أجهزة التخزين
علينا الآن التعمق في الأجهزة الفعلية المستخدمة لتخزين البيانات واستمرارها. ينبغي أن يكون هذا الفيديو بمثابة تجديد للمعلومات عن أنواع مختلفة من تقنيات التخزين المتاحة، مع تفضيلات التكلفة/ الأداء النسبي.
التدرج الهرمي للذاكرة
وخلاصة الأمر، تُوضح التدرج الهرمي للذاكرة في الشكل التالي. تُعد السجلات على الشريحة أسرع (وأغلى) مساحة تخزين في جهاز الكمبيوتر الحديث، والتي تتكون من حوالي ستة عشر- 8 بايت سجلات لكل ذاكرة أساسية. ويمكن الوصول لذلك خلال دورة ساعة واحدة (<1 نانو ثانية). بعدها، لدينا RAM الثابتة (SRAM)، والتي تستخدمها تقنية التخزين في ذاكرة التخزين المؤقت. ويمكن الوصول إليها فيما بين 0.5 إلى 2.5 نانو ثانية، ولكن تكلفتها تتراوح حول 10 و50 دولارًا لكل ميغابايت. ولدى المعالجات الحديثة بضعة ميغابايت من هذه الكتابة لذاكرة الموجودة داخل المستويات المختلفة (المستوى 1- المستوى 3) من ذاكرة التخزين المؤقت في قالب المعالج. ويختلف كل مستوى من حيث القدرة ووقت الوصول والنطاق الترددي والتنظيم.
الشكل 3: التسلسل الهرمي للذاكرة
من هنا، هناك قفزة هامة من حيث القدرة ووقت الوصول عند الذهاب إلى الذاكرة الرئيسية (DRAM). تسمح تقنية DRAM الحالية بالوصول إلى أزمنة انتقال من 50-70 نانو ثانية، وتتكون من عدة غيغابايت. وتبلغ تكلفة DRAM حوالي 10-30 دولارًا أمريكيًا لكل GB، ما يسمح بتخزين بضع غيغابايت في أجهزة الكمبيوتر الشخصية، وما يصل إلى تيرابايت في الخوادم. استرجاع أن كلاً من الذاكرات المذكورة حتى الآن جميعها ذاكرات متنقلة. وتكون البيانات المخزنة في هذه الذاكرات موجودة طالما أنها متصلة بالطاقة. وعندما يتم إيقاف تشغيل الذاكرات، فإنها تفقد كافة المعلومات.
ويلاحظ الترتيب التالي للاختلاف في الحجم في الأقراص، والتي يمكن أن تتطلب في أي مكان ما بين عشرات من النانو ثانية إلى مئات من المللي ثانية لإحضار عنصر معين، اعتمادًا على كتابة جهاز التخزين المستخدم. وأخيرا، هناك الشبكة، التي يمكنها توصيل الأجهزة الموجودة في نفس الحامل أو التي يمكن أن تمر عبر البلدان/المناطق. ويمكن أن تتفاوت أزمنة الانتقال في الوصول هنا تفاوتًا كبيرًا، اعتمادًا على التقنيات المستخدمة والمسافة. فالأقراص غير متنقلة وتستمر البيانات حتى عند إيقاف تشغيلها.
أنواع أجهزة التخزين
الأقراص المغناطيسية
كانت الأقراص المغناطيسية أنظمة التخزين الأكثر فعالية من حيث التكلفة وشعبية لعدة عقود من الزمن الآن، ولكنها تتخلى ببطء عن مركزها المهيمن لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة. وتتكون الأقراص المغناطيسية من سدر مغناطيسي دوار أو أكثر ورأس قراءة/كتابة متحرك يطفو فوق السدر. الأقراص المغناطيسية كثيفة للغاية ورخيصة. في وقت كتابة هذا التقرير، تتوفر محركات 6 تيرابايت في عامل تصميم سطح المكتب 3.5" مقابل حول 270 دولارًا، وهو ما يترجم إلى حول 4 سنتات لكل غيغابايت. وهذا يجعل الأقراص المغناطيسية واحدة من أرخص تقنيات التخزين متصلة بالإنترنت المتاحة (مقارنة دون اتصال / التقنيات القابلة للإزالة مثل الأشرطة والأقراص البصرية).
وعلى الرغم من ذلك الأقراص المغناطيسية تقع بين أبطأ تقنيات التخزين. ويكون زمن الانتقال للوصول النموذجي في الأقراص الحديثة 5-20 مللي ثانية. والسبب الرئيسي لأداء الأقراص المغناطيسية هو حقيقة أن هناك أجزاء متحركة تُشارك في أثناء قراءة وكتابة البيانات. وكما هو موضح في الشكل التالي، يتم تنظيم الأقراص المغناطيسية على شكل مجموعة من القطاعات والمسارات والأسطوانات. على وجه الخصوص، يتم تقسيم السطح على محرك الأقراص المعتاد إلى عدد من المسارات متحدة المركز. وينقسم كل مسار إلى عدد من القطاعات متساوية الحجم. وتُقرأ البيانات المخزنة في القطاعات وتُكتب باستخدام مجموعة من رؤوس القراءة والكتابة، مع رأس واحد لكل سطح. تسمى مجموعة المسارات المحددة من قبل رؤوس الأقراص في أي وقت أسطوانة. يتم الوصول إلى البيانات في القطاعات عن طريق نقل رؤوس الأقراص إلى الأسطوانة المناسبة (يسمى الوقت المطلوب لهذه المهمة وقت البحث) ثم انتظار القرص لتدوير حتى يكون قطاع القرص المطلوب تحت أحد الرؤوس (يسمى وقت التناوب). يعتمد الوقت اللازم للوصول إلى القطاع (أي وقت البحث + وقت التناوب) على مسافة الوضع الحالي لرؤوس الأقراص من القطاع المطلوب.
