Тенденции развития внешней памяти пк

Обновлено: 07.07.2024

С древнейших времен люди искали способы записи и хранения различной информации. Сначала они рисовали на скалах и глине. Затем появился пергамент, а позже — бумага. В XX веке с появлением первых компьютеров хранить информацию стало легче, но эволюция носителей информации лишь ускорилась. Казалось бы, еще вчера мы записывали нужные нам файлы на дискеты. А сегодня мы уже пользуемся 256-гигабайтными флешками! В общем, развитие технологий хранения информации не стоит на месте. Поэтому в этот раз мы вспоминаем, с чего же началась история компьютерных носителей информации, и расскажем о том, каких результатов добилась индустрия к концу XX века.

В таком виде сохраняли информацию в былые времена

Станок Жаккара. Перфокарты

История носителей информации берет свое начало в начале XIX века. Причем в роли прародителя запоминающих устройств выступает — кто бы мог подумать! — ткацкий станок. Автором первого изобретения в области хранения данных стал французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар. Долгое время он работал со станками в качестве подмастерья, ткача и наладчика, поэтому богатый опыт значительно помог ему в дальнейшей изобретательской деятельности. Итак, в чем же заключалась инновационная идея Жаккара? Несмотря на то, что производство ткани в то время являлось довольно сложным процессом, по своей сути оно представляло собой постоянное повторение одних и тех же действий. Жаккар пришел к выводу, что этот процесс можно автоматизировать.

Жозеф Мари Жаккар — создатель ткацкого станка, использующего перфокарты

Французский изобретатель придумал такую систему, которая использовала в своей работе специальные твердые пластины с отверстиями. Они и являлись первыми в мире перфокартами. Прежде подобные пластины использовались в станках Вокансона и Бушона, однако эти устройства были слишком дороги в производстве и по этой причине так и не прижились. В своей же разработке Жаккар учел все недостатки этих аппаратов. В пластинах было увеличено количество рядов отверстий, что обеспечило обработку большего числа нитей, а, следовательно, и повышение производительности станка. Кроме этого, был значительно упрощен процесс подачи пластин в считывающее устройство — набор щупов, связанных со стержнями нитей. При проходе пластины щупы проваливались в отверстия, поднимая вверх соответствующие нити и образуя основные перекрытия в ткани. Таким образом, определенная комбинация отверстий на пластине позволяла создать ткань с нужным узором.

Ткацкий станок Жаккара

Первый автоматизированный станок Жаккар создал в 1801 году и на протяжении еще нескольких лет дорабатывал его. За свои достижения изобретатель получил пенсию в 3000 франков и одобрение Наполеона. Однако ни сам Жаккар, ни французский император не имели ни малейшего понятия, насколько важным станет это изобретение в будущем.

В 30-х годах XIX века на разработанные Жаккаром перфокарты обратил внимание английский математик Чарльз Бэббидж. В то время ученый ум трудился над созданием аналитической машины и решил использовать в ее конструкции перфокарты. Для этого англичанин даже совершил путешествие во Францию с целью подробно изучить станки Жаккара. Увы, но из-за низкого уровня технологий и недостатка финансовых средств аналитическая машина Бэббиджа так и не увидела свет. Тем не менее, ее конструкция стала впоследствии прообразом современных компьютеров.

Кроме этого, перфокарты использовались в табуляторе, разработанном в 1890 году Германом Холлеритом. Табулятор являлся механизмом для обработки статистических данных и использовался на благо Бюро переписи населения США. Кстати, созданная Холлеритом компания Tabulating Machine Company в конечном итоге была переименована в International Business Machines (IBM). На протяжении нескольких десятков лет IBM развивала и продвигала технологию перфокарт. В середине XX века они использовались повсеместно, получив особенно широкое распространение в компьютерной технике и различных станках. Закат эпохи перфокарт пришелся на 1980-е годы, когда на смену им пришли более совершенные магнитные носители информации. Интересно, что отдел исследования перфокарт компании IBM существовал вплоть до 2000-х годов. Например, в 2002 году в IBM изучали создание перфокарты размером с почтовую марку, которая могла бы содержать до 25 миллионов страниц информации.

