Авторы: Рубцов Р., Киселёв И., Смирнов Д., Кусмарцев В.
Аннотация
В данной работе исследуется трехвековой путь развития носителей информации, начиная с первых опытов механизации ткацкого производства и заканчивая современными распределенными облачными системами.
Введение
Кризис информационной сатурации
В начале XXI века человечество столкнулось с беспрецедентным вызовом — объемы генерируемых данных стали расти по экспоненте. Согласно статистическим исследованиям, к 2011 году мировой объем информации достиг отметки в 1800 экзабайт. Для наглядности: это эквивалентно тому, как если бы каждый житель Земли получал по 200 газет ежедневно на протяжении всей жизни.
Этот процесс получил название «информационной сатурации» или перенасыщения. В рамках концепции «глобальной деревни» Маршалла Маклюэна, информация превратилась в основной экономический и социальный ресурс. Однако эффективность использования этого ресурса напрямую ограничена физическими возможностями носителей. Мы наблюдаем парадокс: при колоссальных вычислительных мощностях «узким горлышком» систем остаются механизмы записи и считывания.
Из-за борьбы с этим явлением в история развития носителей информации наблюдается явление, когда каждое новое поколение носителей информации со стремительной скоростью вытесняло предыдущее благодаря повышению надёжности, удобства использования, а главное скорости передачи данных и объёма хранения.
Механическая и ранняя электромагнитная эра (1725–1950)
Перфорационные технологии
Зачатки машиночитаемой памяти возникли не в математических кабинетах, а в промышленных цехах. В 1725 году Базиль Бушон разработал систему управления ткацким станком с помощью перфорированной бумажной ленты. Пробитые отверстия кодировали рисунок ткани — по сути, это была первая форма «программирования» материи.
В 1804 году Жозеф Мари Жаккар усовершенствовал этот метод, применив связанные в цепочку жесткие картонные карточки. Технология Жаккара стала фундаментом для работы Германа Голлерита, который в 1884 году запатентовал электромеханический табулятор. Использование перфокарт Голлерита при переписи населения США в 1890 году сократило время обработки данных с восьми лет до одного года. Недостатком бумажных, наиболее массовых, перфолент по сравнению с перфокартами являлась низкая механическая прочность ленты и невозможность «ручного редактирования» текстовых файлов (добавлением или заменой перфокарт в колоде). Таким образом, перфокарта стала первым массовым носителем информации, обеспечившим разделение данных и вычислительного устройства.
Разработки на магнитной основе
Память на магнитных сердечниках или ферритовая память — запоминающее устройство, хранящее информацию в виде направления намагниченности небольших ферритовых сердечников, обычно имеющих форму кольца. Ферритовые кольца расставлялись в прямоугольную матрицу и через каждое кольцо проходило (в зависимости от конструкции запоминающего устройства) от двух до четырёх проводов для считывания и записи информации. Память на магнитных сердечниках была основным типом компьютерной памяти с середины 1950-х и до середины 1970-х годов.
Память на линиях задержки — разновидность компьютерной памяти, использовавшейся в ранних цифровых компьютерах, например EDSAC, ACE и БЭСМ, в радиолокационной технике и декодерах сигналов цветности аналоговых цветных телевизоров систем PAL и SECAM.
Память на линиях задержки была гораздо менее дорогостоящей и гораздо более надёжной, чем триггеры из вакуумных ламп, и более быстрой, чем реле с самоудержанием (реле-защёлки). Она использовалась до конца 1960-х годов, особенно в британских коммерческих компьютерах LEO I, различных компьютерах компании Ferranti и в настольном программируемом калькуляторе Olivetti Programma 101, выпущенном в 1965 году. Компактные безртутные проволочные магнитострикционные линии задержки устанавливали в электронные клавишные вычислительные машины (ЭКВМ) серии «Искра», а также «Электроника-155».
Дольше всего (до начала 2000-х годов) память на линиях задержки просуществовала в аналоговых цветных телевизорах, где использовалась для запоминания цветоразностных сигналов на период времени, равной длине одной строки телевизионного растра.
Магнитные барабаны и ленты
К середине XX века скорость вычислений первых ЭВМ начала ограничиваться медлительностью механического считывания карточек. Решением стали магнитные барабаны — металлические цилиндры, покрытые ферромагнитным материалом. Они обеспечивали доступ к данным в течение нескольких миллисекунд, что было огромным прорывом, однако их емкость измерялась лишь килобайтами.
Параллельно развивалась технология магнитной ленты (впервые успешно применена в IBM System 701 в 1952 году). Лента позволила хранить огромные архивы данных, но обладала фатальным недостатком — чисто последовательным доступом. Чтобы прочитать файл в конце ленты, нужно было перемотать всю катушку.
