Как называется кратковременная память компьютера
Оперативная память мозга: что общего между компьютером и мозгом
У меня есть компьютер. Думаю, у вас тоже. Общий перечень наших с вами задач, решаемых с помощью компьютера, можно свести к двум основополагающим вещам: хранение и преобразование информации. Головной мозг выполняет схожие функции. Например, фоторецепторные клетки в глазах принимают электромагнитное излучение и преобразуют его в нервный импульс. Мозг обрабатывает эту информацию и на основе нее строит изображение. Помимо функционального сходства, мозг и компьютер имеют и общие структурные черты: у нас тоже есть некоторое подобие процессора и памяти. Причем наша память, как и память компьютера, бывает разных видов. В этой статье пойдет речь о нашем аналоге оперативной памяти и о том, как он работает.
Когнитивность
Как работает наш мозг? На столь обширный вопрос есть несколько философский ответ — недостаточно хорошо. Действительно, вы наверняка хотели бы не вспоминать перед сном все свои неудачи и просчеты или не забывать, куда положили ключи. Переформулируем и сузим вопрос: как человеческий мозг воспринимает и использует информацию?
Получение информации
Что дальше?
Попадая в мозг, нервные импульсы преобразуются в соответствующие образы и чувства. Но на данный момент эти образы всего лишь образы. Если человек не умеет читать, то для его мозга текст будет лишь набором закорючек. В психологии есть термин когнитивность. Он отражает способность человека к умственному восприятию и переработке внешней информацию сквозь собственную систему взглядов, зависящую от мышления, памяти, обучения и т. д. Коротко говоря, мозг в течение жизни обучается, получает новую информацию и, в зависимости от текущего типа мышления, багажа знаний и умений, обрабатывает получаемую информацию соответствующим образом.
Память мозга
Память можно определить как способность мозга сохранять и восстанавливать информацию. Очевидно, что работа мозга очень сильно зависит от памяти и ее роль сложно переоценить. Классифицировать память можно по разным критериям. Но нас будет интересовать конкретно разделение по времени хранения информации. Итак, память мозга условно можно разделить на следующие виды:
Кратковременная память
Изначально, информация от органов чувств попадает в кратковременную память. Как понятно из названия, она хранится там небольшой промежуток времени. При этом информация от органов чувств фильтруется. В кратковременную память попадает та информация, на которую мы обратили своё внимание. Причем как произвольно, так и под действием каких-либо факторов. Например, обычно мы не обращаем внимание на ощущения от надетой на нас одежды, но если она вызовет дискомфорт, то мы обратим внимание, и эта информация попадет к нам в кратковременную память. Помимо органов чувств, источником информации может являться и долговременная память как итог процесса вспоминания, как целенаправленного, так и спонтанного.
Модель Аткинсона-Шиффрина
В целом идеи о том, что человеческая память не является единой сущностью, возникли ещё в 19 веке. Более конкретная теория взаимодействия между кратковременной и долговременной памятью появилась в середине 20-го века в множественной модели Аткинсона-Шиффрина.
Согласно данной модели, наша память состоит из трех структур:
Механизм перехода из кратковременной памяти в долговременную точно не ясен. При этом, способность вспоминать события из прошлого зависят от гиппокампа. К этому выводу пришли Бренда Милнер и Уильям Сковилл, изучая пациента, которому для лечения эпилепсии был удален гиппокамп. Пациент не мог вспомнить, что с ним происходило в прошлом, но при этом другие структуры памяти сохранились. Он помнил факты об устройстве мира, но новые ему выучить было сложно. Также у него отлично работала кратковременная память.
Объем кратковременной памяти
Информация без повторения хранится в кратковременной памяти на протяжении примерно 20 секунд. При этом ее объем однозначно определить очень сложно. Американский психолог Джордж Миллер в своей работе «Магическое число семь плюс-минус два« определил, что человек, как правило, не может запомнить и воспроизвести больше 7±2 объектов (данная характеристика является усредненной и не отрицает существование уникумов, способных запоминать большое количество информации)
Но что такое объект? На основе своих исследований (проверка, сколько человек может запомнить), Миллер приводит следующую характеристику — человек в среднем способен запомнить девять двоичных чисел, восемь десятичных, семь букв алфавита и пять односложных слов. Информационная содержательность этих объектов не столь большая. В этом кроется и следующее различие между кратковременной и долговременной памятью — объем информации. Объектом может являться как слово, так и изображение — например, пейзаж. Но степень его детализации будет определяться объемом кратковременной памяти и вряд ли вы запомните его в деталях без повторения.
