存储设备原理
本讲内容：
- 存储系统原理
- 持久数据的存储：磁、光、电
存储系统原理
为什么会有内存和外存？
状态机(M,R)
- Memory 内存
- Registers 寄存器 (原则上可以不需要)
存储 “当前状态” 的需求
- 可以寻址：根据编号读写数据
- 访问速度尽可能快
- 越快就意味着越难 persist
- 允许状态在掉电后丢失
“当前状态” 的存储方案
Delay line: 绳子
- 因为信号衰减，需要持续放大
Magnetic core: 磁铁
- “Segmentation fault (core dumped)”
- 什么是 core dump？
- 一种 non-volatile memory
SRAM/DRAM: Flip-Flop 和电容
- 今天的实现方案
开始持久化之旅
除了 “当前状态”，我们希望更大、更多的数据能 “留下来” (并且被操作系统有效地管理起来)
持久存储介质
- 构成一切文件的基础
- 逻辑上是一个
bit/byte array - 根据局部性原理，允许我们按 “大块” 读写
- 评价方法：价格、容量、速度、可靠性
- 再次见证人类文明的高光时刻！
持久化存储：磁
磁带 (Magnetic Tape, 1928)
1D 存储设备
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把 Bits “卷起来”
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纸带上均匀粘上铁磁性颗粒
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只需要一个机械部件 (转动) 定位
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读取：放大感应电流
- 写入：电磁铁磁化磁针
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磁带：作为存储设备的分析
分析：应用场景：冷数据的存档和备份
- 价格：非常低 - 都是廉价的材料
- 容量：非常高
- 读写速度
- 顺序读取：勉强 - 需要等待定位
- 随机读取：几乎完全不行
- 可靠性：存在机械部件、需要保存的环境苛刻
磁鼓 (Magnetic Drum, 1932)
1D → 1.5D (1D x n)
- 用旋转的二维平面存储数据
- 无法内卷，容量变小
- 读写延迟不会超过旋转周期
- 随机读写速度大幅提升
磁盘 (Hard Disk, 1956)
1D → 2.5D (2D x n)
- 在二维平面上放置许多磁带 (内卷)
克服许多工程挑战
磁盘：作为存储设备的分析
分析：应用场景：计算机系统的主力数据存储 (~~海量数据：便宜才是王道~~)
- 价格：低 - 密度越高，成本越低
- 容量：高 (2.5D) - 平面上可以有数万个磁道
- 读写速度
- 顺序读取：较高
- 随机读取：勉强
- 可靠性：存在机械部件，磁头划伤盘片导致数据损坏
磁盘：性能调优
为了读/写一个扇区：存取时间 = 寻道时间 + 延迟时间 + 传输时间
- 读写头需要到对应的磁道
- 读写头移动时间通常也需要几个 ms
- 转轴将盘片旋转到读写头的位置
- 7200rpm → 120rps → 1/120 / 2 = 4.17 ms
通过缓存/调度等缓解
- 例如著名的 “电梯” 调度算法
- 现代 HDD 都有很好的 firmware 管理磁盘 I/O 调度
/sys/block/[dev]/queue[mq-deadline] none(读优先；但写也不至于饿死)
软盘 (Floppy Disk, 1971)
把读写头和盘片分开——实现数据移动
- 计算机上的软盘驱动器 (drive) + 可移动的盘片
- 8" (1971), 5.25" (1975), 3.5" (1981)
- 最初的软盘成本很低，就是个纸壳子
- 3.5 英寸软盘为了提高可靠性，已经是 “硬” 的了
软盘：作为存储设备的分析
分析：躺在博物馆供人参观，彻底被 USB Flash Disk 杀死
- 价格：低 - 塑料、盘片和一些小材料
- 容量：低 (暴露的存储介质，密度受限)
- 读写速度}：顺序/随机读取：低
- 可靠性：低 (暴露的存储介质)
持久化存储：坑
天然容易 “阅读” 的数据存储：如同沙滩的SOS、纸带上的孔；
Compact Disk (CD, 1980)
在反射平面 (1) 上挖上粗糙的坑 (0)
- 激光扫过表面，就能读出坑的信息来
- 飞利浦 (碟片) 和索尼 (数字音频) 发明
- ~700 MiB，在当时是非常巨大的容量
CD-RW
能否克服只读的限制？
-
方法 1
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用激光器烧出一个坑来 (“刻盘”)
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使用持久化数据结构 (append-only)
- 方法 2：改变材料的反光特性
- PCM (Phase-change Material)
- How do rewriteable CDs work?
