Dator- och nätverksteknik · område 3 · lektion 11 och 12

Lagringen, del för del

RAM-minnet glömmer allt när strömmen bryts. Hårddisken och SSD:n gör inte det — men av två helt olika skäl. Den här sidan förklarar båda, och varför den ena är snabb på just det den andra är långsam på.

1. Hårddisken

En mekanisk hårddisk — HDD, hard disk drive — lagrar data som magnetisering på roterande skivor. Ett rörligt läshuvud svävar strax ovanför ytan och läser av riktningen på magnetiseringen.

Magnetiseringen ändrar sig inte av sig själv utan ström. Det är därför disken minns sitt innehåll även avstängd — den är icke-flyktig. Jämför med RAM-minnet, där laddningen läcker ur sig så fort ingen laddar om den.

Skivans yta delas in i spår, koncentriska cirklar som ringarna på en trädstam, och sektorer, tårtbitar som delar in varje spår i mindre stycken.

För att hämta en bit data måste två saker hända, i tur och ordning:

Båda är mekanik, och mekanik är långsam. Det ger hårddisken en egenhet som är hela poängen med den:

• En enda stor fil ligger i stort sett sammanhängande. Huvudet ställer sig en gång och läser i ett svep — hårddisken är snabb.
• Tusen små filer ligger utspridda. Varje fil kostar en ny sökning och en ny rotationsfördröjning — hårddisken är långsam, och det är sökningarna som tar tiden, inte datamängden.

2. SSD:n

En SSD — solid state drive — har inga rörliga delar alls. Ingen arm, ingen skiva, ingen sökning, ingen rotationsfördröjning. Vilken plats som helst nås på ungefär samma tid.

Data lagras i NAND-flashceller. Varje cell har en flytande grind (floating gate) — en liten ledande ö som är helt omsluten av isolerande material. När cellen programmeras tvingas elektroner genom den mycket tunna tunneloxiden och blir instängda på ön.

Där stannar de, utan ström. Isolatorn släpper inte ut dem. Det är därför SSD:n också är icke-flyktig — av ett helt annat skäl än hårddisken, men med samma resultat.

Flash har däremot en egenhet som mekanik saknar:

Cellerna grupperas i sidor, sidorna i block. En tom sida kan skrivas direkt. En sida som redan innehåller något kan inte skrivas över — för att återanvända den måste hela blocket raderas, och blocket innehåller många andra sidor som kanske fortfarande används.

Lösningen: den gamla sidan märks som inaktuell, den nya versionen skrivs någon annanstans, och senare kommer skräpinsamlingen och städar — flyttar undan det som fortfarande gäller och raderar blocket i sin helhet.

Varje block räknar sina P/E-cykler, programmerings- och raderingscykler. Räknaren har ett tak. Flash slits, till skillnad från magnetisering.

3. Bussens tak mot verkligheten

SATA III, bussen som namngavs i område 2, klarar 6 Gbit/s — ungefär 600 MB/s. Det är ett tak för bussen, inte ett löfte om enheten.

Det är därför de snabbaste SSD-varianterna inte sitter på SATA alls, utan kopplas till PCIe — samma buss som annars går till grafikkortet.

4. Optisk lagring

Optisk lagring läser och skriver med en laser mot en roterande skiva. De två vanligaste exemplen är cd och dvd; blu-ray är ett tredje.

Optiska medier är långsammare än både hårddisk och SSD, och tas upp här som jämförelsepunkt snarare än som något du kommer att arbeta med.

5. Två missuppfattningar

Båda dyker upp i labbrapporter varje år.

Bussens toppfart är inte enhetens hastighet

SATA III klarar cirka 600 MB/s. Ingen enhet blir snabbare av att sitta i porten. Får du en siffra runt 50–60 MB/s på ett USB-minne: kontrollera porten innan du skyller på minnet. Det är felsökning, och det hör hemma i rapportens felsökningsavsnitt.

En SSD saknar rörliga delar, men inte begränsningar

Ingen mekanik betyder ingen sökning och ingen rotationsfördröjning. Men en använd sida kan fortfarande inte skrivas över utan att blocket raderas, cellerna slits, och skräpinsamlingen kostar arbete i bakgrunden.

6. Noderna att öva i

7. Ordlista