Képzeljük el, hogy egyetlen digitális fotó tárolásához egy egész doboznyi lemezt kell vásárolni, a számítógép indítása pedig percekig tartó tisztítási ciklussal kezdődik. Az 1980-as évek elején a mikroszámítógépes forradalom pontosan ezzel a fallal találta szembe magát, miközben a szoftverek képességei rohamosan kinőtték a korabeli adathordozókat. A Byte magazin 1983 márciusi száma részletes látleletet adott arról a technológiai átmenetről, amely során a merevlemezek megkezdték a hajlékonylemezek kiszorítását, alapjaiban változtatva meg a személyi számítógépek piacát és felépítését.
A 16 bites processzorok, mint az Intel 8086 vagy a Motorola 68000 megjelenése, valamint az olyan összetett operációs rendszerek, mint az Unix, új korszakot nyitottak. A fejlettebb többfeladatos (multitasking) és több-felhasználós (multiuser) környezetek, a komolyabb üzleti könyvelőprogramok vagy a nagyfelbontású digitalizáló kamerák igényei egyszerűen kivéreztették a hagyományos floppykat. Egy bonyolultabb adatbázis-kezelő futtatásához már nem volt elegendő a folyamatos lemezcsere, a piacnak nagyobb kapacitású, megbízhatóbb és mindenekelőtt nagyságrendekkel gyorsabb háttértárakra volt szüksége.
A megfizethetetlen technológia és az OEM-ek trükkjei
A felhasználók számára a legnagyobb fejtörést a Winchester-meghajtók csillagászati ára okozta. Miközben az eredeti berendezésgyártók (OEM) a puszta, beépítetlen meghajtókat 600 dollár körüli áron kapták meg a gyárból, a kiskereskedelmi polcokra ezek a rendszerek már 3000 dolláros árcédulával kerültek ki. Ez a hatalmas, ötszörös árkülönbözet nem a kereskedők nyerészkedéséből adódott, hanem a merevlemezek integrálásának rendkívüli mérnöki és gyártási költségeiből.
Az IBM által kikísérletezett Winchester-technológia alapvető sajátossága volt, hogy a gyártók kihagyták a legfontosabb áramköröket magából a meghajtóból. A feladat, hogy a nyers mechanikából működőképes számítógépes periféria váljon, teljes egészében a vezérlőkártyák tervezőire hárult. Egy működő rendszerhez az OEM-eknek saját tápegységet, árnyékolt kábeleket, hűtőventilátorral szerelt házat és komplex illesztőszoftvereket kellett fejleszteniük. Miután a kész egységet átnyomták a méregdrága szövetségi engedélyeztetési eljárásokon (FCC és UL minősítések), a tesztelési és adminisztrációs költségek, valamint a nagykereskedelmi árrések gyorsan feltornászták a végső árat.
A hiányzó láncszem és az MFM kódolás rejtélye
A hardveres integráció legnehezebb pontja az úgynevezett adatszeparátor (data separator) megtervezése volt. Amikor a meghajtó író-olvasó feje a mágneses felület felett elhalad, az adatok polaritásváltások sorozataként, egyetlen csatornán áramlanak. Ezt a módosított frekvenciamodulációval (MFM) kódolt jelsorozatot kell szétválasztani a gazdaszámítógép által értelmezhető tiszta adatra és az időzítést biztosító órajelre, amit a gép Non-Return-to-Zero (NRZ) kódként használ.
Ez a folyamat kritikus pontosságot követelt meg a korabeli analóg áramköröktől. Miközben a floppyk esetében a lassú adatátvitel miatt viszonylag tág időablak állt rendelkezésre, a Winchester-meghajtók másodpercenkénti ötmillió ciklusos (5 MHz) sebességénél az adatcella időablaka 200 nanoszekundomra zsugorodott. Bármilyen apró fáziseltolódás vagy sebességingadozás miatt a bitek azonnal kicsúsztak a mérési ablakból, ami olvashatatlan adatokat és rendszerösszeomlást eredményezett. Olyan precíziós fáziszárt hurkokat (PLL) kellett tervezni, amelyek dinamikusan igazodtak a lemez forgási sebességének mikroszkopikus változásaihoz is.
A Xebec radikális válasza a tesztelési krízisre
A Winchester-meghajtók gyártásának másik rejtett költsége a minőségellenőrzés volt. Mivel az elvárt hibaarány (BER) rendkívül alacsony volt – maximum 1 hibás bit egymilliárd átvitt bitenként –, a meghajtók megbízhatóságának hagyományos statisztikai ellenőrzése elképesztő időt emésztett fel. Egy tipikus, 5 megabájtos meghajtó teljes körű tesztelése a hagyományos módszerekkel közel 70 napig tartott volna folyamatos üzem mellett, ami gazdaságilag fenntarthatatlanná tette a tömegtermelést.
A korszak egyik meghatározó vezérlőgyártója, a Xebec cég egy matematikai trükkel, az úgynevezett fázismargó-analízissel (phase margin analysis) oldotta meg a problémát. A tesztelés során mesterségesen beszűkítették az adatolvasási ablak szélességét, amivel szándékosan megemelték a hibaarányt. A határértéken kívülre eső bitek és a „majdnem-hibák” (near misses) számlálásával képesek voltak pontos matematikai modellek alapján megjósolni a meghajtó valós élettartamát és megbízhatóságát. Ezzel a technológiával a korábbi 70 napos vizsgálati időt radikálisan, mindössze 48 órára csökkentették.
| Jellemző | Hagyományos 5,25″ Floppy meghajtó | Xebec / Syquest 3,9″ Winchester rendszer |
|---|---|---|
| Formázott kapacitás | ~0,25 – 1 Megabájt | 6,38 Megabájt (unformázott) |
| Adatátviteli sebesség | ~0,25 Megabit / másodperc | 5 Megabit / másodperc |
| Átlagos elérési idő | ~150 – 250 milliszekundum | 75 milliszekundum |
| Adathordozó mobilitása | Könnyen cserélhető, sérülékeny lemez | Zárt, védett cserélhető kazetta |
A vékonyréteg-bevonat és a hordozható merevlemezek hajnala
A hagyományos Winchester-meghajtók legnagyobb hátránya a merev, beépített kialakítás mellett a sérülékenység volt. Ha a meghajtót áramtalanították vagy rázkódás érte, a fej rázuhanhatott a mágneses oxidrétegre, ami végzetes adatvesztéssel (head crash) járt. Ráadásul a hagyományos felületek vonzották a port és a szennyeződéseket, ami miatt a rendszerek indításakor egy több perces levegőztető, tisztító ciklust (purge cycle) kellett kivárni.
A Syquest és a Microdisk mérnökei a vékonyréteg-bevonati technológiával (thin-film plating) bontották le ezeket a korlátokat. A korábbi puha vas-oxid bevonat helyett az alumínium hordozót electroless nikkelréteggel, majd egy rendkívül kemény, vékony mágneses fémötvözettel látták el, amelyet grafit, kvarc vagy zafír védőréteggel zártak le. Ez a fémes réteg ezerszer keményebb volt az oxidrétegnél, ellenállt a fizikai ütéseknek, és szükségtelenné tette a hosszadalmas indítási tisztítási folyamatokat is. A technológia lehetővé tette a bitsűrűség drasztikus növelését is: míg a hagyományos felületek hüvelykenként 8000 fluxusváltásra (flux reversal) voltak képesek, a vékonyréteg-bevonattal ez az érték 20 000 fölé emelkedett.
A megnövelt sűrűség és a fizikai ellenállás kikövezte az utat a cserélhető merevlemezes kazetták előtt. A Syquest SQ-306-os meghajtója például 3,9 hüvelykes, zsebre vágható kazettákat használt, amelyek zárt műanyag tokban védték a lemezt a környezeti hatásoktól. Ez a hibrid megoldás egyesítette a floppyk hordozhatóságát és olcsóságát a Winchester-meghajtók kapacitásával és sebességével, végérvényesen megváltoztatva az otthoni és kisüzleti adattárolás szabályait.
A forradalom utóhatásai
A technológiai verseny és a gyártási folyamatok optimalizálása – mint a Xebec-féle fázismargó-analízis – elindította a merevlemezek rohamos árcsökkenését. A hardvergyártók felismerték, hogy a szoftverek fejlődését már nem lehet lassú, mágneses szalagokra vagy hajlékony floppykra alapozni. Az 1983-ban még futurisztikusnak és méregdrágának számító Winchester-meghajtók alapelvei és kódolási eljárásai bázist teremtettek a modern asztali számítógépek számára, megalapozva azt a világot, ahol az adatbázisok és a multitasking rendszerek már nem a kiváltságos kevesek, hanem minden asztali PC felhasználó mindennapi valóságává váltak.
És miért hívjuk winchesternek?
A név az IBM 3340 jelű merevlemez-fejlesztéshez kapcsolódik, amely 1973 körül jelent meg, és a korai modern HDD-k egyik fontos őse volt. A „Winchester” eredetileg nem hivatalos terméknévként, hanem belső becenévként terjedt el. A leggyakrabban idézett magyarázat szerint a fejlesztők a 30-30-as felépítés miatt a .30-30 Winchester ismétlőpuskára utalva nevezték el így a projektet. Ez a név aztán ráragadt a típusra, és hosszú ideig használatban maradt a szakmában.
A „Winchester” elnevezés az angol nyelvű informatikai szóhasználatból később gyakorlatilag kikopott, és ott inkább a HDD vagy hard disk drive lett az általános megnevezés. Magyarul viszont a szó sokáig megmaradt, és a mai napig is sokan használják a merevlemez szinonimájaként. A korai személyi számítógépes korszakban a magyar szakzsargon sok ilyen átvett, félhivatalos kifejezést megőrzött. Így a „winchester” nálunk nemcsak történeti érdekesség, hanem mindennapos technikai szó lett.
