Hardware počítače II.

Paměťová úložiště počítačů

Paměťová úložiště jsou základní součástí každého počítače, serveru, mobilního telefonu i vestavěného zařízení.

Slouží k:

  • ukládání dat

  • uchovávání programů

  • práci operačního systému

  • rychlému přístupu procesoru k informacím

Bez paměťových zařízení by počítač nedokázal vykonávat žádné operace.

Rozdělení pamětí

Paměti lze rozdělit podle několika kritérií.

Podle volatility

TypVlastnost

Volatilní

Po vypnutí napájení ztratí data

Nevolatilní

Data zůstávají zachována i po vypnutí zařízení

Podle rychlosti

PaměťTypická rychlost

Registry CPU

Extrémně rychlé

Cache

Velmi rychlé

RAM

Rychlá

SSD

Středně rychlé

HDD

Pomalejší

Optická média

Velmi pomalá

RAM – Operační paměť

RAM (Random Access Memory) je hlavní pracovní paměť počítače.

Charakteristika:

  • volatilní paměť

  • velmi rychlý přístup

  • ukládají se zde běžící programy a data

  • po vypnutí napájení se obsah smaže

Jak RAM funguje

Procesor načítá instrukce a data z RAM.

Čím rychlejší RAM:

  • tím menší čekání CPU

  • vyšší výkon systému

  • lepší multitasking

Typy RAM

DRAM

Dynamic RAM:

  • nejběžnější typ

  • levná výroba

  • musí se neustále obnovovat (refresh)

SRAM

Static RAM:

  • rychlejší než DRAM

  • dražší

  • používá se hlavně pro cache paměť

Generace DDR pamětí

TypRokNapětíPoznámka

DDR

2000

2.5 V

První generace

DDR2

2003

1.8 V

Vyšší frekvence

DDR3

2007

1.5 V

Nižší spotřeba

DDR4

2014

1.2 V

Dnes velmi rozšířená

DDR5

2020

1.1 V

Vyšší propustnost

Parametry RAM

Důležité parametry:

  • kapacita (8 GB, 16 GB, 32 GB…)

  • frekvence (MHz)

  • latence (CL)

  • propustnost

ECC paměti

ECC = Error Correcting Code

Použití:

  • servery

  • databázové systémy

  • kritická infrastruktura

Výhody:

  • detekce a oprava chyb

  • vyšší stabilita

Nevýhoda:

  • vyšší cena

Cache paměť

Cache je velmi rychlá paměť mezi CPU a RAM.

Účel:

  • snížení čekání procesoru

  • uchovávání často používaných dat

Úrovně cache

ÚroveňCharakteristika

L1

Nejrychlejší, nejmenší

L2

Větší, mírně pomalejší

L3

Sdílená mezi jádry CPU

ROM paměť

ROM = Read Only Memory

Použití:

  • firmware

  • BIOS/UEFI

  • embedded zařízení

Typy ROM

  • PROM

  • EPROM

  • EEPROM

  • Flash paměť

Flash paměť

Flash je nevolatilní paměť používaná v:

  • SSD discích

  • USB flash discích

  • SD kartách

  • mobilních telefonech

NAND vs NOR Flash

TypVýhodaPoužití

NOR

Rychlé čtení instrukcí

Firmware

NAND

Vyšší hustota a nižší cena

SSD, flash disky

SSD – Solid State Drive

SSD je moderní úložiště bez mechanických částí.

Výhody:

  • vysoká rychlost

  • tichý provoz

  • nízká spotřeba

  • odolnost vůči otřesům

Nevýhody:

  • vyšší cena za GB

  • omezený počet přepisů

Jak SSD funguje

Data jsou ukládána do NAND flash buněk.

