Od strony fizycznego zapisu danych na nośniku magnetycznym pomiędzy dyskami SCSI a EIDE nie ma praktycznie żadnej różnicy.

Technologia

Od strony fizycznego zapisu danych na nośniku magnetycznym pomiędzy dyskami SCSI a EIDE nie ma praktycznie żadnej różnicy. Niższa cena dysków EIDE wynika z zastosowanych w nich mechanizmów oferujących nieznacznie mniejsze osiągi przy przesyłaniu danych. Kolejnym, bardzo istotnym czynnikiem kształtującym cenę tych dysków jest masowość ich produkcji. Jedną z podstawowych zasad ekonomii jest to, że przy większej produkcji koszty są niższe. Tak jak EIDE postrzegany jest jako podstawowe rozwiązanie dla biurkowych komputerów PC, tak SCSI uważany jest za standard dla serwerów plików, stacji roboczych i systemów biurkowych klasy wyższej. Historia ewolucji IDE i SCSI pokazuje rosnącą popularność obydwu standardów. W klasie wyższej rosną możliwości SCSI, natomiast na rynku masowym EIDE zastępuje wcześniejsze generacje SCSI o podobnych pojemnościach i wydajnościach. 

Dyski coraz szybsze

Wydajność dysku (zarówno SCSI, jak i EIDE) jest określana głównie przez czynniki mające charakter mechaniczny. Są to: czas pozycjonowania mechanizmu głowicy oraz szybkość obrotowa napędu. Pozycjonowanie określa jak szybko głowica odczytująca dane jest w stanie znaleźć się nad właściwą ścieżką, zaś im większa szybkość obrotowa, tym prędzej dany sektor na tejże ścieżce znajdzie się pod głowicą. Niestety, stałe zwiększanie szybkości obrotowej i zmniejszanie czasu pozycjonowania wymaga zastosowania coraz droższych i wytrzymalszych materiałów.  

Kiedy S.C.S.I jest wydajniejsze

W systemach komputerowych posiadających jeden dysk twardy, zakup dysku SCSI jest inwestycją nieco chybioną. Podobna sytuacja zachodzi w przypadku starszych systemów operacyjnych (DOS, wczesne wersje Windows), które nie mają wielozadaniowości. Prawdziwy zysk wydajności wynikający z użycia dysków SCSI będzie widoczny w systemach wielozadaniowych zaopatrzonych w wiele nośników pamięci masowej. EIDE to zasadniczo środowisko jednozadaniowe. Nawet przy zastosowaniu zarządzania magistralą (bus mastering) i funkcjach Ultra DMA, system musi poczekać na wykonanie polecenia przez napęd, tak więc przy posiadaniu wielu dysków EIDE podczas komunikacji komputera z jednym z nich inne czekają dopóki zajęty w danej chwili napęd zakończy swoje zadania. SCSI jest interfejsem inteligentnie zarządzającym zasobami.

Główną jego zaletą jest ustawianie zadań dla dysków w kolejkę. Dysk SCSI po otrzymaniu od systemu zadania odłącza się od interfejsu wykonując przydzielone mu zlecenia, a w tym czasie pozostałe dyski mogą komunikować się z systemem. Ponadto kolejkowanie zadań pozwala na optymalny odczyt danych z każdego dysku. Polega to na tym, że zadania dla każdego dysku są ustawiane nie w kolejności ich otrzymywania, lecz tak, aby droga głowicy danego dysku odczytująca potrzebne w danym momencie dane była jak najkrótsza, co znacznie skraca czas odczytu i oszczędza mechanikę napędu.

Nie jest to jedyna przewaga SCSI nad EIDE. Interfejs SCSI umożliwia kopiowanie danych z jednego urządzenia SCSI na drugie bez udziału procesora. Interfejs SCSI został zaprojektowany do obsługi urządzeń peryferyjnych w ogóle, a nie tylko i wyłącznie nośników pamięci masowej tak jak to jest w przypadku EIDE. Dlatego też w rozbudowanych systemach komputerowych połączenie za pomocą jednego interfejsu wielu urządzeń np. dysków twardych, skanerów, streamerów potrafi przynieść wymierne korzyści. Wspomniana wyżej np. funkcja SCSI kopiowania (SCSI Copy) z urządzenia na urządzenie pozwala wykorzystywać np. podczas skanowania fotografii (oczywiście skanerem SCSI) moc obliczeniową procesora do innych zadań. Jest to realizowane w znacznym stopniu poprzez jeszcze jedną funkcję SCSI, jaką jest możliwość odłączenia od magistrali aktualnie zajętych urządzeń, a tym samym przyporządkowanie jej wolnym urządzeniom. Należy jednak pamiętać o dość istotnym aspekcie. Użycie tanich kart SCSI powoduje, że dodatkowe rozkazy wchodzące w skład interfesju SCSI muszą być wykonywane za pośrednictwem procesora i pamięci komputera, co powoduje paradoksalną sytuację – dobrze skonfigurowana magistrala EIDE może być szybsza od analogicznej SCSI. Dlatego też, gdy najistotniejsza jest wydajność systemu, użycie dysków SCSI o dobrych parametrach nie wystarcza. Konieczne jest uwzględnienie i dopasowanie wszystkich składników magistrali SCSI.

Macierz

     Macierz dyskowa, to zestaw zwykle 3 – 5 dysków widzianych jako jedno urządzenie logiczne, zapewniający redundancję danych wystarczającą do zabezpieczenia ciągłości pracy systemu w wypadku awarii jednego z dysków. Nie jest to może definicja specjalnie ścisła, ale zupełnie wystarczająca w przypadku najczęściej spotykanych macierzy pracujących w systemie RAID3-RAID5 (zbieżność numerów z liczbą dysków jest zupełnie przypadkowa... poziomy RAID – Redundant Array of Inexpensive Disks – odnoszą się do różnych algorytmów zapewniających nadmiarowość danych i związaną z tym odporność na awarie). Gwoli ścisłości, tzw. dyski lustrzane są najprostszą realizacją macierzy w systemie RAID1.

