Thiết bị lưu trữ thứ cấp

Các thiết bị lưu trữ thứ cấp — ổ đĩa cứng từ tính và ổ đĩa thể rắn dựa trên bộ nhớ flash — lưu giữ dữ liệu một cách bền vững bên ngoài bộ nhớ chính, với các đặc tính hiệu suất rất khác nhau, định hình cách các hệ thống lưu trữ và truy cập thông tin.

Definition

Thiết bị lưu trữ thứ cấp là phương tiện lưu trữ không bay hơi — chủ yếu là ổ đĩa cứng từ tính và ổ đĩa thể rắn flash — được sử dụng để duy trì dữ liệu một cách bền vững qua các chu kỳ cấp điện, cung cấp dung lượng lớn với chi phí thấp hơn và tốc độ thấp hơn so với bộ nhớ chính.

Scope

Chủ đề này bao gồm các công nghệ và hiệu suất của bộ nhớ bền vững: hình học đĩa từ, thời gian tìm kiếm và độ trễ quay, và lập lịch đĩa; bộ nhớ flash NAND và ổ đĩa thể rắn, bao gồm hành vi truy cập, độ hao mòn và lớp dịch flash; và cách các đặc tính này ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống. Nó đề cập đến bản thân các thiết bị. Nó không bao gồm các mảng dự phòng và độ tin cậy (RAID và độ tin cậy lưu trữ) và phần mềm hệ thống tệp phía trên chúng (hệ thống tệp).

Core questions

• Điều gì quyết định độ trễ và thông lượng của một ổ đĩa cứng từ tính?
• Bộ nhớ thể rắn dựa trên flash khác với đĩa từ về hành vi và hiệu suất như thế nào?
• Tại sao ổ đĩa thể rắn cần lớp dịch flash và cân bằng hao mòn?
• Các đặc tính của thiết bị lưu trữ ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống và phần mềm như thế nào?

Key concepts

• hình học đĩa từ (rãnh, sector, cylinder)
• thời gian tìm kiếm và độ trễ quay
• lập lịch đĩa
• bộ nhớ flash NAND và ổ đĩa thể rắn
• lớp dịch flash
• cân bằng hao mòn
• thông lượng và độ trễ
• tính bền vững và không bay hơi

Mechanisms

Một đĩa từ lưu trữ dữ liệu trên các đĩa quay; việc truy cập yêu cầu di chuyển đầu đọc đến đúng rãnh (tìm kiếm) và chờ sector quay đến vị trí dưới đầu đọc (độ trễ quay), do đó việc lập lịch đĩa sắp xếp lại các yêu cầu để giảm chuyển động của đầu đọc. Một ổ đĩa thể rắn lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ flash NAND, được đọc và ghi theo trang nhưng bị xóa theo các khối lớn hơn và bị hao mòn theo thời gian sử dụng; một lớp dịch flash ánh xạ các địa chỉ logic tới các trang vật lý và thực hiện cân bằng hao mòn và thu gom rác.

Clinical relevance

Các đặc tính của thiết bị lưu trữ thường chi phối hiệu suất của các hệ thống chuyên sâu về dữ liệu. Sự chuyển đổi từ đĩa cơ sang ổ đĩa thể rắn đã giảm đáng kể độ trễ truy cập và định hình lại thiết kế cơ sở dữ liệu, hệ thống tệp và hệ điều hành, trong khi hành vi đặc biệt của bộ nhớ flash — xóa trước khi ghi, hao mòn và thu gom rác — tiếp tục ảnh hưởng đến cách phần mềm lưu trữ được xây dựng.

History

Ổ đĩa cứng từ tính, được IBM giới thiệu vào năm 1956, đã thống trị bộ nhớ thứ cấp trong nửa thế kỷ, liên tục cải thiện về mật độ và chi phí. Bộ nhớ flash NAND, được thương mại hóa từ cuối những năm 1980, đã cho phép các ổ đĩa thể rắn thay thế đĩa trong nhiều vai trò từ những năm 2000 trở đi, đánh đổi chi phí cao hơn trên mỗi bit để có độ trễ thấp hơn nhiều và không có bộ phận chuyển động.

Key figures

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

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

Tại sao ổ đĩa thể rắn nhanh hơn ổ đĩa cứng?

Ổ đĩa cứng phải di chuyển cơ học một đầu đọc và chờ các đĩa quay, gây ra độ trễ hàng mili giây. Ổ đĩa thể rắn truy cập flash điện tử mà không có bộ phận chuyển động, do đó độ trễ của chúng thấp hơn nhiều và chúng xử lý truy cập ngẫu nhiên tốt hơn nhiều, mặc dù chúng đắt hơn trên mỗi byte.

Cân bằng hao mòn là gì?

Các ô nhớ flash chỉ có thể chịu được một số chu kỳ xóa-ghi giới hạn. Cân bằng hao mòn phân bổ các lần ghi đều khắp các ô, thông qua lớp dịch flash, để không có vùng nào bị hao mòn sớm, kéo dài tuổi thọ sử dụng của ổ đĩa thể rắn.