Это энергонезависимая память используется для хранения данных которые не требуют изменения
Обновлено: 06.07.2024
Внешняя (долговременная) память — это место длительного хранения данных (программ, результатов расчётов, текстов и т.д.), не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера. Внешняя память, в отличие от оперативной, является энергонезависимой. Носители внешней памяти, кроме того, обеспечивают транспортировку данных в тех случаях, когда компьютеры не объединены в сети (локальные или глобальные).
Целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:
В состав внешней памяти компьютера входят:
• накопители на жёстких магнитных дисках;
• накопители на гибких магнитных дисках;
• накопители на магнито-оптических компакт-дисках;
• накопители на магнитной ленте (стриммеры) и др.
В персональном компьютере применяются два вида магнитных дисков:
• жесткий несъемный диск (винчестер*);
• гибкие сменные диски (дискеты)
Жесткий диск
Жесткий диск (Hard Disk) предназначен для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, различных данных.
Жесткий диск — это магнитный диск, который устанавливается в системном блоке компьютера. Внешне этот диск представляет собой герметичную металлическую коробку, внутри которой расположен сам диск, магнитные головки чтения-записи, механизмы вращения диска и перемещения головок. Хотя говорят "диск", на самом деле жесткий диск состоит из нескольких дисков, нанизанных на общую ось. Запись информации производится на обе стороны каждого диска. Соответственно, имеется необходимое количество магнитных головок. Наличие жесткого диска значительно повышает удобство работы с компьютером. В настоящее время компьютеры без жесткого диска не используются. Правда, если компьютер включен в локальную компьютерную сеть, то он может работать без собственного жесткого диска, но тогда он использует жесткий диск центрального компьютера. Для пользователя жесткие диски отличаются друг от друга прежде всего своей емкостью. Современные жесткие диски имеют емкость от одного до сотен гигабайт (Гб).
Дискета
Гибкие магнитные диски (дискеты) бывают двух типов: (3,5" — 8 мм) и (5,25" — 133 мм). Тип определяется диаметром диска, находящегося внутри пластиковой коробки. Сейчас 5-ти дюймовые дискеты уже совсем не используются. Сама пластиковая коробка выполняет функцию защиты от внешних воздействий.
Флоппи - диски могут быть повреждены, если:
• дотрагиваться до записывающей поверхности;
• писать на этикетке дискеты карандашом или шариковой ручкой;
• сгибать дискету;
• перегревать дискету (на солнце или около батареи отопления);
• подвергать дискету воздействию магнитного поля.
Магнитные диски (жесткие – винчестеры и гибкие – дискеты) предназначены для долговременного хранения больших массивов информации, в том числе и во время отключения компьютера. Для этого магнитная поверхность диска размечается: на диске с двух сторон диска проводятся (намагничиваются магнитной головкой дисковода) равноотстоящие друг от друга концентрические окружности – дорожки (треки). На стандартной дискете 3,5” обычно 80 дорожек. Каждая дорожка разбивается на одинаковое количество частей – сектора. Сектор – это минимальная часть дорожки, на которую может быть записана или считана информация. Обычно размер сектора составляет 512 байт. На стандартной дискете 18 секторов на дорожке.
Например, емкость дискеты 3,5” составляет 2 стороны * 80 дорожек * 18 секторов на дорожке* 512 байт = 1440 Кб = 1,44 Мб.
Обычно новые дискеты поставляются неразмеченными и с ними нельзя работать. Процесс разметки дискеты на дорожки и сектора называется форматированием.
Форматирование – создание логической структуры диска.
Структура диска – магнитные концентрический дорожки (окружности), разделенные на сектора, помеченные магнитными метками.
Сектор (кластер)– минимальная порция информации.
При форматировании дисков создается файловая таблица FAT – таблица размещения файлов, используемая операционной системой для размещения и поиска файлов и каталогов на диске.
Кроме того, в случае сбоев на дискете («Ошибка чтения») полезно дискеты переформатировать заново – в результате сбойные сектора будут закрыты для записи, исключая в будущем потерю информации, записанной на них.
При форматировании вся информация на диске уничтожается .
Накопители на компакт-дисках. CD-ROM
CD-ROM — это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения, на котором может храниться до 650 Мб данных. Доступ к данным на CD-ROM осуществляется быстрее, чем к данным на дискетах, но медленнее, чем на жёстких дисках.
Компакт-диск диаметром 120 мм (около 4,75’’) изготовлен из полимера и покрыт металлической плёнкой. Информация считывается именно с этой металлической плёнки, которая покрывается полимером, защищающим данные от повреждения. CD-ROM является односторонним носителем информации.