Realizacje macierzy w świecie serwerów PC (w komputerach końcowych są stosowane raczej rzadko) można podzielić na trzy rodzaje: sprzętowe, programowe i autonomiczne. W pierwszym przypadku, wszystkie funkcje sterowania macierzą, kontrolę rozmieszczenia poszczególnych fragmentów danych i obliczanie odpowiednich sum kontrolnych realizowane są przez „inteligentny”, dedykowany kontroler dyskowy, który również pamięta szczegóły konfiguracji sprzętowej – np. przyporządkowanie poszczególnych dysków do macierzy (przykładem są np. macierze Mylexa, dostępne również jako OEM u nawet najbardziej markowych producentów sprzętu komputerowego). W przypadku macierzy programowych, cała „inteligencja” podsystemu mieści się w driverze właściwym dla danego systemu operacyjnego, podczas gdy sam sterownik może być niemal dowolny (np. „zwykłe” SCSI-2 Adapteca) – w tym systemie macierze realizuje np. Micropolis. Macierze autonomiczne (zwane niekiedy SCSI-TO-SCSI) są realizowane całkowicie zewnętrznie w stosunku do komputera, „inteligencja” jest wbudowana w specjalny moduł sterujący, natomiast całość jest podłączana do zwykłego kontrolera SCSI i widziana jako pojedynczy dysk logiczny. 

Parametry (wprowadzenie)

     Podstawowe parametry dysku sztywnego są takie same, jak dla każdego innego rodzaju pamięci. Jest to pojemność, czas dostępu do danych oraz szybkość ich odczytu i zapisu. Do parametrów podstawowych dochodzi szereg parametrów i informacji szczegółowych, pozwalających na precyzyjne określenie zarówno przeznaczenia dysku, jak i jego zachowania w konkretnych warunkach eksploatacji.

Podstawowym „handlowym”, najbardziej eksponowanym parametrem dysku jest, poza pojemnością, czas dostępu do danych. Czas dostępu to czas pozycjonowania głowic plus średnio pół obrotu dysku (bo zawsze jest możliwa sytuacja, gdy poszukiwany sektor znalazł się pod głowicą, zanim była gotowa do odczytu), zatem na czas dostępu wpływa zarówno sprawność mechanizmu pozycjonowania głowic, jak i prędkość obrotowa dysku. Typowy średni czas pozycjonowania głowic to 3-6 ms, a pół obrotu dysku, wykonującego np. 7200 obr./min to około 4 ms – razem, dodając jeszcze czas przełączania głowic, uzyskujemy 8-11 ms. 

     Czas dostępu jest szczególnie ważny w obsłudze baz danych, gdzie występuje często bezpośrednie adresowanie danych plikowych. Ale użytkowo najważniejszym z parametrów dysku jest tzw. transfer wewnętrzny, czyli szybkość bezpośredniego odczytu i zapisu danych. Dlaczego najważniejszym? Rozważmy następujący, bardzo uproszczony, przykład: zadanie polegające na odczytaniu 20 plików po 100 kB każdy w przypadku dwu dysków: jednego o średnim czasie dostępu 10 ms i transferze wewnętrznym 2 MB/s, drugiego o czasie dostępu 7,5 ms (o 25% szybciej!) i transferze wewnętrznym 1,8 MB/s (o zaledwie 10%). Pierwszy z dysków jest w stanie wykonać zadanie w czasie 1200 ms, drugi z nich potrzebuje na to samo zadanie 1261 ms, o przeszło 5% więcej. A ponieważ najbardziej eksponowanym z parametrów jest czas dostępu, ten drugi dysk będzie na pewno sporo droższy, pomimo gorszej wydajności. Transfer wewnętrzny jest stosunkowo rzadko podawany, natomiast dla zwiększenia zamieszania, a także w celu oszołomienia klienta wielkimi liczbami, mocno eksponowanym parametrem dysku jest zwykle szybkość interfejsu, której wpływ na rzeczywistą wydajność systemu jest obecnie marginalny. Odwołując się do naszego przykładu - do przetransmitowania 2 MB danych interfejs SCSI-2 o przepustowości 20 MB/s potrzebuje 100 ms, interfejs Ultra ATA-66 zaledwie 33 ms, ale w obu przypadkach czas transmisji przez interfejs i tak zawarty jest w ogólnym czasie operacji i praktycznie nie ma wpływu na końcowy rezultat.

Skąd wobec tego potrzeba przyspieszania interfejsów, skoro szybkość transmisji wydaje się nie mieć wpływu na ogólną efektywność? Odpowiedź – transmisja przez interfejs zajmuje szynę PCI, przez którą interfejs współpracuje z jednostką centralną, zmniejszając jej dostępność dla innych ewentualnie wykonywanych procesów. W przypadku bardziej zaawansowanych systemów operacyjnych ma to spory wpływ na ogólną wydajność systemu, ale np. w jednozadaniowym środowisku DOS, a także w trybach „wielozadaniowych”, stosowanych w Windows 95/98, nie ma praktycznie prawie żadnego znaczenia.  
 

Rys. 13 Dyski twarde

W skrócie:

Liczba talerzy – określa liczbę talerzy danego dysku. Uwaga! Liczba talerzy nie oznacza, że dane zapisywane są zawsze po obu stronach talerza dysku. Informację na ten temat otrzymamy porównując liczbę talerzy z liczbą głowic danego dysku. 

Liczba głowic – określa, ile głowic zajmuje się odczytem/zapisem danych na talerzach. Liczba ta wskazuje także na to, czy wszystkie talerze są wykorzystywane obustronnie. Parzysta liczba głowic wskazuje na to, że dane mogą być przechowywane na każdej stronie każdego talerza dysku, natomiast nieparzysta – że jedna strona któregoś z talerzy dysku nie jest w ogóle wykorzystywana. 

Interfejs – prawie wszystkie nowe dyski to urządzenia zdolne do pracy w najszybszym obecnie trybie Ultra DMA/66. Jedynie urządzenia ATA-4 nie mają tej funkcji. Mimo to każdy z dysków może pracować także w trybie PIO (przy wyłączonym transferze DMA). 

Średni czas dostępu – parametr ten określa, w jakim czasie (średnio) od otrzymania przez dysk żądania odczytu/zapisu konkretnego obszaru nastąpi rozpoczęcie operacji. Im krótszy jest ten czas, tym dysk może zapewnić większą płynność odtwarzania, co może mieć znaczenie np. podczas nagrywania płyt CD-R/CD-RW, gdzie wymagany jest ciągły dopływ danych. 

