Magnetyczne nośniki danych

4 czerwca 2021 | Tomasz Drewniak

Nośniki magnetyczne są najstarszym sposobem przechowywania danych cyfrowych, który zachował się do dziś. (Wcześniej dane przechowywano przy pomocy kart dziurkowanych.)

Przechowywanie danych na nośnikach magnetycznych, polega na nagrywaniu i odczytywaniu danych, zapisanych na nośnikach magnetycznych. Nośniki magnetyczne mogą być różne, wszystkie jednak posiadają identyczny mechanizm odczytywania i zapisywania danych przy pomocy domen magnetycznych (nie mylić z domeną magnetyczną w fizyce, nawet najmniejsze domeny na nośnikach magnetycznych składają się z kilkudziesięciu domen fizycznych).

W przypadku zapisu cyfrowego, każda domena może przyjąć dwa stany namagnesowania, jeden ze stanów z nich odpowiada za 1 logiczną, a jeden za 0 logiczne. Zapis może odbywać się w dwóch kierunkach, prostopadle od płaszczyzny dysku, lub zgodni z kierunkiem jego ruchu. O ile zapis prostopadły pozwala uzyskać większą pojemność medium, przy tej samej powierzchni, to technologia ta jest bardziej skomplikowana, niż zapis równoległy. Jedynym medium gdzie zastosowano zapis pionowy, są dyski HDD, a technologia ta po raz pierwszy została zaprezentowana w 2005 r.
W przypadku zapisu analogowego, domeny magnetyczne są większe niż te w zapisie cyfrowym, mogą on jednak przyjmować stany różne od 0 i 1. Dzięki temu można, na analogowej taśmie, nagrać dźwięk lub film.

Taśmy magnetyczne

Taśmy magnetyczne – to najstarszy rodzaj przechowywania danych przy pomocy pola magnetycznego. Pierwsza protoplasta taśmy magnetycznej powstał w 1928 r. w Niemczech. Był to stalowy drut, który po odpowiednim namagnesowaniu mógł przechowywać znikomą ilość danych. Był to milowy krok w zakresie przechowywania danych, w formie innej niż tekst. Niestety z powodu znikomej pojemności i trudnego odczytu danych, bardzo szybko (bo tuż po wojnie) zrezygnowano z tego rodzaju zapisu danych. Pierwsze taśmy z prawdziwego zdarzenia powstały jeszcze przed wojną. Popularność zdobyły one jednak dopiero w latach 50. XX w.

Na taśmach magnetycznych dane są przechowywane na jednej ze stron, podczas gdy druga jest odpowiedzialna za wytrzymałość taśmy. Warstwa która przechowuje dane, zrobiona jest z różnych rodzajów tlenków metali (np. Fe₂O₃, CrO₂). Podstawa taśmy jest natomiast zrobiona z octanu celulozy lub celuloidu. Obie te warstwy są ze sobą połączone przy pomocy poliuretanów. Odczyt i nagrywanie taśmy, dawniej odbywał się przy pomocy elektromagnesu, który znajdował się w głowicy czytnika taśm. Z czasem elektromagnes zastąpiono innymi urządzeniami do generowania pola magnetycznego, jednak sama funkcja jak i działanie głowicy nie zmieniło się na przestrzeni lat. Głowica czytnika taśm, aby działać musi znajdować się bardzo blisko taśmy lub być z nią w kontakcie. Ponieważ jednak taśma magnetyczna jest bardzo delikatna, do jej napięcia i przekierowania na głowicę czytnika często stosuje się układy rolek i specjalne napędy.

Taśmy magnetyczne mogą być opakowane w specjalną osłonę, która umożliwia odczyt taśmy, lub mogą znajdować się bez osłony. Taśmy bez osłon najczęściej przechowywane są na rolkach. W trakcie odtwarzania taśm nieopakowanych, przewija się je z jednej rolki na drugą.

Taśmy magnetyczne na potrzeby przemysłu lub serwerowni są wykorzystywane w celu przechowywania różnych rodzajów danych. Zwykli konsumenci najczęściej jednak korzystali z taśm w celu przechowywania filmów i dźwięków. Używali do tego celu kaset audio i kaset VHS. Kasety audio były stosunkowo proste, tak samo jak ich odtwarzacze. Praktycznie nic poza samą taśmą i rolkami, nie ruszało się w trakcie odtwarzania.

