Эволюция запоминающих устройств l Перфокарты и перфоленты l

Эволюция запоминающих устройств l Перфокарты (и перфоленты l Магнитные ленты (и кассеты)

Эволюция запоминающих устройств l 8 -ми дюймовый гибкий диск объемом 800 кбайт Магнитные диски (и винчестеры) 3, 5 дюймовый гибкий диск объемом 1, 4 Мбайт

Эволюция запоминающих устройств l CD- и DVD- диски Диаметр первых CDдисков 12 см. Емкость от 650 до 700 мегабайт Емкость DVD-дисков от 4, 7 Гигабайт l Флеш-карты

Устройство жесткого диска Алюминиевые или стекловидные пластины, покрытые магнитным слоем Головка чтения/записи Содержит индукционную катушку Двигается на воздушной подушке Диаметр пластин 50 см 12 см 3 см …

Что такое домен l Магнитный домен (от лат. dominium — владение) — это макроскопическая однородно намагниченная область в ферромагнитных образцах, отделенная от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами) Распределение векторов электромагнитной индукции в доменах ферромагнетиков

Электромагнитное поле l l Переменное электрическое поле порождает магнитное поле. И наоборот Переменное магнитное поле порождает электрическое Изменение направления магнитного потока в обмотке головки чтения/записи

Как производится запись? l l При подаче переменного электрического тока на катушку головки возникает переменное магнитное поле. Возникшее магнитное поле из зазора головки действует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности домена

Как производится считывание? l При перемещении головки изменение магнитного потока приводит к появлению переменного электрического сигнала

Еще раз устройство винчестера l Каждая поверхность разбита на дорожки l Каждая дорожка разбита на секторы l Каждый диск имеет две поверхности

Объем жесткого диска? l Первый HDD емкостью 5 Мбайт: l l 50 дисков диаметром 24 дюйма, вращавшихся со скоростью 1200 об/мин. Среднее время доступа к произвольной ячейке ~ 1 с, плотность – 2 кбит на кв. дюйм. Размер сравним с двумя современными двухкамерными холодильниками. 971 кг

На текущий момент l l l l Компания HGST (ранее Hitachi Global Storage Technologies, сейчас - подразделение Western Digital) анонсировала выпуск самого емкого на данный момент накопителя на жестких магнитных дисках с частотой вращения шпинделя 10 000 об/мин. Объем Ultrastar C 10 K 1200 = 1, 2 ТБ. Типоразмер 2, 5 дюйма; Интерфейс SAS 6 Гбит/с; буфер 64 МБ. Ср. время наработки на отказ 2 млн. часов. Гидродинамические подшипники и технологии защиты от ротационных вибраций (Rotational Vibration Safeguard, RVS). Система управления энергопотреблением HGST Advanced Power Management с многоступенчатым режимом ожидания = 5 Вт.

Тенденции развития l l l Увеличение объема хранимой информации Уменьшение физического объема Увеличение скорости доступа

Увеличение плотности записи На диске записано 20 Гбайт На диске записано 160 Гбайт Поверхность чистого магнитного диска От первых винчестеров плотность записи на пластины возросла более чем в 60 миллионов раз!

Увеличение плотности записи Невозможно бесконечно увеличивать плотность записи – надо менять технологию

Продольная и поперечная запись на диск l Продольная запись позволяет записать ~23 Гбит на см. кв. или (по иным источникам) ~120 Гбит/дюйм 2 см. кв. или

Продольная и поперечная запись на диск l Поперечная запись (появилась ~ 2005 год) – более 60 Гбит на см. кв. l Прогнозируемый предел ~500 предел Гбит/дюйм 2

Термоассистируемая магнитная запись l l Уменьшение размера магнитной области за счет предварительного нагрева с помощью лазера При кратковременном (1 пикосекунда) нагреве участка, на который производится запись, до 100 градусов Цельсия магнитные частицы получают больше энергии Головке записи не нужно генерировать поле большой напряженности. После записи в записываемом слое оказываются частицы с большей энергетикой, а это означает повышенную стабильность.

Термоассистируемая магнитная запись l l l Метод тепловой магнитной записи– более 150 Гбит на см. кв. На рынке до 2011 года не представлены Прогнозируемый предел 2, 3 – 7 Тбит на см. кв.

CNews, 20. 03. 12 l «Компания Seagate смогла на 55% увеличить плотность записи данных в жестком диске — до 1 Тбит на квадратный дюйм. Ожидается, что новая технология в течение ближайших 10 лет позволит создавать винчестеры емкостью до 60 ТБ. » Современные жесткие диски имеют плотность записи 620 Гбит на квадратный дюйм Технология HAMR позволит создавать винчестеры с плотностью 1 Тбит на квадратный дюйм Максимальная теоретическая плотность ~ 5 -20 Тбит на квадратный дюйм. l 3 ТБ (при 3, 5 -дюймовом форм-факторе) l 750 ГБ (с 2, 5 -дюймовым) l 6 ТБ (при 3, 5 -дюймовом форм-факторе) l 2 ТБ (с 2, 5 -дюймовым) l 30 -60 ТБ (при 3, 5 - дюймовом форм-факторе) l 10 -20 ТБ (с 2, 5 дюймовым)

l Структурированные носители l l l В современных накопителях каждый магнитный домен состоит из 70 -100 зерен Теоретически каждое зерно может хранить 1 бит На рынке не представлены Прогнозируемый предел десятки-сотни Тбит на см. кв