Рабочая память
Рабочая память (РП) — это тип памяти, с помощью которого человек способен сохранять в уме информацию, с которой работает. РП также позволяет комбинировать информацию, полученную от органов восприятия, с долговременной и кратковременной памятью.
Термин «Рабочая память» был введен Джорджем Миллером, Евгением Галантером и Карлом Прибрамом в контексте теории, в которой человеческий ум сравнивался с компьютером. Изначально понятие рабочей памяти не было конкретизировано, поэтому его использовали Ричард Аткинсон и Ричард Шиффрин в своей модели кратковременной памяти. Однако они не сделали акцента на ее функциональной части, поэтому Алан Бэддели и Грэм Хитч переработали их модель. Главное отличие нового взгляда на РП заключалось в том, что кратковременная память может быть разделена на субкомпоненты и что такая система способна на сложные когнитивные действия. На данный момент многие ученые используют концепцию РП в качестве замены или расширения концепции краткосрочной памяти, делая акцент на манипулировании информацией, а не на ее простом хранении.
Модель рабочей памяти
В 1974 году Алан Бэддели и Грэм Хитч предложили многокомпонентную модель РП, переработав модель кратковременной памяти Аткинсона-Шиффрина. Изначально модель содержала три компонента. Первый компонент — это система контроля над вниманием, называемая центральным исполнителем (ЦИ). ЦИ направляет внимание на информацию, подавляя отвлечение (на нерелевантную информацию и неподходящие действия) и координируя когнитивные процессы при одновременном выполнении множества задач. У ЦИ «в подчинении» находятся две системы временного хранения: фонологическая петля и визуально-пространственный блокнот.
Фонологическая петля — это когнитивная система временного хранения, которая может хранить информацию, представленную в речевой и звуковой форме, с помощью проговаривания про себя (субвокальные повторения). Одним из доказательств этого служит эффект фонологического сходства: слова, со сходным звучанием, запоминаются труднее, чем слова, звучащие по-разному. Представим, что вы хотите запомнить набор терминов. Если слова схожи по звучанию, то это приведет к путанице и плохому результату. Попробуйте запомнить два ряда слов: «код», «год», «кот», «рот» и «солнце», «горячий», «корова», «день». Скорее всего, «производительность» запоминания в первом случае будет хуже. Фонологической петле совсем не важны значения, поэтому человек запоминает ряд из нескольких слов, обозначающих одно и тоже, так же, как и разные слова. В этом заключается отличие рабочей памяти от долговременной. Если увеличить количество слов в последовательности, например до 10, и дать людям запомнить их, то звучание уйдет на второй план, а значение станет намного важней. Таким образом у человека имеется система, которая может хранить информацию путем проговаривания про себя. Она не важна для понимания речи (если вы способны нормально говорить и слышать), однако играет существенную роль в пополнении словарного запаса на раннем этапе обучения чтению, когда нужно удержать в памяти последовательность звуков в точном порядке.
Визуально-пространственный блокнот — это когнитивная система, одновременно хранящая пространственную и визуальную информацию. Визуальная информация включает в себя такие вещи, как цвет и форма, а пространственная — данные о местоположении. Например, использование карты или проектирование здания включает пространственную информацию. Изучение иероглифов, запоминание цвета — это больше визуальное задание. Системы вербальной, пространственной и визуальной информации могут поддерживаться потоками информации, не охватываемыми подчиненными системами (например, тактильные ощущения, семантическая информация, музыкальная информация, эмоциональная составляющая и т. п.).
Так как речь идет о серии потоков восприятия, в 2000 году Бэддели расширил модель, добавив четвертую систему — эпизодический буфер, в котором потоки информации объединяются. У буфера есть несколько измерений: визуальное, пространственное семантическое и перцептивное. Он объединяет их вместе и делает доступными сознанию, связывая всю информацию РП в единое эпизодическое представление. Таким образом эпизодический буфер — это связующие звено между рабочей и долговременной памятью. Если проводить аналогии, то эпизодический буфер чем-то напоминает экран, на который проецируются события.
Где и как мозг хранит информацию
РП располагается в нескольких частях мозга. С появлением методов визуализации мозга (ПЭТ и фМРТ) определение локализации функций в головном мозге людей значительно упростилось. Обзор многочисленных исследований показывает, что области активации во время задач рабочей памяти, разбросаны по большой части коры. Определение Фонологическая петля расположена главным образом в области между височной и теменной долями левого полушария. Процесс повторения информации по большей части включает лобную область, известную как центр Брока.
