อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลสำรอง
อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลสำรอง — ฮาร์ดดิสก์แบบแม่เหล็กและโซลิดสเตตไดรฟ์แบบแฟลช — เก็บข้อมูลอย่างถาวรภายนอกหน่วยความจำหลัก โดยมีลักษณะประสิทธิภาพที่แตกต่างกันอย่างมาก ซึ่งกำหนดวิธีการที่ระบบจัดเก็บและเข้าถึงข้อมูล
Definition
อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลสำรองคือสื่อจัดเก็บข้อมูลแบบไม่ลบเลือน — โดยหลักคือฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์แบบแม่เหล็กและโซลิดสเตตไดรฟ์แบบแฟลช — ที่ใช้ในการเก็บรักษาข้อมูลอย่างถาวรแม้จะมีการปิดเปิดเครื่อง ให้ความจุขนาดใหญ่ในราคาที่ต่ำกว่าและความเร็วที่ต่ำกว่าหน่วยความจำหลัก
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมเทคโนโลยีและประสิทธิภาพของการจัดเก็บข้อมูลแบบถาวร: รูปทรงเรขาคณิตของดิสก์แม่เหล็ก, เวลาในการค้นหาและเวลาแฝงจากการหมุน, และการจัดตารางการทำงานของดิสก์; แฟลช NAND และโซลิดสเตตไดรฟ์ รวมถึงพฤติกรรมการเข้าถึง, การสึกหรอ, และชั้นการแปลแฟลช; และผลกระทบของลักษณะเหล่านี้ต่อการออกแบบระบบ โดยจะกล่าวถึงตัวอุปกรณ์เอง ไม่รวมถึงอาร์เรย์สำรองและความน่าเชื่อถือ (RAID และความน่าเชื่อถือของการจัดเก็บข้อมูล) และซอฟต์แวร์ระบบไฟล์ที่อยู่เหนือกว่า (ระบบไฟล์)
Core questions
- อะไรเป็นตัวกำหนดเวลาแฝงและปริมาณงานของฮาร์ดดิสก์แม่เหล็ก?
- การจัดเก็บข้อมูลแบบโซลิดสเตตที่ใช้แฟลชแตกต่างจากดิสก์แม่เหล็กในด้านพฤติกรรมและประสิทธิภาพอย่างไร?
- เหตุใดโซลิดสเตตไดรฟ์จึงต้องการชั้นการแปลแฟลชและการปรับระดับการสึกหรอ?
- ลักษณะของอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลมีอิทธิพลต่อการออกแบบระบบและซอฟต์แวร์อย่างไร?
Key concepts
- รูปทรงเรขาคณิตของดิสก์แม่เหล็ก (แทร็ก, เซกเตอร์, ไซลินเดอร์)
- เวลาในการค้นหาและเวลาแฝงจากการหมุน
- การจัดตารางการทำงานของดิสก์
- แฟลช NAND และโซลิดสเตตไดรฟ์
- ชั้นการแปลแฟลช
- การปรับระดับการสึกหรอ
- ปริมาณงานและเวลาแฝง
- ความคงทนและไม่ลบเลือน
Mechanisms
ดิสก์แม่เหล็กเก็บข้อมูลบนจานหมุน การเข้าถึงต้องมีการเคลื่อนหัวอ่านไปยังแทร็กที่ถูกต้อง (seek) และรอให้เซกเตอร์หมุนมาอยู่ใต้หัวอ่าน (rotational latency) ดังนั้นการจัดตารางการทำงานของดิสก์จึงจัดเรียงลำดับคำขอใหม่เพื่อลดการเคลื่อนที่ของหัวอ่าน โซลิดสเตตไดรฟ์เก็บข้อมูลในแฟลช NAND ซึ่งอ่านและเขียนเป็นหน้า แต่ลบเป็นบล็อกที่ใหญ่กว่าและสึกหรอจากการใช้งาน ชั้นการแปลแฟลชจะแมปแอดเดรสเชิงตรรกะไปยังหน้าทางกายภาพ และดำเนินการปรับระดับการสึกหรอและการเก็บขยะ
Clinical relevance
ลักษณะของอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลมักจะส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบที่เน้นข้อมูล การเปลี่ยนจากดิสก์เชิงกลมาเป็นโซลิดสเตตไดรฟ์ช่วยลดเวลาแฝงในการเข้าถึงลงอย่างมาก และปรับเปลี่ยนการออกแบบฐานข้อมูล ระบบไฟล์ และระบบปฏิบัติการ ในขณะที่พฤติกรรมที่แตกต่างกันของแฟลช — การลบก่อนเขียน, การสึกหรอ, และการเก็บขยะ — ยังคงมีอิทธิพลต่อวิธีการสร้างซอฟต์แวร์จัดเก็บข้อมูล
History
ฮาร์ดดิสก์แม่เหล็ก ซึ่ง IBM เปิดตัวในปี 1956 ได้ครองตลาดอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลสำรองมานานครึ่งศตวรรษ โดยมีการพัฒนาความหนาแน่นและต้นทุนอย่างต่อเนื่อง หน่วยความจำแฟลช NAND ซึ่งเริ่มจำหน่ายเชิงพาณิชย์ตั้งแต่ปลายทศวรรษ 1980 ทำให้เกิดโซลิดสเตตไดรฟ์ที่เข้ามาแทนที่ดิสก์ในหลายบทบาทตั้งแต่ทศวรรษ 2000 เป็นต้นมา โดยแลกมาด้วยต้นทุนต่อบิตที่สูงขึ้นเพื่อเวลาแฝงที่ต่ำกว่ามากและไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว
Key figures
- John L. Hennessy
- David A. Patterson
- Bruce Jacob
Related topics
Seminal works
- hennessy2019
- jacob2008
Frequently asked questions
- เหตุใดโซลิดสเตตไดรฟ์จึงเร็วกว่าฮาร์ดดิสก์?
- ฮาร์ดดิสก์ต้องเคลื่อนหัวอ่านด้วยกลไกและรอให้จานหมุน ซึ่งทำให้เกิดเวลาแฝงเป็นมิลลิวินาที โซลิดสเตตไดรฟ์เข้าถึงแฟลชด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์โดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ดังนั้นเวลาแฝงจึงต่ำกว่ามากและสามารถจัดการการเข้าถึงแบบสุ่มได้ดีกว่ามาก แม้ว่าจะมีราคาต่อไบต์แพงกว่าก็ตาม
- การปรับระดับการสึกหรอคืออะไร?
- เซลล์หน่วยความจำแฟลชสามารถทนต่อรอบการลบ-เขียนได้จำกัด การปรับระดับการสึกหรอจะกระจายการเขียนอย่างสม่ำเสมอทั่วทุกเซลล์ ผ่านชั้นการแปลแฟลช เพื่อไม่ให้บริเวณใดบริเวณหนึ่งสึกหรอก่อนเวลาอันควร ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของโซลิดสเตตไดรฟ์