záznam magnetický, optický a také elektronický. Proč jsou zde paměťová média? Zejména při práci s počítačem potřebuje člověk často uchovávat svá data mimo počítač, nebo je přenášet na jiný. Právě v těchto případech využíval a využívá paměťová média. Ta se postupem času vyvíjela a zlepšovala, a to zejména z hlediska kapacit a přenosových rychlostí.

Abychom mohli data nějakým způsobem zaznamenat, je třeba zvolit vhodné záznamové nebo-li datové médium. V dřívějších dobách se hojně využívalo děrných štítků nebo pásek, respektive magnetických štítků a magnetických pásek. Děrný štítek byl určen pro záznam dat a k pozdějšímu zpracování tehdejšími počítači. Jako materiál byl použit karton, samotná informace byla reprezentována dírou na určité pozici, přičemž místa pro otvory byly uspořádány do matice. Jednoznačnou nevýhodou byla nemožnost je přepisovat.

Poprvé ho použil Joseph-Maria Jacquard v roce 1805 ve svém tkalcovském stavu, který podle děr tkal určitý vzor. V roce 1890 bylo pomocí děrnoštítkového stroje provedeno sčítání obyvatel ve Spojených státech amerických. Tehdejším tvůrcem byl Hermann Hollerith. V tomhle konkrétním příkladu se stal pravděpodobně poprvé štítek nositelem informace, což bylo považováno za velký průlom. Největšího rozmachu dosahovaly v 70. letech dvacátého století, a to ve výpočetních střediscích. Používání v ČR bylo naposledy zaznamenáno někdy začátkem devadesátých let. Co se týče parametrů, jsou na tom z dnešního pohledu samozřejmě nejhůře. Kapacita velmi malá, přenosová rychlost také a spolehlivost papírového štítku při nešetrném zacházení byla špatná.
Děrná páska byl druh média, jež vycházelo z děrných štítků, a nesla si s sebou všechny jejich klady a zápory. Její použití bylo zejména v dálnopisech a též v terminálech, kde postupem času nahradila děrný štítek. Vzhledem k faktu, že páska byla něco jako mnoho štítků za sebou, bylo její použití snadnější vzhledem k množství informací, které obsahovala. Podle dostupných informací víme, že se používala buď papírová (méně kvalitní) nebo kovová (více kvalitní a odolná). V případě dálnopisu se jednalo o pětistopou pásku, u počítačů byla osmistopá. Kontrola se prováděla dle parity (sudý nebo lichý počet děr). V 80. letech sloužily pro vkládání dat u sálových počítačů.
Jako další paměťové médium, jež se ve své době těšilo velké oblibě, byla magnetická páska. Možností uchování dat pomocí magnetického záznamu se zabýval americký inženýr Oberlin Smith, a to v roce 1878. Výsledky jeho bádání zúročil v roce 1898 dánský vynálezce Valdemar Poulsen, jenž na jeho práci navázal a sestavil přístroj s názvem Telegraphone, který uměl nahrávat telefonní zprávy. To mělo v několika dalších letech za následek obrovský rozmach záznamu hudby na magnetické pásky.

Ve spojitosti s počítačem slouží především jako záložní médium. Informace jsou na pásku nahrávány ve dvojkovém kódu, přičemž různá intenzita signálu reprezentuje 0 a 1. Umožňuje vyšší záznamovou kapacitu než její předchůdci, také ji lze přemazat a znovu použít. V případě, kdy byla páska pouze navinuta na cívce, byla manipulace a obsluha s ní velmi složitá. Postupem času se začly dávat do kazet, což manipulaci značně ulehčilo. Hlavní nevýhodou je sekvenční přístup k datům, respektive přistoupit k datům na konci pásky může znamenat čekání několik hodin. I proto se používá hlavně k archivačním účelům.

Od magnetických pásek se přesuneme k magnetickým diskům, a to zejména k disketám. Proběhla řada úprav, ale změna tvaru pásky na disk je asi nejznatelnější. Tím odpadl i problém sekvenčního přístupu. První disketa spatřila světlo světa v roce 1967 a vyrobila ji společnost IBM. Tu vyrobil David Noble pro potřeby společnosti, přesněji k přenosu aktualizací pro své klienty. Před tím se tak dělo s pomocí kazet. Její kapacita byla 80 kB a měřila v průměru 20 centimetrů (8"). Jednalo se pouze o pružný disk, jenž se postupem času zapracoval do plastového obalu s tkaninou uvnitř.

