Носители информации: их виды, история и будущее
2026-02-21 09:58 Diff
https://skillbox.ru/media/code/nositeli-informatsii-ikh-vidy-istoriya-i-budushchee/

#статьи

  • 27 дек 2022
  • 0

Носители информации: их виды, история и будущее

Весь путь накопителей данных на примере романа Толстого — от наскальной живописи до молекулярных и кварцевых дисков.

Автор. Пишет про социальные сети, маркетинг и код. Увлекается иллюстрацией, визуальным повествованием, видеоиграми и кино.

Из этой статьи вы узнаете, как устроены носители информации. Отследите всю их историю с доисторических времен до наших дней. И увидите, как постепенно уменьшались их размеры и увеличивался объем памяти.

Мы расскажем:

Это сложно представить, но информация стала вездесущей. И незаметной, как воздух.

Мы храним фото на облачных сервисах. Носим на флешках тысячи файлов. Сделав покупки, привычно прикладываем смартфон к кассовому терминалу, чтобы разом расплатиться, получить скидку, да ещё и бонусов набрать к новогодней распродаже.

Выходим из супермаркета, садимся в машину, включаем навигатор и сразу же — аудиокнигу на том же смартфоне. Чтобы как бы и ехать, а как бы и Толстого читать. Надо же когда-нибудь добить эту долбаную «Войну и мир». Культурные ж люди всё-таки.

А ведь ещё лет 30 назад ничего из этого не было в помине (кроме «Войны и мира», конечно). Люди хранили данные в накопителях, названия которых современной молодёжи и не скажут-то ничего: флоппи-диски, перфокарты, магнитные ленты…

Интересно, насколько удобнее нам стало в плане хранения информации за эти три десятилетия? А по сравнению с нашими бабушками и дедушками? С Пушкиным и Львом Толстым? С древними китайцами, египтянами, греками и римлянами? С нашими предками в шкурах мамонта?

Что ж, давайте посчитаем. А за единицу информации возьмём всё ту же «Войну и мир». Но для начала изучим немного матчасть. Если вы с ней уже знакомы, переходите сразу к древнейшим носителям информации. Там самое интересное начинается!

Под носителем информации понимают любой объект физического мира или структурную среду, которая умеет записывать, хранить, считывать и передавать данные.

Понятия «носитель» и «накопитель» обычно взаимозаменяемы, но иногда в информатике их разделяют. Так, носителем может быть что угодно: бумага, кассета, диск. А вот накопителем — только электронные устройства, которые умеют работать с информацией: классифицировать её, хранить, менять и перезаписывать.

Кстати, в английском языке тоже есть два понятия:

  • Medium — это физические свойства материалов для хранения данных.
  • Device differ или storage media — устройства для их чтения и записи.

Соответственно, носитель — это металлическая магнитная дисковая пластина, а запоминающее устройство — HDD.

Как мы уже говорили, любой объект, на который записали информацию и с которого её можно считать, — это носитель. Например:

  • Бумажный лист с текстом, цифрами, иллюстрациями, графиками.
  • Кассета на магнитной плёнкой с записью музыки.
  • DVD-диск с фильмом.
  • HDD-диск с операционной системой.
  • Флешка с документами.

С некоторых носителей информацию можно считать напрямую — допустим, текст на бумаге мы воспринимаем визуально. Для чтения с других требуются специальные устройства — например, дисководы и электронные компоненты для дисков и HDD.

Существует несколько способов классификации информационных накопителей. Во-первых, их можно разделить по принципу записи:

  • Аналоговые — преобразуют непрерывный сигнал из внешнего мира (звук, изображение).
  • Цифровые — записывают входящую информацию в виде прерывного (дискретного) бинарного кода.

Например, фотоплёнка — это аналоговый носитель, а SSD-диск — цифровой.

Во-вторых, электронные носители информации делят на виды в зависимости от способов чтения и записи:

  • Магнитные: дискеты и HDD-диски.
  • Оптические: CD-ROM, DVD-ROM, Blu-ray.
  • Полупроводниковые: флеш-карты и SSD-диски.

Наибольшее распространение в XXI веке получили твердотельные накопители: жёсткие диски и флеш-карты. DVD и Blu-Ray всё ещё используют для дистрибуции фильмов, музыки, софта и видеоигр, но стриминг и онлайн-загрузка становятся всё более популярными.

Бумажные носители тоже никуда не делись — на них печатают книги, журналы, учебники, рекламные баннеры, брошюры и другую информацию, а вот грампластинки, перфокарты, VHS-кассеты устарели — ими интересуются только энтузиасты, коллекционеры и любители ретро.

