Какой накопитель используется для длительного энергонезависимого хранения файлов внутри пк
Обновлено: 02.07.2024
Долговременная (внешняя) память — это энергонезависимая память, предназначенная для длительного хранения информации.
Процессор не имеет прямого доступа к содержимому внешней памяти. Чтобы процессор мог обработать данные из долговременной памяти, они должны быть сначала загружены в оперативную память. В настоящее время к основным устройствам долговременной памяти относятся жесткие магнитные диски, накопители на оптических дисках, устройства флеш-памяти. Ранее для длительного хранения информации использовались также магнитные ленты, дискеты, магнито-оптические диски.
Основным устройством внешней памяти является жесткий магнитный диск (рисунок 1). Внутри жесткого диска находятся одна или несколько пластин, насаженных на общий шпиндель. Данные обычно записываются на обеих сторонах каждой пластины, хотя в некоторых жестких дисках производители наряду с двухсторонними пластинами могут использовать и односторонние. Запись и чтение информации осуществляются с помощью головок чтения/записи. Под пластинами располагается двигатель, который вращает их с достаточно большой скоростью. Скорость вращения пластин измеряется в оборотах в минуту (rpm). Первые жесткие диски имели скорость вращения 3600 rpm. В современных жестких дисках скорость вращения возросла до 7200, 10 000 и 15 000 оборотов в минуту.
Рисунок 1 - Жесткий диск
В процессе записи цифровая информация, хранящаяся в оперативной памяти, преобразуется в переменный электрический ток, который поступает на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Перед использованием жесткого диска необходимо выполнить операцию его форматирования.
Форматирование включает в себя три этапа.
1. Низкоуровневое форматирование диска. При этом процессе на жестком диске создаются физические структуры: дорожки, секторы, управляющая информация. Этот процесс выполняется заводом-изготовителем на пластинах, которые не содержат еще никакой информации.
2. Разбиение на разделы. Этот процесс разбивает жесткий диск на логические диски (С:, D: и т. д.). Эту функцию выполняет операционная система.
3. Высокоуровневое форматирование. Этот процесс также выполняется операционной системой и зависит от ее типа. При высокоуровневом форматировании создаются логические структуры, ответственные за правильное хранение файлов, а также, в некоторых случаях, системные загрузочные файлы в начале диска.
Жесткие диски изначально создавались в качестве внутренних устройств и не были предназначены для резервного копирования и переноса информации с одного компьютера на другой. Около 20 лет назад самым распространенным устройством, предназначенным для этих целей, были дискеты (гибкие магнитные диски). Однако их емкость по современным меркам была очень мала (1,44 Мбайт), поэтому на смену им пришли оптические диски CD (компакт-диски), позволяющие хранить достаточно большие объемы информации (650-800 Мбайт) и намного превосходящие дискеты по степени надежности. Для работы с компакт-дисками на компьютере необходимо наличие специального привода (оптического накопителя).
Обзор жесткого диска представлен на видео 1:
Обзор жесткого диска.MTS
Различают диски «только для чтения» (CD-ROM), изготавливаемые промышленным способом, для однократной записи (CD-R) и для многократной записи (CD-RW). Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих оптических накопителях. Все типы дисков имеют одинаковую структуру хранения информации. Данные с помощью луча красного лазера записываются на спиральную дорожку, идущую от центра диска к его периферии. Вдоль дорожки располагаются углубления, называемые питами (pit — «углубление»). На записываемых дисках питы имитируются темными пятнами специального регистрирующего слоя, получившимися в результате нагрева нужного участка лазером. Чередованием углублений и промежутков между ними и кодируется любая информация.
Диски DVD имеют более высокую плотность записи данных, чем CD-диски. Существуют диски, на которых запись информации производится в два слоя. В зависимости от указанных выше параметров DVD-диски могут иметь объем 4,7 Гб или 8,5 Гб. Все компакт-диски (и CD, и DVD) имеют одинаковую структуру хранения информации. Скорость чтения/записи оптических приводов измеряется в единицах, кратных базовой скорости (обозначается 16х, 24х, 48х и т. д.). Для приводов CD базовая скорость равна 150 Кб/с, для DVD — 1,385 Мб/с.
Blu-ray (Blu-ray Disc) является названием формата оптического диска следующего поколения. В Blu-Ray для записи и чтения данных вместо красного лазера, который используется в DVD и CD-ROM, применен синий лазер. У синего лазера длина волны значительно меньше длины волны красного лазера. Это позволяет сделать толщину дорожки данных тоньше, что приводит к значительному увеличению емкости носителя. Формат был разработан для обеспечения возможности записи, перезаписи и воспроизведения видео высокого разрешения (HD-video), а также для хранения больших объемов данных. Емкость нового формата — от 25 до 50 Гб.
По устройству флеш-память (flash-память) напоминает микросхему динамической энергозависимой памяти, в которой вместо конденсаторов в ячейках памяти установлены транзисторы. При подаче напряжения транзистор принимает одно из фиксированных положений — закрытое или открытое. Он остается в этом положении до тех пор, пока на него не будет подан новый электрический заряд, изменяющий его состояние. Таким образом, последовательность логических нулей и единиц формируется в этом типе памяти подобно статической памяти: закрытые для прохождения электрического тока ячейки распознаются как логические единицы, открытые — как логические нули.
USB flash drive (флеш-накопитель, рисунок 2) — устройство на основе флеш-памяти для хранения и переноса данных с одного компьютера на другой.
Компьютеры используют различные устройства хранения данных, которые разделяются по двум признакам: 1) сохраняются ли на них данные при отключении электропитания; 2) насколько далеко они находятся от процессора (ЦП). Оба типа хранилищ должны быть на всех компьютерах. В персональном компьютере память не сохраняет данные, когда электричество выключается, но, когда оно включается, память обеспечивает быстрый доступ к открытым файлам. Однако накопитель позволяет постоянно хранить данные, поэтому он доступен всегда при включении компьютера.
Энергозависимое и энергонезависимое хранилище
По первой классификации хранилища компьютерных данных делятся на энергозависимые и энергонезависимые хранилища. Примером энергозависимого хранилища является память (ОЗУ), которая хранит данные только до тех пор, пока на устройство подается электроэнергия. ОЗУ позволяет вашему компьютеру держать несколько файлов открытыми и мгновенно переключаться между ними. Еще один пример энергозависимых устройств хранения данных — это калькуляторы.
Энергонезависимое хранилище — это хранилище, которое сохраняет данные даже после отключения электричества, питающего устройство. Примером может служить жесткий диск (HDD) или твердотельный накопитель (SSD), который содержит все данные, сохраненные на вашем компьютере. Существуют и другие энергонезависимые хранилища, такие как DVD-диски или флеш-накопители. Подробнее о различиях между памятью и хранилищем читайте здесь.
Иерархия хранилищ
Устройства хранения компьютерных данных также классифицируются по тому, насколько они удалены от процессора или ЦП. Ближайшим хранилищем является оперативная память или ОЗУ. Это единственный вид хранилища данных, который напрямую обращается к ЦП. Память включает регистры процессора и кэш процессора, но они включены в модуль памяти.
Память — это энергозависимое хранилище, поэтому любая информация, которая поступает в память, должна быть записана на основное запоминающее устройство для долгосрочного хранения. Поскольку данные передаются из памяти на устройство хранения, оно считается вторичным хранилищем.
Для большинства персональных компьютеров основным устройством хранения данных является вторичное хранилище. На жестком диске или твердотельном диске хранятся все данные: файлы, фотографии, программы, музыка и фильмы, которые пользователь хочет сохранить. Съемные внешние устройства хранения данных, такие как флеш-накопители, CD и DVD-диски для чтения и записи, также являются вторичными хранилищами. Однако компьютер не может работать без накопителя. Накопитель также содержит всю информацию, которая необходима для запуска компьютера.
Третичное хранилище — это компьютерное хранилище данных, которое использует съемные носители, такие как ленточный накопитель, и робота для извлечения данных. Такой тип редко используется в персональных ПК.
Вывод
В общем случае жесткий диск или твердотельный накопитель обычно называют накопителем. Поскольку память энергозависима, ее трудно назвать устройством хранения. А так как персональные компьютеры редко используют третичные хранилища, накопитель является основным и часто единственным энергонезависимым устройством хранения данных на компьютере. Узнайте подробнее о различиях между жесткими дисками и твердотельными накопителями.
В сети ходит огромное количество мифов и слухов относительно надежности и сроков службы SSD дисков. Верить им или нет, действительно ли твердотельные накопители придется менять через 1–3 года, а то и быстрее? Разбираемся вместе.
Устройство NAND-памяти и почему она деградирует
В HDD используются магнитные диски — полностью энергонезависимая память. Проще говоря, единички и нолики хранятся как магнитные заряды на особом слое пластины. Сам по себе процесс размагничивания достаточно медленный, а повредить структуру зарядов можно только путем мощного магнитного воздействия.
Что самое главное, количество циклов изменения намагниченного заряда фактически не ограничено. Да, сектора со временем «летят», а движущиеся детали выходят из строя, но бояться каких-либо ограничений на перезапись пользователям не стоит.