Pojemności pierwszych taśm magnetycznych były początkowo znikome lecz z czasem wciąż się rozwijały i w 2014 r. Sony i IBM ogłosiły, że udało im się stworzyć taśmę o pojemności 185 TB. Na rynku są dostępne taśmy służące do archiwizacji danych i mają one pojemności 12 TB danych.

Przechowywanie taśm magnetycznych

Taśmy magnetyczne są ważnym nośnikiem danych, z tego powodu dosyć dobrze wiemy jak je przechowywać, aby się nie zniszczyły. Taśmy magnetyczne, przechowywane w dobrych warunkach, praktycznie nigdy nie tracą danych. Dobre warunki dla taśm, ciężko jest niestety spełnić. Ważne jest również aby taśmy były dobrej jakości, niestety niektóre taśmy podlegają zniszczeniu niezależnie od warunków.  Jest to wynik stosowania nieodpowiednich materiałów produkcyjnych.

Jeśli posiadamy dużo taśm VHS lub audio, które chcemy zachować, najlepiej przechowywać je w temperaturze 8-10°C i we względnej wilgotności 20-30%. Jeśli jednak nie posiadamy takich warunków, chłodne i suche miejsce w domu, też powinno zagwarantować wieloletnie utrzymanie danych i brak zniszczeń taśmy magnetycznej. Jeśli zdecydujemy się odtworzyć taśmę VHS lub kasetę audio, warto spojrzeć na taśmę magnetyczną pod przykrywką, jeśli widzimy jakieś odbarwienia lub uszkodzenia, taśmę warto oddać do serwisu.

Dyskietki

Dyskietki lub dyski miękkie, to nośnik danych, który doskonale był znany kilkanaście-kilkadziesiąt lat temu. Dziś jednak nie jest już używany. Zasada zapisu danych na dyskietkach jest identyczna, jak w przypadku taśm magnetycznych. Dyskietki różnią się jednak tym, że wykonuje ona ruch obrotowy, a nie jak taśma magnetyczna, ruch liniowy. Pierwsze dyskietki pojawiły się w późnych latach 60. XX w. Dyskietki w sprzedaży pojawiły się jednak dopiero w 1971 r.

Dyskietki występują w trzech rozmiarach 8 cali (203,2 mm), 5 ¼ cala (133,35 mm), oraz w najbardziej znanym rozmiarze 3 ½ cala (88,9 mm). Niestety czytniki tych dyskietek nie są kompatybilne tj. czytnik do ośmiocalowych dyskietek nie może odczytać tych o rozmiarze 3 ½ cala. Wynika to z wielu różnic pomiędzy tymi dyskietkami. Dyski 8 calowe i 5¼ calowe, są bardzo podobne lecz nie identyczne. Jedyną wspólną cechą wszystkich rozmiarów jest budowa tarczy magnetycznej na której znajdują się dane. Bazą dysku wewnątrz dyskietki jest Mylar®, na który następnie nakłada się bardzo cienką warstwę tlenku żelaza, która ma grubość od 2,8 μm (dla dysków 8 calowych), do 1,2 μm (dla dysków 3½ calowych).

Dyskietki 8 i 5¼ calowe:

Powstały jako pierwsze i zostały stworzone przez firmę IBM. Te dyskietki posiadają obudowę  z tworzywa sztucznego, która posiada trzy dziury. Jedna z nich jest podłużna i pozwala głowicy odczytać dane z powierzchni dysku, druga dziura ma kształt koła i służy do obracania dysku. Trzecia dziura jest z kolei używana do określenia początku zapisu danych na dysku dyskietki. Wewnątrz obudowy znajduje się specjalny materiał, który jest bardzo delikatny, służy on do redukcji tarcia dysku i do jego czyszczenia z kurzu oraz innych zanieczyszczeń. Z zewnętrznej strony, na krawędzi obudowy dyskietki, znajdują się trzy lub dwa nacięcia. Te dwa które znajdują się tam zawsze, służą do zredukowania naprężeń i utrzymania kształtu w trakcie pracy dyskietki. Trzecie nacięcie, jeśli znajduje się na obudowie dyskietki, służy do zabezpieczenia przed przypadkowym nadpisaniem danych.