挖坑的技术进展
在实用方面逐渐被网络淘汰
CD (740 MB)：780nm 红外激光
DVD (4.7 GB)：635nm 红色激光
Blue Ray (100 GB)：405nm 蓝紫色激光
光盘：作为存储设备的分析
分析：应用场景：作为数字收藏
- 价格：很低 (而且很容易通过 “压盘” 复制)
- 容量：高
- 读写速度：
- 顺序读取速度高；随机读取勉强
- 写入速度低 (挖坑容易填坑难)
- 可靠性：高
“挖坑”：不止是数据存储
？挖坑的方式造芯片？
持久化存储：电
Solid State Drive (1991)
之前的持久存储介质都有致命的缺陷
- 磁：机械部件导致 ms 级延迟
- 坑 (光): 一旦挖坑，填坑很困难 (CD 是只读的)
密度和速度：最后还得靠电 (电路) 解决问题
- Flash Memory “闪存”
- Floating gate 的充电/放电实现 1-bit 信息的存储
Flash Memory: 几乎全是优点
分析
- 价格：低 (大规模集成电路，便宜)
- 容量：高 (3D 空间里每个 (𝑥,𝑦,𝑧) 都是一个 bit)
- 读写速度：高(直接通过电路读写)
- 不讲道理的特性：容量越大，速度越快 (电路级并行)
- 快到淘汰了旧的 SATA 接口标准 (NVMe)
- 可靠性：高 (没有机械部件，随便摔)
但有一个意想不到的缺点 (大家知道是什么吗？下章)
USB Flash Disk (1999)
优盘容量大、速度快、相当便宜
- 很快就取代了软盘，成为了人手 n 个的存储介质
- Compact Flash (CF, 1994)
- USB Flash Disk (1999, “朗科”)
放电 (erase) 做不到 100% 放干净
- 放电数千/数万次以后，就好像是 “充电” 状态了
- Dead cell; “wear out”
- 必须解决这个问题 SSD 才能实用
优盘和 SSD 的区别
优盘, SD 卡, SSD 都是 NAND(Not AND) Flash。
但软件/硬件系统的复杂程度不同，效率/寿命也不同
- 典型的 SSD
- CPU, on-chip RAM, 缓存, store buffer, 操作系统 ...
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寿命: ~1 PiB 数据写入 (~1,000 年寿命)
-
SD 卡：一定不要用便宜的优盘保存重要数据
- SDHC 标准未规定
- 黑心商家一定会偷工减料
- 但良心厂家依然有 ARM 芯片
SSD 的细节
软件定义磁盘：每一个 SSD 里都藏了一个完整的计算机系统
- FTL: Flash Translation Layer
- “Wear Leveling”: 软件管理那些可能出问题的 blocks
- 像是 managed runtime (with garbage collection)
Wear Leveling：Logical block address (LBA) → Physical block address (PBA)
- SSD 的 Page/Block 两层结构
- Page (读取的最小单位, e.g., 4KB)
- Block (写入的最小单位, e.g., 4MB)
- Read/write amplification (读/写不必要多的内容)
- Copy on write
- Coding for SSDs
FTL 带来的性能、可靠性、安全性问题
理解了 FTL 之后
- 即便格式化后写入数据 (不写满)
- 同一个 logic block 被覆盖，physical block 依然存储了数据 (copy-on-write)
- 需要文件系统加密
另一个 memory system 相关的安全问题
- Row Hammer(TCAD'19)
- 更重的负载可能会 “干扰” 临近的 DRAM Cells
硬件里的软件：其实非常复杂：算法, cache; store buffer; ...
- 造疯狂的 workloads，把它弄挂吧！
- Understanding the robustness of SSDs under power fault (FAST'13)
阅读材料
如果更快的 non-volatile memory 到来，我们的计算机系统是否会发生翻天覆地的变化？
欢迎到大家阅读课堂中的一些 blogs，以及自己收集一些有趣的资料，例如 How do rewriteable CDs work? 和 Coding for SSDs。
1. 阅读材料
教科书 Operating Systems: Three Easy Pieces:
- 第 37 章 - Hard Disk Drives
- 第 44 章 - Flash-based SSDs