Хранение аудио-визуальной информации
Аудиокассета
В домашних персональных компьютерах 1970-х и начала 1980-х годов (вплоть до середины 1990-х) в качестве основного внешнего запоминающего устройства во многих случаях использовался обычный бытовой магнитофон или, изредка, специальные устройства на его основе с автоматическим управлением (например, Commodore Datasette). Эта технология была недостаточно приспособлена для компьютерных нужд, зато была весьма дешева и доступна для домашнего пользователя (так как сам аудиомагнитофон у многих из них уже имелся). Для промышленных ПК использовались ленточные накопители, такие как TEAC MT-2ST c кассетами CT-500H, CT-600H 50 и 60 Мб соответственно.
Видеокассета
В начале 1990-х годов ПО КСИ (Зеленоград, Россия) была разработана серия контроллеров АрВид ("Архиватор на видео"), предназначенных для IBM PC-совместимых компьютеров, и позволявших использовать в качестве цифрового накопителя бытовой видеомагнитофон формата VHS. На 180-минутную кассету могло помещаться до 3,25 Гб данных.
Эпоха магнитной доминанты и её влияние на софт (1950–1990)
Появление и триумф HDD
В 1956 году компания IBM представила RAMAC 305 — первый компьютер с жестким диском (HDD). Конструкция, состоящая из 50 пластин диаметром 24 дюйма каждая, вмещала всего 5 МБ данных. Тем не менее, это устройство изменило парадигму: оно обеспечило произвольный доступ (random access).
На протяжении следующих 40 лет HDD стали основным инструментом хранения. Эволюция шла по пути увеличения плотности записи за счет использования гигантского магнитного сопротивления (GMR). Жесткие диски победили за счет баланса трех факторов: долговечности, объема и низкой стоимости.
Развитие технологий родственных к HDD
Первая дискета (магнитный диск на гибкой пленке, помещенный в конверт) диаметром в 203,2 мм (8″) с соответствующим дисководом была представлена фирмой IBM в 1968 году. Одной из главных проблем, связанных с использованием дискет, была их недолговечность, а также малая скорость считывания и записи, малая емкость, и высокий процент выхода из строя самих дискет.
Магнитооптический компакт-диск (1988 г) (CD-MO - Compact Disc-Magneto-Optical) позволял многократно записывать и стирать информацию. Первые магнитооптические диски были размером 5,25", потом - 3,5".
Достоинства CD- MO заключаются в слабой подверженности механическим повреждениям и магнитным полям и гарантированном качестве записи. К недостаткам относят низкую скорость записи и высокое энергопотребление.
Оптический накопитель (Optical storage) - запоминающее устройство на основе использования полупроводникового лазера. Оптические накопители подразделяются на накопители с нестираемой, одноразовой и стираемой записью; выпускаются в виде компакт дисков (CD дисков) и DVD дисков. При малых физических размерах CD-ROM обладают высокой информационной емкостью, считывание информации с CD происходит с высокой скоростью, CD просты и удобны в работе, практически не изнашиваются, стоимость хранения данных (в расчете на 1 Мбайт) низкая. Основной недостаток CD – неустойчивость к повреждениям и ультрафиолетовой составляющей дневного света. Основополагающим достоинством DVD- дисков является их емкость: они могут хранить более чем в 26 раз больше данных по сравнению с обычным CD-ROM, при этом имея физические размеры и внешний вид, как у обычного компакт-диска. К механическим повреждениям диски CD и DVD одинаково чувствительны. Однако из-за гораздо более высокой плотности записи потери на DVD-диске будут более значительными. Помимо перечисленных, в вычислительной технике широко применялись и другие носители информации.
Применение носителей информации на развлекательных устройствах
Появление сферы разработки видеоигр также внесло вклад в то, как мы используем носители информации. А именно создание картриджей и усовершенствованием устройств для их обработки.
Игровой картридж — электронное устройство на основе микросхем ПЗУ, предназначенное для хранения сменной игровой программы в игровых консолях, игровых автоматах и ряде бытовых компьютеров. Название произошло от английского слова cartridge (патрон), в русском языке также применимо название «кассета». В английском языке используются вдобавок сокращение «cart» и название «game pack» (а также «Game Pak», торговая марка, использовавшаяся фирмой Nintendo).
Картриджи стали применяться в игровых системах в конце 70-х годов. Наиболее ранней системой со сменными играми, использующей идею картриджей, принято считать игровую систему Magnavox Odyssey (1972 год). Однако её «игровые карты» не содержали активной электроники, они только коммутировали части внутренней схемы консоли, что не позволяло хранить на них произвольную игровую программу — набор возможных игр определялся только электроникой самой консоли.