70. léta znamenala malou revoluci, a to i proto, že se na trh dostala disketa přepisovatelná. Kapacita narostla až na 800 kB. Vývoj nešel zastavit a na trh se dostaly další kousky, které mnozí z nás stále pamatujeme. Jedná se především o průměry disket 5,25" a dost populární 3,5". Situaci kolem vývoje disket nám částečně znázorňuje následující tabulka.

Již zmiňovanou 3,5" disketu na trh uvedla společnost Sony někdy kolem roku 1980. Disponovala o něco silnějším a odolnějším obalem. Obsahovala vylepšení v podobě pružiny, jež sloužila pro automatickou ochranu povrchu pružného disku v místě otvoru pro čtení. Ještě byly uvedeny na trh diskety s kapacitou 2.88 MB, ale ty nebyly příliš rozšířené.
Zmínit se můžeme o discích s označením SyQuest, jež byly vyráběny stejnojmennou společností. Jednalo se o výměnný kotouč pevného disku o průměru 3,5" umístěný v plastové kazetě. Tvoří přechod mezi pružnými a pevnými disky. Měl kapacitu 105 MB, 130 MB a 270 MB. Nevýhodou byla jejich častá vzájemná nekompatibilita. Disk zapsaný v jedné mechanice nebyl čitelný ve druhé atp..

Zmínit se musíme i o alternativním paměťovém médiu označovaném jako ZIP. V minulosti se jednalo o docela významné médium, které bylo mezi uživateli výpočetní techniky velmi oblíbené. Jednalo se o jednoduchý záznam a přepis dat známý už z klasických disket. Další výhodou oproti disketám bylo to, že ZIP média disponovala vysokou kapacitou, která se koncem roku 2002 vyrovnala klasickým CD diskům (750 MB).

Jednou ze společností, která se mimo jiné výrobou alternativních paměťových médií ZIP zaobírá, je firma Iomega. Fyzicky se jedná o disk s průměrem 3.5", na který je možné uložit až 100 MB dat. Na tehdejší dobu velmi slušná hodnota. Samotný princip práce ZIP disku je podobný jako u disketových mechanik. Záznam se provádí na magnetickou vrstvu pomocí zapisovacích hlav, které při práci přímo dosedají na povrch média. Mechaniky se pro ZIP disky vyrábějí v interním a externím provedení. A pokud jde o přenosové rychlosti, interní mechaniky se připojovaly standardně přes EIDE rozhraní známé také pod označením PIO 3 a PIO 4 (ATA2/EIDE) s rychlostmi 11,1 a 16,7 MB/s. Pro externí mechaniky byl určen paralelní port. Pro připojení bylo možné použít i rozhraní SCSI.

Třetí generace ZIP médií, která byla firmou Iomega představena na konci roku 2002, disponuje mnohými vylepšeními v podobě značného navýšení kapacity a také přenosové rychlosti oproti starším verzím. Velikost 750 MB je myslím pro zálohovací účely dostačující. Přenosová rychlost poslední generace ZIP činí až 7,5 MB/s. V současnosti výrobce nabízí varianty 100, 250 a 750 MB. Dále je zde možnost připojení přes USB 2.0, FireWire a ATAPI. Mezi podporované platformy patří PC a Mac.

Svými vlastnostmi podobné ZIP médiím byly LS120ky. Umožňovaly uložit až 120 MB dat a na rozdíl od ZIP disků bylo možné v jejich mechanice používat i běžné 3,5" diskety.
Na podobném principu jako dnešní pevný disk pracovaly tzv. JAZZ disky. Jejich výrobou byla a je známá společnost Iomega. V současnosti nabízí svým uživatelům kapacitu až 2 GB a rozhraní Ultra SCSI (externí varianta navíc USB a FireWire). Přístupová doba je až 20 ms, přenosová rychlost v řádu desítek MB/s (<20). Dostupné jsou ve formátu 3,5" v interním (152,4 x 101,6 x 25,4 mm, 408 gramů) a externím (203,2 x 135,4 x 38 mm, 45 gramů) provedení. Nechybí podpora operačního systému Windows a Mac.