Накопители CD-R (CD-Recordable) позволяют записывать собственные компакт-диски. Более популярными являются накопители CD-RW, которые позволяют записывать и перезаписывать диски CD-RW, записывать диски CD-R, читать диски CD-ROM, т.е. являются в определённом смысле универсальными.
Аббревиатура DVD расшифровывается как Digital Versatile Disk, т.е. универсальный цифровой диск. Имея те же габариты, что обычный компакт-диск, и весьма похожий принцип работы, он вмещает чрезвычайно много информации — от 4,7 до 17 Гбайт. Возможно, именно из-за большой емкости он и называется универсальным.
Правда, на сегодня реально применяется DVD-диск лишь в двух областях: для хранения видеофильмов (DVD-Video или просто DVD) и сверхбольших баз данных (DVD-ROM, DVD-R).
Разброс ёмкостей возникает так: в отличие от CD-ROM, диски DVD записываются с обеих сторон. Более того, с каждой стороны могут быть нанесены один или два слоя информации. Таким образом, односторонние однослойные диски имеют объем 4,7 Гбайт (их часто называют DVD-5, т.е. диски емкостью около 5 Гбайт), двусторонние однослойные — 9,4 Гбайт (DVD-10), односторонние двухслойные — 8,5 Гбайт (DVD-9), а двусторонние двухслойные — 17 Гбайт (DVD-18). В зависимости от объема требующих хранения данных и выбирается тип DVD-диска. Если речь идет о фильмах, то на двусторонних дисках часто хранят две версии одной картины — одна широкоэкранная, вторая в классическом телевизионном формате.
Устройство CD-ROM содержит:
1 - корпус накопителя, передняя панель,
2 - кнопка выдвигания/задвигания,
3 – оптический диск,
4 - платформа, на которой размещается оптический диск.
Стриммер
Стриммер (stream — длинная лента) — устройство для записи информации на магнитную ленту. Стриммер используется для архивирования информации с жесткого диска.
Стриммер — это магнитофон, который записывает информацию с очень большой скоростью - от единиц до десятков Мб в секунду. Например, стриммеры произведенные компанией IBM в 2003 году имеют скорость 30 Мб/сек. Носителями информации для стриммеров являются кассеты и ленточные картриджи. Кассеты имеют объем до 60 Гб, картриджы до 160 Гб. Эти объемы позволяют сохранить на кассету или картридж информацию со всего жесткого диска. Как и многие другие устройства стриммеры бывают внутренними и внешними. Внутренние стриммеры вставляется в те же пазы системного блока, что и CD-ROM, внешние выполнены в отдельном корпусе и соединяются с компьютером через внешний порт.
Электронные запоминающие устройства
Устройство электронных запоминающих устройств основано на принципах хранения и использования информации посредством электрических зарядов. К электронным запоминающим устройствам относятся различные виды микросхем памяти. Принципиально, микросхемы памяти представляют набор организованных запоминающих элементов к каждому из которых может быть произведено обращение с целью считывания или записи информации объемом в один или более байт. Микросхемы памяти представляют собой устройства, выполненные по технологии микросхемных производств и делятся на микросхемы способные хранить информацию: пока имеется в наличии питающее напряжение и без дополнительной поддержки питающим напряжением. Также, различают устройства, дающие возможность считывать и записывать информацию в динамическом режиме – динамическая память (из них формируется оперативная память компьютера – Оперативное Запоминающее Устройство – ОЗУ (Random Accessed Memory RAM)) и, позволяющие без специальной аппаратуры (программатора) лишь считывать записанную, при помощи специальной аппаратуры, информацию (из них формируется Постоянное Запоминающее Устройство компьютера – ПЗУ (Read Only Memory – ROM)). ОЗУ также называют оперативной памятью или просто памятью компьютера, а ПЗУ – ROM-BIOS памятью (на рисунке изображена микросхема ПЗУ – ROM-BIOS установленная в разъем на материнской плате).
Как правило, электронные запоминающие устройства оформляются в виде микроустройств, микросхем и их наборов. Более крупные интегрированные блоки электронных накопителей информации организуются в виде наборов микросхем памяти, расположенных на одной печатной монтажной плате или в виде расширенных устройств, состоящих из наборов плат с микросхемами памяти и схем управления и регенерации. Микросхемы памяти могут размещаться непосредственно на материнской плате паянным способом или в разъемах для одиночных или SIMM, SIP и DIMM модулей; на платах расширений, вставленных в слоты системной шины внутри системного блока – LIM-EMS расширяемая память, или в виде внешних устройств, подключаемых при помощи специализированных шинных контроллеров и интерфейсов.