Первой игровой консолью с настоящими картриджами, содержащими игровую программу, является Fairchild Channel F (1976). Затем все игровые приставки до середины 90-x использовали картриджи. Потом большинство (позже все) домашних игровых консолей стали использовать в качестве сменного носителя данных CD-ROM (который в подобных целях начал применяться с конца 80-х годов)]. Однако из-за их малых габаритов и веса, а также отсутствия подвижных частей, картриджи до сих пор продолжают применяться в карманных игровых консолях, например, в Nintendo DS, Nintendo 3DS, PlayStation Vita и Nintendo Switch.
В бытовых (домашних) компьютерах картриджи применялись на протяжении 80-х годов, до того, как получили широкое распространение приводы гибких дисков (дисководы), а затем и оптических дисков. Помимо игр на них выпускалось часто используемое ПО, такое как интерпретаторы различных языков программирования.
Аппаратный детерминизм в архитектуре СУБД
Ключевой теоретический вывод нашего исследования заключается в том, что современное программное обеспечение для работы с данными (СУБД) является «заложником» архитектуры HDD. Поскольку головка жесткого диска должна физически перемещаться над вращающейся пластиной, возникают задержки (seek time и rotational latency).
Чтобы минимизировать эти задержки, разработчики СУБД создали:
- B-деревья: структуры данных, оптимизированные для чтения большими блоками.
- Buffer Pool: механизмы кэширования в оперативной памяти, предотвращающие лишние обращения к «медленному» диску.
- Алгоритмы сортировки и слияния, рассчитанные на минимизацию перемещения головок.
- Даже современные SQL-серверы несут в своем коде наследие «механического» прошлого жестких дисков.
Региональное развитие инфраструктуры (на примере Дальнего Востока)
Развитие технологий хранения невозможно в отрыве от технологий передачи. В 1990-х годах на Дальнем Востоке России началось формирование базовой коммуникационной инфраструктуры. Географическая удаленность региона диктовала необходимость создания мощных локальных узлов хранения контента (зеркал, кэш-серверов).
К началу 2000-х годов конкуренция между провайдерами привела к снижению стоимости доступа и взрывному росту локального контента. Виртуальные информационные центры стали инструментом региональной политики, обеспечивая интеграцию региона в глобальное информационное пространство. Этот опыт показал, что доступность данных (доступ к «хранилищу») является таким же важным фактором развития, как и наличие самих данных.
Революция твердотельных накопителей и SCM (1988–2025)
От Flash к SSD
Изобретение флеш-памяти типа NAND в 1980-х годах и её последующая коммерциализация в виде SSD (Solid State Drives) в 2010-х нанесли сокрушительный удар по магнитной доминанте. Отсутствие движущихся частей позволило увеличить скорость случайного чтения в сотни раз.
Однако возникла новая проблема: индустрия СУБД продолжала использовать алгоритмы, написанные для HDD. Накопители SSD зачастую работают в «режиме эмуляции» старых дисков, что не позволяет полностью раскрыть их потенциал.
“Сжатие” памяти
Стремление сжать физический размер накопителя, не теряя объём хранимой информации привёл к созданию карт памяти .В числе первых коммерческих форматов карт памяти были платы PC Card. Они появились в начале 1990-х годов, но в настоящее время используются в основном в промышленных целях и для подключения устройств ввода-вывода, таких как сетевые карты, модемы и жёсткие диски. В 1990-х годах появились карты памяти меньших форматов, чем PC Card. Потребность в меньших картах для мобильных телефонов, КПК и компактных цифровых фотоаппаратов создала тенденцию, по которой всякий раз предыдущее поколение «компактных» карт выглядело крупным. Однако, к 2005 г. карты SD/MMC почти полностью заняли место карт SmartMedia, хотя и не на том же уровне и в условиях жёсткой конкуренции с картами Memory Stick и CompactFlash. В промышленности, несмотря на почтенный возраст карт памяти PC card (PCMCIA), им до сих пор удаётся сохранять нишу, тогда как в мобильных телефонах и КПК они кое-где применялись до 2010 года, когда в новых телефонах высокого класса стали доминировать карты микро-SD.
В конце 2013 года компания «Transcend» анонсировала выпуск карт памяти SDHC нового поколения — со встроенным Wi-Fi-модулем. С помощью специального приложения, «Wi-Fi SD», разработанного компанией для мобильных устройств (смартфоны, планшетные компьютеры) с операционными системами iOS и Android стало возможным осуществлять беспроводную передачу данных на мобильные устройства с фотоаппаратов, диктофонов, видеорегистраторов и т. д.