Flash-память в свою очередь использует полупроводниковые элементы. Накопитель представляет собой обычную схему без движущихся элементов. Это дает массу преимуществ, но также вносит такой параметр, как ресурс памяти. В современных SSD применяется NAND-память: 2D или 3D. По сути, это набор ячеек, организованных в определенную структуру. Подробнее узнать про NAND-память вы можете из нашего материала.
Одна из главных характеристик NAND-памяти — гарантированное количество циклов перезаписи. После преодоления этого числа ячейки могут искажать информацию или просто отказывать. Причиной этому является сама структура полупроводникового элемента.
Заряд («1» или «0») хранится в плавающем затворе. Изменение выполняется путем приложения на затвор заданного напряжения, после чего электроны через слой диэлектрика проходят в одну или другую сторону.
Проблема заключается в том, что слои диэлектрика постепенно и неизбежно изнашиваются. Как итог — вся полупроводниковая структура нарушается, и ячейка теряет способность хранить биты информации. Параллельно появляется эффект туннелирования, когда электроны просто застревают в диэлектрике и мешают правильному распознаванию хранящегося заряда.
Однако ресурс каждого конкретного SSD диска во многом зависит не от самой флеш-памяти. Ключевыми являются алгоритмы, которые использует контроллер в процессах записи-перезаписи. Ячейки памяти объединяются в страницы, а те в свою очередь формируют блоки. Записать данные можно только в чистую страницу, а если их не хватает, то приходится переписывать блок.
Перед записью алгоритм должен подготовить место, удалить при необходимости старые страницы и только потом записать в чистый блок всю реорганизованную структуру. В итоге реальный объем работы с ячейками флеш-памяти превышает объем операций, которые инициализирует сам пользователь. Иногда даже добавление пары байт приведет к очистке и последующей записи всего блока.
Ориентир первый: циклы перезаписи
Для каждого типа флеш-памяти имеется ограничение циклов перезаписи. Это число определяет, сколько конкретно раз можно изменить значения ячейки флеш-памяти, прежде чем ее износ будет представлять опасность для данных. Показатель варьируется в зависимости от типа памяти: SLC, MLC или TLC.
Много это или мало? Давайте проведем самый приблизительный расчет — возьмем SSD объемом 120 ГБ MLC типа с ограничением на 5 000 циклов записи. Предположим, ежедневно вы перезаписываете около 20 Гб данных. Коэффициент перезаписи возьмем равным 6. Он необходим, чтобы получить приближенный к реальному объем операций для флеш-ячеек.
Тогда высчитаем суточный цикл перезаписи: 20*6/120 = 1. Далее с учетом общего количества циклов определим срок службы: 5000/1/365 дней = 13,7 лет.
Естественно, это очень приблизительный просчет. Во-первых, ежедневный объем информации, с которым вы работаете, всегда разный. Во-вторых, коэффициент усиления может сильно варьироваться в зависимости от конкретных алгоритмов и действий.
Ориентир второй: параметр TBW
Total Bytes Written — этот параметр показывает, какой объем информации может быть гарантированно перезаписан без ошибок. Как правило, производители указывают его в основных характеристиках SSD-накопителя.
TBW может варьироваться от десятков терабайт до десятков петабайт (напомним, 1 Пб = 1024 Тб). Расчет в этом случае достаточно простой — делим TBW на объем ежедневно перезаписываемых данных.
Например, TBW диска заявлен 150 Тб, а ежедневно вы записываете по 40 Гб данных. Тогда 153600/40 = 3840 дней или 10,5 лет. Опять же, сколько перезаписывается в день — параметр динамический и не всегда известный.
Проще всего воспользоваться специализированными программами, которые сделают все необходимые расчеты за вас. Например, SSD Life подсчитывает объем перезаписанных данных и вычисляет оставшийся ресурс автоматически.
Помните, TBW описывает гарантированный объем перезаписи, но на практике ресурс некоторых SSD может оказаться куда больше.
Как продлевается ресурс SSD
Не стоит забывать про работу контроллера, который самыми разнообразными способами стремится минимизировать количество перезаписей ячеек. Один из алгоритмов — выравнивание износа (Wear Leveling). Контроллер ведет учет количества циклов для каждой конкретной ячейки. Это позволяет при записи перераспределять информацию так, чтобы износ каждой из ячеек накапливался равномерно.
Например, файлы ОС обычно хранятся практически без изменений, из-за чего флеш-память в определенной области практически не стареет, в то время как в других областях наоборот постоянно используется. Wear Leveling при очистке определенных блоков переносит такие системные файлы в другую область и обеспечивает равномерное расходование ресурса.
Несмотря на общую концепцию каждый производитель SSD имеет свои фирменные алгоритмы, которые могут отличаться объемами переносимых данных и способами объединения информации в блоки. Чем эффективнее Wear Leveling, тем дольше прослужит SSD.