الشكل 4: تصميم محرك أقراص ثابت مغناطيسي
ونتيجة لذلك، تكون أقراص التخزين المغناطيسية بطيئة، خاصة فيما يتعلق بالقراءة والكتابة العشوائية. وينبغي أن يستمر الرأس في الانتقال إلى مناطق مختلفة على القرص من أجل قراءة المعلومات، ما يزيد من وقت الوصول الكلي. وعلى الرغم من ذلك، فهي رخيصة، وهي تقنية التخزين الرئيسية المستخدمة في أنظمة التخزين ذات يغيّر السعة. ويميل التخزين المغناطيسي إلى أن يكون جهاز التخزين الرئيسي الموجود في نهاية الطيف، وهو المسؤول عن استمرار وجود كميات كبيرة من البيانات بطريقة فعالة من حيث التكلفة.
الأقراص ذات الحالة الصلبة
أدى ظهور تقنية فلاش NAND إلى زيادة الأداء وانخفاض الأسعار إلى التخزين ذي الحالة الصلبة في العقد الماضي أو نحو ذلك. على عكس الأقراص المغناطيسية، محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (محركات البحث ذات الحالة الصلبة) ليست بها أي أجزاء متحركة، وهي تقريبًا ذات الحجم ولكنها أسرع من الأقراص المغناطيسية في عمليات القراءة والكتابة العشوائية. ويكون زمن الانتقال للوصول في محركات البحث ذات الحالة الصلبة التي يكون لها الحجم ذاته أفضل من الأقراص المغناطيسية (70-150 نانو ثانية للعمليات التسلسلية)، ولكن التكلفة أكثر بكثير (حول 2 دولار - 5 دولارات لكل GB).
الشكل 5: بنية محرك الأقراص الثابتة ذي الحالة الصلبة
الأقراص ذات الحالة الصلبة، مع ذلك، لديها مشكلات الأداء والاعتمادية الخاصة بها. ونظرًا إلى طبيعة تقنية فلاش NAND، فإن الكتابة على محركات البحث ذات الحالة الصلبة تتطلب دورة محو مكلفة، والتي تمحو صفحة كاملة من البيانات، كما هو موضح في الشكل السابق. وهذا يستغرق وقتًا وتآكل متوسط الفلاش مع مرور الوقت. وتحتوي محركات البحث ذات الحالة الصلبة داخليًا على منطق لتسوية تآكل الوسيط عن طريق نشر الكتابة عبر صفحات وكتل متعددة على القرص. كما نوقش في وحدة نمطية سابقة، هناك تقنيات محركات البحث ذات الحالة الصلبة متعددة متوفرة في السوق، حيث التفضيل الأساسي هو التكلفة مقابل الأداء وعمر القرص.
وكنتيجة لذلك، تتمتع محركات البحث ذات الحالة الصلبة بخصائص أداء مختلفة عن الأقراص الدوارة. عمليات القراءة والكتابة المتتالية (حيث تصل وحدة المعالجة المركزية إلى كتل القرص المنطقية بترتيب تسلسلي) يكون لها أداء مشابه، مع قراءة تسلسلية أسرع بعض الشيء من الكتابة التسلسلية. ومع ذلك، عندما يتم الوصول إلى الكتل المنطقية بترتيب عشوائي، فإن الكتابة هي ترتيب من حيث الحجم وأبطأ من القراءة، ويُعزى ذلك أساسًا إلى طبيعة منطق المحو في محركات البحث ذات الحالة الصلبة.
DRAM كجهاز تخزين
أدى التوسع الثابت لأحجام DRAM، إلى جانب انخفاض السعر لكل غيغابايت، إلى ظهور أنظمة تخزين في الذاكرة. تقدم أنظمة التخزين في الذاكرة أداء أسرع (حسب الحجم) من أنظمة التخزين التقليدية المستندة إلى القرص، ولكن مع تحذير كبير واحد – القدرة على الصمود. عادةً ما تحتوي أنظمة التخزين داخل الذاكرة على أنظمة معقدة إلى حد ما تقوم بنقل البيانات باستمرار إلى التخزين الدائم من أجل استمرارية البيانات لأغراض الاسترداد والتسامح مع الأخطاء. وسنكتشف أنواع الأنظمة هذه بالتفصيل لاحقًا في هذه الوحدة النمطية.
ذاكرات فئة التخزين والذاكرات غير المتنقلة.
هناك عدد من التقنيات الناشئة التي تهدف إلى سد فجوة الأداء بين DRAM المتنقلة ومحركات البحث ذات الحالة الصلبة غير المتنقلة/ الأقراص المغناطيسية. ذكريات فئة التخزين المدبلجة، تهدف هذه الأجهزة إلى الوصول إلى زمن الانتقال ضمن ترتيب حجم DRAM. وهذا يسمح بالحركة السريعة للبيانات، مع الاحتفاظ بخصائص الاستمرارية لمحركات البحث ذات الحالة الصلبة /الأقراص المغناطيسية، مع وجود كثافات تخزين أعلى بكثير من DRAM. جنبا إلى جنب مع الإصدارات المحسنة من ذاكرة NAND Flash، تتنافس تقنيات مثل memristors وذاكرة تغيير المرحلة وغيرها للحصول على موطئ قدم في هذه المساحة. SCM / NVM وفئة ذاكرة التخزين تعتبر تطورًا مستمرًا ونتوقع أن تصبح جزءًا من التدرج الهرمي للذاكرة قريبًا.