Организация данных на жестком диске l l Дорожки, секторы, цилиндры Поиск – перемещение головки 5 -10 мс Ожидание сектора 3 -6 мс Вращение диска 5 -10 тысяч оборотов в минуту (7200 -

Фрагмент дорожки диска (2 сектора) Размер сектора? l 512 байт l l Диск l Seagate: l 4 головки 306 цилиндров 17 секторов на дорожке 2 диска l l l Объем диска? l 10 Мбайт

Система Advanced Format l Май 2007 года: Размер сектора (не меняющийся на протяжении 30 лет 512 байт) планируется увеличить до 4 Кбайт l Увеличение полезной емкости накопителя примерно на 7– 10%. Увеличения быстродействия Целостность данных, благодаря применению системы исправления ошибок с более длинными кодовыми словами ECC. l l

Проблемы жестких дисков Скорость доступа к данным l l l Надежность RAID - Redundant Array of Independent Disks — избыточный массив независимых дисков (Изначально Redundant Array of Inexpensive Disks — избыточный массив недорогих дисков) Винчестеры в RAID-массиве должны быть одинаковыми

RAID-0 l Raid 0 (Дисковый массив без отказоустойчивости (Striped Disk Array without Fault Tolerance)) l l l При чтении данных, скорость чтения возрастёт в <количество дисков> раза При сгорании одного винчестера теряется вся информация. Объём массива равен сумме объёмов винчестеров.

RAID-1 l Raid 1 (Дисковый массив с зеркалированием (Mirroring & Duplexing)) l l l Применяют в серверах баз данных. Необходимо строго чётное количество дисков. В случае сбоя одного диска, диск заменяется, контролёр автоматически восстановливает информацию на нём. Увеличения скорости нет. Замедление возможно Объём массива равен объёму одного винчестера.

RAID-5 l Raid 5 (Отказоустойчивый массив независимых дисков с распределенной четностью (Independent Data Disks with Distributed Parity Blocks)) l 1 1 0 0 Полезная емкость массива из N дисков равна суммарной емкости N– 1 диска

Флэш-память l l l Перезаписываемая ПЗУ Энергонезависимая (не требует энергии для хранения данных; энергия требуется только для записи). Полупроводниковая (твердотельная) – не содержащая механически движущихся частей, построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip) Обгоняет по скорости работы жесткие диски на ~2 порядка ограниченное число циклов перезаписи (от 10 000 до 1 000) 300. 000 - 500. 000 операций стирания/ записи в одну и ту же ячейку

Флеш-память l l Флеш память: шарик который закатили на небольшой пригорок. Затратив энергию шарик можно закатить на верх или сбросить вниз Без энергии шарик лежит Вместо шарика - электрон, а вместо горки - область полупроводника

Структурная схема транзистора с плавающим затвором l Обозначение на схеме Поместить заряд на плавающий затвор (процесс записи) можно методом инжекции горячих электронов (CHE-Channel Hot Electrons) или методом туннелирования Фаулера. Нордхейма.

Чтение из ячейки флеш-памяти l Подача положительного напряжения на управляющий затвор открывает транзистор При наличии на плавающем затворе избыточного отрицательного заряда управляющее поле затвора компенсируется отрицательным зарядом

Запись/стирание информации ячейки флеш-памяти

Устройство флеш-памяти l l Заряд плавающего затвора у однобитного транзистора меньше 5000 электронов - ячейка хранит логическую "1" Заряд больше 30000 электронов, то – "0" Одна ячейка может хранить не один бит, а два (4 уровня заряда)…

Два типа ячеек флеш-памяти l q 0 1 l t MLC (Multi-level cell - многоуровневые ячейки памяти)ячейки более емкие и дешевые, но они с большим временем доступа и меньшим количеством циклов записи/стирания (около 10000). SLC (Single-level cell - одноуровневые ячейки памяти) ячейки имеет максимальное количество циклов записи/стирания(100000) и обладают меньшим временем доступа. q 00 01 10 11 t

Твердотельные винчестеры l Твердотельный накопитель (solid state hard drive, SSD)

SSD: преимущества l l l l Быстрый доступ к любым случайным данным: нет необходимости механического перемещения головок, Отсюда следует некритичность твердотельных накопителей к фрагментации файлов Нет движущихся частей – нет шума в работе Также повышенная механическая надёжность Низкое энергопотребление и нагрев (при небольшой ёмкости; при высоких емкостях преимущество теряется) Небольшой вес и габариты. (Справедливо для относительно малых объёмов памяти SSD, менее 256 Гб) Высокая стойкость к экстремальным условиям, что актуально для ноутбуков и других мобильных устройств.

SSD: недостатки l l l Высокая цена. (Со временем должна снизится) По ёмкости устройства SSD пока уступают жёстким дискам. Уязвимы для статического электричества, сильных магнитных полей, критичны к сбоям в питании. Особенности флеш-памяти: стирание информации требует повышенных токов, что снижает скорость перезаписи по сравнению с чтением. Ограничение на число циклов перезаписи для SSD на базе флэш-памяти. Отчасти компенсируется применением алгоритмов равномерного износа.

Гибридные жесткие диски l l Совмещение HDD и SSD небольшого объема (4 ГБ), который используется в качестве кэш-памяти второго уровня. Принцип работы: анализ часто используемых данных, размешенных на HDD и перенос их в память встроенного SSDнакопителя для повышения скорости чтения при последующих обращениях пользователя к ним.

Тест проверки производительности компьютеров

Сравнение производительности SSD и гибридного диска

CD-диски: История l l l l l 1970 год, Philips, стекло 1979 год, поликарбонат 600 Мбайт Диаметр 12 см Толщина 1, 2 мм Масса 10 г 74 минуты звучания ~ 650 Мбайт информации Запись на одну сторону Односкоростной CD-привод 150 Кбайт/сек

CD-диски l l l Поликарбонатный диск Слой алюминия Лаковый защитный слой

Структура данных на CD-диске Длина записывающей дорожки ~5 км l Девятая соната Бетховена l

Запись и чтение данных на CD -диск

DVD-диски l l l 1996 год Digital Versatile Disc (цифровой многоцелевой диск) Digital Video Disc (цифровой видиодиск) Однослойные 4, 7 Гбайт Двуслойные 8, 5 Гбайт Двусторонний однослойный 9, 4 Гбайт

DVD-диски: типы и объемы l l l Двусторонний однослойный 9, 4 Гбайт Однослойные 4, 7 Гбайт Двуслойные 8, 5 Гбайт

R (Recordable) и RW ( (Re. Writable) диски На основу наносится активный (или регистрирующий) слой R : регистрирующий слой из органического материала l При записи разрушаются химические связи материала, что приводит к его потемнению (изменению коэффициента отражения материала). RW регистрирующий слой под воздействием луча меняет свое состояние l запись осуществляется изменением коэффициента отражения материала в результате его перехода из аморфного агрегатного состояния в кристаллическое и наоборот. И в том и в другом случае запись производится модуляцией мощности лазера. l

Особенности -RW дисков l l l На чистом диске CD-RW регистрирующий слой находится в кристаллической форме. Запись: Мощный луч записывающего лазера разогревает участок поверхности, диск остывает, часть активного слоя переходит в аморфную форму. Стирание информации (возврат вещества активного слоя в кристаллическое состояние): нагрев до меньшей температуры (менее интенсивным лучом). Около 1000 циклов перезаписи Особенность аморфных веществ кристаллизоваться со временем: через несколько лет запись будет утеряна. Диски могут быть стерты простым нагреванием.

HD DVD-диски и Blu-ray l l 2000 -2002 гг HD-DVD и Blu-ray используют 405 нм лазерный луч для чтения и записи информации на диск 2006 -2008 Война форматов 2008 Blu-ray

HD DVD l l до 8 часов видеоинформации высокого разрешения, возможность обычных DVD – максимум 2, 6 часов записи высокого разрешения. HD-DVD с одной записывающей стороной - 15 Гбайт HD-DVD двухсторонний - до 30 Гбайт

Blu-ray l l Односторонний – до 25 Гбайт Двухсторонний - до 50 Гбайт l Слой записи информации находится сверху l Уменьшается преломление лазерного луча Питы могут находиться ближе друг к другу l l Требуется защита: наносится прозрачное пленочное покрытие толщиной 0, 1 мм из поликарбоната (свойство очень низкого двойного лучепреломления ), сверху - твердое покрытие.

Blu-ray l l Односторонний – до 25 Гбайт Двухсторонний - до 50 Гбайт l Слой записи информации находится сверху l Уменьшается преломление лазерного луча Питы могут находиться ближе друг к другу l l Требуется защита: наносится прозрачное пленочное покрытие толщиной 0, 1 мм из поликарбоната (свойство очень низкого двойного лучепреломления ), сверху - твердое покрытие.

2010 г. l Ассоциация Blu-ray Disc Association (BDA) опубликовала две новые спецификации форматов дисков: l одноразовых и перезаписываемых дисков высокой емкости BDXL (High Capacity Recordable and Rewritable Discs); предназначается для надежного хранения и резервирования больших объемов данных. Емкость 128 и 100 Гб для одноразовых дисков, и 100 Гб для перезаписываемых дисков достигается благодаря использованию трех-четырех записываемых информационных слоев. l гибридных дисков IH-BD (Intra-Hybrid Blu-ray Disc): включают в свою структуру один слой с одноразовой записью и один перезаписываемый слой. Каждый слой будет иметь емкость 25 Гб.