Накопители на сменных магнитных дисках.

Накопители на МД (НМД) являются наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами в ПК. Они бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Все диски, и магнитные, и оптические, характеризуются своим диаметром, или, иначе, форм-фактором. Наибольшее распространение получили диски с форм-факторами 3,5 дюйма (89 мм). Но существуют диски и с форм-факторами 5,25 дюйма (133 мм), 2,5 дюйма (64 мм), 1,8 дюйма (45 мм) и другие.

Информация на сменные магнитные диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек (треков). Количество дорожек на СМД и их информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на СМД, качества магнитных головок и магнитного покрытия. Совокупность дорожек СМД, находящихся на разных пластинах-дисках и на одинаковом расстоянии от его центра, называется цилиндром. При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом. Кроме основной своей характеристики — информационной емкости — дисковые накопители характеризуются и двумя другими показателями:

- временем доступа;

- сткоростью считывания последовательно расположенных байтов.

Время доступа (access time) к информации на диске, то есть время, которое дисковод тратит до начала чтения-записи данных, складывается из нескольких составляющих:

- времени перемещения магнитной головки на нужную дорожку (seek time);

- времени установки головки и затухания ее колебаний (setting time);

Внешние запоминающие устройства времени ожидания вращения (rotation latency) — ожидания момента, когда из-за вращения диска нужный сектор окажется под головкой.

Носители на лазерных дисках.

Накопители на оптических дисках (НОД) включают в себя источник (лазер) и приемник света, оптическую запоминающую среду, модулятор светового пучка, поляризационную призму. Компакт-диск состоит из жесткой прозрачной основы, на которую нанесен рабочий и защитный слой. При записи (воспроизведении, стирании) диск вращается, а луч лазера, сфокусированный на дорожку, перемещается вдоль радиуса вращающегося диска.

Преимущества CD-ROM: высокая плотность записи (до бит/см), отсутствие механического контакта при работе, долговечность записи, надежность, небольшие размеры. CD-ROM имеют емкость от 50 Мбайт до 1,5 Гбайт, время доступа от 30 до 300 мс, скорость считывания информации от 150 до 1500 Кбайт/с. Применяемые компакт-диски имеют диаметр 3,5" и 5,25" (1''=1 дюйм=2,53 см).

Неперезаписываемые лазерно-оптические диски или компакт-диски ПЗУ CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной информацией. Для их изготовления создается первичный мастер-диск: в специальном устройстве лазерным лучем большой мощности выжигают на рабочем слое диска след - дорожку с микроскопическими впадинами. Тиражирование CD-ROM осуществляется путем литья под давлением по мастер-диску. В НОД записанная на CD-ROM информация считывается лазерным лучом меньшей мощности, который отражаясь от углублений изменяет свою интенсивность.

Также используются перезаписываемые лазерно-оптические диски с однократной (CR-R) и многократной (CD-RW) записью. В процессе записи лазерный луч в специальном дисководе ПК прожигает микроуглубления под защитным слоем, либо изменяет оптические свойства рабочего слоя.

При записи или стирании информации на перезаписываемые магнитооптические диски лазерный луч используется для местного разогрева поверхности диска с последующим намагничиванием магнитной головкой. Считывание информации производится лазерным лучом меньшей мощности, при отражении которого от намагниченного участка изменяется ориентация плоскости поляризации. Это регистрируется с помощью анализатора и фотоприемника.

Твердотельные накопители.

За какие-то три года, буквально у нас на глазах флэш-память превратилась из экзотического и дорогостоящего средства хранения данных в один из самых массовых носителей. Твердотельная память этого типа широко используется в портативных плеерах и карманных компьютерах, в фотоаппаратах и миниатюрных накопителях «флэш - драйвах».

Первые серийные образцы работали с низкой скоростью, однако сегодня скорость считывания и записи данных на флэш-память позволяет смотреть хранящийся в миниатюрной микросхеме полноформатный фильм или запускать «тяжелую» операционную систему класса Windows XP. Некоторые крупные производители уже продемонстрировали компьютеры, в которых вместо жесткого диска занимают чипы флэш-памяти, а чересчур оптимистичные наблюдатели и вовсе торопятся полностью похоронить винчестеры, так же, как и флоппи-диски.

Однако у флэш-памяти есть один неприятный недостаток, препятствующий тому, чтобы этот тип носителя заманил все существующие оптические и магнитные накопители, и этот недостаток связан с надежностью и долговечностью. Дело в том, что в силу самой конструкции флэш-память имеет конечное число циклов стирания и записи, достигающее, с чем уже столкнулись владельцы цифровых фотоаппаратов и флэш - драйверов, интенсивно эксплуатирующие эти носители.

