تاریخچه‌ ذخیره‌سازی اطلاعات روی رایانه‌ها

در طول تاریخچه‌ی پیشرفت رایانه‌ها و فناوری‌های متعلق به آنها، یک جنبه همیشه پیشرفت و افزایش سرعت رایانه‌ها را محدود کرده است و آن چیزی نبوده به جز حافظه‌های دائمی رایانه‌ها. از زمان رایانه‌های قدیمی که از پانچ کارت‌ها و نوارها استفاده می‌کردند تا اختراع هارد دیسک و مدل‌های اولیه‌ی هاردها که هم اندازه‌ی یخچال بودند تا هاردهای پرسرعت امروزی؛ همیشه ذخیره‌سازی دائمی اطلاعات در حافظه‌های به اصطلاح غیرفرار (Non-volatile) سرعت بسیار کمتری نسبت به حافظه‌های فرار (Volatile memory) و سایر قطعات رایانه‌ها داشته است. در این مقاله مروری کوتاه بر هشت نسل متفاوت ابزارهای ذخیره‌سازی اطلاعات بر روی رایانه‌ها داریم وهر مورد را موشکفانه در مقاله‌ای دیگر بررسی می‌کنیم.

کارت پانچ و ذخیره‌سازی نواری

قبل از آن که در دهه‌ی 1940 رایانه‌های دیجیتال از راه برسند؛ از کارت پانچ یا همان punched cards برای ذخیره‌سازی و ورود اطلاعات به سیستم‌های مکانیکی گوناگونی استفاده می‌شد. از دستگاه‌های ریسندگی تا پیانو و ماشین‌های حسابداری از کارت پانچ استفاده می‌کردند. در دهه‌های 1920 و 1930 شرکت IBM تخصص زیادی در طراحی و تولید پانچ کارت‌ها و ماشین‌های حسابداری داشت و دولت آمریکا از این ماشین‌ها و کارت پانچ‌ها برای پردازش حجم عظیم اطلاعات کارکنان دولتی و شماره‌های تامین اجتماعی و سرشماری‌های شهروندان آمریکا استفاده می‌کرد. IBM در 1937 روزانه 10 میلیون پانچ کارت تولید می‌کرد و پانچ کارت‌ها تا دهه‌ی 1950 انتخاب اصلی برای ذخیره‌سازی و آرشیو اطلاعات تمام ابزارهای محاسباتی بودند. پانچ کارت‌های استاندارد 80 ستونی (تصویر بالا) قادر به ذخیره سازی 70 بایت داده بودند. پس آن تولید روزانه 10 میلیون پانچ کارت تنها برای ذخیره‌سازی 670 مگابایت داده کفایت می‌کرد!

نوارهای مغناطیسی

در سال 1951 UNIVAC I به عنوان نخستین کامپیوتر تجاری دنیا وارد بازار شد که از UNISERVO I به عنوان ابزار اصلی ورودی/خروجی خود استفاده می‌کرد. UNISERVO نخستین نوار گردان یا همان Tape Drive تجاری تولید شده در بازار بود که امکان خواندن اطلاعات را از روی نوارهای مغناطیسی ساخته شده از نوار نازک مسی روکش شده با نیکل مهیا می‌کرد. نوارهای معناطیسی اولیه امکان ذخیره‌ی اطلاعات بیشتری را نسبت به کارت‌های پانچ مهیا می‌کردند و به سرعت انتقال 7200 کاراکتر بر ثانیه رسیده بودند. در همان زمان IBM بر روی ذخیره‌سازی داده‌ها بر روی نوارهای پلاستیکی پوشش داده در مواد فرومغناطیسی [مشابه فناوری نوار کاست‌های صوتی] کار می‌کرد. در حقیقت این نوارها نخستین بار در کامپیوترهای سری 700 IBM به کار رفتند که در سال 1952 معرفی شده بودند. به دلیل موفقیت تجاری و سادگی تولید، نوارهای مغناطیسی IBM 7 track به سرعت جایگزین کارت‌های پانچ شدند و به استاندارد ذخیره‌سازی داده‌ها در کامپیوتر مبدل گشتند.
حتی امروزه نیز نوارهای مغناطیسی گزینه‌ی برتر در ذخیره‌سازی انبوه قابل اطمینان و ارزان هستند.