SSD používá:

  • řadič (controller)

  • cache

  • NAND čipy

Typy NAND buněk

TypBitů v buňceVlastnosti

SLC

1

Velmi rychlé a spolehlivé

MLC

2

Kompromis cena/výkon

TLC

3

Dnes nejběžnější

QLC

4

Velká kapacita, nižší životnost

Rozhraní SSD

15539 m2

SATA SSD

  • využívá SATA rozhraní

  • maximálně cca 550 MB/s

NVMe SSD

  • používá PCIe

  • mnohonásobně vyšší rychlosti (až ~15 GB/s)

  • velmi nízká latence

Formáty SSD

  • 2.5"

  • M.2

  • U.2

  • PCIe karty

SSD disky format

M.2

m2 sata nvme cl 02

Životnost SSD

Důležité pojmy:

  • TBW (Total Bytes Written)

  • Wear leveling

  • Overprovisioning

HDD – Pevné disky

HDD = Hard Disk Drive

Mechanické zařízení využívající:

  • magnetické plotny

  • čtecí/zapisovací hlavy

  • elektromotor

HDD

1 smpUI4VO KlX4nTZZCPLEA 1000x700

Výhody HDD

  • nízká cena za GB

  • vysoké kapacity

Nevýhody HDD

  • nižší rychlost

  • hlučnost

  • citlivost na otřesy

Parametry HDD

ParametrVýznam

RPM

Rychlost otáčení ploten

Cache

Vyrovnávací paměť disku

Přístupová doba

Rychlost nalezení dat

Typické rychlosti HDD

  • 5400 RPM

  • 7200 RPM

  • 10000 RPM

Porovnání HDD vs SSD

VlastnostHDDSSD

Rychlost

Nižší

Vyšší

Cena za GB

Nižší

Vyšší

Hlučnost

Ano

Ne

Odolnost

Nižší

Vyšší

Spotřeba

Vyšší

Nižší

Hybridní disky (SSHD)

Kombinace:

  • HDD kapacity

  • SSD cache

Výhody:

  • lepší výkon než HDD

  • nižší cena než SSD

Optická média

Příklady:

  • CD

  • DVD

  • Blu-ray

Použití dnes:

  • archivace

  • distribuce médií

  • zálohování

USB Flash disky

Výhody:

  • přenositelnost

  • jednoduché použití

  • nízká cena

Nevýhody:

  • omezená životnost

  • nižší spolehlivost u levných modelů

Paměťové karty

Typy:

  • SD

  • microSD

  • CompactFlash

Použití:

  • fotoaparáty

  • telefony

  • embedded zařízení

RAID pole

RAID = Redundant Array of Independent Disks

Použití:

  • zvýšení výkonu

  • redundance dat

  • vyšší dostupnost

raid storage basics

RAID 0

  • striping

  • vysoký výkon

  • žádná redundance

RAID 1

  • mirroring

  • zrcadlení dat

  • vyšší bezpečnost

RAID 5

  • parita

  • kompromis výkon/bezpečnost

RAID 10

  • kombinace RAID 1 a RAID 0

Síťová úložiště

NAS

NAS = Network Attached Storage

Vlastnosti:

  • sdílení souborů po síti

  • centralizované úložiště

  • domácnosti i firmy

synology17 1

SAN

SAN = Storage Area Network

Použití:

  • datová centra

  • virtualizace

  • enterprise infrastruktura

Cloudová úložiště

Příklady:

  • Google Drive

  • OneDrive

  • Dropbox

  • AWS S3

Výhody:

  • dostupnost odkudkoliv

  • snadné sdílení

  • škálovatelnost

Nevýhody:

  • závislost na internetu

  • otázky bezpečnosti a soukromí

Zálohování dat

Pravidlo 3-2-1:

  • 3 kopie dat

  • 2 různá média

  • 1 kopie mimo lokalitu

Typy záloh

  • plná záloha

  • inkrementální záloha

  • diferenciální záloha

Budoucnost pamětí

Trendy:

  • rychlejší NVMe SSD

  • PCIe 5.0 a PCIe 6.0

  • 3D NAND

  • persistent memory

  • MRAM

  • Optane technologie

Shrnutí

Paměťová úložiště jsou zásadní součástí moderní výpočetní techniky.

Každý typ paměti má své:

  • výhody

  • nevýhody

  • specifické použití

Správná kombinace pamětí výrazně ovlivňuje:

  • výkon systému

  • cenu zařízení

  • spolehlivost

  • uživatelský komfort

Otázky

  • Jaký je rozdíl mezi RAM a SSD?

  • Proč je NVMe rychlejší než SATA?

  • Kdy použít HDD místo SSD?

  • Jak funguje RAID?

  • Proč mají SSD omezenou životnost?