По оценкам самих производителей, современная флэш-память, в среднем, способна выдерживать порядка 100000 циклов стирания/записи, хотя в ряде случаев заявляют куда более впечатляющие показатели – до миллиона циклов. Чтобы понять, почему возникает такое ограничение, необходимо немного познакомиться с принципами работы этого типа носителей.

Все флэш-накопители построены на свойстве полевых транзисторов хранить в «плавающем» затворе электрический заряд в течение многих лет. Присутствие или отсутствие заряда в транзисторе рассматривается как логический ноль или логическая единица в двоичной системе счисления. В современных накопителях применяется память типа НЕ- И лил NAND, которая обеспечивает высокую скорость последовательного доступа к данным и отличается невысокой себестоимостью производства в сочетании с высокой ёмкостью. Недостатки NAND-памяти – нивелируются высокой ёмкостью и высокой скоростью последовательного доступа, которая требуется в таких устройствах, как фотокамеры, плееры, съемные накопители.

Для записи и стирания данных в NAND-памяти используется туннелирование электронов методом Фаулера - Нордхейма (FN - туннелирование) через диэлектрик, что не требует высокого напряжения и позволяет сделать ячейки миниатюрнее. Однако именно процесс туннелирования заряда физически изнашивает ячейки, поскольку при помощи электрического тока заставляет электроны проходить сквозь барьеры из диэлектриков и проникать в затвор. Поэтому больше всего изнашивают микросхему процессы стирания и записи – для чтения же через канал просто пропускается ток.

Разумеется, производители памяти принимают меры для увеличения срока службы твердотельных накопителей: в первую очередь, они связаны с обеспечением равномерности процессов записи/стирания по всем ячейкам массива, чтобы какие-то из них не были подвержены большему износу, чем другие. Один из способов – наличие резервного объема памяти, за счет которой при помощи специальных алгоритмов обеспечивается равномерная нагрузка и коррекция возникающих ошибок. Кроме того, выводятся из работы вышедшие из строя ячейки в целях предотвращения потери информации. В служебную область записывается также таблица файлов системы, что предотвращает сбои чтения данных на логическом уровне, возможные, к примеру, при некорректном отключении накопителя или при внезапном отключении электроэнергии.

К сожалению, с увеличением ёмкости микросхем Флэш-памяти снижается и количество циклов стирания/записи, поскольку ячейки становятся все более миниатюрными и для рассеивания оксидных перегородок, изолирующих плавающий затвор, требуется все меньше напряжения. Поэтому с проблемами сталкиваются не только владельцы флэш-накопителей очень маленького, но и очень большого объема.

Практика показывает, что гигабайтная флэш - карточка при интенсивном ежедневном использовании в цифровом фотоаппарате может начать выходить из строя уже через год-два после начала применения. Некоторые фотолюбители прекращают пользоваться такими картами, но хранят на них части своих архивов. Это тоже довольно опрометчивое решение, ведь, несмотря на реализованные в контроллерах карточек системы защиты от стирания, в том числе, аппаратные, при чтении архивов возможна подача повышенного (или пониженного) напряжения на изношенные ячейки, что флэш - карта исчерпала свой ресурс и полностью отказалась от ее использования. Износ флэш-памяти ускоряется лишь в случае неправильного ее использования – постоянного стирания и удаления небольших файлов. Кстати, в этом кроется причина якобы более низкой надежности USB - флэш - драйверов по сравнению с карточками различных форматов. Все дело в том, что, к примеру, в фотоаппаратах или в плеерах ёмкость карты заполняется полностью и постепенно, в то время как у флэш - драйвов нередко более «званый» режим эксплуатации – «записал – стер – записал». При этом в последнем случае, несмотря на все алгоритмы и технологии, повышенному износу подвергаются одни и те же участки микросхем. Совет здесь может быть только один: старайтесь по возможности полностью заполнять флэш - драйвы и не удалять немедленно ставшие ненужными файлы – тем самым вы продлите срок службы накопителя.

Кроме того, обычные карточки флеш - памяти не рассчитаны на использование в качестве постоянного накопителя: не рекомендуется редактировать документы, базы данных непосредственно на «флэшке», работать с операционной системой, записанной в карточку памяти. Помимо преждевременно износа из-за постоянных процессов записи/стирания и постоянного обновления таблицы файлов системы возможен выход накопителя из строя по причине банального перегрева! Разумеется, если вы используете флэш - карту только для чтения, подобных проблем не возникнет. Для описанных случаев больше подходят традиционные механические магнитные внешние накопители различных форм-факторов, изначально рассчитанные на подобные режимы работы.

Конечно, разработчики продолжают совершенствовать конструкцию и технологические процессы для изготовления флэш-памяти, которые позволили бы максимально увеличить число циклов стирания/записи и еще больше нарастить емкость этого носителя, однако проводятся исследования и в области альтернативных твердотельных накопителей.

