UNIVAC FASTRAND

UNIVAC FASTRAND — это семейство запоминающих устройств с произвольным доступом на магнитных барабанах, разработанных и выпускавшихся корпорацией Sperry Rand (подразделение UNIVAC) в 1960-х годах. Устройства FASTRAND предназначались для использования в качестве внешней памяти большой ёмкости для мейнфреймов UNIVAC серий III, 1107, 1108, 9400 и других, обеспечивая существенно более высокую скорость доступа по сравнению с традиционными накопителями на магнитной ленте, но меньшую, чем у оперативной памяти на магнитных сердечниках.

История создания

В конце 1950-х — начале 1960-х годов потребности вычислительных центров в оперативном хранении больших объёмов данных росли быстрее, чем возможности существующих технологий. Магнитные ленты обеспечивали огромную ёмкость, но требовали последовательного доступа. Оперативная память на ферритовых сердечниках была дорогой и имела ограниченный объём (обычно не более нескольких десятков килобайт). Магнитные барабаны, изобретённые ещё в 1930-х годах, представляли собой компромисс: они обеспечивали произвольный доступ к данным и достаточно высокую скорость, но их ёмкость была ограничена физическими размерами барабана.

Компания UNIVAC, один из пионеров коммерческой вычислительной техники, поставила задачу создать запоминающее устройство на магнитном барабане с рекордной для своего времени ёмкостью. Разработка велась в инженерном центре UNIVAC в Филадельфии (штат Пенсильвания, США). Первая модель, FASTRAND I, была анонсирована в 1962 году и поступила в продажу в 1963 году. Она предназначалась в первую очередь для мейнфрейма UNIVAC 1107, который был представлен в том же году.

Вторая модель, FASTRAND II, была выпущена в 1964 году и стала более распространённой. Она предлагала увеличенную ёмкость и улучшенную надёжность. FASTRAND II использовался с последующими моделями мейнфреймов UNIVAC, включая 1108 (выпущен в 1965 году) и 9400. Производство устройств FASTRAND продолжалось до начала 1970-х годов, когда они были постепенно вытеснены накопителями на жёстких магнитных дисках (например, серии UNIVAC 8400 и 8410), которые предлагали ещё большую ёмкость и более высокую скорость при меньших габаритах.

Устройство и принцип работы

Магнитный барабан

Основным элементом FASTRAND является вращающийся металлический барабан, покрытый слоем ферромагнитного материала (обычно оксида железа). В отличие от более ранних барабанных запоминающих устройств, где барабан был небольшим (диаметром 10–20 см), барабан FASTRAND имел внушительные размеры. В модели FASTRAND I барабан имел диаметр около 30 см и длину около 45 см. В FASTRAND II размеры были увеличены.

Барабан вращался с высокой скоростью. В FASTRAND I частота вращения составляла 1200 оборотов в минуту (об/мин), что давало среднее время ожидания (латентность) около 25 миллисекунд. В FASTRAND II скорость вращения была увеличена до 1800 об/мин, сократив среднюю латентность до примерно 16,7 мс.

Головки чтения/записи

Данные записываются и считываются с поверхности барабана с помощью магнитных головок. Ключевой особенностью FASTRAND, обеспечившей его высокую ёмкость, было использование большого количества головок. В FASTRAND I использовалось 384 головки, каждая из которых обслуживала одну дорожку. Головки были неподвижными — они располагались на фиксированных позициях вдоль оси барабана. Это означало, что для доступа к любой дорожке не требовалось механического перемещения головок (как в дисковых накопителях), что исключало время поиска (seek time). Единственной задержкой было время ожидания, пока нужный сектор данных не окажется под головкой.

В FASTRAND II количество головок было увеличено до 768, что позволило удвоить количество дорожек и, соответственно, ёмкость. Головки были смонтированы на специальных гребёнках, которые обеспечивали их точное позиционирование относительно поверхности барабана.

Организация данных

Поверхность барабана была разделена на дорожки (треки). Каждая дорожка, в свою очередь, делилась на сектора. Размер сектора был фиксированным. В FASTRAND I барабан имел 384 дорожки, каждая из которых содержала 120 секторов. Ёмкость одного сектора составляла 60 слов (слово UNIVAC имело длину 36 бит, то есть 6 символов Fieldata или 6 десятичных цифр в упакованном формате). Таким образом, общая ёмкость FASTRAND I составляла: 384 дорожки × 120 секторов × 60 слов = 2 764 800 слов. В пересчёте на байты (при 6-битном байте) это примерно 2,76 мегабайта (МБ). В пересчёте на 8-битные байты — около 12,4 МБ.

FASTRAND II имел 768 дорожек, каждая из которых содержала 120 секторов по 60 слов. Таким образом, его ёмкость составляла 5 529 600 слов, или примерно 5,5 мегаслов, что эквивалентно около 24,8 МБ (в 8-битных байтах).

Электронный интерфейс

Устройство FASTRAND подключалось к процессору через специальный контроллер (FASTRAND Control Unit). Контроллер управлял вращением барабана, позиционированием головок (хотя они были неподвижными, требовалась калибровка), а также выполнял операции чтения, записи и проверки ошибок. Данные передавались параллельно, по 36-битным словам. Скорость передачи данных была высокой для своего времени: для FASTRAND II она составляла около 1,2 миллиона 36-битных слов в секунду (что эквивалентно примерно 5,4 МБ/с).

Модельный ряд

FASTRAND I (1963)

• Ёмкость: 2 764 800 слов (около 12,4 МБ).
• Скорость вращения: 1200 об/мин.
• Среднее время доступа: 25 мс.
• Количество головок: 384.
• Применение: мейнфрейм UNIVAC 1107.

FASTRAND II (1964)

• Ёмкость: 5 529 600 слов (около 24,8 МБ).
• Скорость вращения: 1800 об/мин.
• Среднее время доступа: 16,7 мс.
• Количество головок: 768.
• Применение: мейнфреймы UNIVAC 1108, 1106, 9400.

Применение

Устройства FASTRAND использовались в качестве основной внешней памяти для операционных систем и прикладного программного обеспечения. Они позволяли хранить большие базы данных, файлы пользователей, системные библиотеки и промежуточные результаты вычислений. В отличие от ленточных накопителей, FASTRAND обеспечивал произвольный доступ, что делало его незаменимым для систем разделения времени (time-sharing), которые начали активно развиваться в середине 1960-х годов. Например, операционная система EXEC II для UNIVAC 1108 активно использовала FASTRAND для хранения образов процессов и временных файлов.

FASTRAND также применялся в научных и военных расчётах, где требовалась быстрая обработка больших массивов данных, например, в задачах метеорологии, криптографии и моделирования ядерных реакций.

Сравнение с аналогами

В середине 1960-х годов основными конкурентами FASTRAND были барабанные запоминающие устройства других производителей, такие как IBM 2301 Drum Storage (для IBM System/360) и Burroughs B 475 Drum. IBM 2301 имел ёмкость около 4 МБ и скорость вращения 3500 об/мин, что давало среднее время доступа около 8,6 мс. Однако FASTRAND выигрывал по общей ёмкости (до 24,8 МБ против 4 МБ у IBM), что было критично для задач, требующих хранения больших объёмов данных. Кроме того, FASTRAND использовал неподвижные головки, что делало его более надёжным и простым в обслуживании, чем устройства с подвижными головками.

С появлением накопителей на жёстких дисках (HDD), таких как IBM 2311 (1964 год, ёмкость 7,25 МБ), барабанные устройства начали уступать. Диски обеспечивали большую ёмкость при меньших габаритах и постепенно вытеснили барабаны из коммерческого использования к началу 1970-х годов.

Интересные факты

• Устройство FASTRAND было достаточно массивным. Типичный шкаф FASTRAND II весил около 450 кг и занимал площадь примерно 0,5 квадратных метра.
• Для охлаждения барабана и электроники использовались мощные вентиляторы, что делало работу устройства довольно шумной.
• В некоторых конфигурациях UNIVAC 1108 можно было подключать до 8 устройств FASTRAND II, обеспечивая общую ёмкость внешней памяти до 200 МБ.
• Технология неподвижных головок, применённая в FASTRAND, позже была использована в некоторых ранних моделях накопителей на жёстких дисках (например, в IBM 3340 «Winchester»), но впоследствии от неё отказались из-за сложности производства и высокой стоимости.

Источники

• UNIVAC 1108 System Description, Sperry Rand Corporation, 1965.
• UNIVAC FASTRAND II Drum Storage Unit Technical Manual, Sperry Rand Corporation, 1964.
• Emerson W. Pugh, Lyle R. Johnson, John H. Palmer. IBM’s 360 and Early 370 Systems. MIT Press, 1991.
• Martin Campbell-Kelly, William Aspray. Computer: A History of the Information Machine. Basic Books, 1996.