Пристрої зберігання даних: види, обсяг, технології

Комп'ютер - пристрій, в якому може бути багато компонентів. Кожен з них відповідає за певну задачу. Процесор вважається «мозком» системи і працює з обчислювальними алгоритмами. Блок живлення - це «серце» ПК, яка подає електрику на плату. А ось пристрій зберігання даних відповідає за комп'ютерну пам'ять. Воно може бути різним за формою, типом, обсягом та інших параметрами.

Визначення

Кажучи про пристрої зберігання даних, саме комп'ютерна пам'ять об'єднує кожне з них. Воно може бути представлене фізичним пристроєм або середовищем для зберігання даних. Використовується в обчисленнях протягом певного часу. Ще з моменту випуску першого ПК пам'ять в парі з процесором залишалися незмінними компонентами. З тих пір вона представлена в якості певної ієрархії і вимагає використання декількох пристроїв.

Завдання пам'яті

В залежності від типу пристроїв зберігання даних, завдання їх можуть відрізнятися. Але є у них спільна мета - збереження стану зовнішнього впливу. Це відбувається в окремих клітинках. Саме так і записуються дані. Функціонально такі комірки мають схожий механізм з перемикачем. Дані записуються в двох зрозумілих станах - 1 і 0. Вони позначають включення і вимикання відповідно.

Доступ до даних

Щоб мати доступ до клітинок пристроїв зберігання даних ПК, необхідні спеціальне обладнання. Саме воно забезпечує довільне і послідовне зчитування. Сам процес може бути розділений у часі. Користувачам відомі операції запису і читання. Щоб процес пройшов коректно, для нього виділений спеціальний механізм - контролер пам'яті. Крім запису і читання також є процес стирання. В цьому випадку алгоритм налаштований так, що механізм починає вписувати однакові значення.

Пристрої

Пристрої зберігання даних комп'ютера з часом поліпшуються. Одні заміняють інших. Але незмінним залишається жорсткий диск. Без нього система не зможе в повній мірі функціонувати хоча б тому, що не буде вільного простору для установки операційної системи.


Не менш важливим в сучасному персональному комп'ютері вважається оперативна пам'ять. Її модулі є невід'ємною частиною системи, оскільки займаються зберіганням тимчасових даних. Ще 10 років тому популярними вважалися дискети. Сучасні підлітки вже не знають про це пристрої, але його як і раніше можна віднести до тих, які зберігають дані. Не можна не згадати про CD - і DVD-дисках. І хоча на вулицях і в кіосках досі продають диски з фільмами та музикою, вони давно втратили свою актуальність. А виробники потихеньку позбавляють користувачів від оптичних дисководів. Пристроєм довготривалого зберігання даних прийнято вважати флеш-пам'ять. Сюди можна віднести карти-пам'яті, флешки та інші твердотільні механізми. Без них зараз непросто, оскільки потрібен постійний обмін інформацією, а тією, що є в ПК, не завжди вистачає.

Функції

Щоб розібратися в пристроях зберігання та обробки даних, необхідно зрозуміти функції пам'яті. Основним параметром вважається тривале зберігання інформації. Саме для цього і слугує той же жорсткий диск або флеш-карти.
Ті, хто знайомий з програмуванням, чули про архітектуру фон Неймана. Вона закладена в основу роботи будь-якого сучасного комп'ютера. А пам'ять і центральний процесор є ключовими інструментами. У свій час пам'ять використовували для зберігання записаних даних. Програми запам'ятовуючих пристроїв працювали тільки за чітким алгоритмом виконуваних послідовностей. В той час будь-яка робота з програмуванням забирала не тільки величезну кількість часу, а й вимагала вагомий обсяг ручної роботи. Все це вийшло прискорити за рахунок архітектури фон Неймана. Будь-які дані перевели в біти. Тому стало абсолютно неважливо, яким чином представлена інформація. Її в будь-якому випадку можна було перевести в бітові рядки або двійкові числа. За рахунок появи пристроїв зберігання програм і даних стало можливо маніпулювати даними. Але для цього потрібно було б забезпечити достатню ємність системи зберігання. Зараз функціональність всіх подібних пристроїв практично однакова. Але вони все ж різняться між собою. Тому мають свої переваги і недоліки. Поки не вийшло розробити універсального пристрою, в комп'ютерах працюють відразу декілька їх видів.