Początkowe pojemności dyskietek 8 calowych wynosiły 82 kB, z czasem udało się jednak tym dyskietkom osiągnąć pojemności 1.2 MB. Dyskietki 5¼ zastąpiły po pewnym czasie dyskietki 8 calowe, ich pojemności zaczynały się od 87.5 kB, a kończyły również na pojemności 1,2 MB.

Dyskietki 3½ calowe:

To typ dyskietki, który był najpóźniejszym wcieleniem tego typu pamięci. Był on jednak najpopularniejszym typem, i to właśnie dzięki niemu, ikonki zapisu wyglądają właśnie jak dyskietka. Pierwsze dyskietki tego rodzaju pojawiły się w 1983 r.

Budowa dysku na którym przechowywane są dane, nie uległa zmianie względem dyskietek 8 i 5¼ cala. Tak samo jak zmianie nie uległo wnętrze opakowania, posiadające wewnątrz specjalny materiał. Dyskietki te posiadają jednak wiele znacznych zmian widocznych z zewnątrz. Zmienił się mechanizm napędu, dysku. Teraz nie „chwytał” on bezpośrednio folii na której były zapisane dane, lecz „chwytał” specjalnie wyprofilowaną, tarczę ze stali nierdzewnej, która obracała folię magnetyczną. Mechanizm ten zwiększał trwałość dyskietek. Mechanizm ten wraz z inną obudową pozwalał na prostsze i bezpieczniejsze przechowywanie dyskietek.

Obudowa dyskietek o rozmiarach 3½ cala, była znacznie przeprojektowana względem tego co można było znaleźć w dyskietkach 8 i 5¼ calowych. Obudowa dyskietek 3½ calowych posiada otwór do napędu tylko z jednej strony natomiast otwór służący do odczytu danych znajduje się pod charakterystyczną, przesuwną osłoną, która najczęściej wykonana jest z metalu lub tworzywa sztucznego. Po stronie przeciwnej do przesuwnej osłony, mogą również znajdować się dwa otwory, pomiędzy którymi odległość wynosi dokładnie 80 mm. Otwór znajdujący się po prawej stronie dyskietki (patrząc od strony bez otworu na napęd dyskietki), informuje, że jest to dyskietka high density (wysoka gęstość) i posiada 1.44 MB pojemności. Z kolei otwór znajdujący się po lewej stronie, to zabezpieczenie przed przypadkowym usunięciem lub nadpisaniem danych. 

Dyskietki te początkowo miały tylko 400 kB pojemności, z czasem jednak powiększyły się one do 240 MB. Najpopularniejszą pojemnością było jednak 1.44 MB i to właśnie ta pojemność odniosła największą sprzedaż. Kolejne wersje dyskietek, choć istniały, nie odniosły rynkowego sukcesu. Było to związane z rozwojem dysków optycznych o znacznie większej pojemności (więcej na ten temat tutaj).

Jak przechowywać dyskietki.

W przypadku dyskietek, tak samo jak w przypadku innych magnetycznych nośników danych, bardzo ważne jest aby unikać pola magnetycznego. Może to spowodować natychmiastowe usunięcie wszystkich danych. Jeśli usuniemy już wszystkie magnesy z pomieszczenia gdzie chcemy przechowywać dyskietki, musimy zadbać o odpowiednią wilgotność i temperaturę, warunki panujące w zwykłych biurach lub domach pozwolą na przechowanie danych od 5 do 15 lat w zależności od jakości dyskietki. Można jednak ten czas wydłużyć kilkukrotnie obniżając temperaturę do 10-15 °C.

Dyskietki 5¼ i 8 calowe, wymagają specjalnych osłon, do dłuższego przechowywania. Osłony te mogą być papierowe lub plastikowe.

 Do przechowywania dyskietek 3½ calowych, nie są potrzebne specjalne opakowania, gdyż dysk przechowujący pamięć jest całkowicie zabezpieczony wewnątrz obudowy. Dla poprawienia ochrony przed kurzem, warto wszystkie zebrane dyskietki włożyć do dodatkowego wspólnego opakowania, np. kartonu.