К важным функциональным характеристикам микросхем памяти, также, относят объем запоминаемой информации отдельной микросхемой или набором микросхем (в байтах или килобайтах) и скорость чтения/записи. Фирмами производителями выпускаются отдельные микросхемы объемом 32, 64, 128, 256, 1024 и 2048К; и SIMM, SIP и DIMM модули объемом 256, 1024, 2048, 4096, 8192, 16284, 32568К и более, со скоростями чтения/записи 40, 50, 60 и 70 нс.
Технологии производства электронных запоминающих устройств постоянно совершенствуются и развиваются. Сегодня уже очевидно, что в мире устройств хранения данных USB флэшку, одного из самых распространенных носителей информации, ждёт большое будущее. Компактный размер и малый вес, позволяющие свободно переносить флэшнакопитель в карманах одежды и любых самых маленьких сумках и портмоне, высокая скорость работы и большая ёмкость памяти делают его поистине незаменимым для пользователей.
Компания Transcend начала выпуск флеш – дисков серии JetFlash, имеющих емкость 16 Гбайт. Как и в других подобных устройствах, для подключения к ПК используется высокоскоростной интерфейс USB 2.0. По данным производителя, максимальная скорость чтения и записи составляет 25 и 20 Мбайт/с соответственно. В комплект поставки таких флеш – дисков входит несколько полезных утилит: Auto Login (автоматический ввод пароля для доступа на веб – сайты), Data Backup (резервное копирование, восстановление и синхронизация данных между ПК и накопителем JetFlash), E-mail (почтовый клиент), SecureZip (архивирование и шифрование данных), PC – Lock (возможность доступа к ПК только при подключении накопителя JetFlash) и ряд других.
Любая микропроцессорная система, вне зависимости от типа используемого микроконтроллера или процессора, в обязательном порядке требует памяти (рис. 1). В памяти хранится исполняемая процессором программа. Там же помещаются данные, используемые при вычислениях. Данные могут поступать от датчиков или появляться в результате расчетов, они также могут изначально размещаться в памяти при программировании.
Рис. 1. Процессор использует память для хранения программ и данных
В идеальном мире для хранения данных и программ будет достаточно одного вида памяти. Однако в реальности существующие технологии памяти вынуждают пользователя искать компромисс между несколькими параметрами, например, между скоростью доступа, стоимостью и длительность сохранения данных.
Например, жесткий диск (HDD), используемый в большинстве ПК, может хранить большой объем информации и имеет относительно низкую стоимость. Кроме того, информация, размещенная на HDD, не теряется при выключении ПК. В то же время скорость обмена при работе с жестким диском оказывается достаточно низкой.
Оперативная память ПК хотя и отличается высокой ценой и не сохраняет данные при отключении питания, но вместе с тем скорость обмена данными между ОЗУ и процессором оказывается гораздо выше, чем при работе с жестким диском.
Память можно разделить на две основные категории: энергозависимую (volatile) и энергонезависимую (non-volatile). Энергозависимая память теряет свое содержимое при отключении питания. Энергонезависимая память сохраняет данные даже при отключении питания.
В общем случае энергонезависимая память работает медленнее, но стоит дешевле, чем энергозависимая память. Чаще всего энергонезависимая память используется для хранения программ и пользовательских данных. Энергозависимая память в основном необходима для хранения часто используемых данных. Кроме того, в высокопроизводительных устройствах после запуска процессора программа копируется из энергонезависимой памяти в ОЗУ и далее выполняется оттуда.
Энергонезависимая память
Почти вся энергонезависимая память использует одну и ту же базовую технологию для хранения битов данных. Значение каждого бита по существу определяется наличием или отсутствием заряда, хранимого на плавающем затворе МОП-транзистора. От заряда на этом плавающем затворе зависит, находится ли канал МОП-транзистора в проводящем состоянии или нет, тем самым, кодируется логический уровень элементарной ячейки памяти.
Инжекция или удаление заряда изолированного затвора осуществляется за счет подачи высокого напряжения определенной полярности на традиционный затвор транзистора. В результате энергонезависимая память имеет несколько важных особенностей.
Во-первых, чтобы перезаписать бит памяти, его необходимо сначала стереть. При этом механизм записи с переносом заряда характеризуется таким негативным эффектом, как деградация ячейки памяти. Деградация приводит тому, что после многочисленных циклов записи/стирания ячейка памяти теряет способность хранить заряд, то есть перестает выполнять свою главную функцию.
