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

1. Лекция 4

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

2. Эволюция запоминающих устройств

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

3. Эволюция запоминающих устройств

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

4. Эволюция запоминающих устройств

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

5.

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

6. Что такое домен

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

7. Электромагнитное поле

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

8. Как производится запись?

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

9. Как производится считывание?

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

10. Еще раз устройство винчестера

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

11. Объем жесткого диска?

На текущий момент
Компания HGST (ранее Hitachi Global Storage
Technologies, сейчас - подразделение Western
Digital) анонсировала выпуск самого емкого на
данный момент накопителя на жестких
магнитных дисках с частотой вращения
шпинделя 10 000 об/мин.
Объем Ultrastar C10K1200 = 1,2 ТБ.
Типоразмер 2,5 дюйма;
Интерфейс SAS 6 Гбит/с; буфер 64 МБ.
Ср. время наработки на отказ 2 млн. часов.
Гидродинамические подшипники и технологии
защиты от ротационных вибраций (Rotational
Vibration Safeguard, RVS).
Система управления энергопотреблением
HGST Advanced Power Management с
многоступенчатым режимом ожидания = 5 Вт.

12. На текущий момент

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

13. Тенденции развития

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

14. Увеличение плотности записи

Невозможно бесконечно увеличивать
плотность записи – надо менять технологию

15. Увеличение плотности записи

Продольная и поперечная
запись на диск
Продольная запись позволяет записать ~23 Гбит на
см. кв. или (по иным источникам) ~120 Гбит/дюйм2

16. Продольная и поперечная запись на диск

Поперечная запись
(появилась ~ 2005 год) –
более 60 Гбит на см. кв.
Прогнозируемый
предел ~500
Гбит/дюйм2

17. Продольная и поперечная запись на диск

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

18. Термоассистируемая магнитная запись

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

19. Термоассистируемая магнитная запись

CNews, 20.03.12
«Компания Seagate смогла на 55% увеличить
плотность записи данных в жестком диске — до 1
Тбит на квадратный дюйм. Ожидается, что новая
технология в течение ближайших 10 лет позволит
создавать винчестеры емкостью до 60 ТБ. »
Современные жесткие диски
имеют плотность записи 620
Гбит на квадратный дюйм
Технология HAMR позволит
создавать винчестеры с
плотностью 1 Тбит на
квадратный дюйм
Максимальная теоретическая
плотность ~ 5-20 Тбит на
квадратный дюйм.
3 ТБ (при 3,5-дюймовом
форм-факторе)
750 ГБ (с 2,5-дюймовым)
6 ТБ (при 3,5-дюймовом
форм-факторе)
2 ТБ (с 2,5-дюймовым)
30-60 ТБ (при 3,5дюймовом форм-факторе)
10-20 ТБ (с 2,5дюймовым)

20. CNews, 20.03.12

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

21. Структурированные носители

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

22. Организация данных на жестком диске

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

23. Фрагмент дорожки диска (2 сектора)

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

24.

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

25. Проблемы жестких дисков

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

26. RAID-0

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

27. RAID-1

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

28. RAID-5

Флэш-память
Перезаписываемая ПЗУ
Энергонезависимая (не требует энергии
для хранения данных; энергия требуется
только для записи).
Полупроводниковая (твердотельная) – не
содержащая механически движущихся частей,
построенная на основе интегральных микросхем
(IC-Chip)
Обгоняет по скорости работы жесткие диски на ~2
порядка
ограниченное число циклов
перезаписи (от 10 000 до 1 000 000)
300.000 - 500.000 операций стирания/
записи в одну и ту же ячейку

29. Флэш-память

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

30. Флеш-память

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

31.

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

32.

Запись/стирание информации
ячейки флеш-памяти

33.

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

34.

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

35.

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

36. Твердотельные винчестеры

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

37. SSD: преимущества

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

38. SSD: недостатки

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

39. Гибридные жесткие диски

40.

Тест проверки
производительности компьютеров

41. Тест проверки производительности компьютеров

Сравнение
производительности SSD и
гибридного диска

42. Сравнение производительности SSD и гибридного диска

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

43. CD-диски: История

CD-диски
Поликарбонатный
диск
Слой алюминия
Лаковый защитный
слой

44. CD-диски

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

45. Структура данных на CD-диске

Запись и чтение данных на
CD-диск

46. Запись и чтение данных на CD-диск

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

47. DVD-диски

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

48. DVD-диски: типы и объемы

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

49. R (Recordable) и RW (ReWritable) диски

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

50. Особенности -RW дисков

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

51. HD DVD-диски и Blu-ray

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

52. HD DVD

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

53. Blu-ray

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

54. Blu-ray

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