...
...

Основы хранения данных 4

Начало в номере 26, номере 27, номере 28

Альтернативные варианты массовой памяти 
Хотя жесткие диски и стали наиболее удобным и распространенным носителем массовой памяти для персональных компьютеров и рабочих станций, удовлетворению нужд компьютерных пользователей служат еще и несколько альтернативных технологий. Каждое из этих решений имеет свои преимущества и недостатки, если их сравнивать с жесткими дисками по производительности, емкости, стоимости и функциональности.

Устройства со сменными носителями По мере того как обработка критической и конфиденциальной информации переносится с компьютеров-мэйнфреймов на настольные персональные машины, решения массовой памяти со сменными носителями становятся все более важными. Хотя флоппи-дисководы и являются наиболее распространенными накопителями со сменными носителями, они недостаточны по своим характеристикам для приложений, работающих с объемистыми данными.

Для таких приложений предпочтительно использовать устройства массовой памяти с носителями большей емкости. Выпускается много типов подходящих накопителей и носителей к ним, включая ленточные картриджи, компакт-диски CD-ROM и оптические диски, магнитооптические диски и РС-карты.

Решения массовой памяти со сменными носителями больше подходят для вторичных приложений хранения данных, таких как резервное копирование или архивирование, чем для первичной массовой памяти, работающей в онлайновом режиме.

Магнитные ленты 
Широко использовавшаяся в ранних компьютерах-мэйнфреймах, эта одна из первых технологий массовой памяти базировалась на накопителях - магнитных лентах, или просто на ленточных накопителях.

Магнитная лента - это носитель с последовательным доступом к данным. Чтобы прочитать нужные данные, необходимо перемотать ленту с одной катушки на другую до определенного места, где расположена интересующая вас информация. Ленточные накопители записывают ее на ленту последовательно при протяжке ленты мимо головок чтения/записи.

Поскольку ленточные накопители не могут обращаться к данным произвольным образом, как это имеет место в дисковых накопителях, они уступили последним роль первичной массовой памяти в подавляющем большинстве компьютерных приложений. Впрочем, благодаря своей высокой емкости и низкой стоимости хранения информации в расчете на мегабайт, магнитные ленты по-прежнему широко применяются в качестве носителя для архивирования очень больших объемов данных.

Последние достижения в ленточных технологиях, такие как появление более быстрых накопителей, применение в компьютерах цифровых линейных лент (Digital Linear Tape, DLT) и цифровых аудиокассет DAT, усилили роль лент как предпочтительной технологии для резервирования содержимого жестких дисков сетевых серверов и других критически важных данных.

Оптические диски 
Оптические диски содержат большое количество данных (от 128 до 2,000 мегабайт) на небольшом 4.6-дюймовом диске, который выглядит и работает во многом подобно обычному музыкальному CD. В оптических накопителях для записи и чтения данных с носителей применяется лазерный луч.

При записи на оптический диск лазер создает на его поверхности "впадины", передающие информацию. Это не физические впадины, как в CD-ROM, а просто участки рабочего слоя с подобными отражающими или рассеивающими луч свойствами. Участки, не превращенные лазером во впадины, получили название равнин. Оптический дисковод считывает данные путем сканирования лазером поверхности диска, при котором по характеру отражения луча распознаются впадины и равнины.

Будучи носителями высокой емкости, оптические диски и близко не приближаются к винчестерам по быстродействию. Так, например, время доступа к оптическим дискам обычно лежит в пределах 30-50 миллисекунд, что в три с лишним раза дольше, чем у винчестеров, для которых этот параметр составляет 8-15 миллисекунд.

Для хранения данных в настоящее время используются три основные оптические технологии: без возможности записи (например, компакт-диски CD-ROM), с однократной записью (диски WORM, CD-R) и перезаписываемые оптические диски (CD-RW).

Из всех разновидностей оптической массовой памяти наиболее популярны, вне всякого сомнения, компакты CD-ROM. К сожалению, они записываются лишь один раз, и то на заводе. В процессе их производства лазерная технология используется для получения мастер-диска, с которого потом изготавливается зеркальная копия - матрица. Пластик под давлением впрыскивается в пресс-форму, и отпечаток данных в виде впадин и равнин с матрицы переносится на будущий диск - на его основу. Примерно так же изготавливают виниловые грампластинки. Для отражения лазерного луча при считывании на отштампованные впадины и равнины напыляется тонкий слой алюминия. Для защиты от повреждений его покрывают лаком, на котором печатают этикетку диска.

CD-ROM обычно используют для дистрибуции больших баз данных и документов, к которым требуется периодический доступ, но для которых при этом жалко места на жестком диске. В частности, на CD-ROM часто выпускаются энциклопедии и разные объемистые справочники. С учетом большой емкости CD-ROM находят также применение в мультимедийных приложениях и обеспечивают удобный и эффективный по стоимости способ распространения больших программных пакетов.

Перезаписываемые оптические диски чаще всего используются для резервного копирования и архивирования массивных данных, подобных библиотекам изображений. Их распространение сдерживается пока довольно высокой стоимостью дисководов.

Накопители WORM и CD-R с возможностью однократной записи применяются практически исключительно для архивирования информации, для которой самое важное, чтобы она не могла быть изменена или удалена после записи на сменный носитель. К таким данным относятся, в частности, бухгалтерские и финансовые документы и базы данных.

Магнитооптические диски 
Системы с магнитооптическими (МО) дисками комбинируют две технологии: традиционные магнитные носители и оптические диски. Они позволяют пользователям размещать сотни мегабайт данных на картриджах, выглядящих наподобие обычных 3.5-дюймовых дискет и обычно выполняемых в 3.5- или 5.25-дюймовом форм-факторе. МО-диски изготавливаются из материалов, высокоустойчивых при комнатной температуре к магнитным полям, то есть обладающих высокой коэрцитивной силой.

При записи на такой диск магнитной головке ассистирует луч лазера. Его тепло нагревает поверхность диска до точки Кюри, то есть до температуры, позволяющей магнитным частицам на поверхности диска выравниваться в соответствии с направлением магнитного поля, создаваемого головками чтения/записи. Затем головки проходят над диском, поляризуя нагретые лазером участки. Поскольку лазер можно сфокусировать на куда меньшем участке рабочей поверхности, чем для традиционных магнитных головок чтения/записи, запись на МО-диски при помощи лазерного луча происходит при очень высокой плотности данных, недоступной традиционным для жестких дисков технологиям.

Во время чтения МО-дисковод использует лазер и для воспроизведения записанной на диске информации. Когда лазер сканирует поверхность диска, накопитель распознает данные по отражению света от участков с магнитной ориентацией в одну сторону по отсутствию отражения от участков, сориентированных в противоположную сторону. Таким образом МО-накопители определяют разницу между записанными на диск двоичными битами информации.

Магнитооптическим дискам свойственны многие преимущества. В том числе: - они обеспечивают очень высокую плотность данных, достижимую лишь при использовании лазерного луча; - сохраненные на магнитооптике данные можно изменять (добавлять новые, модифицировать или удалять) так же, как если бы они находились на винчестере; - они устойчивы к магнитным полям; в отличие от обычных дискет или винчестеров, внешнее магнитное поле не может повредить данные без дополнительного нагревания рабочего слоя, осуществляемого лазером; - поскольку использование лазера помогает в записи и чтении данных, головки чтения/записи не требуется столь тесно приближать к поверхности диска, как в винчестерах, что уменьшает вероятность их повреждения.

Существенный недостаток МО-технологии состоит в том, что из-за высокой интенсивности магнитного поля, применяемого при совместном использовании головок записи/чтения и лазера, накопитель не может очень быстро изменять его полярность. Следовательно, при записи накопитель должен обработать диск дважды. При первом проходе все биты на диске устанавливаются в одинаковой ориентации, что равнозначно стиранию данных. Во время второго прохода некоторые биты переориентируются в противоположном направлении, что обеспечивает отличие двоичных нулей от единиц.

Даже несмотря на то, что во многих МО-накопителях используется скорость вращения диска, близкая к винчестерной, требуемые два прохода замедляют запись информации в два раза по отношению к жестким дискам. Конечно, производители МО-накопителей работают над тем, как сократить время записи и уместить весь этот процесс в один проход над поверхностью диска. Такие накопители уже появились на рынке.

РС-карты 
Стандарт PCMCIA, описывающий компактные и мобильные устройства расширения, признан во всем мире. В виде РС-карт выполняются устройства как памяти, так и ввода/вывода. Они отличаются низким потреблением энергии и компактностью, высокой надежностью и малым весом - это и понятно, так как они в первую очередь предназначались для портативных компьютеров (палмтопов и ноутбуков), питающихся от батарей, карманных персональных электронных секретарей (PDA) и коммуникационных устройств.

Благодаря своей миниатюрности РС-карты, используемые в качестве дополнительной памяти и чаще называемые картами памяти, существенно облегчают транспортировку данных. Они могут быть использованы для хранения оперативной информации программами или для обмена данными между системами. Их низкое энергопотребление, малые размеры и портативность также открывают пути широкого использования карт памяти в новых приложениях, таких как электронные фото- и видеокамеры, цифровые диктофоны и мобильные телефоны.

По размерам РС-карты приблизительно соответствуют кредитным карточкам, но их толщина может быть разной. Стандарт PCMCIA определяет три варианта толщины РС-карт: типу I соответствует толщина 3.3 миллиметра, типу II - 5.0 миллиметра и типу III - 10.5 миллиметра.

Карты типа I и II широко используются для твердотельной памяти, такой как SRAM или флэш-память. Эти карты, построенные на микросхемах памяти, предоставляют пользователям преимущества очень низкого энергопотребления. Они очень устойчивы к ударам, вибрации и другим внешним воздействиям. У них очень быстрый доступ к данным (время доступа обычно меньше 1 миллисекунды).

Многие карты типа II содержат модемы - один из видов устройств ввода/вывода. Модемные карты обладают всеми возможностями обычных модемов при высокой степени миниатюризации, задаваемой стандартом PCMCIA.

Увеличенная толщина карт типа III позволяет разместить в них движущиеся механизмы. Большинство карт типа III являются тонкими 1.8-дюймовыми магнитными жесткими дисками, то есть включают вращающиеся пластины и приводы головок. Это просто уменьшенные версии традиционных жестких дисков, адаптированные к интерфейсу и разъемам PCMCIA, взамен IDE или SCSI, используемых в большинстве настольных, как, впрочем, и портативных компьютеров.

В настоящее время сильнейшим сдерживающим фактором на пути широкого использования карт памяти является их стоимость. Высокую, по сравнению с жесткими дисками, цену карт на базе твердотельной памяти определяет то, что их стоимость растет прямо пропорционально емкости: для увеличения памяти вдвое в нее надо поставить в два раза больше чипов. Поскольку в картах памяти чипы - единственная дорогостоящая компонента, удвоение их количества приводит практически к удвоению расходов на производство. Для сравнения: увеличение плотности записи на магнитные диски выливается лишь в минимальный рост их стоимости.

В твердотельных картах памяти используются различные типы чипов памяти, и в зависимости от них называются сами карты.

Карты ROM и ОТР 
С точки зрения конечного пользователя, карты памяти только для чтения (ROM-карты) и однократно программируемые (ОТР-карты) выглядят и работают одинаково. Отличие в том, как информация записывается в карту.

Когда изготавливаются ROM-карты, программы и/или данные встраиваются в устанавливаемые в нее чипы ROM. Поскольку записанная в ROM-карте информация является ее составляющей и неотъемлемойчастью, такие карты обычно представляют собой аппаратно-зависимые устройства и не способны работать в компьютерных системах, отличающихся от тех, для которых они были изготовлены (за исключением тех случаев, когда архитектура систем практически идентична).

Напротив, ОТР-карты, подобно большинству других типов РС-карт памяти, выпускаются "чистыми". После изготовления установленные в них микросхемы могут быть запрограммированы с помощью специальных устройств. Но однажды записанная в такие карты информация потом не может быть заменена другой или стерта.

В связи с наступлением новых технологий памяти использование ROM- и ОТР-карт в настоящее время очень ограничено. Если их основное преимущество состоит в предоставлении постоянной, энергонезависимой памяти (эти карты не нуждаются в источнике питания для поддержания сохранности записанных данных), то доступны и более новые технологии постоянной памяти.