Reakcí na JAZZ disky byly modely označované jako SyJet, jež produkovala společnost SyQuest. Vlastnosti a provedení bylo totožné, rozdíl byl v menší kapacitě, typicky 1,5 GB.
Více informací o oblasti dnešních pevných disků se dočtete v našem článku Funkčnost, rozhraní a technologie pevných disků.

Zmínit se musíme i o médiích optických, jako jsou CD, DVD a také dvojici Blu-ray nebo HD DVD, jež je označována za 3. generaci optických disků. Hlavním rozdílem oproti magnetickým médiím je ten, že k záznamu nebo adresaci používají laserový paprsek. Optické disky slouží k uložení velkého množství dat, která se ukládají do jedné dlouhé spirály.

Disků CD je celá řada, běžně mají ale průměr 12 cm a tloušťku 1,2 mm. Nejběžnější kapacitou je dnes 700 MB a slouží jako nosič hudby nebo jako "driver disc" (CD s ovladači). Média DVD (Digital Versatile Disc) jsou navenek stejná jako CD, ale disponují vyšší kapacitou záznamu typicky v podobě 4,7 GB (ta je však zavislá na počtu vrstev a stran samotného média). Stejně jako u výše zmíněného CD disku, existuje DVD disků mnoho druhů (DVD-ROM, DVD-R/RW, DVD+R/RW a přepisovatelný DVD-RAM).
S technologií Blu-ray disků přišla na trh japonská společnost Sony. Tyto disky mají průměr 12 cm, tloušťku 1,2 mm a umožňují záznam dat s celkovou kapacitou až 80 GB. Jde o variantu oboustranného dvouvrstvého disku. Kapacitu 25 GB nabízí jednovrstvý disk, 50 GB pak dvouvrstvý. Tyto vysoké kapacity umožňují kvalitnější a delší záznam, díky čemuž jsou mezi uživateli stále více a více oblíbené. Označení zmiňovaných disků je BD-ROM (disk určený pouze pro čtení), BD-R (disk pro jednorázový zápis) a BD-RE (přepisovatelný disk).
Konkurencí pro disky Blu-ray měl být nový formát HD DVD, na jehož vývoji se podílely společnosti Toshiba, NEC a Sanyo. Snahou bylo uvedení disků s kvalitní ochranou proti kopírování, záměr však nevyšel a ochrany byly prolomeny. Ve variantě SL/SS (jedna vrstva, jedna strana) jde na zmíněný disk uložit až 15 GB dat. S vyšším počtem vrstev a stran kapacita roste. Horní hranice je někde kolem 60 GB. Disky mají, tak jako CD nebo DVD, průměr 12 cm. Vývoj technlogie HD DVD disků byl ale společností Toshiba začátkem roku 2008 ukončen. Nástupci po formátu DVD se tedy staly disky Blu-ray.
Podrobnější informace o standardech Blu-ray a HD DVD najdete v našem článku Optická evoluce: Blu-ray vs. HD-DVD.

Výhled do budoucna

Velkým potenciálem do budoucna jsou disky využívající flash paměť (bez pohyblivých částí). Vzhledem k velmi malé spotřebě energie a nízké hmotnosti se hodí zejména pro mobilní použití (myšleno pro notebooky). Vyrábějí se ve variantách SLC (Single Level Cell) a MLC (Multiple Level Cell). SLC je technologie paměťových buněk vyznačující se nízkými výrobními náklady, u SLC jsou výrobní náklady vyšší, disky dosahují lepší úrovně čtení.

K dostání jsou ve variantách PATA i SATA s kapacitami typicky až 128 GB. Nicméně je pravděpodobné, že se maximální kapacita bude nadále zvyšovat. Nabízeny jsou ve variántách 1,8, 2,5 a 3,5". Největším problémem je i nadále cena a s tím spojená dostupnost. Ne každý si tuto technologii může dovolit. Přesné hodnoty přenosových rychlostí se liší podle výrobce a modelu a naleznete je přímo ve specifikaci konkrétního SSD disku. Orientačně se rychlosti čtení pohybují až do 100 MB/s (může být i vyšší), rychlost zápisu je zpravidla menší.

