Revista >> Aprilie 2024 [Nr. 263] >> Tehnologie

Memoriile drive pentru calculatoare

Mircea Badut

17 Aprilie 2024

Memoriile de tip disk-drive, ca memorii externe pentru calculatoare, au parcurs o evoluție interesantă: hard-disk-urile au apărut pe piață în urmă cu 65 de ani și au stăpânit-o pentru multe decenii, însă în ultimii ani ele au fost nevoite să cedeze tot mai mult în fața memoriilor solid-state drive, acestea tinzând să devină opțiunea favorită pentru echiparea PC-urilor, fie ele desktop sau notebook.

Tehnologia hard-disk-urilor magnetice își are originile înainte de era PC-urilor, fiind prezentă în sistemele de calcul mainframe începând cu anii 1950, și îi putem înțelege apariția astfel: a fost o perioadă în evoluția calculatoarelor când creșterea în volum a sistemului de operare (ca număr de fișiere și mărime a acestora) nu se mai potrivea cu dispozitivele de stocare existente (cartele, bandă magnetică, memorii cu inele de ferită); trebuia deci găsit un mediu de stocare mai capabil și mai rapid.
Concepția de principiu a Hard-Disk-Drive-ului presupune un disc (sau mai multe) având pe suprafață un strat magnetizabil (apt să se magnetizeze punctual și să își păstreze starea) și respectiv un cap (un set de capete) cu abilități magnetice, cap care se poate poziționa pe orice locație a suprafeței discului pentru a înscrie și pentru a citi date digitale (date constituind software-ul de sistem și software-ul de aplicații necesare funcționării și utilizării calculatorului). Este deci un dispozitiv ce combină mecanica și electronica, iar dacă în privința electronicii înțelegem abstract că este vorba de circuite care procesează datele și controlează transferarea lor, despre principiul părții mecanice înțelegem că este o combinare a mișcărilor circulară (a discului) și cvasi-radială (a capetelor), deci cumva asemănător gramofonului/pickup-ului în cazul muzicii, principiu ce avea să fie folosit ulterior și la conceperea dischetelor (floppy-disk) și a discurilor optice (CD, DVD, BD).
Și închidem paragraful introductiv amintindu-ne că cerința esențială pentru memoriile externe ale calculatorului este menținerea informațiilor și după întreruperea alimentării cu energie electrică.

HDD – caracteristici și evoluție
Deși hard-disk-ul a apărut în etapa de maturizare a calculatoarelor mainframe, corpusul evoluției sale se situează în era PC, așa cum s-a întâmplat în cazul multor componente de calculator.
Principalul parametru care a marcat (și a motivat) evoluția HDD-ului a fost capacitatea de stocare, având ca ordin de mărime multipli (de 10 la puterea a treia) ai grupului de opt-biți: megabyte, gigabyte, terrabyte. Primele calculatoare personale cu hard-disk aveau capacitatea memoriei externe de 5 MB, însă de atunci parametrul acesta avea să crească continuu, odată cu evoluția întregului domeniu IT. Pentru deceniul "de aur" (1990) s-a estimat o producție globală de 175 milioane de hard-disk-uri. Și dacă tot vorbim despre piață, trebuie să notăm și faptul că – pe măsură ce trebuiau create dispozitive tot mai performante și deci mai pretențioase tehnologic – mulțimea de producători (75 în anul 1985) s-a diminuat tot mai mult (15 în 1999, 6 în 2009, 3 în 2013). Printre principalii fabricanți notăm: IBM, Western Digital, Seagate, Toshiba.
Însă nu doar capacitatea de stocare a constituit criteriu și argument de cucerire a pieței comerciale. Următorul parametru semnificativ a fost viteza de lucru, definită atât ca (1) timp de acces pentru citirea și respectiv pentru scrierea datelor, cât și ca (2) rată de transfer (mărimea grupului de date digitale care pot fi transferate într-o secundă), cu valori tipice de 5-10 ms și respectiv de 100-2000 MB/s. În legătură directă cu viteza de operare notăm și turația discurilor din alcătuirea HDD, cu valori precum 5400, 7200, 10000 sau 15000 de rotații pe secundă.
Pe traseul evoluției hard-disk-urilor a apărut (ca și la microprocesoare, după cum spuneam într-un articol anterior) și memoria cache: o memorie intermediară/tampon, interpusă între HDD și magistrala de date a calculatorului pentru creșterea vitezei de lucru (o memorie având capacități de genul 128-512 MB). Și apropo de magistrală, notăm interfețele de conectare a hard-disk-urilor: IDE, E-IDE, SCSI, SATA (și dintre acestea merită subliniat rolul interfeței SCSI la evoluția calculatoarelor server).
Încheiem secțiunea notând un aspect esențial: fiabilitatea. Pe de o parte, de cele mai multe ori memoria externă stochează informații foarte importante pentru oameni (deci pierderea lor este de evitat). Pe de altă parte, hard-disk-ul este un ansamblu electro-mecanic: componentele electronice se degradează în decursul deceniilor, iar partea mecanică este supusă uzurii fizice și este foarte sensibilă la șocuri. Iar parametrul standard care ne dă un indiciu în acest sens se numește MTBF (Mean Time Between Failures), iar aici valoarea tipică este de 300000 ore (adică ~30 de ani de exploatare continuă, ceea ce se atinge doar „teoretic“). Și notăm, combinând aspectul fiabilitate cu cel de performanță, faptul că au apărut linii de hard-disk-uri specializate pe diferite regimuri de operare (scrieri rare și citiri frecvente; scrieri frecvente; transferuri frecvente de fișiere mari sau mici) profilate pe diverse aplicări (sisteme de operare; servere; monitorizare video; etc).