Transfer wewnętrzny – parametr ten określa w praktyce rzeczywisty transfer danego dysku. Im wartość ta jest wyższa, tym dany dysk jest szybszy. Jednak o tym, czy w danym komputerze będzie osiągał optimum swoich możliwości decyduje konfiguracja komputera (włączenie trybu DMA itp.). 

Transfer zewnętrzny – właśnie ten parametr często jest używany w marketingowych określeniach i notatkach producentów. Tymczasem nie określa on faktycznej szybkości dysku, lecz przepustowość interfejsu. Oczywiście im ten parametr jest wyższy, tym lepiej – warto jednak pamiętać, że dyski o takim samym transferze zewnętrznym mogą w praktyce pracować z różną szybkością. 

Liczba obrotów na min. – parametr określający, z jaką szybkością obracają się talerze danego dysku. Im szybkość obrotowa jest wyższa, tym więcej danych może być odczytywanych przez głowice. Pamiętajmy jednak, że ten parametr należy oceniać biorąc pod uwagę także gęstość zapisu. W praktyce jednak przy porównywaniu dysków o podobnej pojemności te z większą szybkością obrotową są zazwyczaj szybsze. 

Cache – pamięć podręczna dysku twardego. Do tej pamięci buforowane są dane odczytywane i zapisywane na dysku. Im tej pamięci jest więcej, tym sprawniejszy jest proces przesyłu danych. 

MTBF – akronim od zwrotu Mean Time Between Failure, co można przetłumaczyć jako średni czas międzyuszkodzeniowy. Parametr ten podawany jest w godzinach. Choć wartości, z jakimi spotkamy się w tej tabeli wyglądają na olbrzymie, to należy pamiętać, że czas ten jest wartością średnią ustaloną na podstawie testów dysków danej serii. Warto wiedzieć, że istnieje niezerowe prawdopodobieństwo, że dany dysk ulegnie uszkodzeniu już w pierwszym roku użytkowania. 

Pobór mocy – zrozumienie tego parametru nie powinno sprawiać kłopotu, jednak jeżeli w naszym komputerze mamy stosunkowo słaby zasilacz, to może się okazać, że zakup dysku wymagającego stosunkowo dużo mocy może spowodować na komputerze, i tak już solidnie obsadzonym różnego typu sprzętem, przeciążenie zasilacza. 

Czas dostępu

     Czas dostępu oznacza ile jednostek (Ms) potrzebuje dysk na pobranie danych. Czas mierzony jest od momentu wydania przez interfejs polecenia odczytu danych. Wartość średniego czasu dostępu jest sumą średniego czasu wyszukiwania (Average Seek Time, czyli czasu potrzebnego na ustawienie głowicy w odpowiednim miejscu nad talerzem twardego dysku) oraz średniego czasu opóźnienia (Average Latency Time – czasu potrzebnego sektorowi do znalezienia się pod odpowiednia głowicą).

Przykład: Do komputera do biura zaleca się twardy dysk o średnim czasie dostępu nie dłuższym niż 20 milisekund. Średni czas dostępu idealnego modelu do zastosowań domowych powinien być krótszy niż 16 milisekund, w przypadku komputera multimedialnego – krótszy niż 15 milisekund. Komputer high-end powinien mieć dysk o czasie dostępu 12 milisekund lub krótszym.

Producenci w swoich informacjach o produkcie podają zwykle jedynie średni czas wyszukiwania (Average Seek Time) – wartość ta określa wyłącznie czas potrzebny na ustawienie głowicy nad odpowiednią ścieżką dysku. Stad wartości podawane w opisie dysku są często tak obiecujące. Warto jednak pamiętać, że czas wyszukiwania jest zawsze krótszy od czasu dostępu, z którym nie należy go mylić.

Jeśli do czasu wyszukiwania dodamy czas opóźnienia (obliczając w ten sposób czas dostępu), uzyskamy zupełnie inny wynik. Na przykład: czas wyszukiwania dla dysku Diamondmax 90432D2 firmy Maxtor wynosi 9,0 milisekund, a czas opóźnienia, według producenta, 5,5 milisekundy. Po dodaniu okaże się, że czas dostępu wynosi nie - jak mogliśmy mylnie sądzić – 9,0 milisekund, lecz 14,5 milisekund.

Wartość Track-to-Track nie mówi niczego o twardym dysku. Miara ta podaje czas potrzebny na przesunięcie głowicy zapisująco – odczytującej nad sąsiednią ścieżkę.

Wewnętrzna szybkość przesyłania danych

     Informuje o ilości danych, jaka może zostać na twardym dysku zapisana lub odczytana z dysku w ciągu sekundy. Jest to wartość teoretyczna, niezależna od systemu operacyjnego oraz wszelkich właściwości komputera, określająca wydajność wewnętrzną dysku. Mierzona jest ona dla sektorów znajdujących się miedzy krawędzią płyty, a jej środkiem, jako że w zewnętrznej części płyty znajduje się więcej sektorów aniżeli w części bliższej środka.

Jeśli wartość ta nie jest podana w danych technicznych o twardym dysku, można ja obliczyć: liczbę obrotów na sekundę należy pomnożyć przez liczbę sektorów znajdujących się na najbardziej zewnętrznej ścieżce i tak uzyskana wartość pomnożyć przez 512, jako ze tyle bajtów zawiera jeden sektor. Wartości tej nie da się zmierzyć za pomocą testów, gdyż dokonanie pomiarów możliwe jest tylko przy użyciu odpowiednich urządzeń.

Przykład: Twardy dysk do komputera do biura i domu powinien charakteryzować się wewnętrzna szybkością przesyłania danych większą od 140 Mb/s. Komputer multimedialny najlepiej wyposażyć w dysk pozwalający na przesyłanie 160 Mb/s, a komputer high-end - w dysk o szybkości 180 lub więcej Mb/s.