Магнитные диски

Несмотря на то, что перфокарты отличались простотой изготовления, они обладали и целым рядом довольно существенных недостатков. Во-первых, это небольшая емкость. Стандартная перфокарта вмещала в себе около 80 символов, что соответствовало 100 байтам информации. Это очень мало. Судите сами: для хранения одного мегабайта данных потребовалось бы свыше десяти тысяч таких перфокарт. Во-вторых, это низкая скорость чтения и записи. Даже самые совершенные считывающие устройства могли обрабатывать не более одной тысячи перфокарт в минуту. То есть за секунду они считывали лишь 1,6 Кбайт данных. Ну и в-третьих, это невысокая надежность и невозможность повторной записи. Конечно, понятие «надежность» не совсем корректно использовать по отношению к перфокартам. Однако, согласитесь, повредить изготовленную из тонкого картона пластину не составляет никакого труда. Вдобавок к этому делать отверстия в картах нужно было очень аккуратно и внимательно: одна лишняя «дырка» — и перфокарта приходила в негодность, а хранящаяся на ней информация безвозвратно пропадала.

К хранению данных требовался новый подход. И в середине XX века были созданы первые магнитные носители информации. Эпоху данного типа накопителей открыла магнитная пленка, разработанная немецким инженером Фрицем Пфлюмером. Патент на это устройство был выдан еще в 1928 году, но немецкие власти так долго «скрывали» технологию внутри страны, что за пределами державы о ней стало известно лишь после окончания Второй мировой войны. Магнитная пленка изготавливалась из тонкого слоя бумаги, на который напылялся порошок оксида железа. При записи информации пленка попадала под воздействие магнитного поля, и на поверхности ленты сохранялась определенная намагниченность. Это свойство затем и использовали считывающие устройства.

Магнитная лента использовалась в компьютере UNIVAC-I

Впервые магнитная лента была применена в коммерческом компьютере UNIVAC-I, выпущенном в 1951 году. Кстати, его первый экземпляр попал в то же самое Бюро переписи населения США. Магнитная пленка, используемая в UNIVAC-I, была намного более емкой, нежели перфокарты. Ее объем равнялся емкости десяти тысяч перфокарт, то есть он составлял примерно 1 Мбайт.

Развитие технологии магнитных лент продолжалось до 1980-х годов. В течение этого времени подобные накопители использовались в основном в мейнфреймах и мини-компьютерах. Ну а с 80-х годов магнитная лента использовалась лишь для резервного хранения данных. Этому способствовало то, что ленточные картриджи оставались надежным и очень дешевым носителем информации. Но даже несмотря на эти преимущества, к концу 2000-х годов специалисты предрекали конец эпохи магнитных лент — цены на жесткие диски продолжали падать. Вдобавок они предлагали высокую плотность записи. Начиная с 2008 года, рынок ленточных накопителей уменьшался примерно на 14% в год, и даже ярые сторонники технологии признавали, что у нее нет шансов на выживание. Однако ситуация резко изменилась в 2011 году. В Таиланде произошло наводнение, продолжавшееся, по официальным данным, 175 дней. В результате наводнения было затоплено несколько индустриальных зон, где были расположены заводы по производству жестких дисков таких компаний, как Seagate, Western Digital и Toshiba. Как итог, цены на продукцию возросли на 60%, а объемы производства упали. Так магнитная лента получила вторую жизнь.

Магнитная лента IBM

Стоит отметить, что ленточные накопители, как правило, используются в тех сферах, где необходимо хранить очень большое количество информации. Например, в каких-либо крупных исследованиях. Так, магнитную ленту используют для записи результатов исследований на Большом адронном коллайдере. О преимуществах технологии в свое время рассказывал Альберто Пейс (Alberto Pace) — глава подразделения обработки и хранения данных CERN. Он отметил, что магнитная лента имеет четыре основных преимущества над жесткими дисками. Прежде всего, это скорость. Несмотря на то, что специализированному роботу требуется до 40 секунд, чтобы выбрать нужную кассету и вставить ее в считыватель, чтение данных из ленты происходит в четыре раза быстрее, чем с жесткого диска. Еще одним преимуществом магнитной ленты, по словам Пейса, является ее надежность. Если она рвётся, то ее можно легко склеить. В этом случае теряется лишь несколько сотен мегабайт данных. Когда выходит из строя жесткий диск, теряются абсолютно все данные. Глава подразделения CERN привел некоторые статистические данные, касающиеся надежности устройств. Так, в среднем за год в CERN из 100 петабайт данных, хранящихся на магнитных лентах, теряется лишь несколько сотен мегабайт. На жестких дисках располагается около 50 петабайт информации, и каждый год организация теряет до нескольких сотен терабайт в результате неисправностей HDD. Третьим преимуществом магнитной ленты является ее энергоэффективность, а точнее, экономичность. Сами ленты хранятся в неактивном состоянии, следовательно, они не потребляют энергию. Наконец, четвертое — это безопасность. Если злоумышленники получат доступ к жестким дискам, то они смогут уничтожить всю информацию за считанные минуты. В случае с магнитными лентами на это может уйти не один год.

Хранилище магнитных лент в CERN

Еще на два преимущества ленточных накопителей указал Эвангелос Элефтеро — руководитель отдела технологий хранения данных исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе. Он отметил, что магнитные ленты все еще дешевле, чем жесткие диски. 1 Гбайт HDD стоит примерно 10 центов, тогда как стоимость аналогичной емкости магнитной ленты оценивается в 4 цента. Также Элефтеро обратил внимание на долговечность лент. Такой накопитель будет служить верой и правдой даже через 30 лет, в то время как рабочий цикл жесткого диска составляет всего 5 лет.

Тем не менее, стоит понимать, что магнитные ленты уже никогда не будут использоваться как единственная система хранения данных. Они занимают важное место в иерархической структуре хранения информации, но не являются (и не будут) ее основным звеном.

Дискеты

По своей конструкции дискета представляла собой диск из полимерных материалов, на который наносилось магнитное покрытие. Пластиковый кожух имел несколько отверстий. Центральное предназначалось для шпинделя дисковода, малое отверстие являлось индексным, то есть позволяло определить начало сектора. Наконец, через прямоугольное отверстие с закругленными углами магнитные головки дисковода работали непосредственно с диском.

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Лисиенкова Любовь Николаевна, Комарова Людмила Юрьевна

Представлен анализ основных видов памяти на текущий момент. Проанализированы существующие запоминающие устройства , а также системы облачного хранения. Определены перспективы развития устройств хранения данных путем исследования текущих разработок в данной области.

REVIEW OF MODERN STORAGE MEDIA

This work gives the analvsis of basic tvpes of memorv at current time. There is an analysis of existing types of storage media and systems of cloud storage. The article determines the perspectives of storage media development based on the research of ongoing developments in this area.

Текст научной работы на тему «ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ УСТРОЙСТВ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ»

STAGES OF IMPLEMENTA TION OF THE LABOR PROTECTION MANAGEMENT

The main stages of implementation of labor protection management systems are considered. The main tasks of the management system in the industry and the characteristic properties of management systems are described.

Key word: occupational safety, systems and criteria of occupational health and safety management.

ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ УСТРОЙСТВ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ

Л.Н. Лисиенкова, Л.Ю. Комарова

Представлен анализ основных видов памяти на текущий момент. Проанализированы существующие запоминающие устройства, а также системы облачного хранения. Определены перспективы развития устройств хранения данных путем исследования текущих разработок в данной области.

Ключевые слова: запоминающие устройства, информация, память, накопители, диск.

Введение. Современные компьютерные системы состоят из обширного множества компонентов. Одним из них является компьютерная память. Это важнейший элемент компьютера, который не просто хранит информацию пользователя, но также принимает участие в работе процессора и других комплектующих. На память возлагается большая роль, поэтому к её выбору нужно подходить разумно. Данная статья поможет определиться с тем, что такое память, какой она бывает, какие запоминающие устройства существуют на данный момент и, каковы перспективы их развития.

Виды памяти. Компьютерная память - это определенная среда для хранения информации, которая может использоваться при вычислениях. Без него невозможно представить нормальную работу компьютера.

Память можно разделить на 2 типа: внутреннюю и внешнюю.

Различие между этими двумя типами памяти заключается в том, что внутренняя память является неразрывным элементом компьютера, обеспечивающим его работоспособность. Внешняя память нужна как раз для хранения информации и данных.

Различают следующие виды внутренней памяти [1].

1. Оперативная - необходима для хранения временных данных, с которыми напрямую работает процессор.

2. Постоянная - содержит в себе инструменты для контроля за состоянием персонального компьютера (ПК); программы, отвечающие за запуск системы, исполнение основных действий и её настройки BIOS (BasicInput/OutputSystem - базовая система ввода-вывода).

3. Полупостоянная - содержит в себе данные о параметрах настройки конкретного ПК.

4. Кэш-память - это своеобразный буфер между оперативной памятью и процессором, который ускоряет их скорость взаимодействия.

5. Видеопамять - нужна для хранения видеофрагментов, которые должны выводиться на экран. Является частью видеоконтроллера.

Виды запоминающих устройств [2]. Запоминающее устройство -устройство, принимающее данные и сохраняющее их для последующего считывания. Одной из проблем, возникающих при хранении больших объёмов информации, является оптимальный выбор носителей. Каждый из них имеет свои особенности. Рассмотрим некоторые из них.

Накопители на магнитной ленте. Они основаны на принципе магнитной записи на ленточных носителях, осуществляющих последовательный доступ к данным (рис. 1).

