Historia wynalazków Jak nauczyliśmy maszyny liczyć i myśleć za nas? Część 8: Taśmy magnetyczne i dyski

W poprzednim odcinku tego cyklu pisałem o rozwoju pamięci będących integralną częścią komputera. Obecnie są to niemal wyłącznie pamięci półprzewodnikowe. Ich cechą jest duża szybkość zapisu i odczytu informacji, niezbędna do tego, żeby komputer jako całość mógł osiągać dużą szybkość przetwarzania informacji. Ale mimo rosnącej pojemności tych pamięci zasoby danych, którymi muszą operować współczesne systemy informatyczne, rosną znaczenie szybciej. Konieczne było więc stworzenie i doskonalenie tzw. pamięci masowych – pojemnych i tanich magazynów dla tych danych, a także dla coraz liczniejszych programów, z których chcemy stale korzystać, dobrze jest więc przechowywać je „pod ręką". O powstaniu i rozwoju pamięci masowych chcę opowiedzieć w tym felietonie.

Zapis i odczyt informacji na taśmach magnetycznych

Obecnie na co dzień nie mamy już styczności z urządzeniami wykorzystującymi taśmy magnetyczne, bo postęp techniki cyfrowej sprawił, że dzisiaj muzykę i filmy przechowujemy w formie zapisów cyfrowych na nośnikach półprzewodnikowych. Ale jeszcze całkiem niedawno do rejestracji i odtwarzania dźwięków używało się magnetofonów (szpulowych albo kasetowych), a do rejestracji i odtwarzania filmów wykorzystywane były magnetowidy. Dzisiaj są to już urządzenia raczej muzealne, niespotykane w domach i nieużywane na co dzień, co powoduje, że trudniej mi będzie wytłumaczyć, jak działały (i działają nadal!) pamięci masowe na taśmach magnetycznych.

Dawniej wystarczyło powiedzieć studentom, że taka jednostka pamięci masowej działa jak duży i szybki magnetofon albo magnetowid. Ale dzisiejszy student, słysząc o magnetofonie, robi „kwadratowe oczy", bo dla pokolenia ery cyfrowej jest to urządzenie równie archaiczne jak lampa naftowa. Muszę więc zacząć od początku.

Taśma magnetyczna to był plastikowy nośnik w formie elastycznej taśmy z naniesioną na całej długości warstwą ferromagnetyczną. Warstwa ta mogła zostać namagnesowana silniej albo słabiej podczas przesuwania taśmy przed głowicą nagrywającą, w której pole magnetyczne wywoływał przepływający prąd.

To namagnesowanie taśmy było trwałe, potem więc przesuwając tę taśmę przed głowicą odczytującą, można było wywołać w uzwojeniach tej głowicy zmienny prąd indukcyjny odtwarzający taki sam prąd, jaki był w głowicy nagrywającej. Jeśli prąd ten odpowiadał dźwiękom – odtwarzana była muzyka. Jeśli obrazom – odtwarzane było nagranie wideo. Jeśli prąd nagrywający niósł zera i jedynki – odtwarzana była zapamiętana informacja cyfrowa. Oczywiście przytoczony opis jest bardzo uproszczony, ale ten felieton nie ma objaśniać budowy i działania urządzeń elektronicznych, tylko ma przywołać historię ich powstania i rozwoju, dlatego na tym skrótowym opisie poprzestanę.

Pamięci taśmowe

Zasadę magnetycznego zapisu informacji (dźwięku) wynalazł Duńczyk Valdemar Poulsen, który w 1898 r. uzyskał patent na urządzenie nazwane telegrafon. Był to rejestrator, który zapisywał sygnały na szpuli stalowego drutu i miał pełnić rolę automatycznej sekretarki dla stacji telegraficznych, a potem także telefonicznych (Poulsen pracował w Kopenhaskiej Kompanii Telefonicznej). Zapis na stalowym drucie był niewygodny, dlatego istotny postęp w tej technice nastąpił, gdy w 1928 r. Niemiec Fritz Pfleumer wynalazł taśmę magnetyczną. Początkowo materiał ferromagnetyczny (tlenek żelaza) był napylany na taśmy papierowe, ale potem wprowadzono (używaną do dziś) taśmę nylonową.

Pierwsze użytkowe taśmy magnetyczne pojawiły się w 1934 r. i znalazły zastosowanie w magnetofonach niemieckiej firmy AEG. Były to jednak oczywiście taśmy przeznaczone do zapisu dźwięku, czyli sygnału analogowego, a produkowała je znana do dziś firma BASF. Natomiast technikę magnetycznego zapisu sygnału cyfrowego opracowała w 1945 r. firma IBM. Wynalazek ten wykorzystała firma Univac, która w 1951 roku wypuściła pierwszą pamięć cyfrową na taśmie magnetycznej. Urządzenie to nazwane Univac Universo wykorzystywało taśmę metalową o długości 37 km i stało się prototypem stacji pamięci na taśmach magnetycznych.

Do archiwizacji informacji komputerowych służyły najpierw taśmy na ogromnych szpulach, a potem kasety magnetyczne kilku różnych standardów. Pamięci na taśmach magnetycznych miały tę wadę, że trzeba je było (w miarę potrzeb) ręcznie zakładać i zdejmować z przewijaków, które miały formę dużych szaf. Sam to robiłem przy komputerze Odra 1304 pracującym w AGH, wiem zatem doskonale, ile było przy tym zachodu. Dlatego cieszyliśmy się bardzo, gdy problem ten częściowo rozwiązano, wprowadzając urządzenia korzystające z taśm magnetycznych w kasetach, które odpowiedni mechanizm (nazywaliśmy go dumnie robotem!) mógł automatycznie wkładać do przewijaka, zdejmować, umieszczać w magazynie i odnajdywać w razie potrzeby.