Различные виды энергонезависимой памяти отличаются способом организации битов в микросхеме, что в свою очередь определяет, насколько легко и как быстро к ним можно получить доступ. Таким образом, когда речь заходит об энергонезависимой памяти помимо показателей скорости и стоимости в игру вступают дополнительные факторы. Эти факторы привели к появлению различных технологий энергонезависимой памяти.
Flash
Flash чаще всего используется для хранения программ и констант в микроконтроллерах, а также для хранения загрузчика в ПК.
Существует два основных типа Flash: NAND и NOR. Оба типа Flash имеют свои достоинства и недостатки и применяются в различных приложениях.
NOR Flash, как правило, выступает в роли XIP-памяти (Execute In Place), то есть может использоваться как для хранения, так и для выполнения программ. В большинстве случаев, NOR Flash оказывается дороже и быстрее, чем NAND Flash.
NAND Flash обычно используется в SSD-дисках, USB-накопителях, а также является основным типом памяти для SD-карт.
EEPROM
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) – достаточно медленный и относительно дорогой тип памяти. Вместе с тем EEPROM обеспечивает простоту доступа к данным. Если во Flash организован постраничный доступ к памяти, то EEPROM позволяет записывать и стирать отдельные байты. Таким образом, EEPROM является оптимальным вариантом для хранения данных конфигурации и пользовательской информации во встраиваемых системах.
SSD и SD
В SSD-накопителях (Solid State Drives) и SD-картах (Secure Digital) используется NAND Flash (рис. 2). В таких накопителях работа ведется с большими блоками данных. SSD-накопители и SD-карты обеспечивают более высокую надежность, по сравнению традиционными жесткими дисками (HDD).
Рис. 2. Карта памяти SD (32 ГБ)
Для уменьшения влияния недостатков базовой технологии, в первую очередь деградации, в SSD используются специальные технологии, в том числе, схема обнаружения и исправления ошибок, а также схема равномерного использования ячеек памяти.
В отличие от SSD, SD-карты, в силу своего размера, обычно не отличаются большой емкостью и не обладают технологиями, повышающими надежность хранения данных. Следовательно, они в основном используются в приложениях, требующих не очень частого доступа к данным.
Дискретные микросхемы Flash-памяти большого объема (более нескольких Мбайт) оказываются весьма дорогими, если речь идет о мелком и среднесерийном производстве.
Таким образом, если вашему устройству требуется большой объем Flash (сотни Мбайт - Гбайты), то в большинстве случаев более экономичным решением станет использование SD-карты, по крайней мере, до тех пор, пока вы не достигнете крупносерийного производства, при котором стоимость дискретных микросхем Flash не опуститься до разумного значения.
Другие типы энергонезависимой памяти
В этом разделе кратко описаны некоторые другие типы энергонезависимой памяти, которые широко использовались в прошлом.
Постоянная память ROM. Содержимое этой памяти программируется на этапе производства и не может быть изменено в процессе эксплуатации.
Однократно программируемая пользователем память PROM (Programmable ROM). Содержимое этой памяти может быть однократно запрограммировано пользователем.
Стираемая память EPROM (Erasable Programmable ROM). Микросхемы EPROM имеют небольшое окно для стирания содержимого с помощью ультрафиолетового излучения. После стирания память EPROM может быть снова запрограммирована.
Рис. 3. Пример устаревшей микросхемы EPROM с окном для стирания УФ-светом
Энергозависимая память
Энергозависимая память RAM (Random Access Memory) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – это запоминающее устройство, которое сохраняет свое содержимое только при наличии напряжения питания. Существует два типа RAM: статическая и динамическая.
Ячейка динамического RAM или DRAM не только нуждается в присутствии напряжения питания, но и отличается постоянной потерей заряда, из-за чего содержимое DRAM требует периодической регенерации.
Статическая RAM или SRAM не требует регенерации и сохраняет свое содержимое при наличии напряжения питания.
В каких же случаях необходимо использовать SRAM или DRAM вместо любого из описанных выше энергонезависимых типов памяти? Ответ прост – в тех случаях, когда необходима высокая скорость и простота доступа к данным. Оперативная память оказывается не только намного быстрее энергонезависимых типов памяти, но и обеспечивает произвольный доступ к хранящимся в ней данным. Можно записывать или читать данные из любой области памяти с очень высокой скоростью, не беспокоясь о стирании страниц или блоков. Вместе с тем основным недостатком RAM является высокая стоимость. Таким образом, в большинстве вычислительных систем обычно используют комбинацию из RAM и flash-памяти. При этом каждый из этих типов памяти решает конкретные задачи, с учетом оптимального использования их преимуществ.