Визуально-пространственная система вовлекает в основном правое полушарие, однако она может простираться и до затылочных долей, в направлении к задней части мозга. Эта область задействуется в визуальных изображениях. Более центральные теменные области ответственны за пространственную информацию.
Сам факт активации каких-то областей мозга вовсе не означает, что именно там хранится информация. В этом заключается одна из проблем использования функциональной визуализации для понимания работы памяти. При изучении какой-либо когнитивной задачи ученые наблюдают активность области, но не знают, действительно ли она необходима для нее. Представьте, что вы обращается к информации в памяти компьютера и получаете её на экране. Вы узнаете, что было в хранилище и какие подсистемы были задействованы для отображения информации. Но где конкретно хранилась информация и как она была извлечена вам не известно. Пока что в научном сообществе нет консенсуса о том, как точно устроена и функционирует память.
Что влияет на рабочую память
РП страдает от интенсивного стресса. Это было обнаружено в исследованиях Арнстена и его коллег на разных видах животных. Например, в одном из исследований Арнстен исследует влияние стресса, вызванного шумом, на когнитивные функции префронтальной коры у резус-макак. Экспериментаторы заполняли едой одну из лунок, а затем накрывали их непрозрачным экраном. Через определенные промежутки времени экран убирали, и макаки выбирали одну из лунок (задача с отложенным ответом). После некоторой серии экспериментов подопытных подвергали воздействию непрерывным громким шумом (100-110 Дб) в течении 30 минут перед тестированием. Испытав стресс, животные хуже справлялись с заданием: чаще забывали, в какой лунке находятся лакомства. В ходе исследований выяснилось, что высвобождение физиологически активных веществ, катехоламинов, в префронтальную кору, вызванное стрессом, снижает срабатывание нейронов и емкость памяти. Воздействие хронического стресса может привести к глубоким нарушениями РП. Чем больше стресса в жизни, тем ниже эффективность РП при выполнении простых познавательных задач. Злоупотребление алкоголем также может вызывать нарушения РП из-за повреждения мозга.
Индивидуальные различия в объеме РП в некоторой степени наследуемы. Пока что мало известно о том, какие гены связаны с функционированием РП. В рамках многокомпонентной модели был предложен один ген-кандидат, ROBO1 для гипотетической фонологической петли рабочей памяти. Генетический компонент РП в значительной степени разделяется с таковым для подвижного интеллекта, поэтому исследования связи памяти и генетики возможно поможет также лучше понять работу интеллекта.
Существует несколько гипотез о том, что РП может быть натренирована, например при помощи специальных компьютерных программ или таких задач, как n-назад. Но при этом люди не демонстрируют значительных улучшений в таких активностях, как обучение математике, чтение или выполнение тестов на уровень интеллекта. Если тренировка рабочей памятью интеллекта работает, то скорее всего эффект будет незначительным.
Компьютер как мозг
Текущие развитие процессоров во многом основывается на уменьшении техпроцесса. Время идет и эффективность такого подхода снижается. Возможно ли замена нынешней архитектуры на архитектуру, схожую с мозгом человека? Конечно, в реалиях недостатка знаний о мозге данное сравнение некорректно, но давайте пофантазируем. В чем преимущества мозга перед компьютером? Первое, что приходит на ум — это наличие сознания и способность к творческой деятельности. Но не совсем понятно, в чем разница между ними и их компьютерной симуляцией? Проблему квалиа и подобные вопросы лучше оставить философам и сконцентрироваться на более практических аспектах. Понятно, что в некоторых задачах, зависящих от скорости обработки информации мы проигрываем. Но при этом у мозга множество преимуществ перед современными компьютерами:
Практика показывает, что лучше заимствовать лучшее, но, как упоминалось выше, недостаток знаний о мозге не позволяет сделать этого.
Облачные серверы от Маклауд быстрые и безопасные.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
Виды компьютерной памяти
Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) — часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для приема, хранения и выдачи данных, используемых при вычислении в течение определенного времени.
Минимальной единицей информации является бит или кратные ему единицы: килобит (1 кб = 1024 бита), мегабит (1Мб = 1024кбит), гигабит (1Гб = 1024Мбит). Но чаще пользуются единицей байт (1 байт = 8 бит), или же кратными ему единицами: килобайт (1 КБ = 1024 байта), мегабайт (1МБ = 1024кБ), гигабайт (1ГБ = 1024МБ). Для измерения больших объемов памяти используются терабайты и петабайты.
