Périphériques de stockage secondaire

Les périphériques de stockage secondaire — disques durs magnétiques et disques SSD (Solid-State Drives) basés sur la mémoire flash — conservent les données de manière persistante en dehors de la mémoire principale, avec des caractéristiques de performance très différentes qui influencent la manière dont les systèmes stockent et accèdent à l'information.

Definition

Les périphériques de stockage secondaire sont des supports de stockage non volatils — principalement les disques durs magnétiques et les disques SSD à mémoire flash — utilisés pour conserver les données de manière persistante même après des cycles d'alimentation, offrant une grande capacité à un coût et une vitesse inférieurs à ceux de la mémoire principale.

Scope

Ce sujet couvre les technologies et les performances du stockage persistant : la géométrie des disques magnétiques, le temps de recherche (seek) et la latence rotationnelle, ainsi que l'ordonnancement des disques ; la mémoire flash NAND et les disques SSD, y compris leur comportement d'accès, leur usure et la couche de traduction flash ; et comment ces caractéristiques affectent la conception des systèmes. Il traite des dispositifs eux-mêmes. Il exclut les baies de redondance et de fiabilité (RAID et fiabilité du stockage) et les logiciels de système de fichiers qui les surmontent (systèmes de fichiers).

Core questions

• Qu'est-ce qui détermine la latence et le débit d'un disque dur magnétique ?
• En quoi le stockage SSD basé sur la mémoire flash diffère-t-il du disque magnétique en termes de comportement et de performances ?
• Pourquoi les disques SSD ont-ils besoin d'une couche de traduction flash et d'une égalisation de l'usure ?
• Comment les caractéristiques des périphériques de stockage influencent-elles la conception des systèmes et des logiciels ?

Key concepts

• géométrie du disque magnétique (pistes, secteurs, cylindres)
• temps de recherche (seek time) et latence rotationnelle
• ordonnancement des disques
• mémoire flash NAND et disques SSD
• couche de traduction flash (Flash Translation Layer)
• égalisation de l'usure (wear leveling)
• débit et latence
• persistance et non-volatilité

Mechanisms

Un disque magnétique stocke les données sur des plateaux en rotation ; l'accès nécessite de déplacer la tête vers la bonne piste (temps de recherche ou 'seek') et d'attendre que le secteur tourne en dessous (latence rotationnelle), de sorte que l'ordonnancement des disques réorganise les requêtes pour réduire le mouvement de la tête. Un disque SSD stocke les données dans de la mémoire flash NAND, qui est lue et écrite par pages mais effacée par blocs plus grands et s'use à l'usage ; une couche de traduction flash (Flash Translation Layer) mappe les adresses logiques aux pages physiques et effectue l'égalisation de l'usure (wear leveling) et le nettoyage de la mémoire (garbage collection).

Clinical relevance

Les caractéristiques des périphériques de stockage dominent souvent la performance des systèmes gourmands en données. La transition des disques mécaniques vers les disques SSD a considérablement réduit la latence d'accès et a remodelé la conception des bases de données, des systèmes de fichiers et des systèmes d'exploitation, tandis que le comportement distinct de la mémoire flash — effacement avant écriture, usure et nettoyage de la mémoire — continue d'influencer la manière dont les logiciels de stockage sont conçus.

History

Le disque dur magnétique, introduit par IBM en 1956, a dominé le stockage secondaire pendant un demi-siècle, s'améliorant constamment en densité et en coût. La mémoire flash NAND, commercialisée à partir de la fin des années 1980, a permis le développement des disques SSD qui ont supplanté les disques durs dans de nombreux rôles à partir des années 2000, échangeant un coût par bit plus élevé contre une latence bien plus faible et l'absence de pièces mobiles.

Key figures

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

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

Pourquoi les disques SSD sont-ils plus rapides que les disques durs ?

Les disques durs doivent déplacer mécaniquement une tête et attendre la rotation des plateaux, ce qui entraîne des latences de l'ordre de la milliseconde. Les disques SSD accèdent à la mémoire flash électroniquement sans pièces mobiles, de sorte que leur latence est bien plus faible et qu'ils gèrent bien mieux l'accès aléatoire, bien qu'ils soient plus coûteux par octet.

Qu'est-ce que l'égalisation de l'usure ?

Les cellules de mémoire flash ne peuvent supporter qu'un nombre limité de cycles d'effacement-écriture. L'égalisation de l'usure répartit les écritures uniformément sur toutes les cellules, via la couche de traduction flash, afin qu'aucune région ne s'use prématurément, prolongeant ainsi la durée de vie utile d'un disque SSD.