Dispositivos de Armazenamento Secundário

Dispositivos de armazenamento secundário — discos rígidos magnéticos e unidades de estado sólido baseadas em flash — retêm dados persistentemente fora da memória principal, com características de desempenho muito diferentes que moldam a forma como os sistemas armazenam e acessam informações.

Definition

Dispositivos de armazenamento secundário são mídias de armazenamento não voláteis — principalmente discos rígidos magnéticos e unidades de estado sólido flash — usadas para reter dados persistentemente através de ciclos de energia, fornecendo grande capacidade a um custo e velocidade menores do que a memória principal.

Scope

Este tópico abrange as tecnologias e o desempenho do armazenamento persistente: geometria do disco magnético, tempo de busca (seek) e latência rotacional, e escalonamento de disco; flash NAND e unidades de estado sólido, incluindo seu comportamento de acesso, desgaste e a camada de tradução de flash; e como essas características afetam o design do sistema. Ele trata dos próprios dispositivos. Exclui arranjos de redundância e confiabilidade (RAID e confiabilidade de armazenamento) e o software de sistema de arquivos acima deles (sistemas de arquivos).

Core questions

• O que determina a latência e a taxa de transferência de um disco rígido magnético?
• Como o armazenamento de estado sólido baseado em flash difere do disco magnético em comportamento e desempenho?
• Por que as unidades de estado sólido precisam de uma camada de tradução de flash e nivelamento de desgaste (wear leveling)?
• Como as características dos dispositivos de armazenamento influenciam o design do sistema e do software?

Key concepts

• geometria do disco magnético (trilhas, setores, cilindros)
• tempo de busca (seek time) e latência rotacional
• escalonamento de disco
• flash NAND e unidades de estado sólido
• camada de tradução de flash
• nivelamento de desgaste (wear leveling)
• taxa de transferência (throughput) e latência
• persistência e não volatilidade

Mechanisms

Um disco magnético armazena dados em pratos giratórios; o acesso requer mover a cabeça para a trilha correta (seek) e esperar que o setor gire para debaixo (latência rotacional), então o escalonamento de disco reordena as requisições para reduzir o movimento da cabeça. Uma unidade de estado sólido armazena dados em flash NAND, que é lido e gravado em páginas, mas apagado em blocos maiores e se desgasta com o uso; uma camada de tradução de flash mapeia endereços lógicos para páginas físicas e realiza nivelamento de desgaste (wear leveling) e coleta de lixo (garbage collection).

Clinical relevance

As características dos dispositivos de armazenamento frequentemente dominam o desempenho de sistemas intensivos em dados. A transição de discos mecânicos para unidades de estado sólido reduziu drasticamente a latência de acesso e remodelou o design de bancos de dados, sistemas de arquivos e sistemas operacionais, enquanto o comportamento distinto do flash — apagar antes de gravar, desgaste e coleta de lixo — continua a influenciar como o software de armazenamento é construído.

History

O disco rígido magnético, introduzido pela IBM em 1956, dominou o armazenamento secundário por meio século, melhorando constantemente em densidade e custo. A memória flash NAND, comercializada a partir do final da década de 1980, possibilitou unidades de estado sólido que substituíram os discos em muitas funções a partir dos anos 2000, trocando um custo por bit mais alto por uma latência muito menor e sem partes móveis.

Key figures

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

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

Por que as unidades de estado sólido são mais rápidas que os discos rígidos?

Discos rígidos precisam mover mecanicamente uma cabeça e esperar que os pratos girem, incorrendo em milissegundos de latência. As unidades de estado sólido acessam o flash eletronicamente sem partes móveis, então sua latência é muito menor e elas lidam muito melhor com acesso aleatório, embora sejam mais caras por byte.

O que é nivelamento de desgaste (wear leveling)?

As células de memória flash podem suportar apenas um número limitado de ciclos de apagamento-gravação. O nivelamento de desgaste distribui as gravações uniformemente por todas as células, através da camada de tradução de flash, para que nenhuma região se desgaste prematuramente, estendendo a vida útil de uma unidade de estado sólido.