SSD – reforma necesară
În conjunctura tehnico-economică de la sfârșit și început de mileniu, cred că au fost trei factori care au determinat emergența memoriilor de tip solid-state drive pentru PC: (1) densitatea de organizare a celulelor de memorare magnetică pe suprafața discului din HDD își cam atinsese limitele fizice; (2) pe piața mondială stick-urile de memorie USB și cardurile de memorie pentru dispozitive mobile (Secure Digital, Compact Flash, Memory Stick) evoluaseră destul de mult, atât în termeni de performanță cât și din perspectiva fabricabilității; (3) consacrarea memoriei electronice de tip flash în smartphone-uri și tablete (adică în acum-ubicuul micro-micro-calculator personal cu sistem de operare și cu software de aplicații). Putem deci spune că a venit destul de firesc de la producătorii de dispozitive IT propunerea de a înlocui hard-disk-ul clasic cu o memorie solid-state (mai ales că în bună măsură s-a convenit ca SSD-ul să folosească conectica SATA dezvoltată de multicel pentru HDD, deci nemaiforțând producătorii de plăci de bază să creeze alte interfețe). Singurul aspect care a stânjenit atunci adopția masivă a noilor drive-uri de memorie externă a fost capacitatea de stocare mică (32-128 GB) comparativ cu cea a hard-disk-urilor (~1-2 TB).
Recapitulăm: noile dispozitive de memorie externă pentru PC-uri desktop și notebook sunt mai mici decât hard-disk-ul (format 2,5 inci versus 3,5 inci) și mult mai rapide (de cel puțin zece ori). Sunt mai puțin sensibile la șocuri mecanice și la solicitări termice, iar astăzi au ajuns la capacități măricele (15 TB). Desigur, producătorii de SSD s-au selectat dintre producătorii de HDD și dintre cei de memorii flash/USB: Toshiba, SanDisk, Intel, Kingston, Samsung, Seagate, Lexar, Micron, etc.

Mai facem o detaliere tehnică: memoria flash este o memorie electronică aptă să stocheze permanent date digitale (este adică o memorie non-volatilă), iar fiecare celulă de memorare este de fapt un dispozitiv semiconductor (un tranzitor de tip MOSFET cu poarta comandată în logică NOR sau NAND). Iar conectarea la placa de bază se face fie prin interfaţa clasică, SATA, fie prin interfețele M.2, NVMe sau chiar PCI Express.
Parametrii tipici actuali: capacitate 240 GB - 10 TB; timp de acces 0,1 - 10 ms; rată de transfer 500 - 5000 MB/s.
În privința fiabilității, la SSD-uri încă nu s-au decantat statistic observații pertinente, deși există evaluări privind numărul de cicluri de citire/scriere suportat de memoriile flash, deocamdată inferior celui de la hard-disk-uri. Dar probabil că în viitor, prin dezvoltarea ori prin diversificarea tehnologiei, și aspectul acesta se va ameliora, lalolată cu creșterea firească a celorlalți parametrii.
Spre final, ne amintim că de ceva timp există pe piață și memorii externe portabile (HDD sau SDD) pe care le conectăm la calculatorul PC prin portul USB, și pe care le folosim pentru arhivarea fișierelor (păstrarea unor copii de siguranță pentru o mulțime de documente și informații) sau pentru portarea lor dintr-o locație în alta. Poate ar fi de menționat aici și materializările de tip NAS – Network Attached Storage – care sunt de fapt mici calculatoare de tip server, însă nedotate cu propria consolă (tastatură, mouse, ecran) și având sistemul de operare de tip firmware (deci nu ca software rezidând pe disc), și în care sarcina esențială de stocare revine unor HDD/SDD-uri care sunt eventual conectate într-o matrice redundantă.