В категории энергозависимой памяти SRAM оказывается быстрее, чем DRAM, но при этом отличается и более высокой стоимостью. Это связано с тем, что для реализации ячейки SRAM требуется от четырех до шести транзисторов, а для ячейки DRAM требуется только один. Следовательно, на кристалле одного и того же размера можно уместить гораздо больше ячеек DRAM, чем ячеек SRAM.
В то же время для работы с DRAM требуется контроллер, который будет автоматически выполнять периодическую регенерацию содержимого памяти. Таким образом, использование DRAM вместо SRAM имеет смысл только в том случае, если стоимость контроллера перекрывается дешевизной DRAM-памяти.
SRAM чаще всего применяется в тех случаях, когда высокая скорость доступа имеет критическое значение, а объем необходимой памяти оказывается относительно небольшим.
Таким образом, SRAM обычно используется в микроконтроллерах, где небольшой объем статической памяти обеспечивает меньшую стоимость по сравнению с DRAM с собственным контроллером памяти. SRAM также используется в качестве высокоскоростной кэш-памяти внутри микропроцессоров, благодаря высокой скорости доступа.
Виды DRAM
Существуют различные виды DRAM. Исторически первые микросхемы DRAM сначала уступили место FPRAM (Fast Page RAM), которые в свою очередь были заменены на EDO RAM (Extended Data Output RAM), на смену которым, в конце концов, пришли микросхемы синхронной памяти DRAM или SDRAM.
Новые поколения SDRAM используют двойную скорость передачи данных (SDRAM included Double Data Rate). Речь идет о DDR2, DDR3 и DDR4.
Хотя каждое новое поколение SDRAM имело некоторые улучшения по сравнению с предыдущими поколениями, следует отметить, что сама базовая динамическая ячейка ОЗУ оставалась практически без изменений и обеспечивала лишь незначительное увеличение скорости доступа. С другой стороны, плотность размещения ячеек памяти или общее количество битов, упакованных в один чип, значительно увеличилось с течением времени. Тем не менее, основные улучшения в новых поколениях SDRAM были связаны именно с увеличением скорости передачи данных и уменьшением удельного энергопотребления.
SDRAM является основой для всех современных видов DRAM. До появления SDRAM память DRAM использовала асинхронной обмен, то есть после запроса на чтение данные сразу же появлялись на шине данных. В SDRAM данные синхронизируются с помощью тактового сигнала.
Например, после того, как SDRAM-память получает команду чтения, она начинает выставлять данные спустя определенное количество тактов. Эта задержка известна как строб адреса столбца CAS (Column Address Strobe). Она имеет фиксированное значение для каждого модуля памяти.
Кроме того, в SDRAM считывание данных всегда синхронизируется по фронту тактового сигнала. Таким образом, процессор точно знает, когда ожидать запрошенные данные.
DDR DRAM
Говоря о первом поколении SDRAM, его часто называют памятью с однократной скоростью передачи данных или SDR (Single Data Rate). Следующим эволюционным шагом в развитии SDRAM стало появление DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) или памяти с удвоенной скоростью передачи данных.
На рис. 4 показана разница в обмене данными при работе с SDR и DDR SDRAM. Обратите внимание, что на этом рисунке задержка CAS не показана.
Рис. 4. Передача данных при работе с SDR и DDR. Прием данных DDR выполняется как по фронту, так и по срезу тактового сигнала
DDR2, DDR3 и DDR4
При переходе от SDR к DDR передача данных стала вестись как по фронту, так и по срезу тактового сигнала. Далее при переходе от DDR2 к DDR4 SDRAM скорость передачи возрастала за счет использования некоторых хитрых приемов. При этом, как уже упоминалось ранее, скорость доступа к содержимому ячейки памяти DRAM не сильно изменилась из-за ограничений базовой технологии. В реальности эту скорость удалось увеличить всего в два раза.
Рис. 5. Модуль DDR-памяти, используемый в компьютерах
Не вдаваясь в технические тонкости, можно отметить, что одним из «хитрых» способов повышения скорости передачи является увеличение разрядности шины данных. Очевидно, что если организация памяти позволяет считать за один цикл доступа сразу несколько битов, то это приводит к кратному увеличению скорости передачи данных.
Поскольку доступ к памяти обычно осуществляется последовательно, CAS определяет некоторую задержку между подачей команды чтения и готовностью данных. Следовательно, еще одна хитрость, позволяющая увеличить скорость чтения, заключается в поддержке циклов многократного чтения или в возможности предварительного выбора данных. Эти функции позволяют контроллеру памяти заранее подготовить новый блок данных для следующей передачи.
Наконец, достижения в кремниевой полупроводниковой технологии позволяют снизить рабочее напряжение, а значит уменьшить удельное потребление на бит и увеличить объем памяти при том же энергопотреблении.
Заключение
В большинстве микропроцессорных устройств требуется как энергонезависимая, так и энергозависимая память. Однако выбор оптимального типа памяти зависит от особенностей конкретного приложения.
Память оказывает большое влияние на производительность, стоимость и энергопотребление. По этой причине выбор оптимального типа памяти является очень важной задачей.
Как и в случае со всеми инженерными задачами, разработка электронных устройств очень часто требует поиска компромиссных решений. Теперь, когда вы знаете о достоинствах и недостатках различных типов памяти, вы сможете выбрать оптимальный тип памяти для вашего нового устройства.
Поэтому термин «энергонезависимая память» чаще всего употребляется более узко, по отношению к полупроводниковым БИС запоминающих устройств, которая обычно выполняется энергозависимой, и содержимое которой при выключении обычно пропадает. Под понятие энергонезависимой памяти подпадают по сути энергозависимая память, „энергонезависимость“ которой обеспечивается применением технологией с «ускользающе малым потреблением» (например) вкупе с подпиткой от миниатюрной батарейки или SSD.
Например, часы на системной плате персонального компьютера или ОЗУ современного RAID-контроллера [1] [2] [3] [4] [5] .
См. также
Примечания
Литература
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое "Энергонезависимая память" в других словарях:
энергонезависимая память — liekamoji atmintinė statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. nonvolatile memory vok. nichtflüchtiger Speicher, m rus. энергонезависимая память, f pranc. mémoire non volatile, f … Automatikos terminų žodynas
Энергонезависимая память — 10. Энергонезависимая память Запоминающее устройство хранения данных, обеспечивающее сохранность информации при выключении питания Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Память на магнитных сердечниках — Типы компьютерной памяти Энергозависимая DRAM (в том числе DDR SDRAM) SRAM Перспективные T RAM Z RAM TTRAM Из истории Память на линиях задержки Запоминающая электронстатическая трубка Запоминающая ЭЛТ Энергонезависимая ПЗУ … Википедия
Память с изменением фазового состояния — Для термина «PCM» см. другие значения. Типы компьютерной памяти Энергозависимая DRAM (в том числе DDR SDRAM) SRAM Перспективные T RAM Z RAM TTRAM Из истории Память на линиях задержки Запоминающая электронстатическая трубка Запоминающая ЭЛТ Эн … Википедия
Память (значения) — Содержание 1 В психологии 2 В компьютерной технике … Википедия
Как работает диск SSD и как он конкурирует с новейшими технологиями, такими как технология энергонезависимого хранения Intel Optane ?
Чтобы понять, чем и почему SSD-диски отличаются от вращающихся, необходимо сказать несколько слов о диске HDD . Жесткий диск хранит данные на нескольких вращающихся магнитных дисках, называемых пластинами. К нему прикреплен рычаг привода с головками чтения/записи. Этот рычаг позиционирует головки над правильной областью привода для чтения или записи информации.
Поскольку головки дисков должны выравниваться по области диска, чтобы считывать или записывать данные (а диск постоянно вращается), существует время ожидания для доступа к данным. Привод может нуждаться в чтении из нескольких мест, чтобы запустить программу или загрузить файл, а это значит, что ему, возможно, придется подождать, пока пластины повернутся в правильное положение несколько раз, прежде чем он сможет выполнить команду. Если диск находится в спящем режиме или в режиме низкого энергопотребления, может потребоваться несколько секунд, чтобы диск заработал на полную мощность и начал выполнять требуемые операции.
С самого начала было ясно, что жесткие диски не смогут соответствовать скоростям, на которых могут работать процессоры. Задержка в жестких дисках измеряется в миллисекундах по сравнению с наносекундами для типичного процессора. Одна миллисекунда составляет 1 000 000 наносекунд, и обычно на жесткий диск уходит 10-15 миллисекунд, чтобы найти данные на диске и начать их чтение. Производители жестких дисков совершенствуют технологии для увеличения быстродействия: делают меньше размер пластины, устанавливают дополнительную кэш-память на диске и увеличивают скорости вращения шпинделя. Линейка продуктов VelociRaptor компании Western Digital имеет скорость вращения 10 000 об/мин, что является самой быстрой скоростью вращения шпинделя на потребительском рынке HDD. Некоторые диски для корпоративных целей вращаются со скоростью до 15 000 об/мин. Однако, даже самый быстрый вращающийся диск с самыми большими кэшами и самыми маленькими жесткими дисками все еще мучительно медленен для процессора.