Dyski HDD

Dyski HDD (ang. Hard Disk Drive) to dyski twarde. Posiadają one, w przeciwieństwie do dyskietek, twarde podłoże na którym zapisywane są dane. Zazwyczaj za podłoże dysku służy aluminium, szkło lub ceramika. Dzięki sztywnemu materiałowi z którego wykonane są dyski, dane na tych dyskach mogą zostać zapisane ze znacznie większą gęstością. Również prędkość zapisu i odczytu jest znacznie większa, wiąże się to z wyższą prędkością obrotową talerza, która jest możliwa dzięki sztywnemu talerzowi.

Dyski twarde pierwotnie były bardzo dużymi obiektami o objętości mierzonej w m³ , jednak zgodnie z prawem Moore’a bardzo szybko ich pojemność danych i wymiary zmieniały się. Dyski te posiadały pojemność od 3.75 MB ( w 1957 r. ) do 18 TB (w 2019 r.). Ich wymiary fizyczne zaś zmieniały się drastycznie na mniejsze. Od 1.9 m³  i masy 910 kg ( w 1957 r. ) do objętości 34 cm³ i masy 62 g (w 2019 r.). Cena również uległa obniżeniu w stosunku 383,000,000 do 1, średni czas pracy bez awarii zwiększył się zaś 1250-krotnie. Niestety ten postęp natrafia powoli na granicę związaną z tak dużym obniżeniem wielkości poszczególnych komórek przechowywujących dane, że zjawiska kwantowe, zaczynają uniemożliwiać dalsze zwiększanie gęstości zapisu danych. Powoduje to stopniowe wyparcie dysków HDD na rzecz dysków SSD (w następnym artykule).

Szczegółowa budowa dysków HDD.

Dyski HDD mają bardzo prostą budowę, podobną do dyskietek. Jednak z tą różnicą, iż wszystko jest wewnątrz jednego opakowania. Również talerz dysku jest sztywniejszy, ramię czytnika zaś może być stworzone pod dany dysk, zwiększa to prędkość odczytu i zmniejsza ilość błędów.

Dyski twarde, mogą być wielopoziomowe, oznacza to, że na jednej osi i w jednej obudowie może obracać się kilka talerzy. Wówczas często ramiona czytnika są piętrowe i posiadają wiele głowic.

Ramiona te składają się ze specjalnej cewki, która umożliwia ruchy głowic, z przyspieszeniem do 550 G (oznacza to, że przyspieszenie głowicy jest 550 krotnie większe, niż przyspieszenie na Ziemii). Głowica na końcu dysku, również posiada ciekawą budowę. Porusza się ona w odległości około 1 μm od talerza dysku (odległość ta jest inna dla każdego dysku). Głowica zaś oprócz elementów odczytujących i zapisujących dane, posiada elementy podgrzewające talerz dysku. To podgrzewanie pozwala zwiększyć namagnesowanie każdej komórki przechowującej dane (bit). Dzięki temu zwiększono gęstość zapisu i zmniejszono ilość błędów pojawiających się w trakcie korzystania z dysku.

Reklamowane pojemności dysków HDD są zazwyczaj inne niż te które otrzymamy po odczycie przez system Windows. Jednak w przypadku macOS, pojemność dysku będzie zgodna z tym co reklamuje producent. Wiąże się to z innym pojęciem przedrostów kilo-, mega-, giga- i tera-. Komputery wyposażone w macOS uważają, że kilo- to 10³, mega- to 10⁶ itd. Komputery wyposażone zaś w system Windows, uznają, że przedrostki kilo- oznaczają 2¹⁰, przedrostek mega- oznacza 2²⁰ itd.

Przechowywanie danych na dyskach HDD

Jeśli chcemy długotrwale przechowywać dane na dyskach HDD, to są one dosyć dobrym źródłem. Wiąże się to z ich całkowitym zabudowaniem w osłonie, oraz faktem, że jeśli nie dojdzie do uszkodzenia talerza dysku, to da się odzyskać przechowywane na nich dane. Aby utracić przechowywane na dysku dane, trzeba by mechanicznie zniszczyć talerze dysku poprzez, np. ich wyciągniecie i połamanie. Nawet zanurzenie w wodzie, jeśli nie jest długotrwałe, nie spowoduje utraty danych. Jednak podobnie jak w przypadku wszystkich innych magnetycznych nośników danych, bardzo ważnym jest unikanie zewnętrznego pola magnetycznego.