Istniało wiele konkretnych rozwiązań. Do bardziej znanych należały IBM 3284 (taśma 1/2 cala) oraz QIC (Quarter Inch Cartridges – taśma o szerokości 1/4 cala). Wprowadzona w 1971 r. przez firmę 3M ćwierćcalowa kaseta z taśmą wraz z pochodzącym z 1956 r. patentem firmy Ampex na wirujące głowice dawała możliwość wygodnego operowania taśmą o rozmiarach pocztówki i pojemności kilku gigabajtów. Firma IBM w 1980 r. wprowadziła system EXB-10e, zawierający napęd zapisujący i odczytujący taśmy i automatyczny zmieniacz kaset, mieszczący do dziesięciu kaset z taśmą 8 mm w specjalnym pojemniku.

W dużych magazynach informacji taśmy wciąż są stosowane głównie do archiwizacji danych, bo taśma magnetyczna jest bardzo tania, a rolka takiej taśmy (lub zawierająca ją kaseta) zajmuje bardzo mało miejsca. Pod koniec 2018 r. firma IBM pokazała nowy taśmowy streamer o nazwie TS1160. Jego odmiana oznaczona jako Gen 9 (dziewiąta generacja) może zmagazynować 40 terabajtów informacji. Żeby uświadomić sobie, jak wielka jest to pojemność, popatrzmy na typową książkę. Ma ona zwykle 400 tys. znaków, czyli 400 kilobajtów. Jak z tego wynika, streamer TS1160 mógłby zgromadzić 100 milionów książek!

Dyski zapewniają dostęp do danych w dowolnej kolejności

Zasadniczą wadą taśm jako pamięci masowych jest to, że dane muszą być odczytywane w takiej samej kolejności, w jakiej były zapisane. Oznaczało to niekiedy duże straty czasu, gdy chcąc dostać się do jakiejś aktualnie potrzebnej informacji, trzeba było czytać wszystkie dane, które były zapisane wcześniej, zanim się znalazło tę właściwą. Dlatego wielkim postępem w budowie pamięci masowych było wprowadzenie dysków magnetycznych. Pracują one dziś na wszystkich większych komputerach.

Na dysku informacje są zapisywane na górnej i dolnej powierzchni okrągłej, stale wirującej metalowej płyty (pokrytej materiałem ferromagnetycznym). Głowice zapisują informacje na koncentrycznych ścieżkach, a dodatkowy podział powierzchni dysku na sektory umożliwia szybkie zlokalizowanie każdej potrzebnej informacji. Gdy się wie, gdzie jest potrzebna informacja (a o tę wiedzę dba oprogramowanie sterujące zapisem i odczytem informacji), to można do niej dotrzeć w czasie średnio nie dłuższym, niż połowa czasu jednego obrotu dysku. Kolejność zapisu i odczytu nie ma żadnego znaczenia. W latach 50. to była rewelacja!

Oczywiście nie ma róży bez kolców. Dyski były znacznie kosztowniejsze niż taśmy magnetyczne i – przy tej samej pojemności – zajmowały o wiele więcej miejsca. Dlatego ich pojemność dodatkowo zwiększano, umieszczając na jednej osi wiele dysków. Głowice zapisujące i odczytujące informację wsuwały się w szczeliny między dyskami i tam zapisywały i odczytywały informację.

Twórcy komputerów niemal od początku istnienia tych maszyn zdawali sobie sprawę z zalet pamięci dyskowych, nic więc dziwnego, że już 4 września 1956 r. firma IBM pokazała pierwszy model takiej pamięci o nazwie IBM 350. Miał on pojemność 5 MB, ważył tonę i składał się z 50 wirujących razem dysków, które kręciły się z szybkością 1200 obrotów na minutę. Wyprodukowano ponad tysiąc takich systemów i dołączono je do komputerów IBM 305 RAMAC.

coraz lepsze

Firma IBM doskonaliła swój wynalazek i w 1961 r. zaprezentowała kolejny model pamięci na dyskach magnetycznych, oznaczony jako IBM 1301. Dzięki doskonalszej technologii mógł mieścić znacznie więcej danych (28 MB) i był o połowę mniejszy (zawierał zestaw tylko 25 dysków). Pamięci masowej IBM 1301 używali także inni producenci komputerów, podobnie jak jej udoskonalonej wersji IBM 2310, zaprezentowanej w 1965 r. Do tej ostatniej pamięci wprowadzono cenną innowację – dyski montowano w postaci wymiennych pakietów po 1 MB każdy. Zapisany pakiet dysków można było wyjąć z komputera, w którym zapisano odpowiednie dane (lub programy) – i zawieźć do innego komputera, który te dane mógł odczytać i wykorzystać. Przypominam: działo się to w roku 1965, o sieciach komputerowych jeszcze nikt nie myślał – a wymienne pakiety zapewniały przekazywanie informacji z komputera do komputera, chociaż – biorąc pod uwagę rozmiary i wagę wymiennego dyskowego pakietu – trudno to uznać za szczególnie wygodne.

Pamięć z pakietami dyskowymi o pojemności 1 MB każdy miała jeszcze jedną zaletę: zależnie od potrzeb użytkownik mógł do swojego komputera dołączyć więcej lub mniej takich pakietów, pamięć ta cechowała się więc skalowalnością. Co więcej, istniała możliwość dokładania do komputera – wraz z rosnącymi potrzebami – następnych pakietów, natomiast nie występowała konieczność jednorazowego zakupu pamięci o nadmiarowej pojemności z argumentacją, że „kiedyś to się przyda".