Объект, который называют носителем информации, должен обладать следующими свойствами:

  • Долговечность. Записи не должны исчезать «в никуда» и умеют воспроизводиться по запросу пользователя.
  • Читаемость. Информацию можно получить напрямую или считав с помощью специального устройства.
  • Записываемость. Содержимое можно записывать или перезаписывать, менять структуру, порядок и свойства.
  • Точность и полнота. Данные на носителе сохраняются без ошибок и в полном объёме.
  • Надёжность. Данные защищены от воздействия внешней среды и их сохранность можно контролировать.

На протяжении всей истории человечества носители информации постоянно совершенствовались, но их основные свойства сохранились.

Начнём с времен, когда по земле ещё ходили неандертальцы. Они чем-то напоминали панков: жили быстро, умирали молодыми. И будущего у них не было — представители «другого человечества» проиграли кроманьонцам в дарвиновской борьбе видов.

Тем не менее даже неандертальцы умели накапливать и передавать информацию. Правда до алфавита они не додумались, а кодировали сообщения как попало — петроглифами.

На стенах пещер, где жили древние люди, остались послания, которые дошли до нас спустя десятки тысяч лет — петроглифы. Вначале их наносили краской, но её смывало дождём, поэтому со временем стали применять гравировку или высекать изображения зубилом.

Петроглиф с изображением собаки, человека в лодке и оленя. Обнаружен на реке Пегтымель на Чукотке
Фото: Wikimedia Commons

На древнейших петроглифах, которые датируются временами верхнего палеолита (около 40 000–20 000 лет до н. э.), изображали в основном животных. Некоторых из них уже нет — например, мамонтов и саблезубых тигров. Начиная с неолита (около 10 000 лет до н. э.), люди всё чаще стали рисовать себя, свои ритуалы и общинный быт.

О назначении петроглифов учёные спорят до сих пор. По одной из версий, они были делом тогдашних колдунов: познание мира происходило стихийно, науки не существовало, и люди могли верить, что рисование зверей на стенах сулит хорошую охоту.

Посмотрим, что бы получилось, если б среди них жил свой Лев Толстой, который внезапно придумал бы «Войну и мир». Если верить сайту «Ответ.Guru», бессмертный роман Льва Николаевича содержит 478 458 слов, или 2 521 613 знаков без пробелов, и занимает на диске 6,14 Мб.

Надо заметить, почерк у древних писателей был размашистый. Размеры самого крупного наскального изображения лебедя, обнаруженного на полуострове Кочковнаволок в Карелии, достигают 4,12 метров от хвоста до головы. Средний же размер петроглифа — 50 × 50 см (0,25 кв. м).

Иными словами, «Война и мир» в такой кодировке заняла бы как минимум 119 614,5 квадратных метров наскальной поверхности. А если с пробелами — раза в два больше выйдет, наверное. Это не считая многочисленных черновиков, с учётом которых полученную число ещё на пять умножить надо. В общем, картинка бы вышла размером примерно километр на километр. Шикарный вид, никакому Пикассо не снился.

То есть Льву Николаевичу, будь он неандертальцем, всю Евразию обойти пришлось бы, каждую пещеру своей нетленкой исписать. Хотя… Может, именно благодаря неодолимой тяге к творчеству человечество и расселилось по планете? И не отсюда ли наша генетическая тяга оставить на любой покоренной скале: «Здесь был Вася»? Как вам такая версия, историки?

Высекать на камне тяжело — поэтому мягкая и податливая глина стала не только материалом для посуды, но и первым «листом». Древние шумеры начали использовать запись на глиняных табличках, придумали первые книги и библиотеки. Эту же технику использовали в Древнем Египте.

Люди лепили из глины плоские листы, а потом с помощью трёхгранной палочки кодировали данные клинообразными знаками. Затем таблицы сушили и ставили в определённом порядке в ящике — как листы в книге. Первая была титульной — на ней указывали автора и содержание. Ящики собирались в библиотеки — для этого на отдельных таблицах каталогизировать информацию. Чем не первая база данных или жёсткий диск?

Одна из крупнейших библиотек с клинописью была обнаружена во дворце правителя Ассирии — там хранилось более 30 тысяч глиняных таблиц
Фото: Wikimedia Commons

Хотя, если подумать, это тоже не самый удобный способ хранить информацию. Стандартный размер библиотечной таблички — 32 × 32 см, толщина — 2,5 см. Вмещались на ней, при самом убористом почерке клинописца, примерно 2300 знаков. Для «распечатки» подобным способом одного экземпляра «Войны и мира» потребовалось бы 1096 таких «кирпичиков».

Для сравнения, стандартный размер современного кирпича — 25 × 12 × 6,5 см. То есть одна глиняная табличка — это примерно 1,3 кирпича. Иными словами, все четыре тома романа плюс эпилог в клинописной форме — где-то 1439 кирпичей.

Чтоб вы понимали: это шесть поддонов, не считая обложки. Больше пяти тонн. Хотите такую книжку дома у себя поставить? Заготовьте чуланчик размером 2,2 × 1,7 м. Это если в два ряда ставить и без обложки, опять же. Ну и подъёмник купите, тома туда-сюда возить.