Класифікація

Розібратися з видами пристроїв зберігання даних, не так просто. На даний момент немає встановленої класифікації, яка була б затверджена документально. Тому деякі види пам'яті можуть перебувати відразу в декількох групах.
Існує поняття класифікації пам'яті, а також класифікації запам'ятовуючого пристрою. У першому випадку для диференціації необхідно розуміти параметри, а ось другому - технічну реалізацію.

Класифікація пам'яті

Отже, багато звикли, що пристрої зберігання даних зазвичай представлені фізичним девайсом. Вони можуть мати різну форму, габарити і вагу. Але це ніяк не ставитися до самої пам'яті. В даному випадку необхідно розглядати її за такими параметрами: операції; доступ; організація даних і алгоритми; призначення; адресний простір і т. д. Як вже згадувалося, пам'ять дозволяє проводити дві основні операції: читання і запис. Так от є деякі пристрої, які надають тільки читання або обидва варіанти. Доступ також може характеризувати пам'ять. Він буває послідовним і довільним. Перший варіант (SAM) дає послідовний доступ: клітинка за клітинкою зчитуються так, як вони розташовані. Другий варіант (RAM) дає інформацію з будь-якої комірки, незалежно від її розташування. Організація даних є параметром пам'яті і може класифікуватися відповідно до класифікації структур даних. Тому тут є адресується, асоціативна, магазинна, семантична, об'єктна та ін. За призначенням пам'ять може бути: буферної - для тимчасового зберігання або обміну; тимчасової - для проміжних результатів; кеш - для зберігання часто використовуваних даних, для швидкого доступу до них; коригуючої - для зберігання адрес, за якими можна знайти несправні комірки; управляючої - для роботи відповідних мікропрограм; поділюваної - для забезпечення загального доступу. Адресний простір - ще один параметр функціональності пам'яті. Вона буває реальною - її адресація призводить до фізичного сховища; віртуальної - адресація не має фізичного розташування даних; оверлейной - області мають однакові адреси, тому в кожен момент доступ здійснюється тільки до однією з них.

Класифікація запам'ятовуючого пристрою

Запам'ятовуючий пристрій (ЗП) реалізує комп'ютерну пам'ять, а відповідно і її функціональності. Воно може бути класифіковано за різними напрямками. Серед основних варто відзначити: форма інформації; можливість запису; призначення; енергозалежність; тип доступу; геометричне виконання. Пристрій зберігання програм і даних може бути аналоговим або цифровим за формою інформації. Практично всі сучасні механізми відносяться до останнього варіанту. По можливості запису розрізняють пристрої, на які була записана інформація заводом-виробником. Також є механізми, які дозволяють зберігати дані за допомогою окремого пристрою. Останній варіант ЗУ - ті, які дозволяють будь-якому власнику зберігати інформацію (всі сучасні накопичувачі). За призначенням можна виділити кілька варіантів пристроїв: оперативна пам'ять - тимчасові дані; внутрішня - для довготривалого зберігання інформації; зовнішня - для резервного зберігання або перенесення файлів; пристрої для ідентифікації та платежів. Мало хто знає, але в комп'ютері є енергонезалежна пам'ять. Це пристрій зберігання даних, яке не втрачає файли після відключення живлення. Сюди якраз відносять жорсткий диск. А ось енергозалежною пам'яттю ПК вважається оперативна, яка стирає всі процеси після вимикання системи.
Тип доступу пристрої зберігання інформації може бути послідовним (магнітна стрічка), довільним (оперативна пам'ять), прямим (жорсткий диск) і асоціативним (пристрої для баз даних). Нарешті, по геометричному виконанню розрізняють дискові, стрічкові, барабанні, карткові та друковані ЗУ.

Жорсткий диск (HDD)

Оскільки мова йде про пристрій комп'ютера для зберігання програм і даних, варто почати саме з жорсткого диска. Вінчестер - вже розроблена, але не менш популярна частина системи. Він служить з самого народження комп'ютерних систем. Ґрунтується він на магнітного запису та має прямий доступ до даних. Інформація в даному випадку записується на алюмінієві пластини. Читання відбувається завдяки голівки, що зчитує Щоб розрізняти вінчестер від інших ЗУ, варто розібратися з його характеристиками. Деякі з них зустрічаються у всіх інших пристроях, а деякі є особливими. Перше, що потрібно зробити для роботи ЖД - підключити його. Тому одним з основних параметрів є інтерфейс. Завдяки йому два пристрої можуть взаємодіяти. Зараз практично всі вінчестери в домашніх комп'ютерах підключені за допомогою SATA. Наступним важливим параметром жорсткого диска вважається його ємність. Вона допомагає визначити кількість даних, які будуть зберігатися на пристрої. Цей параметр впливає на вибір покупця. На даний момент максимальний обсяг - близько 10 Тб. Зазвичай він використовується для серверних систем. Для домашнього ПК користувачі купують ЗАЛІЗНИЧНІ від 200 Гб і більше. Форм-фактор характеризує фізичний розмір вінчестера. У комп'ютери встановлюють 35-дюймові моделі, а в ноутбуки - 25. Не менш важливим параметром для швидкої роботи вінчестера вважається час довільного доступу. Саме по цьому параметру жорсткі диски програють твердотілим. Середній результат 8-10 мс. Для серверних накопичувачів показник може бути від 2 мс, а для домашніх ПК - до 16 мс. Цей параметр залежить від ще одного - швидкості обертання шпинделя. Вимірюється в кількості оборотів в хвилину. Оптимальним для середнього ПК вважається показник від 5200 об./мін. Для серверних систем він може перевищувати 10000 про./мін. Серед параметрів цього пристрою комп'ютера для зберігання програм і даних варто відзначити надійність, кількість операцій введення та виведення, споживання енергії, опірність ударів та ін.

Твердотільні накопичувачі (SSD)

Це ще одне пристрій зберігання даних. Що краще вибрати - SSD або HDD? Це дуже популярний питання і багато давно вже відповіли на нього. Тут важливо розуміти призначення системи та її працездатність. Щоб визначитися в цьому питанні, варто в порівнянні з жорстким диском розглянути твердотільний накопичувач. Не так давно з'явився SSD. Вважається, що пристрій прийшло на зміну жорсткому диску. Але досі не зуміло його повністю замінити. І все в ньому добре, крім ціни. Це немеханическое ЗУ, яке працює на базі мікросхем. Саме завдяки цьому вдалося добитися високої швидкості роботи. У порівнянні з вінчестером, твердотільний накопичувач має компактні розміри і меншу вагу. Його головна перевага - швидкість. Якщо середнім показником довільного доступу до HDD є 8-10 мс, то в SSD вона дорівнює 1 мс. Відповідно пристрій швидше в 8-10 разів. І це не можна не помітити під час роботи з ним. Основними перевагами цього сучасного пристрою зберігання даних вважається: безшумна роботи; механічна стійкість; стабільність; швидкість читання і запису; низьке енергоспоживання; компактні розміри і т. д. Але не все так гладко. Незважаючи на явні переваги, що є у твердотільного накопичувача і недоліки: обмеження кількості циклів запису; вартість; складність відновлення даних; ймовірність виходу з ладу електронних елементів; бюджетні моделі мають низьку продуктивність і т. д.