Рис. 1. Стример (накопитель на магнитной ленте) [3]

Достоинства: низкое энергопотребление, низкая стоимость данных, высокая надежность, возможность хранить большие объёмы данных; не требует особого ухода.

Недостатки: высокая стоимость накопителей; низкая скорость доступа к произвольным данным.

компакт-диск (Compact Disc, CD) - носитель информации в виде пластикового диска с отверстием в центре (см. рис. 2). Процесс записи и считывания осуществляется при помощи лазера. Имеет малый объемов хранения;

DVD (Digital Versatile Disc - цифровой многоцелевой диск) - по виду похож на компакт-диск, но имеет более плотную структуру рабочей поверхности, позволяющую хранить больший объём информации;

Blu-ray Disc (BD) - новый формат оптических носителей, используемый для записи данных с повышенной плотностью. Их особенность -возможность многослойного хранения.

Рис. 2. Стопка CD-дисков [4]

1. Накопитель на жёстких магнитных дисках (Hard Disk Drive, HDD) - устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи (см. рис. 3). Является основным устройством хранения информации в ПК.

Достоинства: небольшая стоимость, большая емкость.

Недостатки: избыточное энергопотребление, ухудшение производительности со временем, чувствительность к механическим повреждениям.

2. Твердотельный накопитель (SSD, solid-state drive) - запоминающее устройство, имеющее те же функции, что и жёсткий диск, но не содержащее движущихся элементов внутри корпуса (см. рис. 3). В таких накопителях используется энергонезависимая флэш-память.

Достоинства: высокая скорость работы, низкое энергопотребление, устойчивость к механическим повреждениям, бесшумная работа.

Недостатки: высокая стоимость, небольшая емкость.

Рис. 3. HDD- накопители (слева) и SSD-накопители (справа) [5]

Системы облачного хранения данных. На сегодняшний день облачные вычисления состоят из тысячи серверов, которые располагаются в ЦОД (Центр обработки данных) и предоставляют пользователям компьютерные ресурсы и мощности в виде интернет сервиса. Множество приложений используют системы облачного хранения [6]. Некоторые виды облачных вычислений [7]:

сервис хранения представляет собой дисковое пространство используемое пользователями как внешнее хранилище, «облако». Примеры: Google Drive, Яндекс Диск;

платформа как сервис. Является расширением сервиса хранения. Обладает большим набором инструментов для решения прикладных задач. В нем пользователь может задать свои собственные настройки сервера. Пример облачной платформы - 1C: предприятие;

сервис - компьютер. Позволяет использовать компьютер удаленно с большого расстояния, используя компьютерную сеть.

С развитием технологий появилась возможность на одном компьютере или сервере с помощью специальных программных эмуляторов создавать виртуальные версии компьютера, имеющие почти те же возможности, что и реальный. Подобный виртуальный компьютер в облаке имеет ряд преимуществ: надежность, высокая гибкость в настройке, пониженная стоимость владения и обслуживания, удаленный доступ с любого устройства с интернетом. Сравнительный анализ универсальных облачных сервисов дан в табл.1.

Сравнительный анализ универсальных облачных сервисов [8]

Ivideon CamDrive SpaceCam ForPost YouLook GoodCam

Сотрудничество с брендами Phillis, Hik-vision, Samsung, D-Link BEWARD RVI Hikvision, Zavio Hikvision, AXIS GoodCam

Приложения для ПК Windows, Linux, MaxOS - - - - Windows

Мобильные приложения IOS, Android, Windows - IOS, Android IOS, Android -

Средняя цена бизнес-тарифа, руб. в месяц 450 400 400 450 1490 450

Перспективы развития запоминающих устройств. Поиски новых типов памяти ведутся уже достаточно давно. Со временем все сильнее появляется нужда в новых видах энергонезависимых запоминающих устройств (ЗУ), по быстродействию сопоставимых с ОЗУ и одновременно выдерживающих практически неограниченное число циклов перезаписи данных.

Рассмотрим некоторые из текущих разработок [9]

FRAM (Ferroelectric Random Access Memory).

Одной из перспективных технологий RAM является сегнетоэлек-трическая память произвольного доступа. Его особенность заключается в использовании в ячейках памяти сегнетоэлектрика. Данный материал способен к самопроизвольной электрической поляризации при определенной температуре.

Достоинства: благодаря использованию сегнетоэлектриков, устройство не подвержено влиянию магнитных полей, что повышает защиту хранящейся информации.

Недостатки: большой размер ячеек, из-за чего нет возможности создавать микросхемы памяти большого объема с малыми габаритами; в силу особенностей своего строения, случайное отключение питания во время операции чтения может привести к потере данных; повышенное энергопотребление.

MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory). Ещё одна перспективная технология, которая уже в ближайшем будущем может стать довольно конкурентоспособной на рынке. Чипы MRAM могут заменить флеш-память во многих гаджетах. Основной особенностью магниторези-стивной памяти, отличающей её от многих других RAM, является использование магнитных элементов памяти [10]. Сравнение характеристик разных видов RAM приведено в табл. 2.

Достоинства: информацию можно сохранять без питающего напряжения 10 лет и более, поскольку данные сохраняются в ячейках за счет намагниченности, а не за счет заряда; почти неограниченное число циклов перезаписи. Отсутствует эффект постепенной деградации внутренней структуры битовой ячейки. Благодаря этому число циклов перезаписи практически бесконечно (> 1016); данные не будут утеряны вследствие аварийного отключения питающего напряжения.

Недостатки: высокая стоимость.

PCM (Phase change Random Access Memory)

Память на основе фазового перехода является новым типом энергонезависимой памяти, принцип действия которой основывается на свойстве халькогенидов быстро переходить из кристаллического состояния в аморфное и наоборот. По прогнозам, PCM может заменить память на мобильных устройствах.

Достоинства: большое количество циклов перезаписи (> 1013); малый размер ячеек памяти и соответственно высокая компактность; низкое энергопотребление.

Недостатки: из-за особенностей структуры памяти, приходится использовать более горячий и склонный к произвольному фазовому переходу материал. От этого растет стоимость.

Сравнение характеристик разных видов RAM [10]_

Вид RAM FRAM MRAM PCM

Технологический процесс F, нм 90 32 20

Площадь ячейки 15F2 6F2 4F2

Время чтения, нс 20 10 10

Время записи, нм 10 1 50

Срок хранения информации 10 лет 20 лет 20 лет

Напряжение при чтении/записи, В 1,5/1,5 1/1 1/1

В заключение можно сказать, что наиболее удачными решениями являются MRAM и PCM. Технология FRAM, к сожалению, пока что не способна с ними конкурировать в силу некоторых сложностей и особенностей при её реализации.

1. Яковлев В. Д. Память компьютера, работа с памятью // Молодежь и наука. Екатеринбург: Изд-во Уральский государственный аграрный университет. 2016. Вып.12. С. 73.

6. Ягьяева Л.Т., Молчанов Е.А., Мубаракшин Л.Ф. Сети передачи данных // Вестник Казанского технологического университета. Казань: КНИТУ, 2014. Т. 17. № 19. С. 369-371.

7. Клочек М.С., Парфенова А.С. Облачные технологии: виды и типы // Инновационное развитие. Пермь: Изд-во ИП Сигитов Т.М. 2018. Вып. 1 (18). С. 16-17.

9. Романова И. Новые виды памяти - разработки и перспективы применения // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. М.: Изд-во Рекламно-издательский центр «Техносфера». 2010. Вып. 2. С. 26-33.

10. Коротин А.М. Перспективные виды памяти с произвольным доступом и новые уязвимости СВТ на их основе // Безопасность информационных технологий. Москва: Изд-во Классное снаряжение. 2014. Том 21. № 3. С.71-78.

REVIEW OF MODERN STORAGE MEDIA L.H. Lisienkova, L.Yu. Komarova

This work gives the analysis of basic types of memory at current time. There is an analysis of existing types of storage media and systems of cloud storage. The article determines the perspectives of storage media development based on the research of ongoing developments in this area.

Key words: storage media, information, memory, disk.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Komarova Lyudmila Yurievna, candidate of technical sciences, docent, luknew @yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University

ВЕРБАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ ОБЪЕКТА С СИСТЕМОЙ ЗЛОУМЫШЛЕННИКА

Н.В. Евглевская, А. А. Привалов, Э.А. Бударин, А.С. Лаута

Применяемые в настоящее время системы информационной безопасности телекоммуникационных сетей объектов являются недостаточно эффективными, так как в большинстве случаев анализу подлежат частные угрозы, методы их предотвращения (нейтрализации) реализуются только на уровне прикладного процесса. Представленная модель поможет должностным лицам объектов принимать адекватные решения по управлению сетями связи с целью восстановления их работоспособности, обеспечения безопасности информации и адаптации к изменившимся условиям функционирования.

Ключевые слова: угроза, уязвимость, компьютерная атака, телекоммуникационная сеть, злоумышленник.

Бесперебойная работа телекоммуникационной сети (ТКС) любого объекта обеспечивает выполнение главного производственного процесса, осуществляемого на этом объекте.