Самый серьезный недостаток использования ROM-и ОТР-карт состоит в том, что, после того как информация записана, она не может быть никоим образом изменена. Кроме того, изготовление ROM-карт на заказ, связанное с закладкой в них определенных заказчиком данных, делает их более дорогими, чем это могло бы быть при массовом производстве.

Одно время софтверные компании использовали ROM- и ОТР-карты для дистрибуции прикладных программ, написанных для компьютерных систем, слишком миниатюрных, чтобы в них можно было применить жесткие диски или флоппи-дисководы. При этом, как только появлялась новая версия программы, лежащие на складе ранее изготовленные карты из-за невозможности повторного программирования становились никому не нужными.

SRAM-карты
SRAM-карты имеют по сравнению с ROM- или ОТР-картами ряд преимуществ: пользователи могут заново записывать, модифицировать или удалять находящуюся в них информацию. К сожалению, чипы статической памяти SRAM не являются энергонезависимыми, то есть SRAM-карты нуждаются в постоянной подпитке от какого-либо источника. Если питание пропадет, информация будет утеряна.

Когда такие карты вставляются в слот PCMCIA, питание поступает на них от хост-системы (компьютера или другого электронного устройства). Когда карта извлекается из слота, она переходит на питание от миниатюрной встроенной батарейки, похожей на используемые в часах. Даже одна такая маленькая батарейка обеспечивает подпитку карты в течение примерно одного года, что показывает, как мало энергии требуется карте. Недостаток SRAM-карт, впрочем, очевиден - выход из строя батареек влечет за собой потерю информации.

Доступны по цене SRAM-карты емкостью до 4 мегабайт. После этого их стоимость становится непомерной. Следовательно, SRAM-карты в основном применяются для записи небольших объемов пользовательской информации. Такие карты никогда не пользовались популярностью среди производителей программного обеспечения, поскольку, хоть они и могут быть переписаны после появления нового выпуска программы, батарейки в лежащих без дела картах могут разрядиться в любой момент.

Флэш-карты 
Одно из последних новшеств в картах памяти - технология флэш-памяти. Флэш-карты сочетают лучшие черты как ROM/ОТР-, так и SRAM-карт. Подобно чипам ROM и ОТР, флэш-компоненты являются энергонезависимыми - они сохраняют данные в отсутствие источника питания. Но пользователи могут записывать, модифицировать и удалять записанную в них информацию, так же как в случае SRAM-карт.

По сравнению с традиционными магнитными технологиями массовой памяти флэш-карты, впрочем, на сегодня имеют два серьезных недостатка: высокая стоимость и малая емкость устройств. Флэш-карты конечному пользователю обходятся по цене примерно $50 за мегабайт, что невозможно сравнивать с $1 за мегабайт и меньше для жестких дисков. Высокая стоимость флэш-памяти, по прогнозам, будет сдерживать их широкое применение, как минимум, до конца текущего десятилетия.

Пока что высокая стоимость флэш-памяти становится второстепенным фактором лишь в сверхпортативных устройствах, где на первый план выступают свойственные этим картам энергетическая эффективность, легкость (в смысле веса) и прочность конструкции. И хотя сегодня серийно выпускаются флэш-карты емкостью в 40 и более мегабайт, что гораздо больше емкости, доступной в SRAM-картах, это все же не идет ни в какое сравнение с, как минимум, 500 мегабайтами жестких дисков, массово используемых в настольных и портативных компьютерах.

Будущее систем массовой памяти 
Появившаяся около 40 лет назад индустрия массовой памяти стала одной из важнейших отраслей высоких технологий. Лидирующие в ней компании непрерывно разрабатывают и выпускают высококачественные продукты, соответствующие современным требованиям как производителей оригинального оборудования (ОЕМ), так и конечных пользователей.

Как и многие отрасли электронной промышленности, индустрия массовой памяти (и ее изделия и технологии) непрерывно развивается. Каждая новая разработка подталкивает конкурирующих производителей к созданию еще более компактных, быстрых и интеллектуальных продуктов на фоне уменьшения стоимости. Примером этому могут послужить жесткие диски.

