دستگاههای ذخیرهسازی ثانویه
دستگاههای ذخیرهسازی ثانویه — دیسکهای سخت مغناطیسی و درایوهای حالت جامد مبتنی بر فلش — دادهها را به طور پایدار در خارج از حافظه اصلی نگهداری میکنند، با ویژگیهای عملکردی بسیار متفاوتی که نحوه ذخیرهسازی و دسترسی سیستمها به اطلاعات را شکل میدهد.
Definition
دستگاههای ذخیرهسازی ثانویه، رسانههای ذخیرهسازی غیرفرار هستند — عمدتاً درایوهای دیسک سخت مغناطیسی و درایوهای حالت جامد فلش — که برای نگهداری پایدار دادهها در طول چرخههای برق استفاده میشوند و ظرفیت بالایی را با هزینه کمتر و سرعت پایینتر نسبت به حافظه اصلی فراهم میکنند.
Scope
این موضوع فناوریها و عملکرد ذخیرهسازی پایدار را پوشش میدهد: هندسه دیسک مغناطیسی، زمان جستجو و تأخیر چرخشی، و زمانبندی دیسک؛ فلش NAND و درایوهای حالت جامد، شامل رفتار دسترسی، فرسایش، و لایه ترجمه فلش؛ و اینکه چگونه این ویژگیها بر طراحی سیستم تأثیر میگذارند. این مبحث به خود دستگاهها میپردازد. آرایههای افزونگی و قابلیت اطمینان (RAID و قابلیت اطمینان ذخیرهسازی) و نرمافزار سیستم فایل بالای آنها (سیستمهای فایل) را شامل نمیشود.
Core questions
- چه عواملی تأخیر و توان عملیاتی یک دیسک سخت مغناطیسی را تعیین میکنند؟
- ذخیرهسازی حالت جامد مبتنی بر فلش از نظر رفتار و عملکرد چه تفاوتی با دیسک مغناطیسی دارد؟
- چرا درایوهای حالت جامد به لایه ترجمه فلش و تسطیح فرسایش نیاز دارند؟
- ویژگیهای دستگاه ذخیرهسازی چگونه بر طراحی سیستم و نرمافزار تأثیر میگذارند؟
Key concepts
- هندسه دیسک مغناطیسی (شیارها، سکتورها، سیلندرها)
- زمان جستجو و تأخیر چرخشی
- زمانبندی دیسک
- فلش NAND و درایوهای حالت جامد
- لایه ترجمه فلش
- تسطیح فرسایش
- توان عملیاتی و تأخیر
- پایداری و عدم فراریت
Mechanisms
یک دیسک مغناطیسی دادهها را روی صفحات چرخان ذخیره میکند؛ دسترسی به آن نیازمند حرکت هد به شیار صحیح (جستجو) و انتظار برای چرخش سکتور زیر هد (تأخیر چرخشی) است، بنابراین زمانبندی دیسک درخواستها را برای کاهش حرکت هد مرتب میکند. یک درایو حالت جامد دادهها را در فلش NAND ذخیره میکند، که در صفحات خوانده و نوشته میشود اما در بلوکهای بزرگتر پاک میشود و با استفاده فرسوده میشود؛ یک لایه ترجمه فلش آدرسهای منطقی را به صفحات فیزیکی نگاشت میکند و تسطیح فرسایش (wear leveling) و جمعآوری زباله (garbage collection) را انجام میدهد.
Clinical relevance
ویژگیهای دستگاه ذخیرهسازی اغلب بر عملکرد سیستمهای دادهمحور غالب است. گذار از دیسکهای مکانیکی به درایوهای حالت جامد به طور چشمگیری تأخیر دسترسی را کاهش داد و طراحی پایگاه داده، سیستم فایل و سیستم عامل را تغییر شکل داد، در حالی که رفتار متمایز فلش — پاک کردن قبل از نوشتن، فرسایش و جمعآوری زباله — همچنان بر نحوه ساخت نرمافزار ذخیرهسازی تأثیر میگذارد.
History
دیسک سخت مغناطیسی، که توسط IBM در سال 1956 معرفی شد، برای نیم قرن بر ذخیرهسازی ثانویه غالب بود و به طور پیوسته در چگالی و هزینه بهبود یافت. حافظه فلش NAND، که از اواخر دهه 1980 تجاری شد، درایوهای حالت جامد را ممکن ساخت که از دهه 2000 به بعد دیسکها را در بسیاری از نقشها جابجا کردند و هزینه بالاتر به ازای هر بیت را با تأخیر بسیار کمتر و عدم وجود قطعات متحرک معاوضه کردند.
Key figures
- John L. Hennessy
- David A. Patterson
- Bruce Jacob
Related topics
Seminal works
- hennessy2019
- jacob2008
Frequently asked questions
- چرا درایوهای حالت جامد سریعتر از دیسکهای سخت هستند؟
- دیسکهای سخت باید به صورت مکانیکی هد را حرکت دهند و منتظر چرخش صفحات باشند که منجر به تأخیر میلیثانیهای میشود. درایوهای حالت جامد به صورت الکترونیکی و بدون قطعات متحرک به فلش دسترسی پیدا میکنند، بنابراین تأخیر آنها بسیار کمتر است و دسترسی تصادفی را بسیار بهتر مدیریت میکنند، اگرچه به ازای هر بایت گرانتر هستند.
- تسطیح فرسایش (wear leveling) چیست؟
- سلولهای حافظه فلش تنها میتوانند تعداد محدودی چرخه پاک کردن-نوشتن را تحمل کنند. تسطیح فرسایش، نوشتنها را به طور یکنواخت در تمام سلولها، از طریق لایه ترجمه فلش، پخش میکند تا هیچ ناحیهای زودتر از موعد فرسوده نشود و عمر مفید یک درایو حالت جامد را افزایش دهد.