В мире цифровых технологий существует несколько видов памяти, используемых в системах хранения данных (компьютерах, серверах и других устройства). Самые распространенные среди них: SSD-память (NAND и NOR), оперативная память DRAM и SRAM. Реже используется HDD-память, которая постепенно отходит от использования в компьютерных устройствах, но все еще остается актуальной для некоторых систем хранения данных.

Ученые уверены, что распространенные виды памяти приближаются к пределам своего технологического развития. И вскоре их функциональность и запас емкости станут ограниченными. Уже постепенно на смену им приходят перспективные типы памяти, о которых многие и вовсе ничего не слышали.

Голографическая память

Голографическая память вскоре может стать альтернативой флэш-накопителям. Фотохромные пленки из двуокиси титана и серебряных наночастиц могут содержать в себе кратно больше информации, нежели какой-либо из текущих распространенных носителей. Запись на специальные пленки осуществляется при помощи лазерного луча с разной длиной волны, что позволяет параллельно записывать несколько голограмм с данными. Однако пока что подобная технология не рациональна из-за того, что информация повреждается с голограмм под воздействием ультрафиолета.

Молекулярная память

Молекулярная память основана на принципе сохранения данных с применением молекул протеина. Для записи данных требуется специальные оптический прибор - световой модулятор, который генерирует лазерные лучи, проникающие в молекулу через специальный полиакридный гель. Подобный элемент способен хранить 4096х4096 ячеек данных, но пока что такой новый тип памяти слишком сложный в массовом производстве. Он пока что проходит многочисленные исследования.

Память на графеновых квантовых точках

Еще в 2014 году был создан первый прототип флэш-накопителя на графеновых квантовых точках. Тогда исследователи использовали несколько наночастиц квантовых точек, которые поместили между двуокиси кремния. Полученная энергонезависимая память на графеновых квантовых точках имеет хорошие перспективы дальнейшего массового производства и коммерческого применения.

Магниторезистивная память начала разрабатываться еще в 90-х годах. Ранее предполагалось, что она заменит привычную оперативную память и войдет в стандарт для всех типов устройств. Конструкция MRAM представляет собой два магнитных элемента памяти с прослойкой в виде изолята. За счет изменения состояния магнитного поля и осуществляется хранение, записывание и чтение данных. Однако пока что подобный тип памяти слишком дорогой в производстве, а также недостаточно эффективный.

STT-MRAM

Магниторезистивная память с переносом момента спина является более современным вариантом исполнения памяти MRAM, которая описана выше. Формально, технология записи и считывания у этой более инновационной технологии не отличается от MRAM. Однако за счет использования наведенных спинами токов удается достичь большей экономии энергии и приблизить технологию к показателям DRAM и SRAM.

Память с изменяемым фазовым состоянием PCM

Данная технология известна еще с 60-х годов, когда были исследованы возможности халькогенидной пленки. Этот материал активно применяется при покрытии оптических дисков. Однако в производстве дисков используются электрические свойства материала, а в памяти с изменяемым фазовым состоянием PCM - оптические. Это позволило создать элемент с изменяемым фазовым состоянием, большей вместимостью и производительностью. Но пока что данная технология считается слишком сложной в производстве.

Ферроэлектрическая память FRAM

Данный тип памяти подразумевает применение ферроэлектрической ячейки. По быстродействию она напоминает стандартную и привычную нам оперативную DRAM. Каждая ячейка памяти во FRAM состоит из n-p-n транзистора и конденсатора. А непосредственным хранителем битов информации являются свойства поляризации ферроэлектрической субстанции.

Эта технология сегодня применяется более широко, чем ее аналоги. Разработчиком такого типа RAM является компания Ramtron International.

Халькогенидная память PCRAM

Этот тип памяти подразумевает возможность нахождения хранителя информации в двух состояниях: аморфном и кристаллическом. Так называемая “совершенная” память имеет низкую себестоимость. А за счет трехмерной структуры удается достичь ее высокой плотности, разместив больше ячеек на чипе.

Рабочие прототипы PCRAM были разработаны еще в 2008 году, и по сей день продолжаются исследования компаниями IBM, Infineon, Samsung, Macronix. Вероятно, вскоре будет запущен массовый процесс производства чипов данного типа для хранения данных.

Резистивная память ReRAM

Возможно, в скором времени резистивная память сможет заменить нынешнее поколение HDD или SSD-накопителей. Основой такой памяти является элемент под названием мемристор, у которого не изменяется величина электрического сопротивления даже после приложения тока. Внутри элемента образуется мостик из ионов металла, который и выступает передатчиком. Подобной технологией сегодня занимается несколько компаний, включая Panasonic, Fujitsu, известный западный стартап Crossbar, а также HP, Western Digital и 4DS.