К слову, типовой российский кирпичный мини-завод смог бы производить не больше четырёх копий «Войны и мира» в день, без учёта работы клинописцев. Так себе книгопечатание. Возможно, именно поэтому и не была своего Льва Толстого в древней Месопотамии.

По оценкам учёных, папирус появился в Древнем Египте не раньше 5000 лет назад. Его изготавливали из одноименного растения, которое в изобилии росло на пресноводных болотах. Стебли папируса очищали от кожуры, нарезали на тонкие полоски, а потом накладывали друг на друга. Смесь высыхала на солнце и превращалась в лист, на который можно было наносить изображения и иероглифы. Папирус, как и хорошая бумага, делился на сорта — самые дорогие и качественные использовали при дворе, а дешёвые доставались купцам и мелким чиновникам.

Часть книги из Нового Завета, переписанная на папирус (150–200 годы н. э.) и плантация папируса
Фото: Wikimedia Commons

Хрупкость папируса — миф. Низшие сорта действительно быстро приходили в негодность, но свитки из высококачественного материала могли сохраняться тысячи лет.

Из-за своей дешевизны (лист папируса мог купить даже рабочий) и относительной простоты производства папирус использовали вплоть до XIII века н. э., пока его не вытеснила бумага.

Ну и наши традиционные расчёты. Один лист папируса на 2500 знаков без пробелов — это примерно 30 сантиметров тростникового стебля. «Война и мир» в самом экономном исполнении самым мелким почерком — это не менее тысячи папирусных листов, или не менее трёхсот срубленных тростинок, каждая по метру ростом.

Пергамент — это обработанная кожа животных. Его начали использовать персы ещё в V веке до н. э. Это довольно грубый материал, более лёгкий и качественный вариант назывался «велень», но он появился только после XIII века.

До Средних веков бумага, папирус и пергамент были одинаково популярны. В Европе на папирусе писали религиозные книги, пока в начале XV века не изобрели книгопечатание. Пергамент отошёл на второй план, и его стала использовала в основном знать.

На первой картинке — копия немецкого юридического кодекса на пергаменте, на второй — манускрипт на велене
Фото: Wikimedia Commons

Вот этот способ уж точно не понравился бы известному вегетарианцу и зоозащитнику Льву Толстому. Один барашек — это от силы десять листов папируса. А на один экземпляр «Войны и мира», как мы уже знаем, таких листов требуется не менее тысячи. В общем, один роман стоил бы как минимум сотни загубленных ягнят.

Пальмовые листья использовали в Индии и Юго-Восточной Азии. Текст и изображения наносили пером с чернилами, либо делая надрезы. Листья собирались в стопку и связывались нитью, образуя книгу. Их покрывали воском, чтобы не сгнили, и лемонграссом для отпугивания насекомых, которые могли эти листья съесть.

Пальма росла в изобилии, а техника производства была простой, поэтому на пальмовом листе писали вплоть до XVIII века.

Не будем утомлять вас расчётами: они, в принципе, идентичны приведённым выше расчётам с папирусом. Все пальмы Вьетнама ободрать надо было бы, чтоб каждому советскому школьнику по экземпляру «Войны и мира» сделать. В общем, сущее варварство, если верить Грете Тунберг. Вы б ещё на берёзках писать придумали, ей-богу.

Индийская рукопись XVI века на пальмовых листах
Фото: Wikimedia Commons

И ведь придумали же! Береста — это верхний слой берёзы, который использовали как бумагу. На поверхности царапали слова грифельной или заточенной деревянной палочкой, а потом протирали её углем или сажей. Берестяные грамоты в Древней Руси использовали с IX по XV век.

Больше всего берестяных табличек обнаружено в местах раскопок Великого Новгорода. В основном послания на бересте использовали как быстрый способ передачи информации между городами: в них были бытовые указания, требования вернуть долг или торговые предложения.

Одна из древнейших берестяных грамот (слева) — приглашение адресата посетить Новгород. На второй — детские рисунки с уроков правописания
Фото: Wikimedia Commons

Быстрый-то он, конечно, быстрый. Но по расходу материала — это даже по сравнению с папирусом какой-то тихий ужас. Возьмём, к примеру, стандартную берёзку высотой три метра и диаметром ствола 20 см. Вспомним школьную формулу расчёта площади цилиндра и вычислим, сколько на ней бересты:

S = h * π * D = 300 * π * 20 = 18 840 кв. см,

или примерно 30 привычных нам листов А4.

Даже если бы нашёлся уникум, которым смог бы нацарапать грифелем по бересте столь же убористо, как мы авторучкой по бумаге, — это от силы 1500 знаков на один берестяной лист А4.

Итого:

Одна «Война и мир» = 2 521 613 / (1500 * 30) = 56 берёзок.

Как вам такое: плюс одна нетленочка — минус одна берёзовая рощица? Короче, не рубите, мужики, не рубите.