Niektórzy producenci podczas obliczania wewnętrznej szybkości przesyłania danych, jako dane liczą również dane administracyjne (takie jak numer sektora, nad który głowica ma być przesunięta i suma kontrolna) uzyskując dzięki temu wartość o 12 do 20 procent wyższą. Stad pochodzić może ewentualna różnica miedzy wartością wewnętrznej szybkości przesyłania danych obliczona samodzielnie, a podana przez producenta.

Szybkość przesyłania danych

     Średnia szybkość przesyłania danych oznacza ilość danych przesyłanych w ciągu sekundy przez twardy dysk. Wartość średnia jest ustalana podczas co najmniej dwóch testów, w jednym z nich odczytywane są wszystkie ścieżki twardego dysku po kolei, a w drugim – według przypadkowej kolejności. Szybkość przesyłania danych zależy również od innych charakterystyk dysku, takich jak wewnętrzna szybkość przesyłania danych, szybkość przesyłania danych przez interfejs oraz średni czas dostępu.

Przykład: Do komputera do biura zalecamy twardy dysk o średniej szybkości przesyłania danych wynoszącej 5 MB/s. Twarde dyski w komputerach do zadań domowych oraz multimedialnych powinny umożliwiać przesyłanie danych z prędkością 6 MB/s, jako że będą one zapewne przesyłać więcej obrazów oraz sekwencji wideo. Komputer high-end może osiągać najwyższą wydajność tylko wówczas, jeśli wyposażymy go w superszybki twardy dysk o szybkości przekraczającej 7, a nawet 10 MB/s. Dysk powinien przesyłać dane z szybkością przynajmniej 5 MB/s.

Producenci, zamiast średniej szybkości przesyłania danych, podają często maksymalna szybkość interfejsu, czyli „Burst-Rate”. Opisy moga brzmieć: „Interface Transfer Rate” (do dysków firmy Hitachi), „Data Transfer Rate to/from Interface” (do dysków firmy Maxtor), czy też „External Transfer Rate” (do dysków firmy Seagate) mają wartości „up to 33 MB/s”. Aby sugerowana szybkość mogła być przez określony dysk osiągana, musi znajdować się również w jego pamięci podręcznej. Tylko wówczas możemy być pewni, że dysk przesyła dane z szybkością określoną przez producenta. Ze uwagi na to, że powyższy warunek jest rzadko spełniany, miara „Burst-Rate” jest wartością, która nie powinniśmy się sugerować podczas wybierania optymalnego dla nas twardego dysku. 

Szybkość obrotowa

     Szybkość obrotowa dysku twardego to parametr często wykorzystywany przez producentów i dystrybutorów w celach marketingowych. Tymczasem pomyślmy, jakie znaczenie ma on dla użytkownika? Sama szybkość obrotowa dysku jeszcze o niczym nie świadczy. Dopiero w połączeniu z gęstością zapisu możemy mówić o użytkowych walorach tego parametru dysku. 

Zasada jest stosunkowo prosta. Jeżeli połączymy największą szybkość obrotową z najwyższą gęstością zapisu, otrzymamy najszybszy dysk – a dokładniej: dysk o największym transferze wewnętrznym. O tym, czy dysk taki będzie faktycznie najszybszy w naszym komputerze decydują takie czynniki, jak interfejs pomiędzy dyskiem a płytą oraz przepustowość kontrolera. Warto jednak wiedzieć, że różnice pomiędzy gęstością zapisu dla współczesnych dysków o porównywalnej do siebie pojemności są na tyle małe, że można w pewnym sensie stwierdzić, iż szybkość obrotowa decyduje o szybkości transferu.

Coraz większa pojemność i szybkość obrotowa dysków twardych to jedna strona medalu. Z drugiej mamy przecież do czynienia z konkretnym oprogramowaniem komputera, na którym dany dysk ma pracować. Tutaj trzeba wyraźnie uświadomić sobie możliwe ograniczenia, jakie narzuca używany przez nas system operacyjny czy oprogramowanie BIOS-u komputera.

MTBF - średni czas międzyuszkodzeniowy

     Średni czas międzyuszkodzeniowy (Mean Time Between Failures) to podstawowy parametr niezawodności wszystkich urządzeń. Oferowany przez większość współczesnych dysków współczynnik MTBF wynoszący 500 000 godzin lub więcej imponuje wielkością, zwłaszcza gdy po przeliczeniu dowiemy się, że pół miliona godzin to około 60 lat ciągłej pracy. Ale czy to naprawdę wysoka niezawodność? Pamiętajmy, że jest to czas „średni”, określony na podstawie analizy statystycznej wyników testów, a dotyczy całej serii danego modelu dysku.

Z punktu widzenia indywidualnego użytkownika ze współczynnika MTBF równego 500 000 godzin wynika aż 1,7% prawdopodobieństwa, że w bieżącym roku dysk ulegnie uszkodzeniu. Przy normalnym użytkowaniu komputer pracuje średnio 6 godzin w ciągu doby, zatem prawdopodobieństwo uszkodzenia będzie odpowiednio mniejsze – rzędu 0,5%. Ujmując to w skali masowej, a nie tylko pojedynczego egzemplarza dysku – co dwusetny dysk ulegnie w tym roku uszkodzeniu! Szansa uszkodzenia dysku jest o wiele rzędów wielkości większa od szansy wygranej w Lotto, a jednak spośród grających regularnie w Lotto użytkowników komputerów tylko nieliczni zawracają sobie głowę czymś tak surrealistycznym jak backup danych. Wiara w szczęście czy fascynacja wielkimi liczbami? Dla przeciętnego domowego użytkownika takie prawdopodobieństwo awarii zwykle jest „do przyjęcia”, zwłaszcza jeśli w kieszeni ma trzyletnią gwarancję, a na dysku nie przechowuje unikalnych wartościowych danych.

Ostatnio coraz więcej producentów podaje dla niektórych modeli dysków współczynnik MTBF rzędu miliona godzin i więcej. Liczby astronomiczne, ale zapewniające tylko dwukrotne zwiększenie szans użytkownika. Z możliwością uszkodzenia dysku należy się poważnie liczyć, jeśli używamy komputera nie tylko do zabawy, a na dysku przechowujemy wartościowe dane. A nawet w przypadku komputera „rozrywkowego” awaria dysku to poważny kłopot i wiele godzin pracy nad odtworzeniem konfiguracji aplikacji.  