Оперативная память на нанотрубках

Есть еще одна технология, которая применяется в сфере производства элементов хранения данных. Речь идет о карбоновых нанотрубках. На данный момент подобное решение больше подходит для использования в качестве оперативной памяти. За основу системы взят не принцип изменения физических и химических свойств металлов, а наномеханические принципы. Однако других подробностей об этой технологии нет и пока что она не перешла из стадии исследований к массовому производству.

SCM-память

Энергонезависимая память типа Storage Class Memory сегодня применяется достаточно широко, пройдя этап тестов и исследований к массовому производству. Хранилища этого типа подключаются к материнской плате компьютерных или серверных устройств при помощи PCIe-шины. Это значительно снижает скорость передачи данных и ускоряет обмен данными.

Основными разработчиками этой технологии стали инженеры компаний Intel и Micron. И специалистам действительно удалось добиться увеличения производительности, сократив время отклика практически в два раза.

Уже сейчас хранилища типа SCM применяются в сферах, где требуется моментальная обработка данных: биржевой трейдинг, облачные сервисы совместной работы, системы бронирования, приложения с Big Data и подобное.

QLC-память

Название QLC означает “четыре ячейки”. Это один из типов оптимизированной флэш-памяти NAND, которая имеет повышенную производительность за счет хранения четырех битов в каждой ячейке. Однако за счет повышения количества битов возрастает и сложность работы системы. Из-за этого надежность накопителей этого типа пока что недостаточно высота. И накопители имеют запас прочности всего около 1000 циклов записи и стирания против 100 000 таких циклов у флэш-накопителей.

Цифровые технологии с каждым годом развиваются и сложно предсказать, в каком направлении произойдет скорый прорыв. Однако можно быть уверенным, что революция в типах памяти действительно скоро произойдет.

В самом широком смысле информационная система представляет собой программный комплекс, функции которого состоят в поддержке надежного хранения информации в памяти компьютера, выполнении специфических для данного приложения преобразований информации и/или вычислений, предоставлении пользователям удобного и легко осваиваемого интерфейса. Обычно объемы данных, с которыми приходится иметь дело таким системам, достаточно велики, а сами данные обладают достаточно сложной структурой. Классическими примерами информационных систем являются банковские системы, системы резервирования авиационных или железнодорожных билетов, мест в гостиницах и т. д.

О надежном и долговременном хранении информации можно говорить только при наличии запоминающих устройств, сохраняющих информацию после выключения электропитания. Оперативная (основная) память этим свойством обычно не обладает. В первые десятилетия развития вычислительной техники использовались два вида устройств внешней памяти : магнитные ленты и магнитные барабаны. При этом емкость магнитных лент была достаточно велика, но по своей природе они обеспечивали последовательный доступ к данным. Емкость магнитной ленты пропорциональна ее длине. Чтобы получить доступ к требуемой порции данных, нужно в среднем перемотать половину ее длины. Но чисто механическую операцию перемотки нельзя выполнить очень быстро. Поэтому быстрый произвольный доступ к данным на магнитной ленте, очевидно, невозможен.

Магнитный барабан представлял собой массивный металлический цилиндр с намагниченной внешней поверхностью и неподвижным пакетом магнитных головок. Такие устройства обеспечивали возможность достаточно быстрого произвольного доступа к данным, но позволяли сохранять сравнительно небольшой объем данных. Быстрый произвольный доступ осуществлялся благодаря высокой скорости вращения барабана и наличию отдельной головки на каждую дорожку магнитной поверхности; ограниченность объема была обусловлена наличием всего одной магнитной поверхности.

Указанные ограничения не очень существенны для систем численных расчетов. Обсудим более подробно, какие реальные потребности возникают у разработчиков систем численных расчетов. Прежде всего, для получения требуемых результатов серьезные вычислительные программы должны проработать достаточно долгое время (недели, месяцы и даже, может быть, годы). Наличие гарантий надежности со стороны производителей аппаратных компьютерных средств не избавляет программистов от необходимости использования программного сохранения частичных результатов вычислений, чтобы при возникновении непредвиденных сбоев аппаратуры можно было продолжить выполнение расчетов с некоторой контрольной точки. Для сохранения промежуточных результатов идеально подходят магнитные ленты: при выполнении процедуры установки контрольной точки данные последовательно сбрасываются на ленту, а при необходимости перезапуска от сохраненной контрольной точки данные также последовательно с ленты считываются.