Компьютерную память можно классифицировать по типу доступа:
по типу электропитания:
по типу носителя и способу записи информации:
Оперативная память компьютера
Оперативная память (англ. RAM — Random Access Memory) — память с произвольным доступом — это быстрое запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных.
Оперативная и кэш-память является энергозависимыми — данные хранятся в них временно — до выключения электропитания компьютера, причем для динамической памяти (в отличие от статической) требуется постоянное обновление (регенерация) данных.
Наиболее распространенным типом схем памяти являются DRAM (динамическая память). В этих воспоминаниях значение каждого бита хранится в крошечном конденсаторе. Эти конденсаторы разряжаются — и очень быстро, примерно через 1 мс — поэтому их содержимое может быть потеряно. Для предотвращения этого специальные цепи периодически перезаряжают конденсаторы. Название памяти, «динамическая», происходит от этого непрерывного процесса перезарядки.
Оперативная память современного компьютера разделена на несколько типов. Хотя в основе всех типов памяти лежит обычная ячейка памяти, представляющий собой комбинацию из транзистора и конденсатора, благодаря различным внешним интерфейсам и устройствам взаимодействия с компьютером модули памяти они все же отличаются друг от друга.
Это наиболее дешевый способ производства ячеек памяти. Состояние конденсатора определяет, содержит ячейка «0» или «1», но само наличие конденсатора является причиной некоторых ограничений динамической памяти.
Заряженный конденсатор эквивалентен логической «1», разряженный — логическому «0». Однако впоследствии конденсатор разряжается, и поэтому необходимо время от времени обновлять его заряд. Необходимый для этого ток очень мал, так что нужно немного времени, чтобы конденсатор небольшой емкости был заряжен снова. Но во время этого процесса к ячейке памяти обращаться нельзя. Производители динамической памяти говорят, что подобное восстановление должно проводиться каждые 64мс. Но самая большая проблема с оперативной памятью в том, что при операции считывания из ячейки конденсатор теряет свой заряд, то есть считывание деструктивное, и ячейка после считывания информации должна быть восстановлена.
Таким образом, каждый раз при считывании информации должна проводиться и его запись. В результате увеличивается время циклического доступа, и повышается латентность.
Латентность — это простой в работе или это время, затрачиваемое на считывание из памяти одного слова данных (восьми байт) (измеряется в циклах). Чем ниже латентность оперативной памяти, тем меньше центральный процессор будет находиться в состоянии простоя. Полная латентность состоит из программной и аппаратной составляющих.
В модулях статической памяти такая проблема отсутствует. Одна ячейка статической памяти состоит из 4 транзисторов и двух резисторов, и в ячейке SRAM сохраняют данные не путем емкостной зарядки (как в DRAM), а путем переключения транзисторов в нужное состояние, подобно транзисторам в CPU. В отличие от динамической памяти — статическая память не является деструктивной. Ячейка статической памяти (кэш памяти) состоит из 4-х транзисторов и 2-х резисторов.
Массовое распространение получили следующие виды оперативной памяти DDR (уже не пользуется большим спросом), DDR2, DDR3, DDR4.
Внешний вид модулей памяти DDR, DDR2, DDR3
В каждом модуле оперативной памяти содержится также специальная микросхема SPD. В этой микросхеме хранятся данные о модуле памяти: дата изготовления модуля, основные характеристики модуля и тому подобное.
Кэш память
Персональные компьютеры также имеют скрытую память. Фактически, из-за разницы в скорости процессоров и схем основной памяти, большинство персональных компьютеров имеют два разных типа кэша, известных как «Уровень 1» (уровень 1 или L1) и «Уровень 2». Уровень 2 или L2 кэш).
L1 кэш-память
Кэш-память уровня 1 — это не что иное, как память в самом процессоре. Первым процессором, который содержал кэш-память, был Intel 80486, 8 Кб. Тогда все процессоры персональных компьютеров содержали латентную память размером до 32 Кб. Внутри кэш L1 делится на 16 или 32 байта.
Кэш L1 содержит адреса памяти, которые соответствуют данным и машинным командам. Он часто делится на два раздела для этих двух типов адресов. Машинные команды, выполняемые внутри процессора, особенно полезно кэшировать, когда процессор имеет конвейерную архитектуру, которая обрабатывает несколько команд одновременно.
Кэш-память второго уровня
Кэш уровня 2 больше по размеру, чем L1, но не так быстр, и находится на материнской плате компьютера. Как мы уже говорили, его схемы в основном состоят из статической памяти. Кэш-память уровня 2 обычно имеет размер до 1 Мб, но его максимальный размер также зависит от материнской платы.
Память DDR
Память DDR отличается от предыдущих видов памяти одним важным нововведением: теперь данные (но не адреса) можно получать и передавать два раза за такт — по убыванию и нарастающем фронтах сигнала. Для памяти DDR общепринятыми являются несколько обозначений: например DDR-266 или РС-2100.
Обозначения имеют разные смыслы: первое указывает частоту, с которой передаются данные (в нашем случае 266 МГц, при этом модуль работает на частоте 133MГц), второе — теоретическую пропускную способность модуля памяти (2100MBps). Второе обозначение используется чаще из маркетинговых соображений.
Схема передачи данных в микросхеме памяти DDR-400 (а), DDR2-800 (б), DDR3-1600 (в): Memory Cell Array — массив ячеек памяти; I / OBuffers — буфер ввода вывода данных; Data Bus — шина данных
Память DDR2
Память этого стандарта использовалась в платформе Socket 775. По сути DDR2 память не имеет кардинальных отличий от DDR. Однако в то время как DDR осуществляет две передачи данных по шине за такт, DDR2 выполняет четыре таких передачи. При этом, построена DDR2 из таких же ячеек памяти, как и DDR, а для удвоения пропускной способности используется техника мультиплексирования.
Само по себе ядро чипов памяти продолжает работать на той же самой частоте, на которой оно работало в DDR. Увеличивается только частота работы буферов ввода-вывода данных, а также расширяется шина, связывающая ядро памяти с буферами ввода/вывода данных ( I/O Buffers). На буфера ввода / вывода возлагается задача мультиплексирования. Данные, поступающие из ячеек памяти по широкой шине, уходят из них по шине обычной ширины, но с частотой, вдвое превышает частоту шины DDR. Таким способом достигается возможность очередного увеличения пропускной способности памяти без увеличения частоты работы самих ячеек памяти. То есть, фактически, ячейки памяти DDR2-400 работают с той же частотой, что ячейки памяти DDR200 или PC100 SDRAM. Однако столь простой метод увеличения пропускной способности памяти имеет и свои отрицательные стороны. В первую очередь — это рост латентности. Очевидно, что латентность не определяется ни частотой работы буферов ввода / вывода, ни шириной шины, по которой данные поступают из ячеек памяти.
Память DDR3
Передача данных по-прежнему осуществляется по обоим полупериодах синхросигнала на удвоенной «эффективной» частоте относительно собственной частоты шины памяти. Только рейтинги производительности выросли в 2 раза, по сравнению с DDR2. Типичными скоростными категориями памяти нового стандарта DDR3 являются разновидности от DDR3-800 до DDR3-1600 и выше. Очередное увеличение теоретической пропускной способности компонентов памяти в 2 раза вновь связано со снижением их внутренней частоты функционирования во столько же раз. Поэтому отныне, для достижения темпа передачи данных со скоростью 1 бит / такт по каждой линии внешней шины данных с «эффективной» частотой в 1600 МГц используемые 200-МГц микросхемы должны передавать по 8 бит данных за каждый свой такт. То есть,
Однако у данного типа памяти есть свои недостатки:
Память DDR 4
На сегодня это основной тип памяти, который приобрел массовое применение. Первые тестовые образцы DDR4 были представлены в середине 2012 года фирмами Hynix, Micron и Samsung.
Micron выпустила первые опытные модули памяти, работающие на частоте 2400 МГц. Микросхемы от Hynix были созданы с использованием 38-нм техпроцесса. Модели работают на тактовой частоте 2400 МГц при напряжении питания 1,2 В. Подобная память может обрабатывать до 19,5 Гб данных в секунду.
Благодаря 30 нм техпроцессу память DDR4 от Samsung имела объем 8 и 16ГБ и тактовую частоту 2133 МГц. 16 ГБ планки имеют два ряда чипов памяти, в отличие от привычного одного ряда. К тому же, они располагаются на печатной плате ближе друг к другу, что позволяет вместить ее два дополнительных чипа памяти с каждой стороны. Samsung обещает, что с переходом на передовой 20 нм техпроцесс, появится возможность создания модулей памяти объемом 32 ГБ. Модули памяти DDR4 от Samsung, работают с напряжением 1,2 В, в отличие от DDR3 планок, которые работают на 1,35 В. Это небольшая разница, позволяет экономить энергию на 40%.
Рекомендации по выбору модулей памяти:
При производстве модулей памяти, как правило, одна фирма выпускает микросхемы (чипы), а другая делает сами модули (монтаж и пайка). Производителей чипов в мире насчитывается не более 10. Крупные производители чипов: Samsung, Mиcron, LG, Hynиx, Toshиba, Nec, Texas Instruments проводят тщательное тестирование готовой продукции, но полный цикл тестирования проходят далеко не все чипы. Исходя из этого, продукцию этих компаний можно условно разделить на три категории: класса А, В и С.
Первая — готовы микросхемы, прошедшие полный цикл тестирования (т.н. чипы класса A, примерно 10% от всей продукции) — считаются чипами высшего качества и самые надежные. Они также и самые дорогие, поскольку обеспечивают надежную работу в любых условиях. Эта категория чипов используется известными производителями модулей памяти.
Вторая (чипы класса B) — модули памяти с небольшими дефектами, на этапе тестирования которых были обнаружены ошибки. Эти чипы в большом количестве поставляются производителям дешевых модулей памяти, попадая затем на свободный рынок. Вполне может случиться, что модули, изготовленные на основе микросхем класса B, будут быстро и надежно работать, однако в системах, где нужна, прежде всего, надежность, подобные модули не применяются.
Третья (чипы класса C), которые вообще не тестировались производителем на скорость и надежность. Понятно, что на рынке такая продукция имеет наименьшую стоимость, поскольку вся ответственность за тестирование ложится на производителей модулей. Именно такие микросхемы используют производители дешевой памяти класса noname, а стабильность работы этих изделий вызывает большие сомнения. Надежность готового модуля памяти определяется совокупностью многих факторов. В частности, это количество слоев печатной платы (PCB), качество электронных компонентов, грамотное разведение цепей, а также технология производственного процесса. Мелкие производители модулей для снижения цены готовых изделий экономят на мелких компонентах, зачастую просто не впаянных на модуль.
Основная память на ПК организована в цепи типа SIMM или DIMM. Существуют различные виды таких схем, которые отличаются скоростью доступа к данным в памяти.
На персональном компьютере имеется кэш память на двух уровнях: первый уровень быстрее и меньше по размеру и расположен внутри процессора, а второй — на материнской плате.
Память для хранения информации: жесткий диск, твердотельные накопители
Жесткий диск (накопитель на жестких магнитных дисках (HDD), «винчестер») — устройство для хранения информации, в котором используется принцип магнитной записи. Внутри этого носителя запись данных осуществляется на жесткие пластины, изготовленные из легкого металлического сплава или стекла и покрытые слоем специального магнитного материала (чаще всего — двуокисью хрома). В зависимости от конструкции, в устройстве могут использоваться одна или несколько таких пластин, которые быстро вращаются на одной оси.
Устройство жесткого диска: 1 — постоянный магнит; 2 — соленоидный привод головок; 3 — головка чтения / записи информации; 4 — шпиндель двигателя, вращающего дисковые пластины; 5 — корпус, обеспечивающий герметизацию; 6 — пакет магнитных дисковых пластин 7 — кабель подключения головок к управляющей плате
За счет вращения создается своеобразный подпор воздуха, благодаря которому считывающие головки не касаются поверхности пластин, хотя и находятся очень близко к ним (всего несколько микрометров). Это гарантирует надежность записи / считывания данных. При остановке пластин, головки перемещаются за пределы их поверхности, поэтому механический контакт между головками и пластинами практически исключен. Такая конструкция обеспечивает долговечность запоминающих устройств этого типа.
Основные характеристики жестких дисков:
Емкость — показатель, определяющий количество данных, которые в нем можно хранить. Сегодня существуют жесткие диски емкостью более 4000 ГБ. Нужно учитывать, что при маркировке емкости запоминающих устройств, производители используют величины, кратные не 1024 (как обычно принято), а 1000 есть винчестер, емкость которого согласно маркировки равна 500 ГБ, на самом деле сможет хранить не более 465 ГБ информации.
Интерфейс — совокупность линий связи, которыми запоминающее устройство подключается к материнской плате компьютера. Каждый тип интерфейса имеет свои особенности и скорость передачи данных. Наиболее распространенным на данный момент является интерфейс SATA. Более старый PATA также встречается, но редко.
Параметры жестких дисков
Классический жесткий диск имеет форм-фактор 3,5 дюйма. В ноутбуках, нетбуках и других портативных устройствах чаще всего используются устройства 2,5 или 1,8 дюйма, хотя встречаются и другие варианты.
Время произвольного доступа — это средний промежуток времени, за который устройство осуществляет позиционирования головки на нужный участок магнитной пластины. Этот параметр в современных устройств варьирует в пределах 2,5 — 16 мс (чем меньше, тем лучше).
Скорость вращения шпинделя — количество оборотов магнитных пластин жесткого диска за 1 минуту. От этого показателя напрямую зависит производительность устройства (чем выше, тем лучше), а также его энергопотребление, степень вибрации и шума (чем меньше, тем лучше). Здесь важен баланс: для стационарных компьютеров лучше выбрать более быстрый носитель, для портативного — более экономичный и тихий. Скорость вращения шпинделя современных жестких дисков может варьировать от 4200 до 15000 оборотов в минуту.
Объем буфера специальной внутренней быстрой памяти диска, предназначенная для временного хранения данных с целью сглаживания перебоев при считывании и записи информации на носитель и ее передачи по интерфейсу. В современных запоминающих устройствах буфер может достигать размеров до 64 МБ. Чем этот показатель больше, тем лучше.
В последнее время начался выпуск жестких дисков со встроенной флэш-памятью в качестве кэша, что значительно улучшает скоростные показатели дисков.
Для увеличения общего объема информации, записывается на магнитный носитель, был разработан новый тип записи — перпендикулярен — когда магнитные моменты ориентируются перпендикулярно подложке, за счет чего их плотность увеличивается, вместо продольного.
Запись магнитной информации продольного (а) и перпендикулярного (б) типа
Накопители SSD
Твердотельный накопитель (SSD — Solid State Drive) — энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство без движущихся механических частей на основе микросхем памяти разработанных на базе полупроводниковой технологии.
Существует всего 2 типа SSD накопителей: SSD диски на основе флэш-памяти (самые популярные и распространенные), и SSD на основе оперативной памяти.
Основополагающим принципом организации работы флеш-памяти является хранение ею 1 бита данных в массиве транзисторов с плавающим затвором (элементарными ячейками), путем изменения и регистрации электрического заряда в изолированной области полупроводниковой структуры. Главной особенностью полевого транзистора, которая позволила ему получить всеобщее признание, как носителя информации, стала способность удерживать электрический разряд на плавающем затворе до 120 месяцев. Сам плавающий затвор изготовлен из поликристаллического кремния и со всех сторон окружен слоем диэлектрика, что исключает возможность контакта его с элементами транзистора. Располагается он между диэлектрической подкладкой и управляющим затвором. Управляющий электрод полевого транзистора и называется затвором.
Запись и стирание информации происходит за счет изменения приложенного заряда между затвором и истоком большим потенциалом, пока напряженность электрического поля в диэлектрике между каналом транзистора и изолированной областью не станет достаточной для возникновения туннельного эффекта. Таким образом электроны переходят через слой диэлектрика на плавающий затвор, обеспечивая его зарядом, а, значит, и наполнение элементарной ячейки битом информации. Также, для усиления эффекта туннелирования электронов при записи, применяется слабое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.
Для удаления информации управляющий затвор обеспечивается отрицательным напряжением высокой мощности с тем, чтобы позволить электронам переходить с плавающего затвора на исток. Подобная организация элементарных ячеек, объединенных в страницы, блоки и массивы и составляет твердотельный накопитель.
Преимущества SSD накопителей:
Недостатки SSD накопителей:
RAID массивы
RAID массив (Redundant Array of Inexpensive / Independent Disks — избыточный массив независимых жёстких дисков) — это матрица недорогих независимых устройств (жестких дисков с интерфейсом АТА или SATA) с избыточностью информации, на которую возлагается задача обеспечения отказоустойчивости и повышения производительности обработки данных, управляется контроллером и связана скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое.
Организация RAID — массивов. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени безотказности (надежности) и быстродействия.
RAID имеет две цели:
Наиболее популярными видами RAID является RAID 0, 1 и 0 + 1.
Отказоустойчивость массива достигается за счет избыточности информации, хранящейся на жестких дисках, то есть часть емкости дискового пространства (памяти) отводится для служебных целей, становясь недоступной для пользователя. Избыточная информация может либо размещаться на специально выделенном диске, или распределяться между всеми дисками массива. Способов формирования избыточной информации достаточно много. Самый простой из них — полное дублирование (или отражение) — имеет 100-процентную избыточность. Для снижения избыточности (увеличение объема полезного дискового пространства) используются различные математические методы типа вычисления четности или применения кодов с коррекцией ошибок.
RAID 0 — представляет собой дисковый массив с 2 или более дисков, в котором информация разбита на блоки А n и последовательно записана на жесткие диски без защиты от отказов. В этом случае данные разбиваются на блоки (stripe), параллельно записываются на разные диски (например, при использовании двух винчестеров одновременно), совместно участвуют в каждой операции ввода / вывода информации.
Преимущества такого подхода — обеспечение высокой производительности для приложений, требующих большого объема ввода / вывода данных, простота реализации и низкая стоимость единицы объема. Основной недостаток — выход из строя одного любого диска влечет за собой потерю всех данных массива.
RAID 1 — это массив дисков с 100-процентной избыточностью, обладает очень высоким уровнем надежности хранения данных за счет их дублирования ( «отражение»). «Отражение» (Mirror) — традиционный способ повышения надежности дискового массива небольшого объема. В простейшем варианте используется два диска, на которые записывается одна и та же информация. В случае отказа одного из дисков остается дубликат, который продолжает работать в прежнем режиме.
Схема записи информации в массиве RAID 1 (отражение)
RAID 2 — массив с использованием помехоустойчивого кода Хемминга.
RAID 3 и 4 используют массив дисков с чередованием и выделенным диском четности.
RAID 5. В данном случае все данные разбиваются на блоки и для каждого набора рассчитывается контрольная сумма, которая хранится на одном из дисков — циклически записывается на все диски массива (попеременно на каждый), и используется для восстановления данных. Устойчивый к потере не более чем одного диска.
Схема массива RAID 5
RAID 6. Все различия сводятся к тому, что используются две схемы четности. Система устойчива к отказам двух дисков. Основной сложностью является то, что для реализации этого приходится делать больше операций при выполнении записи. Из-за этого скорость записи чрезвычайно низкой.
RAID 10 — RAID 0, построенный из RAID 1 массивов.
RAID 50 — RAID 0, построенный из RAID 5.
RAID 60 — RAID 0, построенный из RAID 6.
Комбинированные массивы. При большем количестве дисков вместо RAID 1 можно использовать массивы RAID 0 + 1, RAID 1 + 0 или RAID 10, это комбинации RAID 0 и RAID 1, которые позволяют достичь лучших показателей быстродействия и надежности системы. Первая цифра означает уровень составляющих массивов, а вторая цифра — какую организацию имеет верхний уровень, объединяющий элементы (массивы).
Комбинация RAID 0 + 1, которая является массивом RAID 1, собранным на базе массивов RAID 0. Как и в массиве RAID 1, доступным будет только половина объема дисков. Но, как и в RAID 0, скорость будет выше, чем с одним диском. Для реализации такого решения необходимо минимум 4 диска.
Схематическое изображение массива RAID 0 + 1 (а) и RAID1 + 0 (б)
RAID 0 + 1 имеет высокую скорость работы и повышенную надежность, поддерживается даже дешевыми RAID контроллерами и является недорогим решением.
RAID 1 + 0 (RAID10). Этот уровень не требует каких-либо математических вычислений контрольных сумм на любой стадии его построения или работы. По этой причине не обладает существенная деградация производительности, оказывается в RAID 5 при отказе одного из дисков. В RAID10 можно объединить только четное количество дисков N = 2 ∙ M (минимум — 4, максимум — 16). Массив из 10 дисков (5 по 2) может остаться работоспособным при отказе до 5 жестких дисков.
Выводы
Компьютерная память — это сложная система аппаратного обеспечения, которая в зависимости от своих функций позволяет получать, хранить, манипулировать и выводить данные. Объем оперативной памяти и ее частотность отвечает за производительность, быстродействие и количество запущенных программ, а соответственно и комфортную работу пользователя. В случае интегрированного графического адаптера часть оперативной памяти может выделяться для графических нужд. При включенном ПК оперативная память играет функцию временного хранения данных, используемых процессором, поскольку после отключения электропитания вся информация теряется. Производительность ПК зависит от слаженной работы между оперативной памятью материнской платой и процессором.
Для сохранения информации на длительный срок используются жесткие диски (внутренние, внешние) или относительно новый тип памяти — твердотельные накопители. У каждого типа носителей есть свои преимущества и недостатки: важным критерием остается стоимость, надежность хранения информации и объем.
Для обеспечения потребностей пользователя в скорости записи / считывания и сохранении информации используются RAID массивы — объединение нескольких жестких дисков, контролируется специальным RAID-контроллером. В зависимости от типа подключения на одни — будет записываться новая информация, а остальные будут их копиями (за счет чего создается избыточность).
У любого массива RAID, который остается работоспособным при сбое одного диска, существует такое понятие, как время восстановления (rebuild time) — это время, за которое контроллер должен организовать функционирование нового диска в массиве.