بخوانید  نمایه‌ی کامل مشخصات هد و پلاتر و چگالی سطحی تمام هارد دیسک‌های ExcelStor

حافظه‌ی طبله‌ی مغناطیسی یا Magnetic Drum Memory

طبله‌ها یا Drum Memory حافظه‌های نسل ماقبل هارد دیسک‌ها هستند. طبله‌های مغناطیسی استوانه‌ای فلزی‌اند که توسط مواد فرومغناطیسی مخصوص ضبط داده‌ها روکش شده‌اند. همانند نوارهای مغناطیسی و هارد درایوها؛ طبله‌های مغناطیسی نیز دارای تعدادی head هستند. اما به جای آن‌که این هدها به دنبال داده‌ها بگردند؛ در طبله‌های مغناطیسی تعداد زیادی هد ثابت وجود دارند که منتظر می‌مانند که سکتورهای مغناطیسی درست بچرخند و روی آنها قرار گیرند تا امکان خواندن/نوشتن داده‌ها مهیا شود. طبله‌ها در اندازه‌ها و سرعت‌های گوناگونی تولید شده‌اند؛ اما یکی از موفق‌ترین طبله‌های تولید شده محصول IBM بود که در تصویر کناری آن را مشاهده می‌کنید. این طبله 4 اینچ قطر و 16 اینچ درازا داشت و تا سرعت 12500 دور در دقیقه می‌چرخید. این طبله سرعت شگفت‌آوری در خواندن اطلاعات داشت. طبله‌ها در ظرفیت‌های گوناگونی تولید شده بودند اما ظرفیت آنها محدود به چند هزار بایت داده بود.
طبله‌ها حافظه‌ی اصلی رایانه‌ها تا پایان دهه‌ی 1950 بودند که از آن زمان نسل جدیدتری از حافظه‌ها به بازار آمدند که در ادامه با آنها آشنا خواهید شد.

حافظه هسته‌ی مغناطیسی (Magnetic-core memory)

برای مدت‌های طولانی و تا دهه‌ی 1980 میلادی، تنها راه خواندن و نوشتن داده‌های غیرفرار (Non-volatile) استفاده از روش کنترل مغناطیسی بود. پانچ کارت‌ها و نوارهای مغناطیسی کارایی خود را در ورود داده‌ها داشتند ولی در مقایسه با قطعات دیگر رایانه‌های آن زمان به شدت کند بودند. حافظه‌ی هسته‌ی مغناطیسی یا magnetic-core memory نخستین حافظه‌ی غیرفرار دسترسی تصادفی یا RAM: Random-access memory بود. حافظه‌های هسته مغناطیسی با ست کردن مغناطیس سیم‌پیچ بسیار کوچکی (به پهنای 2 میلی‌متر) داده‌ها را می خوانند و می‌نویسند. از چیزهای عجیب و باورنکردنی در خصوص حافظه‌های هسته مغناطیسی؛ شیوه‌ی تولید آنها بود که تنها به صورت دستی و توسط یک نفر انجام شدنی بود که از طریق میکروسکوپ این کار را به ظرافت انجام دهد. از آنجا که شیوه‌ی تولید آنها شباهت زیاد به تولید قطعات ظریف پوشاک و جواهرآلات و زیورآلات داشت؛ از تولیدکنندگان این عرصه‌ها برای تولید حافظه‌های هسته مغناطیسی استفاده می‌شد. حافظه‌های هسته مغناطیسی اختراعی متعلق به اوایل دهه‌ی 1950 بود ولی جایگزین طبله‌های مغناطیسی و حافظه‌های فرار لوله خلاء نشد تا دهه‌ی 1960 که فناوری آن برای تولید به اندازه‌ی کافی ارزان شده بود.

هارد دیسک درایو

هم‌زمان که حافظه‌های هسته مغناطیسی جایگزین طبله‌های مغناطیسی در کاربرد حافظه‌ی کاری رایانه‌ها یا همان RAM شدند؛ نوارهای مغناطیسی همچنان تنها گزینه برای نگهداری طولانی‌مدت اطلاعات بود. به گفته‌ی IBM در آن زمان نیاز به حافظه‌ای احساس می‌شد که بین RAM و نوارهای مغناطیسی باشد؛ و سرانجام پس از سال‌ها تحقیق و توسعه و کار بر روی حافظه‌های طبله‌ای و نواری؛ در سال 1953 شرکت IBM هارد دیسک را اختراع کرد. نخستین هارد دیسک درایو تولیدی در سال 1956 همراه با رایانه‌ی IBM 305 RAMAC به مشتری ارسال شد. (عکس بالا). این رایانه به تنهایی فضایی برابر با 9 در 15 متر را اشغال می‌کرد و نخستین هارد دیسک درایو دنیا نیز مکعبی 1.5 متری بود. این درایو دارای پنجاه عدد پلاتر 24 اینچی بود و حداکثر ظرفیت آن برابر با 5 میلیون کاراکتر یا 5 مگابایت را در اختیار می‌گذاشت که برابر با 64 هزار پانچ کارت بود. تنها از دو هد خواندن/نوشتن برای دسترسی به کل آرایه استفاده می‌کرد. پلاتر نیز با حداکثر سرعت 1200 RPM به گردش درمی‌آمد. بنابراین متوسط زمان دسترسی بسیار آهسته و حدود یک ثانیه بود که درمقام مقایسه با هارد دیسک‌های امروزی بسیار کند است. در سال 1961 شرکت IBM هارد دیسک 1301 Disk Storage Unit را عرضه کرد که نخستین هارد دیسک مجهز به flying heads یا همان هدهای قابل جابجایی و حرکت بودند. ساختار کلی هارد دیسک از آن زمان تاکنون تغییری پیدا نکرده و فقط با افزایش چگالی پلاترها و افزایش سرعت قطعات شاهد هاردهایی پرظرفیت‌تر و سریع‌تر هستیم.

فلاپی دیسک

در اواخر دهه 60 همچنان پانچ کارت‌ها و نوارهای مغناطیسی روش‌های استاندارد ورود اطلاعات به رایانه‌ها بودند. اما IBM‌ به دنبال اختراع یک حافظه‌ی قابل حمل (پرتابل) و ارزان‌قیمت و قابل اطمینان بود و این‌گونه بود که فلاپی‌دیسک‌ها متولد شدند. نخسستین فلاپی دیسک که در 1971 تولید شد؛ 8 اینچ قطر داشت و تا 80 کیلوبایت اطلاعات را می‌توانست ذخیره‌سازی کند. (فلاپی بزرگ مشکی در تصویر بالا) این فلاپی از نوع read-only بود. Memorex نخستین فلاپی دیسک read/write را در سال 1972 اختراع کرد و از سال 1973 شرکت IBM‌ شروع به جایگزینی punchcard reader مین‌فریم‌های خود با فلاپی‌دیسک‌های read/write کرد. بعدها فلاپی‌های 8 اینچی (فلاپی بزرگ مشکی در تصویر بالا) به بازار عرضه شدند و وقتی مشاهده شد که این اندازه برای microcomputer ها [که در دهه 70 در حال همه‌گیری بودند] بزرگ است؛ فلاپی‌های 5 و 1/4 اینچی (در تصویر بالا فلاپی وسطی به رنگ نارنجی) وارد خط تولید شدند. فلاپی دیسک‌های کوچکتر ظرفیت کمتری داشتند ولی ارزان‌تر بودند و قابلیت حمل و نقل راحت‌تری داشتند. در دهه‌ی 80 فلاپی دیسک‌های مقرون به صرفه، در همه‌گیری رایانه‌های ارزان‌قیمت خانگی و اداری IBM PC و Commodore 64 نقش به‌سزایی داشتند. گسترش PCها هم‌زمان شد با فلاپی‌های 3 و 1/2 اینچی (فلاپی آبی‌رنگ کوچک در سمت راست تصویر بالا) و نرم‌افزار‌ها از آن زمان دیگر فقط بر روی فلاپی دیسک‌ها منتشر می‌شدند.

دیسک نوری

شاید باور کردن‌ش برای‌تان مشکل باشد ولی دیسک‌های نوری در 1958 اختراع شدند. اما نخستین استفاده‌ی تجاری تا سال 1972 طول کشید. در فرم 12 اینچی دیسک‌های لیزری درنهایت در سال 1978 وارد بازار شدند. فیلم آرواره‌های (Jaws) استیون اسپیلبرگ نخستین فیلمی بود که بر روی این دیسک‌های لیزری توزیع شد. گرچه در آن دوران نوارهای VHS مقرون به‌صرفه در بازار فرمانروایی می‌کردند و دیسک‌های لیزری بسیار گران‌قیمت راه به جایی نبردند. دیسک‌های لیزری شکست خوردند ولی برادران ارزان‌قیمت و کوچکتر آنها، دیسک‌های نوری، موفقیت غیر قابل انکاری کسب نمودند و VHS و نوارهای کاست را به طور کامل از رده خارج کردند.
نخستین دیسک فشرده صوتی در 1982 عرضه شد. CD-ROM ها از اواسط دهه‌ی 1980 بر روی کامپیوترها ظاهر شدند. سونی و فیلیپس در 1990 نخستین CD-R را عرضه کردند. در اواسط دهه 1990 دیگر هر کامپیوتری با CD-ROM عرضه می‌شد و سرانجام ویندوز 95 بر روی CD منتشر شد و ضامن موفقیت دیسک‌های نوری گردید. دیسک‌های نوری سرانجام هم نوار کاست‌ها را در بازار توزیع موسیقی شکست دادند؛ هم VHS را در بازار توزیع ویدیوی خانگی از رده خارج کردند و هم در بازار توزیع نرم‌افزارها و حافظه‌ی جانبی رایانه‌های شخصی توانست فلاپی دیسک‌ها را شکست دهد. بنابراین شکست اولیه‌ی دیسک‌های لیزری با پیروزی سه جانبه‌ی دیسک‌های نوری جبران شد.

حافظه‌های فلش

نخستین ترانزیستورهای سیلیکونی توسط Texas Instrument در سال 1954 اختراع شد. مهندسان TI نخستین مدار مجتمع را در سال 1958 ساختند. در دهه‌های 60 و 70 هزاران ترانزیستور در چیپ‌های سیلیکونی ساخته شد و هزینه‌های تولید به میزان قابل توجهی پایین آمد. تا در نهایت توشیبا در سال 1980 نخستین چیپ حافظه‌ی فلش را اختراع کرد. نام Flash از آنجا بر روی این حافظه‌ها گذاشته شده که اطلاعات ذخیره شده بر روی این حافظه‌ها، تنها توسط یک اشعه‌ی UV قدرتمند همانند چیپ‌های EPROM قابل پاک کردن هستند. نخستین حافظه‌ی کامپکت‌فلش نوع NOR-type در سال 1994 ساخته شده و نخستین نوع NAND-type این حافظه‌ها در سال 1995 وارد بازار شدند. حافظه‌های فلش مدرن از ترانزیستور floating-gate عایق‌بندی شده استفاده می‌کنند که الکترون‌ها را به دام می‌اندازد و مقدار باینری آن را حفظ می‌کند. ظرفیت حافظه‌های فلش از 2 مگابایت آغاز شد و طی سال‌ها تحقیق و توسعه به چندین ترابایت افزایش پیدا کرد.