Всего за десятилетие с лишним форм-фактор уменьшился с 8 дюймов до сегодняшних стандартных 3.5- и 2.5-дюймовых и уже начавших получать распространение 1.8- и 1.3-дюймовых накопителей. Среднее время доступа сократилось с 40 до 10 миллисекунд. И наконец жесткие диски эволюционировали от "тупых" устройств, которые только получали инструкции от внешних контроллеров и не имели в своем распоряжении встроенных интеллектуальных компонент, к сегодняшним "разумным" подсистемам с собственными контроллерами, оснащенными микропроцессорами, специализированными интегральными схемами ASIC и программным микрокодом. Современная интеллектуальная массовая память освобождает CPU хост-компьютера от большинства действий по управлению данными, что чрезвычайно важно при широком распространении многозадачных сетевых компьютерных сред.

Наконец, благодаря миниатюризации размеров продукты массовой памяти, особенно РС-карты, начали распространяться вне области чисто компьютерных приложений, породив новые классы интеллектуальных электронных устройств. С развитием информационной эры устройства массовой памяти становятся обычной компонентой широчайшего спектра популярных технологий: сотовые телефоны, сканеры, принтеры, факс-машины - перечислить все просто невозможно.

Меньше, быстрее, умнее!
Уменьшение физических размеров устройств традиционно является одной из основных мотивирующих сил на рынке малогабаритной массовой памяти. Но при сегодняшней комплексности и высокой сегментированности рынка размер выступает лишь одной из величин, вступающих в игру, когда производители разрабатывают следующее поколение изделий или когда их основные ОЕМ-потребители выбирают решения массовой памяти для использования в своих системах.

Например, потребности сегодняшнего рынка персональных компьютеров и рабочих станций лучше всего обеспечиваются 3.5-дюймовыми жесткими дисками, несмотря на доступность накопителей меньших форм-факторов. Просто 3.5-дюймовые винчестеры по размерам вполне соответствуют рабочим станциям и настольным РС, даже самым малогабаритным и низкопрофильным. В самом деле, переход на меньший форм-фактор не может предложить никаких существенных преимуществ для настольных систем, габариты которых определяются не столько винчестерами, как другими компонентами. Что в этом случае более важно, 3.5-дюймовые накопители обходятся все еще существенно дешевле в пересчете на мегабайт информации, чем 2.5-дюймовые и более миниатюрные устройства. Исходя из растущей потребности в пространстве для хранения данных и более сложных прикладных программ, емкость и производительность являются для настольных систем более важными параметрами, чем габариты. В результате, согласно прогнозам большинства аналитиков, рынок жестких дисков 3.5-дюймового форм-фактора не сократится по крайней мере до конца 90-х.

Задача разработки и производства продуктов массовой памяти, которые были бы физически меньше, обладали большей плотностью хранения информации, выгодно отличались от своих предшественников интеллектуальностью и быстродействием, никогда не была тривиальной. За счет выпуска чипов с большей степенью интеграции производители могут сократить пространственные требования электронных компонент. Но физическое уменьшение размеров электронных компонент - только наиболее очевидный подход к созданию накопителей меньших форм-факторов. Не меньшее значение имеет повышение емкости и плотности хранения данных. Чем больше данных удастся разместить на заданной площади, то есть чем выше их плотность, тем большая емкость и производительность будут получены от накопителя, тем меньший форм-фактор можно будет применить и, обычно, снизить стоимость.

Отличным примером опять служат жесткие диски. Производители этих устройств за последние десятилетия продвинулись далеко вперед в увеличении плотности хранения данных. Ожидается, что к 2000 году на одной 3.5-дюймовой пластине можно будет разместить свыше 4.3 гигабайта информации.

Но, независимо от того, насколько они компактны, быстры и емки, устройства массовой памяти не могут получить статус массовой технологии без завоевания отличной репутации в отношении качества и надежности. Качество любых других компонент компьютерной системы не играет столь важной роли, как для устройств массовой памяти, выступающих первичным носителем и хранителем пользовательской информации.

Роман Соболенко. По материалам Quantum Corp.

Окончание в следующем номере


© Компьютерная газета

полезные ссылки
IP камеры видеонаблюдения