Устройства вторичного хранения данных

Устройства вторичного хранения данных — магнитные жесткие диски и твердотельные накопители на основе флеш-памяти — постоянно хранят данные вне основной памяти, обладая очень разными характеристиками производительности, которые определяют способы хранения и доступа к информации в системах.

Definition

Устройства вторичного хранения данных — это энергонезависимые носители информации — в основном магнитные жесткие диски и твердотельные накопители на основе флеш-памяти — используемые для постоянного сохранения данных при отключении питания, обеспечивающие большую емкость при более низкой стоимости и более низкой скорости по сравнению с основной памятью.

Scope

Эта тема охватывает технологии и производительность постоянных запоминающих устройств: геометрию магнитных дисков, время поиска и задержку вращения, а также планирование дисковых операций; NAND-флеш-память и твердотельные накопители, включая их поведение при доступе, износ и уровень трансляции флеш-памяти; а также то, как эти характеристики влияют на проектирование систем. Она рассматривает сами устройства. Исключаются массивы избыточности и надежности (RAID и надежность хранения) и файловое программное обеспечение над ними (файловые системы).

Core questions

• Что определяет задержку и пропускную способность магнитного жесткого диска?
• Чем флеш-память твердотельных накопителей отличается от магнитных дисков по поведению и производительности?
• Почему твердотельным накопителям необходим уровень трансляции флеш-памяти и выравнивание износа?
• Как характеристики устройств хранения данных влияют на проектирование систем и программного обеспечения?

Key concepts

• геометрия магнитного диска (дорожки, секторы, цилиндры)
• время поиска и задержка вращения
• планирование дисковых операций
• NAND-флеш-память и твердотельные накопители
• уровень трансляции флеш-памяти
• выравнивание износа
• пропускная способность и задержка
• постоянство и энергонезависимость

Mechanisms

Магнитный диск хранит данные на вращающихся пластинах; доступ требует перемещения головки к нужной дорожке (поиск) и ожидания, пока сектор повернется под ней (задержка вращения), поэтому планирование дисковых операций переупорядочивает запросы для уменьшения движения головки. Твердотельный накопитель хранит данные в NAND-флеш-памяти, которая читается и записывается страницами, но стирается более крупными блоками и изнашивается при использовании; уровень трансляции флеш-памяти сопоставляет логические адреса с физическими страницами и выполняет выравнивание износа и сборку мусора.

Clinical relevance

Характеристики устройств хранения данных часто определяют производительность систем, интенсивно работающих с данными. Переход от механических дисков к твердотельным накопителям значительно сократил задержку доступа и изменил дизайн баз данных, файловых систем и операционных систем, в то время как отличительное поведение флеш-памяти — стирание перед записью, износ и сборка мусора — продолжает влиять на то, как создается программное обеспечение для хранения данных.

History

Магнитный жесткий диск, представленный IBM в 1956 году, доминировал во вторичном хранении данных на протяжении полувека, постоянно улучшаясь по плотности и стоимости. NAND-флеш-память, коммерциализированная с конца 1980-х годов, позволила создать твердотельные накопители, которые вытеснили диски во многих областях с 2000-х годов, обменивая более высокую стоимость за бит на гораздо меньшую задержку и отсутствие движущихся частей.

Key figures

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

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

Почему твердотельные накопители быстрее жестких дисков?

Жесткие диски должны механически перемещать головку и ждать вращения пластин, что приводит к задержкам в миллисекундах. Твердотельные накопители получают доступ к флеш-памяти электронным способом без движущихся частей, поэтому их задержка намного ниже, и они гораздо лучше справляются со случайным доступом, хотя они дороже за байт.

Что такое выравнивание износа?

Ячейки флеш-памяти выдерживают лишь ограниченное количество циклов стирания-записи. Выравнивание износа равномерно распределяет записи по всем ячейкам через уровень трансляции флеш-памяти, чтобы ни одна область не изнашивалась преждевременно, продлевая срок службы твердотельного накопителя.