Вибір між HDD і SSD

Обидва пристрої зберігання програмних даних по-своєму гарні. Тому багато вирішили не робити такий непростий вибір на користь одного або іншого варіанта. Тому в ігрові комп'ютери користувачі воліють встановлювати обидва диска. При цьому рекомендують саму систему завантажувати на SSD, щоб вона швидше вантажилася. В інтернет-магазинах також можна зустріти гібриди HDD/SSD. Але варіантів не так багато, як якщо вибирати кожен пристрій окремо. Також варто звертати увагу на вартість. Наприклад, середній жорсткий диск на 1 Тб коштуватиме близько 3-4 тисяч рублів, то твердотільний накопичувач такого ж обсягу обійдеться в 14-15 тисяч рублів.

Оперативна пам'ять

Багато вважають, що до пристроїв зберігання даних не відноситься ОЗП. Це неправильне твердження. Оперативна пам'ять є частиною комп'ютерної пам'яті та зберігає не файли, а машинний код і дані, які обробляє процесор. Як вже згадувалося раніше, це енергонезалежна пам'ять. У більшості сучасних комп'ютерів ОЗП представлена модулями оперативної пам'яті, які надають довільний доступ. Варто відразу сказати, що динамічна пам'ять на даний момент вважається дешевше статичною. Це пов'язано з більш щільним розміщення осередків на кристалі. Динамічна пам'ять (DRAM) використовує один конденсатор і транзистор. Тому цей тип вважають і дешевше, і економніше. Його недоліком вважається повільна робота і проблеми з зарядкою конденсатора. Статична пам'ять (SRAM) має високу швидкість роботи. Але з-за особливої структури її висока вартість. Пристрій не зустрічається в звичайних ПК. У домашньому комп'ютері можна знайти модулі динамічної пам'яті. Вибираючи її, користувач першим ділом дивись на обсяг. Пристрій зберігання даних може мати від 1 до 64 Гб. Для ігрової системи багато вибирають варіант на 16 Гб. Причому він може бути реалізований одним-двома модулями або навіть чотирма. Також особливу увагу варто приділити типом пам'яті. В залежності від нього вона може працювати швидше. Самим останнім вважається DDR4 з діапазоном частот від 1600 до 3200 МГц. Це оптимальний варіант для сучасних систем. Хоча до цих пір деякі віддають перевагу застарілої DDR3. Але швидше за все вона скоро буде вилучено з виробництва, оскільки всі давно говорять про вихід DDR5. Крім робочої частоти рекомендується дивитися на показники таймінгів. Цей показник характеризує час роботи мікросхем з банком. Чим менше показники, тим швидше працює ОЗП.

Мережеві накопичувачі

Про них зазвичай дізнаються вкрай рідко, оскільки такі пристрої розраховані для спеціальних завдань. Вони дуже дорогі, громіздкі і зазвичай використовуються в спеціальних організаціях. NAS - мережеве пристрій зберігання даних. Воно має масу переваг. Наприклад, підключення здійснюється не через ПК, а через маршрутизатор. Таким чином можна забезпечити доступ до даних з будь-якого пристрою, який підключено до мережі. Варто відразу сказати, що подібний апарат для роботи вимагає процесор і оперативну пам'ять. Тому NAS можна сміливо назвати окремим комп'ютером. Ємність такої системи може бути від 4 до 24 Тб. Такі мережеві накопичувачі можуть значно відрізнятися розмірами і призначенням. Деякі можуть стати сімейним медіацентром. Працює пристрій в середовищі Ethernet. NAS надає доступ до даних і їх управління. Іноді такий варіант вибирають у якості власної хмарної системи. Зазвичай пристрій використовують ті, кому необхідно: недорогі накопичувачі середньої ємності; зручна установка і настройка; віддалений доступ; забезпечення потокової передачі; доступ з декількох пристроїв; автоматичне резервне копіювання та ін.

Дискета

Це знімний пристрій зберігання даних, яке було популярне ще 10 років тому. Носій використовувався для багаторазового запису та читання. Для зчитування інформація необхідно було помістити дискету в дисковод. До 2018 року складно буде знайти людину, який би використовував такий накопичувач. Це викликано і його обмеженим обсягом, і незручністю використання. Та й виробники материнських плат давно перестали поміщати спеціальний інтерфейс для підключення дисководу. Іноді дискети можна зустріти в застарілому виробництві, чи то промисловість або медицина. Для можливості працювати з накопичувачами є навіть спеціальні емулятори. Практично це повністю знімний пристрій зберігання даних було повністю замінено на флеш-накопичувачі. Вони надійніше, мають набагато більший об'єм і високу швидкість роботи.

CD - і DVD-диски

Це оптичні носії інформації. Нам вони знайомі давно. Ще 10-15 років тому були на піку популярності. Але після активного розвитку флеш-пам'яті про них почали забувати. Хоча в свій час їх можна було вважати основним пристроєм для довготривалого зберігання даних. У багатьох навіть зараз на дисках приховані фотографії, музика і фільми. Спочатку CD-диск з'явився як накопичувач, який повинен був зберігати аудіофайли. Але дуже швидко його стали застосовувати для зберігання будь-яких даних. З часом з'явився CD-R, який дозволяв не тільки читати, але і записувати дані. А ось CD-RW дозволяв це робити неодноразово. DVD-диск став розвитком CD. Він виглядав практично так само, але мав більш щільну структуру. Це означало, що обсяг збереженої інформації став більше. Цей формат був потрібен для заміни відеокасет. Тому передбачалося, що на нього можна буде записувати фільми. Пізніше виявилося, що він може зберігати дані різних форматів. Популярність компакт-дисків не така плачевна, як і в дискет. Тим не менш, з кожним роком вона стає все менше. Це пов'язано і з тим, що операційні системи потребують більше ресурсів. Програми стали важче, як і аудіо - і відеофайли. Оскільки компакт-диски мають обмежений обсяг, вони стають непотрібними. Наприклад, розміри образу Ubuntu давно перевищили 700 Мб. Windows 7 перестав підтримувати установку системи з CD-диска. Музичні плеєри стали компактніше, а значить, позбулися приводів. Матеріали, з яких виготовлені компакт-диски мають знижену зносостійкість. Коли на пластинах з'являються подряпини, деяка інформація втрачається, а читання даних стає неможливим.

Флеш-пам'ять

Це один з популярних видів периферійного пристрою зберігання даних. Він являє собою напівпровідникову технологію, завдяки якій виходить перепрограмувальна пам'ять. До флеш-пам'яті можна віднести твердотільний накопичувач, про який говорилося вище. Ну а найпопулярнішими пристроями цього типу є флешки. Вважається, що USB-флеш-накопичувач прийшов на зміну флоппі-дисків. Це запам'ятовуючий пристрій, який підключається до комп'ютера через інтерфейс USB. Це периферійний пристрій зберігання даних набагато менше оптичного диска. Воно дозволяє не тільки читання, а й багаторазовий перезапис інформації. Основне завдання флешки - зберігання, перенесення, обмін файлами, резервне копіювання, завантаження систем та ін. Складається пристрій безпосередньо з інтерфейсу USB, контролера, осцилятора і NAND-чіпи, який і зберігає інформацію. В більшості випадків використовується особлива файлова система. Найбільш популярною є сімейство FAT. Якщо флешка має обсяг більше 64 Гб, то прийнято форматувати її у файлову систему NTFS. Звичайно, такий пристрій зберігання даних має і переваги, і недоліки. До переваг варто віднести: компактні розміри і вага; безшумну роботу і портативність; використання універсального інтерфейсу (флешку можна підключати до ПК, телевізора, планшета, консолей та інших пристрою); низьке енергоспоживання; стійкість до механічних взаємодій і магнітним полями; тривале зберігання даних в автономному режимі. У недоліків USB-флеш-накопичувача відносять: обмежена кількість циклів запису, як в будь-якому іншому флеш-пристрої; обмеження швидкості передачі через пропускної здатності USB; чутливі до радіації і електростатичного розряду. Найперша флешка з'явилася в 2000 році. З тих пір вона тільки набирає популярність. І хоча зараз це один з основних способів передачі та обміну даних, не можна недооцінювати користь пристрою. З кожним роком вартість флеш-накопичувачів зменшується. Вони стають більш ємними і швидкими. У момент піку популярності пристроїв виробники вирішили зробити акцент на дизайн. Так з'явилася величезна кількість різноманітних форм і розмірів. Є і плюшеві флешки, і дуже маленькі. Вони мають зовнішність улюблених персонажів фільмів і мультиків. В інтернет-магазині можна зустріти флешку у формі ролу або пампушки. Все це необхідно для того, щоб хоч якось привернути увагу покупця.

Карта пам'яті

Це ще один флеш-накопичувач, про який варто розповісти окремо. Це компактний зовнішній пристрій зберігання даних, що дозволяє читати і записувати цифрову інформацію. Незважаючи на те, що багато хто з них побудовані на основі флеш-пам'яті, можуть використовувати зовсім інші технології. Карти пам'яті рідко використовують для резервного зберігання даних і обміну між ПК. З-за своїх компактних розмірів їх можна втратити. Тому їх стали використовувати так, де потрібно економити місце. Флеш-карти потрапили в фотоапарати та камери, смартфони і планшети, плеєри і інші гаджети. На початку 1990-х років з'явилися PC Card, які зараз знаходяться в мережевих карт, модемів і жорстких дисках. Цифрові фотоапарати і телефони потребували таких картках. Але лише в 2001 році стали відомі SM і CF. Вже через пару років їх замінили SD/MMC. У 2013 році стали відомі SDHC. Ці флеш-карти крім читання і запису даних дозволяли передавати їх відразу з одного пристрою на інший, без підключення. Такого винаходу невимовно зраділи фотографи, яким тепер не потрібно було підключати камеру до ПК і переносити дані. Достатньо було використовувати мережу Wi-Fi.

Перспектива

Недостатньо говорити про минулих і справжнім пристроях зберігання інформації. Багато що нас чекає попереду. Перспективи розробки нових видів пам'яті райдужні. Зараз вже відомо про кількох технологіях, які повинні будуть збільшити обсяг і швидкість передачі даних. RRAM - це енергонезалежна пам'ять. На даний момент вона знаходиться в розробці. Фахівці виявили, що якщо прикласти до діелектриків висока напруга, всередині них з'являються нитки низького опору. Таким чином вони перетворюються на провідників. При цьому висока напруга може як руйнувати ці нитки, так і створювати їх знову. На даний момент цей варіант не дороблений. Належить вирішити безліч проблем. Але якщо все вдасться, то покупець отримає високошвидкісну пам'ять. Крім того технологія дозволить накладати пам'ять шарами, а значить розробити надмісткі модулі. Бігова пам'ять - ще одна енергонезалежна пам'ять. Суть цієї технології побудована на зменшених розмірах магнітних доменів ще 10 років тому. Розробники планують організувати переміщення доменів в нанотрубках з використанням спінтроніки. Такий варіант також передбачає значне збільшення щільності запису пам'яті. При цьому технологія допоможе забезпечити високу швидкість читання і запису. Nano-RAM - це технологія комп'ютерної пам'яті. Вона заснована на роботі вуглецевих нанотрубок. Завдяки компактності нанотрубок вийде досягти високої щільності запису. Крім того з технологією можна скоротити споживання енергії. Тому з більшою ймовірністю Nano-RAM буде потрібна в смартфонах і планшетах, де збереження заряду батареї важлива справа.