Pojemność - jaka naprawdę?

     Przeglądając oferty lub informacje dystrybutorów i producentów dysków twardych niejednokrotnie dokonujemy wyboru na podstawie parametrów, jakie przedstawia dana specyfikacja. Tymczasem w przypadku pojemności informacja podawana na ulotce nie do końca musi odpowiadać temu, co zobaczymy po sformatowaniu dysku w naszym komputerze. Po pierwsze, dość często spotykanym „wybiegiem” marketingowym jest podawanie pojemności danego dysku w mega- lub w gigabajtach, z zastrzeżeniem, że 1 MB to 1 000 000 bajtów, a 1 GB to 1 000 000 000 bajtów. Tymczasem stan faktyczny jest inny – 1 kB równy jest 1024 bajtom, a nie 1000 bajtom. Różnica nie jest co prawda wielka, ale przy olbrzymich pojemnościach dzisiejszych dysków te zaokrąglenia powodują, że różnica pomiędzy informacją producenta a wynikiem formatowania dysku w komputerze może okazać się zaskakująca dla nieświadomego takiej polityki użytkownika. Przykładowo dla dysku o pojemności (przy przeliczniku 1 kB = 1000 B) 18 042 MB otrzymamy, że dysk dysponuje faktyczną pojemnością ok. 17206,20 MB. Jak więc widać różnica sięga ponad 800 MB, co jeszcze nie tak dawno stanowiło całkowitą pojemność dysku twardego! Dlatego też dokonując wyboru musimy pamiętać o tym, w jaki sposób megabajty czy gigabajty są podawane w informacjach producenta.

USZKODZENIA

     Niezawodność współczesnych dysków twardych wyraża się obecnie średnim czasem międzyuszkodzeniowym rzędu miliona godzin. Z pozoru wydaje się to bardzo wiele, ale, gdy się bliżej przyjrzeć, bezpieczeństwo danych na dysku twardym jest co najmniej iluzoryczne. Milion godzin to przeszło 114 lat. Współczynnik MTBF (Mean Time Between Failures) wynoszący milion godzin oznacza nie tylko, że dysk powinien pracować bezawaryjnie przez tyle czasu – w uproszczeniu oznacza to, że spośród 1000 dysków w ciągu bieżącego roku przeszło 8 ma prawo ulec awarii! A jeśli nawet założymy, że dyski pracują zaledwie po 8 godzin dziennie, to i tak wśród tysiąca dysków musimy się liczyć   z blisko trzema awariami w ciągu roku.

     Awarie dysku mają różny charakter. Może to być uszkodzenie układów zapisu i odczytu, w tym złożonej elektroniki dysku, awaria układu napędowego czy układu pozycjonowania głowic, a wreszcie, co jest najczęściej spotykane, mechaniczne uszkodzenie nośnika magnetycznego na powierzchni któregoś z talerzy. Wszystkie dzieła ludzkiego geniuszu mają ograniczoną niezawodność. Zastanawia jednak fakt – w jaki sposób powstają mechaniczne uszkodzenia powierzchni dysku, jeśli głowice nie dotykają bezpośrednio tych powierzchni?

     Mimo relatywnie dużych rozmiarów, dyski twarde stanowią arcydzieła mechaniki precyzyjnej. Przy typowej gęstości zapisu, szerokość pojedynczej ścieżki zapisu wynosi zaledwie ok. 0,01 mm. Szerokość głowicy odczytującej, wykonanej jako element magnetorezystywny, wynosi ok. 80% szerokości ścieżki – to odpowiada ostrzu nieco tylko stępionej żyletki! Każde dotknięcie powierzchni dysku przez głowicę odpowiada dotknięciu takim właśnie ostrzem. Warstwa nośnika magnetycznego na powierzchniach talerzy dysków pokryta jest bardzo cienką warstwą lakieru ochronnego. W normalnych warunkach eksploatacji twardość powierzchni ochronnej najzupełniej wystarcza – start i lądowanie głowic wiążą się co prawda z przesuwaniem ich po powierzchni talerza, ale występujące naciski są za małe, by zarysować powierzchnię ochronną. Podczas pracy dysku głowice przesuwają się nad powierzchnią talerzy na „poduszce powietrznej” o wysokości kilkunastu mikrometrów, wytwarzanej dzięki ruchowi talerzy, a dopuszczalne nierówności powierzchni nie przekraczają 10% wysokości „lotu” głowicy. W takich warunkach nośnik dysku nie ma prawa ulec uszkodzeniu.

     Panuje powszechne przekonanie, że dysk nie działający jest odporny na wstrząsy  i uderzenia. Tymczasem, co może być zaskakujące, źródłem większości uszkodzeń powierzchni roboczych dysku są właśnie wstrząsy i uderzenia, których napęd doznał w stanie spoczynku. W stanie spoczynku głowice leżą na wydzielonych obszarach powierzchni talerzy, zwanych strefą lądowania (landing zone), przyciśnięte do powierzchni przez odpowiedni układ sprężysty ramienia głowicy. Cóż się stanie, jeśli taki „zaparkowany” dysk dozna silnego, krótkotrwałego wstrząsu? Głowica oderwie się od powierzchni, wyginając sprężyste ramię, a następnie, w wyniku jego drgań, kilkakrotnie uderzy w powierzchnię, za każdym razem odbijając się od niej. Zwraca uwagę fakt, że głowica w takiej sytuacji nie uderza swoją powierzchnią, ale krawędzią! Twarda powierzchnia ochronna jest, niestety, zbyt krucha, by mogła to przy silniejszych wstrząsach wytrzymać – uderzająca głowica odłupuje drobne fragmenty ochronnego lakieru.

     Wydawać by się mogło, że nawet ewentualne uszkodzenie powierzchni w strefie lądowania nie powinno spowodować obniżenia sprawności dysku – przecież w tym obszarze nie ma żadnych danych. Rzeczywiście, ale powstałe tam drobne okruchy materiału przemieszczają się, wraz z powietrzem, po całym wnętrzu napędu. Drobne, ale wielokrotnie większe od grubości poduszki powietrznej, unoszącej głowicę. A jeśli któryś z nich dostanie się pomiędzy głowicę a powierzchnię wirującego talerza, następują kolejne drgania głowicy i jej ramienia oraz kolejne uderzenia głowicy – tym razem już w roboczą powierzchnię dysku! Oprócz uszkodzeń powierzchni, na tyle drobnych, że układy korekcji błędów wbudowane w elektronikę dysku, poradzą sobie z powodowanymi przez nie błędami, powstają jeszcze nowe okruchy. Im jest ich więcej, tym częściej zdarza im się wpadnięcie pod głowicę i tym częściej powstają nowe uszkodzenia i nowe drobiny. Proces degradacji wartości użytkowej dysku postępuje lawinowo, tym bardziej,  że przy uszkodzonej powierzchni strefy lądowania przy każdym starcie i lądowaniu głowicy mogą powstawać kolejne uszkodzenia. 
 

Rys. 14 Widok wewnętrzny dysku twardego 

      Na jakiego rodzaju wstrząsy narażony jest dysk od momentu opuszczenia taśmy produkcyjnej, do chwili, kiedy trafi do komputera? Co mu grozi po drodze, a czym możemy mu zaszkodzić sami? Odpowiedzi na te pytania może w pewnym stopniu dostarczyć zamieszczony rysunek – wynika z niego, że dysk zamontowany w komputerze jest względnie bezpieczny, nawet upuszczenie komputera na twarde podłoże nie powinno spowodować poważniejszych szkód.

Dużym zagrożeniem dla dysku jest również sam proces montażu komputera. W tej fazie łatwo „nabawić się” kłopotów na przyszłość. O uderzenie metalowym narzędziem wcale nietrudno – wystarczy „obsunięcie” ręki, uderzenie dyskiem o konstrukcję obudowy też może się zdarzyć. A jeśli ktoś ma pecha, to i o upadek dysku na twarde podłoże wcale nietrudno. Wszystkie te „gwałtowne zdarzenia” dysk znosi pozornie bez szwanku – po zmontowaniu komputera działa poprawnie i nic nie wskazuje na to, by cokolwiek mu dolegało.

Dyski przyszłości

     Ciągle jeszcze w każdym komputerze PC znaleźć można stację dyskietek. Ich „zawrotna” jak na dzisiejsze czasy pojemność (1,44 MB) jest już prawie całkowicie niewystarczająca. Mimo że producenci zasypują użytkowników coraz to nowszymi rozwiązaniami, to ciągle jesteśmy „skazani” na używanie owego „reliktu przeszłości” jakim jest poczciwa stacja dyskietek.

Wydawałoby się, że rozwiązaniem tych kłopotów są dyski twarde. Lecz prawda przedstawia się zgoła odmiennie. Producenci już dzisiaj niebezpiecznie szybko zbliżają się do fizycznej granicy pojemności. W miarę jej wzrostu przy niezmiennej w zasadzie powierzchni zapisu maleje trwałość zapisu magnetycznego. Powoduje to, że wyprodukowanie trwałego, i co ważniejsze, pojemnego nośnika danych staje się coraz droższe. Dlatego też poszukuje się alternatywnych metod przechowywania danych, jedną z nich są 

Rys. 15 Dyski przyszłości

Pamięci holograficzne

     Uzyskanie olbrzymiej pojemności wymaga zastosowania zupełnie innej techniki – holografii. Pomysł ten zrodził się już w roku 1963, gdy jeden z pracowników firmy Polaroid – Pieter J. van Heerden zaproponował trójwymiarowy zapis danych. W chwili obecnej żadna z technologii oferujących pojemności rzędu setek GB i czas dostępu do dowolnego obszaru w granicach 100 (mikro)sekund nie jest tak bliska wejścia na rynek, jak właśnie holografia.

Zasada działania

     Najistotniejszymi elementami układu zapisująco/odczytującego są dwie wiązki laserowe padające na nośnik pamięciowy, jakim jest kryształ niobianu litu (domieszkowany atomami żelaza). Jedna z nich – węższa – to tzw. wiązka sygnałowa. Zawiera ona dane, jakie mają być zachowane w krysztale. Wiązka druga – zwana referencyjną odpowiada za miejsce w krysztale, w którym dane przesyłane wiązką sygnałową mają być zachowane.

Warto wiedzieć, że w tego typu pamięciach nie istnieje pojęcie ścieżki danych. Pamięci holograficzne operują całymi stronami danych. Można sobie wyobrazić, że taki kryształek pokroimy na plasterki o grubości rzędu 100 (mikro)metrów każdy. Taki plasterek to właśnie strona danych przesyłanych przez wiązkę sygnałową. Zapis stronicowy daje olbrzymią korzyść – dużo szybszy czas dostępu do danych, które są odczytywane analogicznie do zapisu (całymi stronami) dzięki odpowiedniemu pozycjonowaniu wiązki referencyjnej.

Nośniki holograficzne

     Najpopularniejszym, a raczej najpowszechniej stosowanym w laboratoriach nośnikiem danych był wspomniany już kryształ niobianu litu. Nie jest to jednak jedyna możliwa substancja pozwalająca na holograficzny zapis i odczyt danych. W 1994 firma DuPont wypuściła na rynek fotopolimer o obiecujących możliwościach. Najważniejszą innowacją jaką wnosił nowy materiał był fakt, że ów fotopolimer pod wpływem światła nie ulegał zmianom fotorefrakcyjnym (co ma miejsce w przypadku wzmiankowanego już kryształu) lecz przemianie chemicznej. Różnica polega na tym, że w przypadku fotorefrakcji, w krysztale dane są zapisywane poprzez odpowiednie rozdzielenie ładunków elektrycznych  w strukturze kryształu, daje to możliwość ich późniejszej neutralizacji (co oznacza skasowanie zapisu). Natomiast naświetlanie (zapis danych) fotopolimeru wywoływało nieodwracalną reakcję fotochemiczną, co oznacza, że materiał ten nadaje się wyłącznie do tworzenia pamięci stałych (ROM).

Olbrzymie pojemności

     Warto zapoznać się też z niektórymi wynikami osiągniętymi przez naukowców w dziedzinie pamięci holograficznych. Np. w 1995 roku niejaki Pu z California Institute of Technology uzyskał gęstość zapisu 10 bitów na 1 (mikro)m^2(kwadratowy) dla dysku o powierzchni zwykłego krążka CD, lecz o grubości zaledwie 100 (mikro)m. Jeżeli zwiększy się grubość materiału holograficznego np. do ok. 1 mm, to gęstość zapisu powinna osiągnąć wartość 100 bitów/mikrometr kwadratowy. Taki dysk holograficzny byłby identyczny rozmiarami z dzisiejszymi CD, lecz oferowałby pojemność rzędu 65 GB.

Kolejnym nie mniej spektakularnym osiągnięciem są rezultaty prac naukowców wydziału fizyki University of Oregon. Udało im się zaobserwować w krysztale o nazwie Tm^3+:YAG następujące wyniki: podczas zapisywania 1760-bitowej sekwencji z szybkością 20 Mbit/s osiągnięto gęstość około 8 Gbit/cal kwadratowy zaś transfer danych z zapisanego już nośnika określono na poziomie 1 Gbit/s. Tak olbrzymie wartości osiągnięto jednak w dalekich od domowych warunkach (niskie temperatury, specjalne soczewki itp.)

Zastosowania

     Firma Holoplex skonstruowała szybki układ pamięciowy przechowujący wzory linii papilarnych, stosowany we wszelkiego rodzaju systemach wymagających selektywnego dostępu. Co prawda pojemność tego układu jest mniejsza o połowę od zwykłej płyty CD, lecz całą pamięć można odczytać w ciągu jednej sekundy. Warto też wiedzieć, że użycie układów holograficznych pozwoli na szersze wykorzystanie kojarzeniowej natury zapisu holograficznego. Czy będziemy więc świadkami rewolucji na wielką skalę? Raczej nie, z przyczyn ekonomicznych, lecz bez względu na sytuację można się pocieszyć, że pamięci nie zginą, ich przyszłość to holografia.

Dyski z "krzemu"

     Tanie pamięci półprzewodnikowe, nie tracące swojej zawartości po wyłączeniu zasilania, zawsze były marzeniem konstruktorów sprzętu cyfrowego. Na początku takimi pamięciami były tylko pamięci ROM (Read Only Memory – pamięć tylko do odczytu), do których zawartość wpisywana była w procesie produkcyjnym. Ogromną wadę pamięci ROM stanowiła niemożność zmiany ich zawartości, sporo kłopotu sprawiało również przygotowanie produkcji. A co najgorsze, w przypadku produkcji niewielkiej liczby sztuk, wcale nie były tanie.

Programowalne elektrycznie pamięci ROM zrealizowano, wykorzystując tranzystory polowe z izolowaną bramką – po wprowadzeniu do kondensatora, tworzonego przez bramkę i kanał tranzystora, odpowiedniego ładunku elektrycznego, komórka zostawała zaprogramowana logiczną jedynką lub zerem, w zależności od ładunku. Tak zrealizowane pamięci PROM (Programmable ROM) pozwalały nawet na kasowanie ich zawartości i ponowne programowanie, jeśli tylko epoksydowa obudowa układu została wyposażona w kwarcowe okienko, przez które można było naświetlać strukturę wysokoenergetycznym ultrafioletem, w wyniku czego bramki zostawały rozładowane.

Pamięci Erasable PROM, początkowo dość kosztowne, szybko staniały do tego stopnia, że przestało być opłacalne kwarcowe okienko – taniej było wymienić całą kostkę.

Kasowanie elektryczne

     Prace nad problemem elektrycznego kasowania zawartości komórek pamięci EPROM trwały praktycznie od chwili skonstruowania takiej pamięci. Dopiero po 10 latach opracowano taką technologię ferroelektrycznego izolatora bramki, która pozwalała na to, by stosunkowo niewielkim napięciem, przyłożonym we właściwym kierunku, można było tę bramkę rozładować. W ten sposób powstały pamięci EEPROM – Electrically Erasable PROM, a w niedługim czasie po nich, pamięci EAROM – Electrically Alterable ROM. Różnica między tymi typami pamięci sprowadzała się do tego, że w przypadku EEPROM kasowaniu ulegała cała zawartość pamięci, zaś w przypadku EAROM – zawartość jednego wiersza pamięci. Różnica zasadnicza, bo o ile EEPROM pozwalała tylko na zmianę całej zawartości, o tyle zawartość EAROM można już było modyfikować fragmentami, w trybie Read/Modify/Write. Ale nie na wiele to się przydawało – zarówno proces kasowania, jak i ponownego zapisu były zdecydowanie zbyt długie, jak na to, czego wymaga się od pamięci.

Czas zapisu pojedynczego adresu (zwykle 8 bitów) wynosił ok. 0,2 – 0,5 ms, zaś czas kasowania zawartości (zarówno wiersza w EAROM, jak i całej matrycy w EEPROM) był nie do przyjęcia – do 100 ms! Na domiar złego pamięci te wymagały skomplikowanego zasilania – trzech różnych napięć zasilających, z czego dwa były rzędu kilkunastu V i w dodatku miały przeciwną biegunowość. Oczywiście, pomimo tych trudności, pamięci EEPROM i EAROM szybko znalazły wiele zastosowań.

Najpierw był Flash BIOS

     Do PC pamięci EEPROM trafiły natychmiast, gdy tylko ich cena zaczęła na to pozwalać – możliwość przedłużenia „moralnego życia” płyty głównej przez wymianę BIOS-u była bardzo atrakcyjna dla producentów komputerów. Tym bardziej, że dostępność takich pamięci zbiegła się w czasie z początkiem dywersyfikacji Standardu PC – stosowane w nich procesory przestały być wiernymi kopiami intelowskich.

Możliwość przystosowania płyty głównej do procesora, który jeszcze nie istniał w chwili produkcji tej płyty uzasadniała zastosowanie EEPROM, a później nieco łatwiejszej w obsłudze i pewniejszej w działaniu EAROM, nawet pomimo związanych z tym komplikacji konstrukcyjnych. Konstruktorzy komputerów i innych urządzeń, korzystających z pamięci ROM, byli już usatysfakcjonowani, a i użytkownicy komputerów wyposażonych we Flash BIOS czuli się dobrze ze świadomością, że w razie potrzeby mogą sobie wymienić BIOS bez udziału serwisu. Niestety, wiele pomysłów nowych urządzeń czekało na chwilę, kiedy będą one miały większą pojemność, niższą cenę i będą łatwiejsze w obsłudze oraz szybsze w działaniu.

Prace konstrukcyjne szły równolegle w dwu kierunkach: zwiększania pojemności i upraszczania obsługi. Trzecie napięcie zasilające zlikwidowano stosunkowo szybko, co znakomicie uprościło konstrukcję urządzeń wykorzystujących pamięci Flash ROM, bo z czasem zyskały sobie taką właśnie nazwę. Zaczęły być stosowane w wielu urządzeniach, korzystających z wbudowanego oprogramowania – w komputerowej branży trafiły przede wszystkim do modemów.

Pamięć Flash – mała i wygodna

     Rozpowszechnienie w produkcji półprzewodników technologii 0,35 mikrometra pozwoliło na dalsze usprawnienia konstrukcji Flash ROM. Dzięki niższemu napięciu zasilania matrycy pamięci wyeliminowano konieczność stosowania dwu napięć zasilających. Równocześnie, dzięki zwiększeniu gęstości upakowania elementów, wzrosła dwukrotnie pojemność pamięci, a wynikające ze zmniejszenia wymiarów poszczególnych elementów zmniejszenie pojemności bramek umożliwiło znaczne skrócenie czasu zapisu danych.

Jednak zwiększenie pojemności pamięci Flash przyniosło ze sobą kolejny problem – najmniejszą kasowalną jednostkę pojemności pamięci stanowił wciąż jeden wiersz, co w przypadku większych pojemności pamięci prowadziłoby do konieczności niepotrzebnego przepisywania znacznych ilości danych. Np. w przypadku konieczności zmiany kilku bajtów w pamięci o pojemności 256 kB (zawierającej matrycę 512×512 adresów), należałoby zapamiętać i ponownie zapisać 512 bajtów. Niby niewiele, praktycznie jednak w wielu zastosowaniach pamięci Flash jest to zbyt wiele, gdyż proces zapisu staje się zbyt energochłonny, a przecież przeznaczeniem obecnych pamięci Flash jest praca w urządzeniach przenośnych.

Rozwiązanie było proste – matrycę pamięci podzielono na 4 niezależnie adresowane bloki. Kosztem nieznacznego powiększenia powierzchni struktury uzyskano skrócenie zapisywanego bloku do 128 bajtów, co już jest łatwiejsze do przełknięcia. A wzrost powierzchni struktury szybko został skompensowany kolejnym wynalazkiem.

Rozwój i zastosowanie pamięci Flash  

     Zastosowanie ferroelektryku w bramce tranzystora, stanowiącego komórkę pamięci, pozwoliło na sięgnięcie wstecz, do techniki analogowej. Bo natężenie pola elektrycznego, „zapamiętane” w ferroelektryku, może mieć różne wartości, pozostające w związku z napięciem programującym.

     A zatem, jeśli komórka pamięci będzie w stanie zapamiętać 4 różne wartości napięć, odpowiadające czterem wartościom logicznym, to uzyskamy dwa bity pojemności jednej komórki pamięci. Gra warta świeczki – w normalnym trybie rozwoju technologii układów scalonych podwojenie pojemności, uzyskiwane dzięki zmniejszeniu wymiarów (np. z technologii 0,35 na 0,25 mikrometra), pociąga za sobą ogromne koszty 

inwestycyjne. Logicznie rozwiązanie było bardzo proste: wystarczy zastąpić wzmacniacze zapisu 2-bitowymi przetwornikami cyfrowo-analogowymi, zaś wzmacniacze odczytu – przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Życie nie jest co prawda takie proste, ale obecnie większość dużych pamięci Flash jest produkowana już w tej technologii, natomiast firmy prowadzą intensywne prace nad „upchnięciem” w jednej komórce następnych dwu bitów.

Tymczasem pamięci Flash znajdują coraz szersze obszary zastosowań. Od największych, montowanych w zespoły złożone z kilku – kilkunastu układów i przeznaczonych jako pamięci dla różnego rodzaju urządzeń (cyfrowe aparaty fotograficzne, cyfrowe dyktafony czy zastępujące dysk stały karty PCcards), aż do zupełnie małych, stanowiących integralny element tzw. Smart Cards, czyli kart chipowych, które w najbliższym czasie mają zastąpić popularne obecnie karty magnetyczne. Od zastosowania w Smart Cards wszystkie nośniki informacji, oparte na chipach pamięci Flash, coraz częściej zaczynają być określane jako Smart Media. Należą do tej grupy zarówno wylansowane przez Intela (który jest, obok AMD, jednym z głównych producentów pamięci tego rodzaju) „krzemowe dyski”, jak i większe gabarytowo rozwiązania, zawierające chip w plastikowej karcie wielkości karty kredytowej (Smart Card) czy w obudowie karty PCMCIA.

     Pamięci Flash są w porównaniu z innymi typami pamięci półprzewodnikowych bardzo powolne – czas dostępu dla odczytu to co najmniej 250 ns, a praktycznie prawie dwukrotnie więcej. Czas cyklu zapisu to, w zależności od długości bloków danych w pamięci, od 30 do 100 ms. Dla wielu zastosowań jest to nie do przyjęcia wolno. Cóż począć w takim przypadku? Pozostają jedynie pamięci statyczne, zamknięte w jednej obudowie z podtrzymującym ich zasilanie akumulatorem litowo-jonowym. Akumulator jest doładowywany z urządzenia dokonującego zapisu lub odczytu, a kiedy pamięć nie jest używana, pobiera tak niewielki prąd, że pojemność akumulatora wystarcza praktycznie na dwa do trzech lat.

Tymczasem kości Flash wciąż tanieją, a ich pojemność rośnie. Karta SmartMedia zawierająca 30 MB pamięci Flash nie jest już żadnym ewenementem, a chociaż na razie potrzeba byłoby 100 takich kart, by zastąpić przeciętny dysk stały, to kto wie, czy w ciągu kilku lat pamięci Flash nie zaczną konkurować z dyskami, przynajmniej w segmencie sprzętu przenośnego.

PAMIĘĆ NA DYSKACH ELASTYCZNYCH.