Dalším milníkem mohou být laserové disky. Výhody laserového řešení by mohly být ve vysoké rychlosti zápisu a čtení. Změna z 0 na 1 trvá pouhých 40 femtosekund. V praxi by měly být tyto disky až 100x rychlejší. Problémem laserové technologie zůstává kapacita, která je zatím nižší než u klasických pevných disků.

Velkou kapitolou jsou holografické disky. Jde o technologii Tapestry, jíž vyvíjí společnosti inPhase a Maxell. Ukládání dat se provádí jednak na povrch materiálu (současná média), ale i do jeho vnitřních částí pomocí laserového paprsku. Důležitou vlastností je, že záznam probíhá nejen na ploše záznamové vrstvy, ale i v její hloubce. Tímto způsobem je možné vytvořit prostorový datový záznam.
HVD (Holographic Versatile Disc) je složen z 5ti vrstev. Nejdůležitější je vrstva určená pro záznam (záznamová vrstva), následují dvě vrstvy nosného substrátu a dvě vrstvy antireflexní ochrany. Magnetická destička, jež je ve středu média, má za úkol fixovat disk v ústrojí mechaniky. Od předchozích optických médií (zpravidla mají jen jednu vrstvu, a to ze strany čtení disku) se liší použitím dvou vrstev substrátu. Výjimku tvoří některá média DVD, jež jsou chráněna dvěmi vrstvami. Setkat se můžeme s označením HVD-R (Recordable Holographic Versatile Disc) a HVD ROM.
Výška substrátu je 1 mm (tento údaj musíme počítat 2x), záznamové vrstvy 1,5 mm. Celková tloušťka média je 3,5 mm. V průměru má disk 130 mm (klasické DVD má průměr 120 mm a tloušťku 1,2 mm). Ke konci roku 2006 se objevila 1. generace těchto disků s kapacitou kolem 300 GB a přenosovou rychlostí okolo 20 MB/s.
U 2. a 3. generace holografických disků se počítá s kapacitami až 800 GB, respektive až 1,6 TB, a s přenosovými rychlostmi až 80 MB/s, respektive až 123 MB/s. Odhadované teoretické kapacitní maximum je 100 TB. Výrobce udává vysokou životnost záznamu, a to až 50 let. Cena, zejména mechaniky, se pohybuje v řádech stovek tisíců. Vhodné použití bych proto spatřoval u dlouhodobé archivace dat u společností v soukromém sektoru. Typicky například v datových skladech nebo v oblasti médií, televize atp..

Na závěr bych se zmínil o produktu TeraDisc společnosti Mempile. V druhé polovině roku 2007 se objevily informace o nové generaci optických mechanik s kapacitou až 1 TB na médiu. Po několikaletém experimentování se inženýrům podařilo vyvinout speciální druh polymeru, známého jako polymethyl-methakrylát (PMMA), s označením ePMMA. Tento materiál se vyznačuje tím, že je téměř zcela průhledný pro laser (pro záznam a čtení) o specifické vlnové délce. S tímto faktem souvisí i žlutá barva samotného média.
Na médium jde pomocí laseru uložit až 200 vrstev s přibližnou délkou 5 km pro jednu vrstvu a kapacitou až 5 GB. Odtud přibližná kapacita 1 TB. Jde o zcela novou technologii čtecích a zapisovacích laserů. V tomto případě se využívá nelineární optiky a jevu zvaného dvoufotonová absorpce (Two-Photon Technology).

V závislosti na povaze světla jsou molekuly materiálu citlivého na světlo (chromofory) schopné přepínat se mezi dvěma stavy. Laserový paprsek zaostřený na konkrétní chromofory neovlivňuje stav molekul nad a pod místem zápisu. Intenzita světla laserem zaostřených molekul se liší v závislosti na tom, zda je v daném místě něco zapsáno či nikoliv. Díky různým simulacím a testům se odhaduje, že data zapsaná na médiu, by měla být čitelná po dobu 50ti let. Cena je odhadována vysoko nad hranicí 10 000 korun.
To bylo z našeho průřezu budoucností záznamových médií vše. Čas nám ukáže, zda na zmíněné produkty společností inPhase či Mempile dosáhnou i běžní uživatelé, nebo vše zůstane jen jako technologie pro soukromou sféru.