В древнем Китае бумагу делали из бамбука, волокон конопли и шёлка. С первого века начали смешивать в массу тутовое дерево, ткань, волокна и золу, образуя из неё листы.

Технология производства бумаги постоянно совершенствовалась и распространялась по миру: сначала в Японии и Корее, затем в Европе. В XV веке было изобретено книгопечатание, и бумага вытеснила все остальные носители информации: бересту, папирус, пергамент.

Обёрточная бумага, изготовленная в сотых годах н. э.
Фото: Wikimedia Commons

Промышленное производство бумаги из древесной целлюлозы появилось в XVIII веке. Книги, газеты и журналы стали доминирующими носителями данных. Скорость распространения информации кратно выросла, библиотеки стали «храмами знаний» — всё это повлияло на научно-технический прогресс.

Действительно, компактность хранения информации возросла кратно. «Война и мир» в стандартном 14-томном собрании сочинений Л. Н. Толстого 1951 года (тома с 4-го по 7-й) занимает такой объём:

  • том 4 — 361 страница;
  • том 5 — 377 страниц;
  • том 6 — 406 страниц;
  • том 7 — 363 страницы.

Это вам не шесть поддонов кирпичей и не отара убитых барашков — такое даже ранец особо не тянет. Да и тираж: 300 000 экземпляров. Просто, массово, надёжно. По этой, в частности, причине роман и ввели в школьную программу, навсегда привив миллионам учеников «любовь» к русской классике.

В конце XIX и начале XX века индустриализация привела к повсеместному внедрению электричества. Появились новые виды транспорта: пароходы, автомобили и поезда, а также более быстрые средства связи — телефон и телеграф. Бумага всё ещё оставалась основным носителем информации, но учёные и предприниматели начали разрабатывать новые устройства, которые постепенно изменили мир.

Перфокарты — один из первых накопителей данных, который можно было декодировать только с помощью машины. Расположенные на них в определённом порядке отверстия были, по сути, прототипом двоичной системы.

Перфокарты использовали при вышивании узора на ткацких станках, для вычислений и классификации информации. Их настоящим триумфом стала перепись населения в 1890 году. Для обработки результатов прошлых переписей требовалось не менее десяти лет. Внедрение перфокарт сократило этот срок до трёх месяцев.

Перфокарты
Фото: Wikimedia Commons

В модернизированном варианте — как перфоленты — перфокарты дожили аж до восьмидесятых годов прошлого века. Их активно применяли в тогдашних ЭВМ — например, в первом программируемом компьютере «Марк I», а затем на заводах для станков с ЧПУ.

Скорость записи составляла максимум 150 байт в секунду, чтения — 1,5 килобайта в секунду. Немного, но вполне достаточно, чтобы обрабатывать математические операции. Ну, или чтобы «Войну и мир» прочитать чуть больше, чем за час. Блестящий результат, если учесть, что большинству людей для этого целой жизни не хватает.

Правда, бумажная лента была хрупкой, и её нельзя было редактировать — систему хотели улучшить, заменив бумагу на пластик, но технология была слишком дорогой. Появившиеся позже магнитные ленты предлагали более удобный способ записи и чтения.

Мини-ЭВМ MERA 302 с перфолентами. Середина 1970-х
Фото: Wikimedia Commons

Эпоха нового подхода к накопителям началась с записи звука. В конце XIX века появился первый фонограф. В отличие от музыкальных шкатулок, он умел не только воспроизводить звук, но и записывать его: на цилиндрическом восковом носителе игла преобразовывала звук в борозды, которые потом можно было считать обратно. Максимальное время записи составляло около двух минут.

Изобретатель устройства Томас Эдисон составил целый список сценариев использования устройства: диктовка писем, обучение языкам и даже запись телефонных звонков. Была также провальная идея использовать фонограф в больших куклах, но подобные игрушки пугали детей.

Фонограф Эдисона, 1899 год
Фото: Wikimedia Commons

В начале ХХ века вместо воскового цилиндра в фонографах начали использовать первые диски из мягких металлов, на которые можно было записывать до четырёх минут звука. Со временем технология улучшилась и фонограф превратился в электрический граммофон с грампластинками.

Диски из цинка и эбонита существовали параллельно с восковыми, но с их помощью нельзя было перезаписывать информацию. Зато у них было другие технические преимущества — форма, которую легко штамповать и тиражировать. В начале ХХ века появился более удобный винил, а в конце 1920-х — электроакустическая запись через микрофон: диапазон расширился, качество записи улучшилось.

Устройство для записи медных пластинок. Германия, 1930-е годы
Фото: Wikimedia Commons

В 1930-х технологии ещё не позволяли плотно записывать информацию, поэтому на одну пластинку помещалась одна песня: альбомы продавались в коробках. После Второй мировой войны появились «долгоиграющие пластинки», в которые уже помещались целые альбомы.