Другая технология увеличения ресурса — резервная область (Spare Area). Вы наверняка замечали, что продаются диски на 120 и 128 Гб, 240 и 256 Гб и так далее. Куда же деваются гигабайты в «урезанных» моделях? Это и есть та самая резервная область, с которой могут работать контроллеры.
Во-первых, контроллер получает дополнительные свободные блоки для своих нужд, недоступные для ОС. Это пространство применяется в работе вышеописанного алгоритма выравнивания, уменьшая количество лишних операций перезаписи. Естественно, это положительно сказывается на ресурсе.
Во-вторых, ячейки из резерва используются для замены вышедших из строя блоков. Этот резерв составляет 7 % от всего объема и 28 % для моделей, ориентированных на корпоративный сектор. Такой запас также позволяет увеличить срок службы и повысить безопасность данных.
На некоторых дисках пользователи могут самостоятельно увеличить объем резервной области через специальный софт.
Что говорят реальные тесты
Теоретические расчеты дают только приблизительное представление о сроке службы твердотельного накопителя, поэтому лучший способ выбрать SSD — найти реальные тесты его эксплуатации. Прочитать про один из самых крупных экспериментов продолжительностью в несколько лет вы можете на этом сайте.
Исходя из результатов, реальный показатель ресурса перезаписи большинства бюджетных моделей превышает 500 Тб. Даже если в сутки ваш диск будет писать по 100 Гб данных, его ресурса хватит на 14 лет.
Способность SSD перенести запись более 2 Пб информации означает, что вы сможете записывать 1 Тб данных ежедневно в течение 5 лет.
У топовых SSD от Intel, Kingston и Samsung реальный TBW перешел границу в 3 Пб, а этого хватит на 7–10 лет даже в тех случаях, если вы активно работаете с фото- и видеоконтентом, а также являетесь заядлым геймером.
Чего стоит опасаться
Если и есть у SSD ощутимый недостаток — так это время хранения информации без питания. В случае HDD беспокоиться практически не приходится — они могут пролежать годами без каких-либо потерь данных. Твердотельные накопители крайне придирчивы к температуре хранения и работы. Например, если ваш SSD работал в основном при 40 градусах Цельсия, а после вы оставили его на хранение при 30 градусах, то информация сохранится на протяжении 52 недель (около 1 года).
Казалось бы, не так критично, но стоит температуре вырасти на 5 градусов, как срок уменьшается вдвое! В худших из сценариев информация будет потеряна уже через 1-2 месяца. Это следует учитывать, если вы собираетесь в долгую поездку и оставляете на SSD важную информацию.
Ваше мнение может не совпасть с мнением автора :)))
Что остается?
Жесткие диски
Добавим сюда тот факт, что прогресс не стоит на месте. 15 лет назад я положил в ящик диск с интерфейсом PATA. Теперь ни такие диски, ни материнские платы, позволяющие их подключить, уже практически не выпускаются. Да, можно еще приобрести переходник ATA-USB, да и Б\У техники, которая работает с этим интерфейсом хватает. Но что будет еще через 15 лет?
Когда-то у меня в компьютере был установлен жесткий диск с интерфейсом UltraSCSI. И если бы я сейчас захотел подключить к своему ноутбуку такой диск, то потерпел бы полное фиаско. Хотя к настольному ПК я его скорее всего подключил бы. Это достаточно частный случай, но он хорошо иллюстрирует ситуацию.
Различные флеш-накопители
Сюда отнесем USB-флешки и карты памяти.
Цена за мегабайт на подобных носителях тоже снижается со временем, хотя по стоимости одного гигабайта они проигрывают жестким дискам. Максимальный объем тоже меньше, так вот пойти в магазин и на-гора купить можно флешку или карту памяти объемом 128 гигабайт. Есть уже варианты на 256 и 512 гигабайт, но цены на них кусачие.
Дома у меня нашлась одна USB-флешка на 256 мегабайт, которая завалилась за край ящика в столе и пролежала там, видимо, как раз около пяти лет. Без проблем прочиталась, данные оказались в полной сохранности.
Среди SD обнаружилось две карты, которые не использовались, видимо, около 10 лет. Информация в целости и сохранности. Но нашлись и такие, которые уже вышли из строя. Чистого эксперимента здесь не выйдет, потому что я не помню, какие из них работали, а какие нет, в тот момент, когда я прекратил их использовать.
Оптические диски
Сейчас для долгосрочного бекапа я использую именно их.
25 лет назад! Что интересно, все они оказались рабочими.
Мой личный вывод
Несложно обратить внимание, что:
Читайте также: