Paměťová media – současnost až blízka budoucnost

harddisk

Historie HDD

13. září 1956 –  Počítač IBM 305 RAMAC , kapacita jeho harddisku byla  5 milionů 7 bitových znaků (asi 4,2 MB), jeho velikost byla 24 palců, disk se otáčel rychlostí 78 RPM.

Konstrukce Harddisků

Data jsou na disku uložena pomocí magnetického záznamu. Mag.  záznam se ukládá na kovové nebo skleněné desky, nazýváme je plotny. Pokryté  magneticky měkkou vrstvou. Bit udává hustotu dat na jednotku plochy ( b/mm², b/cm²). Uvnitř disku najdeme víc jak jednu plotnu prakticky jich bývá 1-5 ploten. Elektromotor otáčí vřetenem a ten poté rotuje s plotny. Standartní rychlosti otáčení ploten jsou např. 4 200 ot/min, 5 400 ot/min, 7 200 ot/min a 10 000 ot/min. O čtení a zápis dat se nám postará čtecí a zapisující hlava.

Z počátku byly používány magnetodynamické hlavy. Postupně byly nahrazeny krystalem. Hlava se povrchu plotny nedotýká. Mezi plotnou a  hlavou je jen pár mikrometrů.  Každá plotna má dvě strany, na které lze zapsat data, proto také je potřeba mít na každou stranu plotny jednu hlavu. Ta mění magnetickou polarizaci a tím tedy zapisuje data, která například od RAM paměti po vypnutí proudu nezmizí. Před samotným zápisem či čtením musí HDD nejprve poslat čtecí hlavu na určenou pozici, utlumit rozkmit způsobený setrvačností hlav a počkat na otočení plotny na místo, od kterého se má číst.

Organizace hlav

Na povrchu pevného disku jsou stopy (soustředné kružnice), každá stopa obsahuje pevný anebo proměnný počet sektorů z důvodu efektivnějšího využití povrchu. Povrch plotny je ve většině případů rozdělen do několika zón, každá zóna má různý počet sektorů na stopu. Čím blíže jsme ke středu, tím je menší počet sektorů na stopu.

Sektor

Sektor je nejmenší adresovatelnou jednotkou disku, má pevnou délku (donedávna 512 byte na sektor, nyní by se již, po domluvě výrobců, měly vyrábět disky s 4 KB na sektor).

Cluster

Je alokační jednotka, logická jednotka, do které se ukládají data v souborovém systému. Sloučením několika bloků do větší alokační jednotky se snižuje komunikace PC s úložným zařízením, snižuje se fragmentace a zvyšuje se tak rychlost a efektivita přenosu dat.

Rozhraní připojení

Ata

ATA rozhraní má přenosnost 1Gb/s (133MB/s) na jeden ATA kabel lze připojit 2 zařízení, ale klesá rychlost přenosu.

Přenosový mód	Standart	rychlost
Ultra DMA 33	APAPI-4	33 MB/s
Ultra DMA 66	APAPI-5	66 MB/s
Ultra DMA 100	APAPI-6	100 MB/s
Ultra DMA 133	APAPI-7	133 MB/s

Serial ATA ( SATA )

Výhody SATA jsou vyšší rychlost inteligence řadiče umožňující optimalizaci datových přenosů ncq. Možnost připojování disků za chodu a menší rozměry kabelů.

Pole disků – RAID

Redundant Array of Inexpensive/Independent Discs

vícenásobné diskové pole laciných/nezávislých disků

RAID je metoda zabezpečení, která má předejít ztrátě dat. Nejčastější typy RAIDů jsou RAID 0, RAID 1, RAID 5 či RAID 6.

RAID 0

Střídavě ukládá části dat na dva totožné harddisky.  Při poničení jednoho z HDD tak ztrácíme data.

 

RAID 1 (zrcadlení)

Je to jednoduchá, ale efektivní ochrana proti ztrátě dat. Provádí se zrcadlení obsahu prvního disku na druhý. Zápis může být pomalejší, protože se pracuje se dvěma disky.

Nevýhoda – potřeba dvojnásobná kapacita HDD

 

 

 

 

SSD disky

Solid-state drive

Jedná se o úložiště dat , které pro ukládání používá nevolatilní flash paměť. SSD disky byly konstruovány tak, aby nahradily HDD. To se jim moc dobře nepovedlo a to hlavně kvůli velmi drahé výrobě. Ale budoucnost pro nás připravila mnohem lepší řešení.  Například harddisky  s několika stovky TB, které zapisují data na DNA. Nebo Memrisor, který už klepe na dveře.

Flash paměť

Flash paměť je nevolatilní (semipermanentní) pamět, do které se zapisují data elektronicky. Oproti HDD nemá flash paměť pomalu žádnou latenci a to díky okamžitému přístupu k daným datům velmi jednoduše řečeno pomocí „souřadnic“ (není nutné otáčet disk a vyčkat na změnu polohy hlavy).  Paměť je vnitřně organizována po blocích a na rozdíl od pamětí typu EEPROM, lze programovat každý blok samostatně (obsah ostatních bloků je zachován). Paměť se používá jako paměť typu ROM např. pro uložení firmware (např. ve vestavěných zařízeních. Tuto paměť můžeme pomalu do nekonečna znovu naprogramovat (zapsat)

Co nám přináší budoucnost?

Každý alespoň trošku znalý elektroniky zná součástky jako odpor, kondenzátor a cívku, ale zná někdo memristory? Podle mě má memristor mnohem lepší budoucnost než například SSD disky. Proč? To hned prozradím, už jen proto, že jsi to nechci nechat pro sebe. Sám osobně této technologii držím palce.

Memristor

úvod

Jak jsem před chvílí uvedl, jedná se o čtvrtou elektronickou součástku, která spatřila světlo světa roku 2008. Ale samotný nápad je starý již 35 let, bylo to roku 1971. Dokáže zpracovávat data stejně rychle jako RAM, navíc dokáže udržet data při mnohem nižším napětí a neztrácí data ani při odpojení z napájení. Sám šéf firmy HP uvádí, že jednou memristory nahradí pomalé (oproti memristoru, např. jsou 10X rychlejší než flash) Flash a DRAM paměti. Samotný název Memristor vznikl ze složení slov memory (paměť) a rezistor (odpor). Pokud budeme chtít například vyrobit 100 Flash paměti o velikosti 1GB tak za stejnou cenu nákladů vyrobíme nejméně 2x tolik pamětí ReRAM („resistive RAM“, tedy MEMRISTOR).

Princip vodivosti

Paměťová vrstva memristoru je vyrobena z různých metalických a nemetalických materiálů. Výzkum Riceovy univerzity ukázal, že jako základ paměťové vrstvy memristoru může sloužit i oxid křemičitý. Fyzikální vlastnosti křemíku jsou zkoumány od 60ých let a výzkum dokázal, že je možné měnit odpor od nekonečna téměř k nulové hranici. Paměťové buňky z oxidu křemičitého mohou mít rozměry pouze 5nm, zatímco flashové buňky jen 20 nm – narážejí na fyzikální hranice. Paměťová buňka memristoru využívající oxid křemičitý,  je aktivována během 100 nanosekund a předčí flashové buňky v počtu

zápisových cyklů.

H-HDD hybridní pevný disk (nová generace)

Hybridní pevné disky jsou vybaveny speciálním řadičem, který zkopíruje nejpoužívanější data do flash paměti a tím urychlí přístup k často používaným  datům. Seagate Momentus XT se od starých H-HDD liší tím, že o výběr dat, která budou zkopírovány na SSD, se stará jeho řadič a ne Windows. Notebookový hybridní disk překonává, co se týče rychlosti, i 3,5“ disky.

Shrnutí

Sám osobně se velmi zajímám o technologické novinky – když jsem přemýšlel, o čem bych měl napsat, rozhodl jsem se popsat HDD a tímto jsem pouze shrnul jen to nejdůležitější, či nejzajímavější ze světa HDD a dalších paměťových médií. Už jen kvůli memristoru, jenž mě vážně zaujal, no samozřejmě, že i daleko více věcí, jako například barevný display, který funguje bez napájení (mirasol) nebo přenos dat pomocí laseru (Light Peak) či dokonce HDD, který zapisuje data do DNA žabích buněk, ale bohužel jsem zatím k těmto technologickým novinkám neměl dostatečné informace.