辅助存储设备

辅助存储设备——磁性硬盘和基于闪存的固态硬盘——将数据持久地存储在主内存之外，它们具有截然不同的性能特征，这些特征决定了系统存储和访问信息的方式。

Definition

辅助存储设备是非易失性存储介质——主要是磁性硬盘驱动器和闪存固态驱动器——用于在断电后持久保留数据，与主内存相比，它们提供更大的容量，但成本更低，速度也更慢。

Scope

本主题涵盖持久性存储的技术和性能：磁性磁盘的几何结构、寻道和旋转延迟以及磁盘调度；NAND闪存和固态硬盘，包括它们的访问行为、磨损和闪存转换层；以及这些特性如何影响系统设计。它主要关注设备本身。它不包括冗余和可靠性阵列（RAID和存储可靠性）以及其上的文件系统软件（文件系统）。

Core questions

• 磁性硬盘的延迟和吞吐量由什么决定？
• 基于闪存的固态存储在行为和性能上与磁性硬盘有何不同？
• 为什么固态硬盘需要闪存转换层和磨损均衡？
• 存储设备特性如何影响系统和软件设计？

Key concepts

• 磁性磁盘几何结构（磁道、扇区、柱面）
• 寻道时间和旋转延迟
• 磁盘调度
• NAND闪存和固态硬盘
• 闪存转换层
• 磨损均衡
• 吞吐量和延迟
• 持久性和非易失性

Mechanisms

磁性磁盘将数据存储在旋转的盘片上；访问数据需要将磁头移动到正确的磁道（寻道），并等待扇区旋转到磁头下方（旋转延迟），因此磁盘调度会重新安排请求以减少磁头移动。固态硬盘将数据存储在NAND闪存中，数据以页为单位进行读写，但以更大的块为单位进行擦除，并且会随着使用而磨损；闪存转换层将逻辑地址映射到物理页，并执行磨损均衡和垃圾回收。

Clinical relevance

存储设备的特性通常主导着数据密集型系统的性能。从机械硬盘到固态硬盘的转变极大地降低了访问延迟，并重塑了数据库、文件系统和操作系统的设计，而闪存独特的行为——先擦除后写入、磨损和垃圾回收——继续影响着存储软件的构建方式。

History

磁性硬盘由IBM于1956年推出，在半个世纪中一直主导着辅助存储领域，其密度和成本稳步提升。NAND闪存于1980年代末商业化，使得固态硬盘得以出现，从2000年代起在许多领域取代了硬盘，以更高的每比特成本换取了更低的延迟和无机械部件的优势。

Key figures

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

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

为什么固态硬盘比硬盘快？

硬盘必须机械地移动磁头并等待盘片旋转，这会产生毫秒级的延迟。固态硬盘通过电子方式访问闪存，没有移动部件，因此其延迟要低得多，并且在随机访问方面表现更好，尽管它们的每字节成本更高。

什么是磨损均衡？

闪存单元只能承受有限次数的擦写循环。磨损均衡通过闪存转换层将写入操作均匀地分布到所有单元上，从而避免任何区域过早磨损，延长固态硬盘的使用寿命。