Например, в Intel уже несколько лет занимаются разработкой твердотельной памяти на аморфных полупроводниках (Ovonic Unified Memory, OUM). В основу работы такой памяти положена технология фазового перехода, аналогичная принципу записи на перезаписываемые диски CD-RW или DVD-RW, при котором состояния регистрирующего слоя изменяется с аморфного на кристаллическое, и одно из этих состояний соответствует логическому нулю, а другое – логической единице. Принципиальное отличие - способ записи: если в оптических носителях применяется нагрев лазера, то в OUM нагрев производится непосредственно электрическим током.

Как заявляют в Intel, в отличие от флэш-памяти, OUM теоретически обладает повышенной надежностью и плотностью хранения данных, а так же повышенным быстродействием – до 100-200 нс. И, самое главное, максимальное число циклов записи/стирания в OUM превышает 10 триллионов – на несколько порядков больше, чем у фдэш - памяти. Несмотря на то, что в Intel заявляют о работах над OUM-памятью уже в течение 5 лет, промышленное производство таких чипов, по оценкам специалистов, начнется не раньше следующего десятилетия.

Еще одна альтернативная флэш-памяти и куда более близкая к серийному производству технология – магниторезистивная память (MRAM), существенно опережающая по быстродействию OUM-память: время доступа этих чипов на сегодня составляет не более 10-15 нс. Благодаря этому память типа MRAM может применяться не только для длительного хранения данных, но и в качестве оперативной памяти.

Чипы MRAM построены на базе элемен6тов магнитной памяти, укрепленных на кремневой подложке, и теоретически поддерживают бесконечное число циклов записи и стирания. Кроме того, важным свойством MRAM – памяти является возможность мгновенного включения, что особенно ценится в мобильных устройствах.

Значение ячейки в этом типе памяти определяется магнитным, а не электрическим зарядом, как в обычной флэш-памяти. Важное достоинство этой разработки – совместимость технологии производства с техпроцессом по выпуску КМОП – чипов, а также возможности использования материалов, применяемых в традиционных магнитных носителях, в частности, ферромагнитных пленок.

Гибридная технология обладает и рядом ограничений: пока подобные микросхемы рассчитаны на слишком «грубый» по сегодняшним меркам 0,18- микронный техпроцесс, что не позволяет добиться сравнимых с флэш-памятью размеров ячеек. Кроме того, себестоимость производства MRAM – память пока непозволите6льно высока.

Разработкой технологии MRAM занимается один из крупнейших мировых производителей памяти, компания Infineon, а так же «голубой гигант» IBM, начавшей исследования в этой области еще в 70-х годах прошлого столетия. Свои средства в развитие технологии MRAM инвестировали также такие компании, как Toshiba,Freescale Semiconductor и NEC, поэтому есть все основания полагать, что этот тип памяти появится на рынке в качестве серийной продукции гораздо раньше OUM.

Пока же все альтернативные технологии хранения данных остаются в проектах, производители продолжают совершенствовать традиционную флэш - технологию, переходят на более тонкие техпроцессы и повышают емкость микросхем. Можно не сомневаться в том, что фирмы, выпускающие флэш-память, намерены использовать весь потенциал этого типа носителей перед переходом на накопители другого типа. Поэтому число устройств, снабженных флэш-памятью, в ближайшее время будет увеличиваться, и рекомендации по использованию такой памяти вряд ли скоро потеряют актуальность.

Твердотельный накопитель (англ. SSD, Solid State Drive, Solid State Disk) — энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство без движущихся частей. Следует различать твердотельный накопители основанные на использовании энергозависимой (RAM SSD) и энергонезависимой (NAND или Flash SSD) памяти.

Твердотельный накопители основанные на использовании энергонезависимой памяти являются весьма перспективной разработкой. Многие аналитики считают, что уже в ближайшие годы NAND твердотельные накопители займут достаточно большую долю рынка накопителей, отвоевав её у накопителей на жёстких магнитных дисках. По состоянию на сегодняшний день, твердотельные накопители используются в основном в специализированных вычислительных системах и в некоторых моделях ноутбуков (например, ASUS Eee PC).

История развития

Первые накопители подобного типа (на ферритовых сердечниках) были созданы еще для ламповых вычислительных машин. Однако с появлением барабанных, а затем и дисковых накопителей вышли из употребления из-за чрезвычайно высокой стоимости.В 1978 компания StorageTek разработала первый твердотельный накопитель современного типа (основанный на RAM-памяти).

В 1995 компания M-Systems представила первый твердотельный накопитель на flash-памяти.20.06.2008 Южнокорейской компании Mtron Storage Technology удалось создать SSD диск со скоростью записи 240 МБ/с и скоростью чтения 260 МБ/с, который она продемонстрировала на выставке в Сеуле. Объём данного накопителя — 128 ГБ. По заявлению компании выпуск таких устройств начнётся уже в 2009 году