Storage Class Memory (SCM) и In-Memory вычисления
Сегодня мы входим в эру SCM — памяти, которая по скорости близка к оперативной (DRAM), но при этом энергонезависима. Это позволяет создавать In-Memory СУБД, где вся база данных постоянно находится в адресном пространстве процессора.
Переход к SCM требует фундаментального пересмотра идей дисковых СУБД: отказ от сложного управления буферным пулом и переход к новым методам обеспечения транзакционности (ACID) без накладных расходов на дисковый ввод-вывод.
Проблема «Цифрового темного века» и культурное наследие
Одной из самых острых тем является долговечность носителей. Существует обоснованное опасение, что наше время оставит меньше свидетельств, чем эпоха глиняных табличек.
Сравнительный анализ сроков жизни носителей:
- Глиняные таблички / Камень: > 5000 лет.
- Пергамент / Бумага: 500–1000 лет.
- Магнитная лента: 30–50 лет (размагничивание, осыпание слоя).
- HDD: 10–20 лет (высыхание смазки подшипников, деградация магнитных доменов).
- SSD / Flash: 5–10 лет без питания (утечка заряда в ячейках).
- CD / DVD: 30–100 лет (окисление отражающего слоя).
В этом контексте деятельность таких институтов, как Яндекс Музей, приобретает научную значимость. Сохранение рабочих образцов техники («ретро-компьютинг») позволяет не только изучать историю кода, но и поддерживать методы считывания с носителей, форматы которых давно вышли из употребления. Это предотвращает наступление «цифрового забвения».
Заключение: Три вектора будущего
На основе проведенного анализа можно выделить ключевые закономерности эволюции:
Миниатюризация и плотность:
Мы прошли путь от 24-дюймовых дисков к нанометровым ячейкам памяти. Предел этого пути лежит в области молекулярных и ДНК-хранилищ. На примере Project Silica исследовательского центра Microsoft использует стеклянные пластины размером с подставку под стакан могут хранить данные тысячи лет, создавая устойчивое хранилище для всего мира.
Демократизация и облака:
Технологии хранения прошли путь от исключительной прерогативы государств (перепись населения) до персональных облачных хранилищ объемом в терабайты, доступных каждому.
Конвергенция памяти и вычислений:
Грань между «памятью для выполнения» (RAM) и «памятью для хранения» (Disk) стирается благодаря технологиям SCM.
Будущее систем хранения лежит в плоскости создания интеллектуальных автономных систем управления знаниями (АСУЗ), которые будут самостоятельно мигрировать данные между носителями разных типов, обеспечивая их вечную сохранность и мгновенную доступность.
Развитие теоретических основ и методов функционально-структурной
организации систем и сетей внешнего хранения и обработки данных :
автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.13.15, 05.13.13 /
Зинкин Сергей Александрович; [Место защиты: Пенз. гос. ун-т]. - Пенза,
2009. - 45 с. - https://search.rsl.ru/ru/record/01003493454
История становления и развития сети Интернет на российском Дальнем Востоке: 90-е гг. XX - начало XXI в. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 07.00.02, кандидат исторических наук Герасименко, Александр Павлович - https://www.dissercat.com/content/istoriya-stanovleniya-i-razvitiya-seti-internet-na-rossiiskom-dalnem-vostoke
От перфоленты к флэш-носителям: хранение и защита информации - https://cyberleninka.ru/article/n/ot-perfolenty-k-flesh-nositelyam-hranenie-i-zaschita-informatsii
Прямое наложение знаний и "практически вечное" сохранение знаний и информации - https://cyberleninka.ru/article/n/pryamoe-nalozhenie-znaniy-i-prakticheski-vechnoe-sohranenie-znaniy-i-informatsii
Вспомнить всё: современные технологии хранения цифровой информации - https://share.google/FIx6bOdPeabE4Dmxc
Запись информации на ДНК - https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1226355?__cf_chl_tk=99ptodepa4fwx7gym2c_hzrrayxcitvuly2th3itwre-1762944021-1.0.1.1-c_wfrfw2bqr2vifxafepio.fs.5vofzjuxdkv.gpkcg
silica разработка microsoft на кварцевом стекле - https://unlocked.microsoft.com/sealed-in-glass/
Керамическое нанохранилище - https://blocksandfiles.com/2023/09/04/cerabytes-last-for-ever-ceramic-nano-memory-storage-and-yottabyte-era-roadmap/
5д хранилище - https://www.southampton.ac.uk/news/2016/02/5d-data-storage-update.page