Чем отличаются SSD
Твердотельные накопители называются именно так, потому что они не зависят от движущихся частей или вращающихся дисков. Вместо этого, данные сохраняются в пул флеш-памяти NAND. Сама NAND состоит из так называемых транзисторов с плавающим затвором. В отличие от конструкции транзисторов, используемых в DRAM, которые должны обновляться несколько раз в секунду, флеш-память NAND предназначена для сохранения информации даже при отсутствии питания. Это делает NAND типом энергонезависимой памяти.
Диаграмма выше показывает простой дизайн флеш-ячейки. Электроны хранятся в плавающем затворе, который затем читается как заряженный «0» или незаряженный «1». Именно так, во флеш-памяти NAND «0» означает, что данные хранятся в ячейке, это противоположно тому, как мы обычно думаем о «0» или «1». NAND flash организован в виде сетки. Весь макет сетки называется блоком, а отдельные строки, составляющие сетку, называются страницами. Типичные размеры страниц: 2 КБ, 4 КБ, 8 КБ или 16 КБ, от 128 до 256 страниц на блок. Поэтому размер блока обычно варьируется от 256 КБ до 4 МБ.
В приведенной выше таблице есть две вещи, на которые следует обратить внимание. Во-первых, обратите внимание, как добавление большего количества бит на ячейку NAND оказывает существенное влияние на производительность памяти. Причем, влияние на задержку записи больше, чем на задержку чтения. Типичная задержка трехуровневой ячейки (TLC) в 4 раза больше по сравнению с NAND одноуровневой ячейки (SLC) для чтения и в 6 раз больше для записи. Задержки стирания также значительно различаются. Влияние также не пропорционально - TLC NAND почти в два раза медленнее, чем MLC NAND, несмотря на то, что он содержит только на 50% больше данных (три бита на ячейку вместо двух). Это также верно для приводов QLC, которые хранят еще больше битов при разных уровнях напряжения в одной ячейке.
Причина, по которой TLC NAND медленнее, чем MLC или SLC, связана с тем, как данные перемещаются в ячейку NAND и выходят из нее. При использовании SLC NAND контроллер должен знать только, является ли бит 0 или 1. При использовании MLC NAND ячейка может иметь четыре значения - 00, 01, 10 или 11. При использовании TLC NAND ячейка может иметь восемь значений и QLC имеет 16 значений. Для считывания правильного значения из ячейки контроллер памяти должен использовать точное напряжение для определения того, заряжена ли какая-либо конкретная ячейка.
Чтение, запись и стирание
Одним из функциональных ограничений твердотельных накопителей является то, что перезапись данных происходит намного медленнее, чем считывание и запись на пустой диск. Это связано с тем, что твердотельные накопители считывают данные на уровне страницы (т.е. из отдельных строк в сетке памяти NAND) и могут записывать на уровне страницы, если соседние ячейки пусты. Но стирать данные они могут только на уровне блоков. Для стирания NAND флеш–памяти требуется высокое напряжение. Хотя теоретически можно стереть NAND на уровне страницы, требуемая величина напряжения воздействует на соседние ячейки вокруг перезаписываемых. Стирание данных на уровне блоков помогает избежать этой проблемы.
Единственный способ для SSD обновить существующую страницу - скопировать содержимое всего блока в память, стереть блок, а затем записать содержимое старого блока + обновленную страницу. Если накопитель заполнен и нет доступных пустых страниц, твердотельный накопитель должен сначала проверить блоки, помеченные для удаления, но еще не удаленные, стереть их, а затем записать данные на стертую страницу. Вот почему твердотельные накопители могут становиться медленнее по мере заполнения - почти пустой диск заполнен блоками, которые можно записать немедленно, а почти полный диск будет проходить через всю последовательность операций по проверке–копированию–стиранию–записи.
Если вы использовали твердотельные накопители, вы, вероятно, слышали о так называемой «сборке мусора» (garbage collection). Сборка мусора - это фоновый процесс, который позволяет диску снизить влияние на производительность цикла проверка–копирование–стирание–запись, выполняя определенные задачи в фоновом режиме.