До появления аудиокассет и компакт-дисков грампластинки оставались основными накопителями для воспроизведения музыки. Впрочем, некоторые аудиофилы предпочитают их до сих пор. А что? Опера Прокофьева «Война и мир» — это всего четыре диска. А ведь там к словам ещё и музыку добавили! По сравнению с тоннами глиняных табличек — просто гигантский прогресс, согласитесь.

Фотоплёнка и киноплёнка — носители визуальной информации, которые хранят в себе «микрооттиски». Плёнка состоит из нескольких слоев, один из которых светочувствительный. Впервые фотоплёнки появились в конце XIX века, в кинокамерах их стали массово использовать в начале XX века. Оба носителя выпускают до сих пор, пусть и не в таких объёмах, как раньше.

Чёрно-белая киноплёнка
Фото: Wikimedia Commons

Интересно применение фотопленки для архивации печатных материалов — микрофиши. Наверняка вы не раз видели в фильмах, как главные герои в поисках информации отправляются в библиотеку и на больших машинах листают старые газеты.

Данные, которые выводят на экран, — это копии, записанные в формате микрофиши. На одну микрофишу размером 7,5 на 12 см могло уместиться до 130 страниц книжного текста. До массового распространения компьютеров такая архивация позволяла существенно освободить полки от бумаги.

Кстати, именно киноплёнка позволила советским детям изобрести один из главных школьных лайфхаков: зачем целое лето на чтение «Войны и мира» тратить, если можно за семь часов кино Бондарчука посмотреть, все четыре серии?

Устройство для чтения микрофиш в библиотеке
Фото: Wikimedia Commons

Магнитнитную ленту изобрели в Германии в 1927 году — первоначально на тонкую бумагу наносили напыление порошком оксида железа. В 1932 году компания AEG представила первое коммерческое устройство для чтения и записи — Magnetophon К1.

Технология совершенствовалась — в 1950-х на магнитную ленту стали записывать видео, а в 1970-х появился простой и надёжный формат VHS, который популяризировал видеокассеты как основной носитель для фильмов и телепередач. Параллельно с этим компакт-лента завоёвывала аудиорынок, вытесняя винил.

Кассета QIC-80, способная хранить 80 мегабайт данных
Фото: Wikimedia Commons

Использовать магнитную ленту как хранилище данных в компьютерах стали в 1951 году — первые ленточные накопители могли хранить не более нескольких килобайт данных.

К 1970-м появился стандарт 9-дорожной ленты, который мог вместить до 140 мегабайт, а в 1990-х — технология записи DLT с потрясающей ёмкостью в 800 гигабайт. 133 320 копий «Войны и мира» разместить можно, если что. И ещё место останется!

Ленточные накопители были надёжными, быстрыми, потребляли минимум энергии, но скорость доступа к произвольным участкам была медленной — ленту нужно было отматывать к определённому месту.

В современном мире ленточные накопители никуда не делись. Сейчас существует два популярных формата — LTO и IBM 3592, которые используют в ленточных библиотеках. Такие базы данных дешевле и энергоэффективней дисковых. Библиотеки могут хранить тысячи магнитных лент по несколько гигабайт каждая — по запросу робот быстро находит и производит чтение-запись с ленты.

Ленточная библиотека StorageTek Powderhorn для резервного копирования данных
Фото: Wikimedia Commons

Гибкий диск (флоппи-диск) — это круглый пластиковый носитель с магнитным покрытием, заключённый в пластиковый контейнер. Для чтения нужен специальный дисковод. Дискеты стали массово использовать в начале 1970-х в компьютерах IBM, но сейчас их считают устаревшими носителями. Но память о них осталась в софтовых иконках сохранения данных: многие из них отрисованы как флоппи-диск.

Технологий записи было несколько. В ранних версиях использовали FM-кодирование — оно записывало два тактных сигнала на один бит данных. Усовершенствованная технология MFM объединила два такта в один сигнал, что увеличило плотность записи в два раза. Затем в конце 1970-х появилась M2FM с дополнительными тактами.

Дискеты 3,5 дюймов и флоппи-дисковод для их чтения
Фото: Wikimedia Commons

У дискет существовало несколько форм-факторов: 8, 5,25 и 3,5 дюймов в диаметре. Последние назывались микрофлоппи-дисками и были распространены в конце 1980-х и начале 1990-х. Объём был небольшой — от 1,44 до 2,88 мегабайта (то есть чуть меньше половины «Войны и мира»), но этого вполне хватало, чтобы хранить документы, софт, видеоигры и даже операционные системы.

Объёмы файлов росли, а использование десятка флоппи-дисков было неудобным. Последняя попытка улучшить гибкий диск — SuperDisc в конце XX века — не увенчалась успехом: он мог вместить до 140 мегабайт данных, но проиграл «войну форматов» компакт-дискам, DVD и онлайн-дистрибуции.

Перфокарты, ленточные накопители и гибкие диски в какой-то момент перестали соответствовать возросшим требованиям. Компьютерам нужны были более быстрые и компактные способы чтения и записи.

На компакт-дисках (CD) был принципиально новый способ чтения и записи информации — с помощью оптического лазера. На диск из поликарбоната наносили специальный слой из металла, который хранит данные в микровыемках, а луч лазера отражается от этого слоя и считывает данные.

Технология впервые была использована для музыкальных записей в 1970-х, но уже в конце 1980-х была адаптирована для компьютеров (CD-ROM). Затем появились диски для однократной (CD-R) и многократной записи (CD-RW).

Объём данных на CD-ROM не превышал 700 мегабайт, но затем в 1996 году появился DVD с более плотной структурой слоя. За счёт нового лазера с меньшей длиной волны на него удаётся записывать до 17 гигабайт данных.

Устройство оптического диска
Фото: Wikimedia Commons

В 2006 году начали появляться Blu-ray Discs — для этих накопителей использовали ещё более коротковолновой лазер синего цвета. Плотность записи составляла до 50 гигабайт, что было особенно важно при возросшем качестве кинофильмов и увеличившихся объёмах софта. Появление дисков совпало с развитием интернета — популярность стримингов и онлайн-дистрибуции привела к тому, что диски для чтения и записи используют сейчас редко, а большинство моделей ноутбуков идут без встроенного дисковода.

Жёсткий диск (HDD) — устройство, в котором используются жёсткие пластины из алюминия или стекла покрытые специальным магнитным составом. Они заключены в металлический контейнер с блоком электроники, а сами диски находятся в герметичной зоне. Внутри нет вакуума, но часто закачан чистый воздух, чтобы избежать появления пыли.

Для чтения записи используется целая система устройства: электромотор вращает диски со скоростью от 7200 оборотов в минуту, а считывающая головка (коромысло) вводит или декодирует информацию.

Данные записываются не произвольно, а в строгом порядке по секторам. Размер одного сектора — 512 байт. Группа секторов образует кластеры, и как раз между ними и происходит обмен информацией.

Устройство HDD с тремя пластинами
Фото: Wikimedia Commons

Существует несколько методов записи:

  • Продольный (CMR). Биты записываются головкой над поверхностью дисков: так намагничивают сотни миллионов «доменов» — дискретных областей. Плотность записи составляет около 20 гигабайт на квадратный сантиметр, с 2010-х такая технология практически не используется.
  • Перпендикулярный (PRM). Биты сохраняются в горизонтальных доменах: плотность записи выше — от 60 гигабайт на квадратный сантиметр, до, теоретически, до терабайта на дюйм. Наиболее популярный сейчас метод.
  • Черепичный (SMR). Дорожки на диски «накладывают» друг на друга как в черепичных крышах, чтобы увеличить плотность чтения и записи головкой. У технологии есть минус — низкая скорость записи и перезаписи данных. Используется редко.

Когда жёсткие диски появились, то стояли они невероятно дорого — десятки тысяч долларов и вмещали в себя мегабайты данных. Неудивительно, что более практичные гибкие диски использовали для софта и операционных систем вплоть до 1980-х — к этому времени технологии HDD стали совершеннее и доступнее.

Твердотельные накопители (SSD) и flash-карты вместо магнитных дисков накапливают информацию на микросхемах, что в сотни раз повышает скорость записи и чтения. Впервые технология появилась в конце 1970-х годов и использовалась для суперкомпьютеров. С 2010-х появились первые доступные SSD-накопители с объёмом памяти 128 гигабайт, которые стали применять в компьютерах и ноутбуках.

Твердотельные накопители делятся на несколько групп:

  • Внешние flash-карты. Карты памяти (SD, microSD) и USB-флеш-карты («флешки»). Благодаря универсальному стандарту записи и интерфейсам, данными можно свободно оперировать и переносить с устройства на устройство — альтернатива сценарию флоппи-диска.
  • Встраиваемые SSD-диски. Альтернатива HDD в качестве запоминающего носителя на устройствах. Первые SSD-диски повторяли разъём подключения SATA, современные твердотельные накопители подключаются через более быстрый PCI Express.

В большинстве своём твердотельные накопители работают на архитектуре NAND SSD, что обеспечивает высокую ёмкость, скорость и низкое потребление электричества. Есть ещё энергозависимые — RAM SSD, они работают по принципу оперативной памяти и ещё быстрее, но стоят заметно дороже первых.

HDD и SSD в разобранном виде
Фото: Wikimedia Commons

У SSD много преимуществ по сравнению с HDD: малые габариты, отсутствие движущихся частей, низкая чувствительность к внешним электромагнитным полям, более надёжное сохранение данных.

Но есть и недостаток — ограниченное количество циклов для записи: у недорогих «флешек» он может составлять менее тысячи циклов, на внутренних SSD — до десятка тысяч. В любом случае, срок службы твердотельных накопителей составляет около пяти лет — после этого будут всё чаще появляется ошибки. Всё дело в ячейках памяти — они пока не могут выдерживать долгих циклов записи.

Объёмы информации продолжают расти, а кремний для чипов становится всё более дефицитным товаром. Учёные ищут перспективные направления, которые помогут записывать данные альтернативным способом. Вот некоторые примеры технологий, которые могут появится в ближайшем будущем.

Биолог из Гарварда Джордж Чёрч в 2017 году продемонстрировал, что ДНК годится не только для передачи генетического кода белковых организмов. Информацию можно сохранять прямо в геном, а потом считать обратно. В эксперименте изображение и GIF-анимацию из шести кадров перекодировали в цепочку последовательности нуклеотидов, а затем синтезировали в искусственные ДНК.

Затем их внесли в кишечные палочки, и она сохранила данные по системе CRISPR — эту технологию используют живые организмы, чтобы управлять иммунитетом. Клетки были культивированы и разрослись до большой колонии, а затем учёные выделили из них ДНК и реконструировали данные.

Изображение руки и часть кадра из анимации бегущей лошади. Слева — оригинал для записи в ген, справа— декодирование
Фото: Wikimedia Commons

Эту технологию пока сложно масштабировать для коммерческого производства (да и данные сохраняются не на 100%), но она уже доказывает, что в теории накопителями могут быть сами гены.

В 2021 году учёные из Колумбийского университета превратили колонию бактерий в запоминающее устройство и подключили её к компьютеру для чтения и записи информации. Суть метода описана в статье журнала Nature — учёными была разработана электрогенетическая основа для прямого хранения цифровых данных в живых клетках. С помощью электрических сигналов они смогли закодировать двоичные данные в CRISPR-массивах бактериальных клеток.

Схема работы накопителя данных с помощью колонии бактерий
Изображение: Nature

Пока удалось записать только 72 бита информации, но зато эти данные могут храниться в естественной среде на протяжении многих поколений бактерий. Это открывает перспективные способы обмена информацией между кремниевыми и углеродными веществами.

В 2021 году учёные из Техаса использовали для записи молекулы синтетического пластика. В его состав входят аминоспирты — в них удалось зашифровать буквы английского алфавита. Потом из этой конструкции построили макромолекулу, содержащую строку из книги Джейн Остин «Мэнсфилд-парк», и при расшифровке удалось восстановить 98% данных.

Зашифрованные строки из романа «Мэнсфилд-парк» в цепочках полимеров
Изображение: Efficient molecular encoding in multifunctional self-immolative urethanes / Samuel D. Dahlhauser, Sarah R. Moor etc. / ScienceDirect, 2021

Группы молекул тоже могут накапливать информацию. Учёные из университета Брауна смогли записать и считать небольшое изображение размером в пару килобайт с помощью молекулярного жёсткого диска.

Как это работает: информация записывается в искусственный раствор «метаболома» (так биологии называют набор молекул для регулирования процессов метаболизма в организме). Внутри — группы малых органических молекул-метаболитов.

Дальше дело техники — берём бинарную систему, где можно зашифровать что угодно, и воплощаем её: отсутствие или наличие метаболита означает, соответственно, ноль и единицу.

Робот помещает в тысячи капель размером в один нанолитр (одна миллиардная литра) на металлические пластины, и они выстраиваются в связи. Считывание с такого диска происходит с помощью химического анализа — высушенную металлическую пластину анализируют масс-спектрометром и расшифровывают обратно.

Схема работы молекулярного жёсткого диска — здесь показано, как записали и считали картинку
Изображение: Molecular Data Storage /Jacob Rosenstein et. al. / Brown University

Технология не идеальна — метаболиты могут неконтролируемо воздействовать друг на друга и портить данные, а для накопителя крайне важно корректно хранить информацию. С другой стороны этот недостаток может стать фишкой — молекулярные жёсткие диски смогут не только хранить данные, но и манипулировать ими как компьютер.

В 2018 году Илон Маск вывел на орбиту Земли Tesla Roadster. В электромобиле находился диск с трилогией фантастических романов Айзека Азимова «Основание» про далёкое космическое будущее человечества. Этот диск Маску ранее подарил фонд сохранения человеческих знаний Arch Mission Foundation, но интересен не символизм, а технология записи данных — книга была записана на кварцевом стекле с помощью фемтосекундного лазера (оптический квантовый генератор, который посылает импульсы лазерного излучения). Эта технология известна как «кварцевый диск», Superman memory crystal, или Eternal 5D.

Tesla Roadster на орбите Земли, вид с боковой камеры
Изображение: Wikimedia Commons

Технология записи на кварцевый носитель была разработана ещё в 1993 году, но в реальность её удалось воплотить только через 20 лет. В 2013 году учёные из Саутгемптонского университета смогли записать 300 килобайт, выжигая лазером на кристалле микроскопические точки. Метод Eternal 5D — это запись точек слоями на расстоянии пары миллионных метра друг от друга в пяти измерениях: длина, ширина, высота, ориентация и размер. Похоже на запись CD, только более прогрессивными способом.

Выжженные точки меняют характеристики кристалла и поляризацию света. Для считывания информации достаточно пропустить через него луч и считать данные с помощью поляризатора и микроскопа.

Внесение информации на кварцевый диск с помощью фемтосекундного лазера
Кадр: Optoelectronics Research Centre / YouTube

Технология перспективная, но всё ещё дорогая — фемтосекундный лазер стоит десятки тысяч долларов и имеет большие габариты. Но зато кварцевые носители в перспективе более вместительны, чем жёсткие диски и SSD: на кварцевое стекло можно вместить более 300 терабайт данных, а информация при комнатной температуре сохраняется миллиарды лет.

Сам же кварцевый носитель может выдержать до 1000 градусов по Цельсию. Неудивительно, что диск с «Основанием» был помещён в Tesla Roadster — даже в открытом космосе данные на нём не пострадали.

Носители и накопители информации быстро устаревают. В 2008 году NASA потребовалась информация о свойствах лунной пыли, но все данные об экспедициях на Луну хранилась на магнитных лентах… В итоге рабочее устройство для чтения удалось найти только в музее.

Сейчас информацию передают и хранят в основном с помощью удалённых хранилищ. Кино, музыка, видеоигры, программы и сервисы доступны через стриминг и онлайн-сервисы. Облачные технологии помогают рассредоточить информацию по интернету, сделать её чтение доступным с любого устройства, но что делать, если связи не будет или она вообще пропадёт на долгие годы, а то и столетия?

Угроза общепланетарной катастрофы ставит перед учёными нетривиальную задачу организовать цифровой архив, который поможет сохранить данные. Силами фондов ведутся разработки защищенных архивов. Например, уже работает «Арктический мировой архив» (Arctic World Archive, AWA), который расположен на Шпицбергене.

Фонд Виславы Шимборской передаёт архив работ польской поэтессы и лауреата Нобелевской премии (слева). Делегация из Казахстана держит флаг на фоне входа в архив после передачи данных о конституции, флаге, гербе и гимне (справа)
Фото: Arctic World Archive

Данные в AWA хранят по технологии усовершенствованной микрофиши. Пленку пакуют в пакеты и помещают в стальные контейнеры. Например, там есть исходный код GitHub, NFT-токены, цифровое искусство, труды лауреатов Нобелевской премии и даже конституция Казахстана. Проектировщики планируют, что данные могут храниться в Арктике несколько тысяч лет.

Другой проект — «Память человечества» (Memory of Mankind, MOM), решил вообще отказаться от цифровых носителей и использует в качестве накопителей информации керамические таблицы. Технология была навеяна шумерскими глиняными табличками. Цель архива — создать «капсулу времени» и построить образ эпохи для потомков. Располагается архив в соляной шахте в Австрии.

Кейсы с керамическими табличками в архиве «Память человечества» и пример текста, нанесенного на одну из них
Фото: Wikimedia Commons

Группа учёных из Гарвардского университета решила пойти дальше и предлагает сделать бэкап на Луне. В своей работе A Lunar Backup Record of Humanity они предлагают не только спрятать архив в лунной пыли, но и держать с ним удалённую связь. Предложение фантастическое, но вполне реализуемое — с архивом можно будет связаться с помощью лазера. Уже сейчас можно передавать около 1015 байт в год — хватит для накопления данных о литературе, научных открытиях и генетической информации, которая пригодится будущим поколениям. Такой низкий битрейт связан с мерцанием, атмосферными явлениями и постоянным рассеиванием луча.

Миссия Orion продлится около десяти дней: пилотируемый корабль с Земли сделает круг вокруг Луны и вернётся обратно
Кадр: NASA Video /YouTube

Систему связи через лазер можно доработать: если создать комплекс из лазерных передатчиков, то реально получить постоянный поток данных в 622 Мбит/с. Такие возможности — не технологии далёкого будущего: у NASA есть подобная система оптической связи Orion Artemis II (O2O). В 2023 году её испытают на космических кораблях Orion — такой быстрый канал связи обеспечивает не только полное пилотирование с Земли, но и трансляцию в 4К-качестве.

Накопители информации прошли большой путь от наскальных рисунков до записи лазером и архивации на Луне. Будущее накопителей информации — это развитие как цифровых, так и биологических технологии, который помогут не только хранить возросшие объёмы данных, но и взаимодействовать с ними на принципиально новых уровнях.

Бесплатный курс по Python ➞
Мини-курс для новичков и для опытных кодеров. 4 крутых проекта в портфолио, живое общение со спикером. Кликните и узнайте, чему можно научиться на курсе. Смотреть программу