Устройства долговременного хранения данных на ПК

DVD по структуре данных  бывают трех типов:

• DVD-Video — содержат фильмы (видео и звук);
• DVD-Audio — содержат аудиоданные высокого качества (гораздо выше, чем на аудио-компакт-дисках);
• DVD-Data — содержат любые данные; смешанное содержимое.

В отличие  от компакт-дисков, в которых структура  аудиодиска фундаментально отличается от диска с данными, в DVD всегда используется файловая система UDF (для данных может быть использована ISO 9660)).

    DVD как носители бывают  четырёх типов:

1. DVD-ROM — диски, изготовленные методом инжекционного литья (литья под давлением из прочного пластика-поликарбоната), непригодны для записи в приводах;
2. DVD+R/RW — диски однократной (R — Recordable) и многократной (RW — ReWritable) записи;
3. DVD-R/RW — диски однократной (R — Recordable) и многократной (RW — ReWritable) записи;
4. DVD-RAM — диски многократной записи с произвольным доступом (RAM — Random Access Memory).[3]

Любой из этих 4 типов носителей DVD может  нести любую из трёх структур данных. Физически DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне.     Вместимость можно определить на глаз — нужно посмотреть, сколько рабочих (отражающих) сторон у диска и обратить внимание на их цвет: двухслойные стороны обычно имеют золотой цвет, а однослойные — серебряный, как компакт-диск.

    Единица скорости (1х) чтения/записи DVD составляет 1 385 000 байт/с (то есть около 1352 Кбайт/с = 1,32 Мбайт/с), что примерно соответствует 9-й скорости (9x) чтения/записи CD, которая равна 9 × 150 = 1350 Кбайт/с. Таким образом, 16-скоростной привод обеспечивает скорость чтения (или записи) DVD равную 16 × 1,32 = 21,12 Мбайт/с. [1] 
 

HD DVD

(англ. High Definition DVD — DVD высокой чёткости) — технология записи оптических  дисков, выработанная консорциумом DVD Forum и компанией Toshiba. HD DVD (как  и Blu-ray Disc) использует диски стандартного размера (120 миллиметров в диаметре) и синий лазер с длиной волны 405 нанометров. [6]

    19 февраля 2008 года компания Toshiba объявила  о прекращении поддержки технологии HD DVD в связи с решением положить  конец войне форматов.

    Однослойный диск HD DVD имеет ёмкость 15 GB, двухслойный — 30 GB. Toshiba также анонсировала трёхслойный диск, который может хранить до 45 GB данных. Это меньше, чем ёмкость основного соперника Blu-ray, который поддерживает 25 GB на один слой и 100 GB на четыре слоя. Оба формата обратно совместимы с DVD и оба используют одни и те же методики сжатия видео: MPEG-2, Video Codec 1 (VC1, базируется на формате Windows Media 9) и H.264/MPEG-4 AVC. Важным фактором привлекательности HD DVD по сравнению с Blu-ray является также тот факт, что большая часть оборудования для производства DVD может быть переоснащена для производства HD DVD, так как использует идентичную технологию производства.

    Кинокомпания Warner Bros, принадлежащая американской медиакомпании Time Warner Inc., объявила о  том, что откажется от формата HD DVD в пользу конкурирующей технологии DVD Blu-ray дисков. [4] 

Жёсткий диск 

Накопитель  на жёстких магнитных дисках, жёсткий  диск, хард, HDD, HMDD или винчестер, (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD) — энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах. [5,6]

    В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферримагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В некоторых НЖМД используется одна пластина, в других — несколько на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

    Название  «винчестер» накопитель получил  благодаря фирме IBM, которая в 1973 году выпустила жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30» предложил назвать этот диск «винчестером». [4]

    Жёсткий диск состоит из следующих основных узлов: корпус из прочного сплава, собственно жесткие диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя и блок электроники.

    Вопреки расхожему мнению, жесткие диски  не герметичны. Внутренняя полость  жесткого диска сообщается с атмосферой через фильтр, способный задерживать очень мелкие (несколько мкм) частицы. Это необходимо для поддержания постоянного давления внутри диска при колебаниях температуры корпуса.

    Принцип работы жестких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность  диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

    В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них, изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

    Метод параллельной записи: На данный момент это самая распространенная технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

    Максимально достижимая при использовании данного  метода плотность записи оценивается 150 Гбит/дюйм² (23Гбит/см²). В ближайшем  будущем ожидается постепенное  вытеснение данного метода методом  перпендикулярной записи.

    Метод перпендикулярной записи — это технология, при которой биты информации, сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных образцов — 100—150 Гбит/дюйм² (15-23 Гбит/см²), в дальнейшем планируется довести плотность до 400—500 Гбит/дюйм² (60—75 Гбит/см²).

    Жесткие диски с перпендикулярной записью  доступны на рынке с 2005 года.

    Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat assisted magnetic recording — HAMR) на данный самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2008 год), есть лишь экспериментальные образцы, но их плотность уже достигла 1Тбит/дюйм² (150Гбит/см²). Разработка HAMR-технoлогий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 15 − 20 Гбит/дюйм², а Seagate Technology предполагает, что смогут довести плотность записи HAMR-носители до 50 Тбит/дюйм²[5]. Широкого распространения данной технологии следует ожидать в 2010 – 2013 годах. 

RAID 

RAID (англ. redundant array of independent/inexpensive disks) — дисковый массив независимых дисков. Служат для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи информации (RAID 0). [7]

     Аббревиатура RAID изначально расшифровывалась как  «Redundant Arrays of Inexpensive Disks» («избыточный (резервный) массив недорогих дисков», так как  они были гораздо дешевле RAM). Именно так был представлен RAID своими исследователями: Паттерсоном (David A. Patterson), Гибсоном (Garth A. Gibson) и Катцом (Randy H. Katz) в 1987 году. Со временем RAID стали расшифровывать как «Redundant Array of Independent Disks» («избыточный (резервный) массив независимых дисков»), потому как для массивов приходилось использовать и дорогое оборудование (под недорогими дисками подразумевались диски для ПЭВМ). [8]

     Далее будут рассмотрены только уровни RAID 0,1,5.

RAID 0 («Striping»)  — дисковый массив из двух  или более жёстких дисков с  отсутствием избыточности. Информация разбивается на блоки данных (Ai) и записывается на оба/несколько диска поочередно.

За счёт этого существенно повышается производительность (+) (от количества дисков зависит кратность  увеличения производительности), но страдает надёжность всего массива. (При выходе из строя любого из входящих в RAID 0 винчестеров полностью и безвозвратно пропадает вся информация) (-). В соответствии с теорией вероятностей, надёжность массива RAID 0 равна произведению надёжностей составляющих его дисков, каждая из которых меньше единицы, т. о. совокупная надёжность заведомо ниже надёжности любого из дисков. RAID 0 может быть реализован как программно, так и аппаратно.

RAID 1 (Mirroring —  «зеркало»). Обеспечивает приемлемую  скорость записи и выигрыш  по скорости чтения за счёт распараллеливания запросов. Имеет высокую надежность - работает до тех пор пока функционирует хотя бы один диск в массиве. Недостаток заключается в том, что приходится выплачивать стоимость двух жёстких дисков, получая полезный объем одного жёсткого диска (классический случай, когда массив состоит из двух дисков).

     Изначально  предполагается, что жёсткий диск — вещь надёжная. Соответственно, вероятность  выхода из строя сразу двух дисков равна (по формуле) произведению вероятностей, то есть ниже на порядки. К сожалению, данная теоретическая модель не достаточно полно отражает процессы, протекающие в реальной жизни. Так, обычно два винчестера берутся из одной партии и работают в одинаковых условиях, а при выходе из строя одного из дисков нагрузка на оставшийся увеличивается, поэтому на практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры — вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва Hot Spare. Достоинство такого подхода — поддержание постоянной надёжности. Недостаток — ещё большие издержки (то есть стоимость трёх винчестеров для хранения объёма одного диска).

Зеркало на многих дисках — RAID 1+0. При использовании  такого уровня зеркальные пары дисков выстраиваются в «цепочку», поэтому объём полученного тома может превосходить ёмкость одного жёсткого диска. Достоинства и недостатки такие же, как и у уровня RAID 0. Как и в других случаях, рекомендуется включать в массив диски горячего резерва Hot Spare из расчёта один резервный на пять рабочих .

RAID 5. Блоки  данных и контрольные суммы  циклически записываются на все  диски массива, отсутствует выделенный  диск для хранения информации  о четности, нет асимметричности  конфигурации дисков. Самый популярный из уровней, в первую очередь благодаря своей экономичности. Жертвуя ради избыточности ёмкостью всего одного диска из массива, мы получаем защиту от выхода из строя любого из винчестеров тома. На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные ресурсы, так как требуются дополнительные вычисления, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких накопителей массива распараллеливаются.

     Недостатки RAID 5 проявляются при выходе из строя одного из дисков — весь том переходит в критический режим, все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность. При этом уровень надежности значительно снижается (так как уменьшена избыточность массива).

RAID 0 можно  создать, задействовав только  ДВА жестких диска!

RAID 1+0 можно  создать, задействовав 4 диска.

RAID 5 можно  создать, задействовав от 3 до 6 дисков.

Одновременно  создать RAID 5 и любой другой RAID на одних и тех же дисках (как при  создании RAID 1 и RAID 0 из примера) не представляется возможным. [9,11,12] 

Флэш-память  

Флэш-память (англ. Flash-Memory) — разновидность твердотельной  полупроводниковой энергонезависимой  перезаписываемой памяти. [6]

    Она может быть прочитана сколько  угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (обычно около 10 тысяч раз). Несмотря на то, что такое ограничение есть, 10 тысяч циклов перезаписи — это намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW. Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна, компактна и дёшева.