Сборка мусора (англ. garbage collection) в программировании — одна из форм автоматического управления памятью. Специальный процесс, называемый сборщиком мусора (англ. garbage collector), периодически освобождает память, удаляя объекты, которые уже не будут востребованы приложениями.
Поговорим о TRIM
TRIM (англ. to trim — подрезать) — команда позволяющая операционной системе уведомить твердотельный накопитель о том, какие блоки данных не несут полезной нагрузки и их можно не хранить физически.
Когда вы удаляете файл из Windows на обычном жестком диске, файл не удаляется сразу. Вместо этого операционная система сообщает жесткому диску, что она может перезаписать физическую область диска, на которой эти данные были сохранены, в следующий раз, когда ей потребуется выполнить запись. Вот почему можно восстановить файлы (и почему удаление файлов в Windows обычно не освобождает много места на физическом диске, пока вы не очистите корзину). С традиционным жестким диском ОС не нужно обращать внимание на то, где записываются данные или каково относительное состояние блоков или страниц. С SSD это важно.
Команда TRIM позволяет операционной системе сообщить SSD, что она может пропустить перезапись определенных данных при следующем удалении блока. Это снижает общий объем данных, которые записывает диск, и увеличивает срок службы SSD. И чтение, и запись повреждают флеш-память NAND, но запись наносит гораздо больший ущерб, чем чтение. К счастью, долговечность на уровне блоков не является проблемой современной флеш-памяти NAND.
Выравнивание износа и усиление записи
Поскольку твердотельные накопители записывают данные на страницы, но стирают данные в блоках, объем данных, записываемых на накопитель, всегда превышает фактическое обновление. Например, если вы вносите изменения в файл размером 4 КБ, весь блок, в котором находится файл 4 КБ, должен быть обновлен и переписан. В зависимости от количества страниц в блоке и размера страниц, может понадобиться записать данные объемом 4 МБ для обновления файла 4 КБ. Сборка мусора уменьшает влияние усиления записи, как и команда TRIM. Сохранение значительной части диска свободной и/или дополнительное выделение ресурсов производителем также может снизить влияние усиления записи.
Усиление записи (Write amplification) является нежелательным явлением, связанным с флеш-памятью и твердотельными накопителями (SSD), когда фактический объем информации, физически записываемый на носитель, превышает объем, предназначенный для записи.
Выравнивание износа используется для обеспечения равномерности записи/стирания блоков NAND, т.е. чтобы одни блоки не записывались и стирались чаще, чем другие. Несмотря на то, что выравнивание износа увеличивает ожидаемый срок службы диска и его долговечность за счет одинаковой записи в NAND, оно может фактически увеличить усиление записи. В других случаях для равномерного распределения записей по диску иногда необходимо записывать и удалять блоки, даже если их содержимое фактически не изменилось. Хороший алгоритм выравнивания износа стремится сбалансировать эти воздействия.
Контроллер SSD
Теперь становится понятно, что твердотельные накопители требуют гораздо более сложных механизмов управления, чем жесткие диски. Однако и у HDD есть свои технологические сложности. Например, механические проблемы, связанные с балансировкой нескольких головок чтения-записи в нанометрах над пластинами, которые вращаются со скоростью от 5400 до 10000 оборотов в минуту. Тот факт, что жесткие диски справляются с этой задачей, просто невероятен. Между тем стоимость HDD остается ниже стоимости SSD.
Контроллеры SSD имеют пул памяти DDR3 или DDR4, чтобы эффективней управлять самой NAND. Многие накопители также содержат одноуровневые кэши ячеек, которые действуют как буферы, увеличивая производительность накопителя, выделяя быстрые NAND для циклов чтения/записи. Некоторые накопители используют алгоритмы сжатия данных для уменьшения общего числа операций записи и увеличения срока службы накопителя. Контроллер SSD исправляет ошибки. Алгоритмы коррекции ошибок совершенствуются.
Производители SSD дисков не разглашают техническую информацию об алгоритмах, применяемых в контроллерах SSD. Большая часть производительности флеш-памяти NAND определяется базовым контроллером, и компании не хотят раскрывать ноу–хау, чтобы не дать конкурентам преимущество.
Интерфейсы
Сначала SSD использовали порты SATA, как и жесткие диски. В последние годы мы наблюдаем переход к дискам M.2 - очень тонким дискам длиной в несколько сантиметров, которые вставляются непосредственно в материнскую плату (или, в некоторых случаях, в монтажный кронштейн на переходной плате PCIe).
Читайте также: