Sekundäre Speichergeräte

Sekundäre Speichergeräte – magnetische Festplatten und Flash-basierte Solid-State-Laufwerke – speichern Daten dauerhaft außerhalb des Hauptspeichers, mit sehr unterschiedlichen Leistungsmerkmalen, die die Art und Weise prägen, wie Systeme Informationen speichern und darauf zugreifen.

Definition

Sekundäre Speichergeräte sind nichtflüchtige Speichermedien – hauptsächlich magnetische Festplattenlaufwerke und Flash-Solid-State-Laufwerke –, die verwendet werden, um Daten über Stromzyklen hinweg dauerhaft zu speichern, und bieten eine große Kapazität zu geringeren Kosten und geringerer Geschwindigkeit als der Hauptspeicher.

Scope

Dieses Thema behandelt die Technologien und die Leistung von persistentem Speicher: Geometrie magnetischer Festplatten, Such- und Rotationslatenz sowie Festplattenplanung; NAND-Flash und Solid-State-Laufwerke, einschließlich ihres Zugriffsverhaltens, ihrer Abnutzung und der Flash-Translation-Layer; und wie diese Eigenschaften das Systemdesign beeinflussen. Es behandelt die Geräte selbst. Es schließt Redundanz- und Zuverlässigkeits-Arrays (RAID und Speicherzuverlässigkeit) und die darüber liegende Dateisystemsoftware (Dateisysteme) aus.

Core questions

• Was bestimmt die Latenz und den Durchsatz einer magnetischen Festplatte?
• Wie unterscheidet sich Flash-basierter Solid-State-Speicher im Verhalten und in der Leistung von magnetischen Festplatten?
• Warum benötigen Solid-State-Laufwerke eine Flash-Translation-Layer und Wear Leveling?
• Wie beeinflussen die Eigenschaften von Speichergeräten das System- und Softwaredesign?

Key concepts

• Geometrie magnetischer Festplatten (Spuren, Sektoren, Zylinder)
• Suchzeit und Rotationslatenz
• Festplattenplanung
• NAND-Flash und Solid-State-Laufwerke
• Flash-Translation-Layer
• Wear Leveling
• Durchsatz und Latenz
• Persistenz und Nichtflüchtigkeit

Mechanisms

Eine magnetische Festplatte speichert Daten auf rotierenden Platten; der Zugriff erfordert das Bewegen des Kopfes zur richtigen Spur (Seek) und das Warten, bis der Sektor darunter rotiert (Rotationslatenz), sodass die Festplattenplanung Anfragen neu ordnet, um die Kopfbewegung zu reduzieren. Ein Solid-State-Laufwerk speichert Daten in NAND-Flash, das in Seiten gelesen und geschrieben, aber in größeren Blöcken gelöscht wird und sich bei Gebrauch abnutzt; eine Flash-Translation-Layer bildet logische Adressen auf physische Seiten ab und führt Wear Leveling und Garbage Collection durch.

Clinical relevance

Die Eigenschaften von Speichergeräten dominieren oft die Leistung datenintensiver Systeme. Der Übergang von mechanischen Festplatten zu Solid-State-Laufwerken reduzierte die Zugriffszeit drastisch und gestaltete das Design von Datenbanken, Dateisystemen und Betriebssystemen neu, während das ausgeprägte Verhalten von Flash – Löschen vor dem Schreiben, Abnutzung und Garbage Collection – weiterhin die Entwicklung von Speichersoftware beeinflusst.

History

Die magnetische Festplatte, 1956 von IBM eingeführt, dominierte ein halbes Jahrhundert lang den Sekundärspeicher und verbesserte sich stetig in Dichte und Kosten. NAND-Flash-Speicher, ab den späten 1980er Jahren kommerzialisiert, ermöglichte Solid-State-Laufwerke, die ab den 2000er Jahren Festplatten in vielen Rollen verdrängten, indem sie höhere Kosten pro Bit gegen eine weitaus geringere Latenz und keine beweglichen Teile tauschten.

Key figures

• John L. Hennessy
• David A. Patterson
• Bruce Jacob

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

Warum sind Solid-State-Laufwerke schneller als Festplatten?

Festplatten müssen einen Kopf mechanisch bewegen und auf die Rotation der Platten warten, was Millisekunden an Latenz verursacht. Solid-State-Laufwerke greifen elektronisch auf Flash zu, ohne bewegliche Teile, daher ist ihre Latenz weitaus geringer und sie bewältigen den wahlfreien Zugriff viel besser, obwohl sie pro Byte teurer sind.

Was ist Wear Leveling?

Flash-Speicherzellen können nur eine begrenzte Anzahl von Lösch-Schreib-Zyklen überstehen. Wear Leveling verteilt Schreibvorgänge gleichmäßig über alle Zellen über die Flash-Translation-Layer, sodass keine Region vorzeitig verschleißt, was die Nutzungsdauer eines Solid-State-Laufwerks verlängert.