Вторая традиционная потребность численных программистов – максимально большой объем оперативной памяти. Большая оперативная память требуется, во-первых, для того, чтобы обеспечить программе быстрый доступ к большому количеству обрабатываемых данных. Во-вторых, сложные вычислительные программы сами могут иметь большой объем. Поскольку объем реально доступной в ЭВМ оперативной памяти всегда являлся недостаточным для удовлетворения текущих потребностей вычислений, требовалась быстрая внешняя память для организации оверлеев и/или виртуальной памяти. Мы не будем здесь вдаваться в детали организации этих механизмов программного расширения оперативной памяти, но заметим, что для этого идеально подходили магнитные барабаны. Они обеспечивают быстрый доступ к внешней памяти , а для расширения оперативной памяти одной программы (сложные вычислительные программы, как правило, выполняются на компьютере в одиночку) большой объем внешней памяти не требуется.

Далее заметим, что, даже если программа должна обработать (или произвести) большой объем информации, при программировании можно продумать расположение этой информации во внешней памяти , чтобы программа работала как можно быстрее. Развитая поддержка работы с внешней памятью со стороны общесистемных программных средств не обязательна, а иногда и вредна, поскольку приводит к дополнительным накладным расходам аппаратных ресурсов.

Однако для информационных систем , в которых объем постоянно хранимых данных определяется спецификой бизнес-приложения, а потребность в текущих данных определяется пользователем приложения, одних только магнитных барабанов и лент недостаточно. Емкость магнитного барабана просто не позволяет долговременно хранить данные большого объема. Что же касается лент, то представьте себе состояние человека, который, стоя у билетной кассы, должен дождаться полной перемотки магнитной ленты. Естественным требованием к таким системам является обеспечение высокой средней скорости выполнения операций при наличии больших объемов данных.

Именно требования к устройствам внешней памяти со стороны бизнес-приложений вызвали появление устройств внешней памяти со съемными пакетами магнитных дисков и подвижными головками чтения/записи, что явилось революцией в истории вычислительной техники. Эти устройства памяти обладали существенно большей емкостью, чем магнитные барабаны (за счет наличия нескольких магнитных поверхностей), обеспечивали удовлетворительную скорость доступа к данным в режиме произвольной выборки, а возможность смены дискового пакета на устройстве позволяла иметь архив данных практически неограниченного объема.

Магнитные диски представляют собой пакеты магнитных пластин (поверхностей), между которыми на одном рычаге двигается пакет магнитных головок (рис. 1.1). Шаг движения пакета головок является дискретным, и каждому положению пакета головок логически соответствует цилиндр пакета магнитных дисков . На каждой поверхности цилиндр "высекает" дорожку, так что каждая поверхность содержит число дорожек, равное числу цилиндров. При разметке магнитного диска (специальном действии, предшествующем использованию диска) каждая дорожка размечается на одно и то же количество блоков; таким образом, предельная емкость каждого блока составляет одно и то же число байтов. Для произведения обмена с магнитным диском на уровне аппаратуры нужно указать номер цилиндра, номер поверхности, номер блока на соответствующей дорожке и число байтов, которое нужно записать или прочитать от начала этого блока.

Рис. 1.1. Грубая схема дискового устройства памяти с подвижными головками

При выполнении обмена с диском аппаратура выполняет три основных действия: подвод головок к нужному цилиндру (обозначим время выполнения этого действия как t_пг ), поиск на дорожке нужного блока ( время выполнения – t_пб ) и собственно обмен с этим блоком ( время выполнения – t_об ). Тогда, как правило, t_пг>>t_пб>>t_об, потому что подвод головок – это механическое действие, причем в среднем нужно переместить головки на расстояние , равное половине радиуса поверхности, а скорость передвижения головок не может быть слишком большой по физическим соображениям. Поиск блока на дорожке требует прокручивания пакета магнитных дисков в среднем на половину длины внешней окружности; скорость вращения диска может быть существенно больше скорости движения головок, но она тоже ограничена законами физики. Для выполнения же обмена нужно прокрутить пакет дисков всего лишь на угловое расстояние , соответствующее размеру блока. Таким образом, из всех этих действий в среднем наибольшее время занимает первое, и поэтому существенный выигрыш в суммарном времени обмена при считывании или записи только части блока получить практически невозможно.

С появлением магнитных дисков началась история систем управления данными во внешней памяти . До этого каждая прикладная программа , которой требовалось хранить данные во внешней памяти , сама определяла расположение каждой порции данных на магнитной ленте или барабане и выполняла обмены между оперативной и внешней памятью с помощью программно-аппаратных средств низкого уровня (машинных команд или вызовов соответствующих программ операционной системы). Такой режим работы не позволял или очень затруднял поддержание на одном внешнем носителе нескольких архивов долговременно хранимой информации. Кроме того, каждой прикладной программе приходилось решать проблемы именования частей данных и структуризации данных во внешней памяти .

Читайте также: