Stockage de données informatiques

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Gio de SDRAM monté dans un ordinateur . Un exemple de stockage primaire .
Disque dur (HDD) 15  Gio PATA de 1999. Lorsqu'il est connecté à un ordinateur, il sert de stockage secondaire .
Cartouche de bande SDLT 160 Go , un exemple de stockage hors ligne . Lorsqu'il est utilisé dans une bibliothèque de bandes robotique , il est plutôt classé comme stockage tertiaire .
Une broche de DVD-RW

Le stockage de données informatiques est une technologie constituée de composants informatiques et de supports d'enregistrement qui sont utilisés pour conserver les données numériques . C'est une fonction de base et un composant fondamental des ordinateurs. [1] : 15-16 

L' unité centrale de traitement (CPU) d'un ordinateur est ce qui manipule les données en effectuant des calculs. Dans la pratique, presque tous les ordinateurs utilisent une hiérarchie de stockage , [1] : 468-473  qui met rapidement , mais les options de stockage coûteuses et petites à proximité de l'unité centrale de traitement et plus lent , mais des options moins coûteuses et plus grandes plus loin. En général, les technologies volatiles rapides (qui perdent des données lorsqu'elles sont hors tension) sont appelées « mémoire », tandis que les technologies persistantes plus lentes sont appelées « stockage ».

Même les premiers modèles informatiques, Charles Babbage 's Moteur Analytique et Percy Ludgate machine analytique de, une distinction claire entre le traitement et la mémoire (Babbage numéros enregistrés en rotation des roues dentées, alors que Ludgate numéros enregistrés comme déplacements de barres dans les navettes). Cette distinction a été étendue dans l' architecture Von Neumann , où le CPU se compose de deux parties principales : L' unité de contrôle et l' unité arithmétique et logique (ALU). Le premier contrôle le flux de données entre le processeur et la mémoire, tandis que le second effectue des opérations arithmétiques et logiques sur les données.

Fonctionnalité

Sans une quantité importante de mémoire, un ordinateur serait simplement capable d'effectuer des opérations fixes et d'afficher immédiatement le résultat. Il devrait être reconfiguré pour changer son comportement. Ceci est acceptable pour les appareils tels que les calculatrices de bureau , les processeurs de signaux numériques et d'autres appareils spécialisés. Les machines Von Neumann se distinguent par une mémoire dans laquelle elles stockent leurs instructions d' utilisation et leurs données. [1] : 20  Ces ordinateurs sont plus polyvalents en ce sens qu'ils n'ont pas besoin d'avoir leur matériel reconfiguré pour chaque nouveau programme, mais peuvent simplement être reprogrammésavec de nouvelles instructions en mémoire ; ils ont également tendance à être plus simples à concevoir, en ce sens qu'un processeur relativement simple peut conserver l' état entre les calculs successifs pour construire des résultats procéduraux complexes. La plupart des ordinateurs modernes sont des machines de von Neumann.

Organisation et représentation des données

Un ordinateur numérique moderne représente les données à l'aide du système de numération binaire . Le texte, les nombres, les images, l'audio et presque toute autre forme d'information peuvent être convertis en une chaîne de bits , ou de chiffres binaires, chacun ayant une valeur de 0 ou 1. L'unité de stockage la plus courante est l' octet , égal à 8 bits. Une information peut être gérée par n'importe quel ordinateur ou appareil dont l'espace de stockage est suffisamment grand pour accueillir la représentation binaire de l'information , ou simplement des données . Par exemple, les œuvres complètes de Shakespeare , environ 1250 pages imprimées, peuvent être stockées dans environ cinq mégaoctets (40 millions de bits) avec un octet par caractère.

Les données sont codées en attribuant un motif binaire à chaque caractère , chiffre ou objet multimédia . De nombreuses normes existent pour l'encodage (par exemple les encodages de caractères comme ASCII , les encodages d'images comme JPEG , les encodages vidéo comme MPEG-4 ).

En ajoutant des bits à chaque unité codée, la redondance permet à l'ordinateur à la fois de détecter les erreurs dans les données codées et de les corriger sur la base d'algorithmes mathématiques. Les erreurs se produisent généralement avec de faibles probabilités en raison de l' inversion aléatoire de la valeur du bit, ou "fatigue physique du bit", de la perte du bit physique dans le stockage de sa capacité à maintenir une valeur distinguable (0 ou 1), ou en raison d'erreurs inter ou intra- communication informatique. Un retournement de bit aléatoire (par exemple en raison d'un rayonnement aléatoire) est généralement corrigé lors de la détection. Un bit ou un groupe de bits physiques défectueux (le bit défectueux spécifique n'est pas toujours connu ; la définition du groupe dépend du périphérique de stockage spécifique) est généralement automatiquement isolé, mis hors d'usage par le périphérique et remplacé par un autre groupe équivalent fonctionnel dans l'appareil, où les valeurs de bits corrigées sont restaurées (si possible). La méthode de contrôle de redondance cyclique (CRC) est généralement utilisée dans les communications et le stockage pour la détection d'erreurs . Une erreur détectée est ensuite retentée.

Les méthodes de compression de données permettent dans de nombreux cas (comme une base de données) de représenter une chaîne de bits par une chaîne de bits plus courte ("compresser") et de reconstruire la chaîne d'origine ("décompresser") si nécessaire. Cela utilise beaucoup moins de stockage (des dizaines de pourcents) pour de nombreux types de données au prix de plus de calculs (compresser et décompresser si nécessaire). L'analyse du compromis entre les économies de coûts de stockage et les coûts des calculs associés et les retards possibles dans la disponibilité des données est effectuée avant de décider de conserver ou non certaines données compressées.

Pour des raisons de sécurité , certains types de données (par exemple, les informations de carte de crédit) peuvent être conservés cryptés dans le stockage pour empêcher la possibilité de reconstruction d'informations non autorisées à partir de morceaux d'instantanés de stockage.

Hiérarchie de stockage

Différentes formes de stockage, réparties en fonction de leur distance par rapport à l' unité centrale . Les composants fondamentaux d'un ordinateur à usage général sont l' unité arithmétique et logique , les circuits de commande , l'espace de stockage et les dispositifs d' entrée/sortie . Technologie et capacité comme dans les ordinateurs domestiques courants vers 2005.

Généralement, plus un stockage est bas dans la hiérarchie, plus sa bande passante est faible et plus sa latence d' accès provient du CPU. Cette division traditionnelle du stockage en stockage primaire, secondaire, tertiaire et hors ligne est également guidée par le coût par bit.

Dans l'usage contemporain, la mémoire est généralement une mémoire à accès aléatoire en lecture-écriture à semi - conducteurs , généralement une DRAM (RAM dynamique) ou d'autres formes de stockage rapide mais temporaire. Le stockage se compose de périphériques de stockage et de leurs supports non directement accessibles par le processeur ( stockage secondaire ou tertiaire ), généralement des disques durs , des lecteurs de disques optiques et d'autres périphériques plus lents que la RAM mais non volatils (conservant le contenu lorsqu'il est éteint). [2]

Historiquement, la mémoire est appelée mémoire centrale , la mémoire principale , la mémoire réelle , ou la mémoire interne . Pendant ce temps, les périphériques de stockage non volatiles ont été appelés stockage secondaire , mémoire externe ou stockage auxiliaire/périphérique .

Stockage principal

Stockage primaire (également connu sous le nom de mémoire principale , la mémoire interne ou la mémoire prime ), souvent appelée simplement la mémoire , est le seul directement accessible à la CPU. La CPU lit en permanence les instructions qui y sont stockées et les exécute selon les besoins. Toutes les données exploitées activement y sont également stockées de manière uniforme.

Historiquement, les premiers ordinateurs utilisaient des lignes à retard , des tubes Williams ou des tambours magnétiques rotatifs comme stockage principal. En 1954, ces méthodes peu fiables ont été pour la plupart remplacées par des mémoires à noyau magnétique . La mémoire centrale est restée dominante jusqu'aux années 1970, lorsque les progrès de la technologie des circuits intégrés ont permis à la mémoire à semi-conducteurs de devenir économiquement compétitive.

Cela a conduit à la mémoire vive (RAM) moderne . Il est de petite taille, léger, mais assez cher en même temps. (Les types particuliers de RAM utilisés pour le stockage primaire sont également volatiles , c'est-à-dire qu'ils perdent les informations lorsqu'ils ne sont pas alimentés).

Comme le montre le schéma, il existe traditionnellement deux sous-couches supplémentaires du stockage principal, en plus de la RAM principale de grande capacité :

  • Les registres du processeur sont situés à l'intérieur du processeur. Chaque registre contient généralement un mot de données (souvent 32 ou 64 bits). Les instructions du processeur demandent à l' unité arithmétique et logique d'effectuer divers calculs ou d'autres opérations sur ces données (ou à l'aide de celles-ci). Les registres sont les plus rapides de toutes les formes de stockage de données informatiques.
  • Le cache du processeur est une étape intermédiaire entre les registres ultra-rapides et la mémoire principale beaucoup plus lente. Il a été introduit uniquement pour améliorer les performances des ordinateurs. Les informations les plus utilisées dans la mémoire principale sont simplement dupliquées dans la mémoire cache, qui est plus rapide, mais de capacité bien moindre. D'autre part, la mémoire principale est beaucoup plus lente, mais a une capacité de stockage beaucoup plus grande que les registres du processeur. La configuration du cache hiérarchique à plusieurs niveaux est également couramment utilisée : le cache principal est le plus petit, le plus rapide et situé à l'intérieur du processeur ; le cache secondaire étant un peu plus grand et plus lent.

La mémoire principale est reliée directement ou indirectement à l'unité centrale via un bus mémoire . Il s'agit en fait de deux bus (pas sur le schéma) : un bus d'adresse et un bus de données . La CPU envoie d'abord un nombre via un bus d'adresses, un nombre appelé adresse mémoire , qui indique l'emplacement souhaité des données. Ensuite, il lit ou écrit les données dans les cellules mémoire à l' aide du bus de données. De plus, une unité de gestion de mémoire (MMU) est un petit dispositif entre le CPU et la RAM recalculant l'adresse mémoire réelle, par exemple pour fournir une abstraction de la mémoire virtuelle ou d'autres tâches.

Comme les types de RAM utilisés pour le stockage principal sont volatiles (non initialisés au démarrage), un ordinateur contenant uniquement un tel stockage n'aurait pas de source à partir de laquelle lire les instructions afin de démarrer l'ordinateur. Par conséquent, la mémoire principale non volatile contenant un petit programme de démarrage ( BIOS ) est utilisée pour amorcer l'ordinateur, c'est-à-dire pour lire un programme plus volumineux de la mémoire secondaire non volatile vers la RAM et commencer à l'exécuter. Une technologie non volatile utilisée à cette fin est appelée ROM, pour la mémoire en lecture seule (la terminologie peut être quelque peu déroutante car la plupart des types de ROM sont également capables d' accès aléatoire ).

De nombreux types de « ROM » ne sont pas littéralement en lecture seule , car des mises à jour sont possibles ; cependant, il est lent et la mémoire doit être effacée en grande partie avant de pouvoir être réécrite. Certains systèmes embarqués exécutent des programmes directement à partir de la ROM (ou similaire), car ces programmes sont rarement modifiés. Les ordinateurs standard ne stockent pas de programmes non rudimentaires dans la ROM et utilisent plutôt de grandes capacités de stockage secondaire, qui sont également non volatiles et moins coûteuses.

Récemment, le stockage primaire et le stockage secondaire dans certaines utilisations font référence à ce qui était historiquement appelé, respectivement, stockage secondaire et stockage tertiaire . [3]

Stockage secondaire

Un disque dur avec couvercle de protection retiré

Le stockage secondaire (également appelé mémoire externe ou stockage auxiliaire ) diffère du stockage principal en ce qu'il n'est pas directement accessible par le processeur. L'ordinateur utilise généralement ses canaux d'entrée/sortie pour accéder au stockage secondaire et transférer les données souhaitées vers le stockage principal. Le stockage secondaire est non volatile (conserve les données lorsque son alimentation est coupée). Les systèmes informatiques modernes ont généralement deux ordres de grandeur de plus de stockage secondaire que le stockage primaire car le stockage secondaire est moins cher.

Dans les ordinateurs modernes, les disques durs (HDD) ou les disques SSD (Solid State Drive) sont généralement utilisés comme stockage secondaire. Le temps d'accès par octet pour les disques durs ou SSD est généralement mesuré en millisecondes (un millième de seconde), tandis que le temps d'accès par octet pour le stockage principal est mesuré en nanosecondes (un milliardième de seconde). Ainsi, le stockage secondaire est nettement plus lent que le stockage primaire. Les périphériques de stockage optique rotatifs , tels que les lecteurs de CD et de DVD , ont des temps d'accès encore plus longs. D'autres exemples de technologies de stockage secondaire incluent les lecteurs flash USB , les disquettes ,bande magnétique , bande de papier , cartes perforées et des disques RAM .

Une fois que la tête de lecture/écriture du disque sur les disques durs atteint le bon emplacement et les données, les données suivantes sur la piste sont très rapides d'accès. Pour réduire le temps de recherche et la latence de rotation, les données sont transférées vers et depuis les disques dans de grands blocs contigus. L'accès séquentiel ou par bloc sur les disques est de plusieurs ordres de grandeur plus rapide que l'accès aléatoire, et de nombreux paradigmes sophistiqués ont été développés pour concevoir des algorithmes efficaces basés sur l'accès séquentiel et par bloc. Une autre façon de réduire le goulot d'étranglement des E/S consiste à utiliser plusieurs disques en parallèle afin d'augmenter la bande passante entre la mémoire principale et secondaire. [4]

Le stockage secondaire est souvent formaté selon un format de système de fichiers , qui fournit l'abstraction nécessaire pour organiser les données en fichiers et répertoires , tout en fournissant également des métadonnées décrivant le propriétaire d'un certain fichier, l'heure d'accès, les autorisations d'accès et d'autres informations.

La plupart des systèmes d'exploitation informatiques utilisent le concept de mémoire virtuelle , permettant l'utilisation d'une capacité de stockage principale supérieure à celle physiquement disponible dans le système. Au fur et à mesure que la mémoire principale se remplit, le système déplace les morceaux les moins utilisés ( pages ) vers un fichier d'échange ou un fichier d'échange sur le stockage secondaire, les récupérant plus tard si nécessaire. Si de nombreuses pages sont déplacées vers un stockage secondaire plus lent, les performances du système sont dégradées.

Stockage tertiaire

Une grande bibliothèque de bandes , avec des cartouches de bandes placées sur des étagères à l'avant et un bras robotique se déplaçant à l'arrière. La hauteur visible de la bibliothèque est d'environ 180 cm.

Le stockage tertiaire ou la mémoire tertiaire [5] est un niveau inférieur au stockage secondaire. En règle générale, il s'agit d'un mécanisme robotique qui monte (insère) et démonte des supports de stockage de masse amovibles dans un périphérique de stockage en fonction des exigences du système ; ces données sont souvent copiées sur un stockage secondaire avant utilisation. Il est principalement utilisé pour l'archivage d'informations rarement consultées car il est beaucoup plus lent que le stockage secondaire (par exemple 5 à 60 secondes contre 1 à 10 millisecondes). Ceci est principalement utile pour les magasins de données extraordinairement volumineux, accessibles sans opérateurs humains. Les exemples typiques incluent les bibliothèques de bandes et les juke-box optiques .

Lorsqu'un ordinateur a besoin de lire des informations à partir du stockage tertiaire, il consulte d'abord une base de données de catalogue pour déterminer quelle bande ou quel disque contient les informations. Ensuite, l'ordinateur demandera à un bras robotique de récupérer le support et de le placer dans un lecteur. Lorsque l'ordinateur a fini de lire les informations, le bras robotique remet le support à sa place dans la bibliothèque.

Le stockage tertiaire est également connu sous le nom de stockage nearline car il est « presque en ligne ». La distinction formelle entre le stockage en ligne, proche et hors ligne est : [6]

  • Le stockage en ligne est immédiatement disponible pour les E/S.
  • Le stockage Nearline n'est pas immédiatement disponible, mais peut être mis en ligne rapidement sans intervention humaine.
  • Le stockage hors ligne n'est pas immédiatement disponible et nécessite une intervention humaine pour devenir en ligne.

Par exemple, les disques durs en rotation permanents sont un stockage en ligne, tandis que les disques en rotation qui s'arrêtent automatiquement, comme dans les matrices massives de disques inactifs ( MAID ), sont un stockage de proximité. Les supports amovibles tels que les cartouches de bande qui peuvent être chargées automatiquement, comme dans les bibliothèques de bandes , sont un stockage de proximité, tandis que les cartouches de bande qui doivent être chargées manuellement sont un stockage hors ligne.

Stockage hors ligne

Le stockage hors ligne est un stockage de données informatiques sur un support ou un appareil qui n'est pas sous le contrôle d'une unité de traitement . [7] Le support est enregistré, généralement dans un périphérique de stockage secondaire ou tertiaire, puis physiquement retiré ou déconnecté. Il doit être inséré ou connecté par un opérateur humain avant qu'un ordinateur puisse à nouveau y accéder. Contrairement au stockage tertiaire, il n'est pas accessible sans interaction humaine.

Le stockage hors ligne est utilisé pour transférer des informations , car le support détaché peut facilement être transporté physiquement. De plus, il est utile en cas de sinistre, où, par exemple, un incendie détruit les données d'origine, un support situé à distance ne sera pas affecté, ce qui permettra une reprise après sinistre . Le stockage hors ligne augmente la sécurité générale des informations , car il est physiquement inaccessible à partir d'un ordinateur et la confidentialité ou l'intégrité des données ne peut pas être affectée par les techniques d'attaque informatique. De plus, si les informations stockées à des fins d'archivage sont rarement consultées, le stockage hors ligne est moins coûteux que le stockage tertiaire.

Dans les ordinateurs personnels modernes, la plupart des supports de stockage secondaires et tertiaires sont également utilisés pour le stockage hors ligne. Les disques optiques et les dispositifs de mémoire flash sont les disques durs les plus populaires et, dans une bien moindre mesure, les disques durs amovibles. Dans les usages en entreprise, la bande magnétique est prédominante. Des exemples plus anciens sont les disquettes, les disques Zip ou les cartes perforées.

Caractéristiques du stockage

Un module de 1 Go de RAM DDR2 pour ordinateur portable .

Les technologies de stockage à tous les niveaux de la hiérarchie de stockage peuvent être différenciées en évaluant certaines caractéristiques de base ainsi qu'en mesurant les caractéristiques spécifiques à une implémentation particulière. Ces caractéristiques fondamentales sont la volatilité, la mutabilité, l'accessibilité et l'adressabilité. Pour toute mise en œuvre particulière de toute technologie de stockage, les caractéristiques qui méritent d'être mesurées sont la capacité et les performances.

Aperçu
Caractéristique Disque dur Disque optique Mémoire flash Mémoire vive Ruban linéaire ouvert
La technologie Disque magnétique Faisceau laser Semi-conducteur Bande magnetique
Volatilité Non Non Non Volatil Non
Accès aléatoire Oui Oui Oui Oui Non
Latence (temps d'accès) ~15ms (rapide) ~150ms (modéré) Aucun (instantané) Aucun (instantané) Manque d'accès aléatoire (très lent)
Manette Interne Externe Interne Interne Externe
Échec avec perte de données imminente Coup de tête - Circuits -
Détection d'erreur Diagnostique ( SMART ) Mesure du taux d'erreur Indiqué par la baisse des taux de transfert (Stockage à court terme) Inconnu
Prix ​​par place Meugler Meugler Haute Très haut Très faible (mais disques chers)
Prix ​​par unité Modérer Meugler Modérer Haute Disques modérés (mais chers)
Application principale Archivage à moyen terme, serveur, extension de stockage de poste de travail Archivage à long terme, distribution sur papier Électronique portable; système opérateur Temps réel Archivage à long terme

Volatilité

La mémoire non volatile conserve les informations stockées même si elle n'est pas constamment alimentée en énergie électrique. Il convient au stockage à long terme des informations. La mémoire volatile nécessite une alimentation constante pour conserver les informations stockées. Les technologies de mémoire les plus rapides sont les plus volatiles, bien que ce ne soit pas une règle universelle. Étant donné que le stockage principal doit être très rapide, il utilise principalement de la mémoire volatile.

La mémoire vive dynamique est une forme de mémoire volatile qui nécessite également que les informations stockées soient périodiquement relues et réécrites, ou actualisées , sinon elles disparaîtraient. La mémoire statique à accès aléatoire est une forme de mémoire volatile similaire à la DRAM, à l'exception du fait qu'elle n'a jamais besoin d'être actualisée tant que l'alimentation est appliquée ; il perd son contenu lorsque l'alimentation est perdue.

Une alimentation sans coupure (UPS) peut être utilisée pour donner à un ordinateur une brève fenêtre de temps pour déplacer les informations du stockage volatile primaire vers le stockage non volatile avant que les batteries ne soient épuisées. Certains systèmes, par exemple EMC Symmetrix , ont des batteries intégrées qui maintiennent un stockage volatile pendant plusieurs minutes.

Mutabilité

Stockage en lecture/écriture ou stockage mutable
Permet d'écraser les informations à tout moment. Un ordinateur sans une certaine quantité de stockage en lecture/écriture à des fins de stockage principal serait inutile pour de nombreuses tâches. Les ordinateurs modernes utilisent généralement le stockage en lecture/écriture également pour le stockage secondaire.
Écriture lente, stockage en lecture rapide
Stockage en lecture/écriture qui permet aux informations d'être écrasées plusieurs fois, mais l'opération d'écriture étant beaucoup plus lente que l'opération de lecture. Les exemples incluent les CD-RW et SSD .
Écrire une fois le stockage
Write Once Read Many (WORM) permet aux informations d'être écrites une seule fois à un moment donné après la fabrication. Les exemples incluent la mémoire morte programmable à semi-conducteur et le CD-R .
Stockage en lecture seule
Conserve les informations stockées au moment de la fabrication. Les exemples incluent les circuits intégrés de ROM de masque et les CD-ROM .

Accessibilité

Accès aléatoire
N'importe quel emplacement dans le stockage est accessible à tout moment dans approximativement le même laps de temps. Une telle caractéristique est bien adaptée pour le stockage primaire et secondaire. La plupart des mémoires à semi-conducteurs et des lecteurs de disque offrent un accès aléatoire, bien que seule la mémoire flash prenne en charge l'accès aléatoire sans latence , car aucune pièce mécanique n'a besoin d'être déplacée.
Accès séquentiel
L'accès aux informations se fera dans un ordre séquentiel, l'un après l'autre ; par conséquent, le temps d'accès à un élément d'information particulier dépend de l'élément d'information auquel on a accédé en dernier. Une telle caractéristique est typique du stockage hors ligne.

Adressabilité

Adressable par emplacement
Chaque unité d'information stockée individuellement accessible est sélectionnée avec son adresse mémoire numérique . Dans les ordinateurs modernes, le stockage adressable par emplacement se limite généralement au stockage principal, accessible en interne par des programmes informatiques, car l'adressage par emplacement est très efficace, mais fastidieux pour les humains.
Fichier adressable
Les informations sont divisées en fichiers de longueur variable et un fichier particulier est sélectionné avec des noms de répertoire et de fichier lisibles par l'homme . Le périphérique sous-jacent est toujours adressable par emplacement, mais le système d'exploitation d'un ordinateur fournit l' abstraction du système de fichiers pour rendre l'opération plus compréhensible. Dans les ordinateurs modernes, le stockage secondaire, tertiaire et hors ligne utilise des systèmes de fichiers.
Contenu adressable
Chaque unité d'information accessible individuellement est sélectionnée sur la base (d'une partie) du contenu qui y est stocké. Le stockage adressable par le contenu peut être mis en œuvre à l'aide d'un logiciel (programme informatique) ou d'un matériel (périphérique informatique), le matériel étant une option plus rapide mais plus coûteuse. La mémoire adressable du contenu matériel est souvent utilisée dans le cache du processeur d' un ordinateur .

Capacité

Capacité brute
La quantité totale d'informations stockées qu'un périphérique ou support de stockage peut contenir. Il est exprimé en quantité de bits ou d' octets (par exemple 10,4 mégaoctets ).
Densité de stockage mémoire
La compacité des informations stockées. C'est la capacité de stockage d'un support divisée par une unité de longueur, de surface ou de volume (par exemple 1,2 mégaoctet par pouce carré).

Performance

Latence
Le temps nécessaire pour accéder à un emplacement particulier dans le stockage. L' unité de mesure pertinente est généralement la nanoseconde pour le stockage primaire, la milliseconde pour le stockage secondaire et la seconde pour le stockage tertiaire. Il peut être judicieux de séparer la latence de lecture et la latence d'écriture (en particulier pour la mémoire non volatile) et en cas de stockage à accès séquentiel, la latence minimale, maximale et moyenne.
Débit
La vitesse à laquelle les informations peuvent être lues ou écrites dans le stockage. Dans le stockage de données informatiques, le débit est généralement exprimé en mégaoctets par seconde (Mo/s), bien que le débit binaire puisse également être utilisé. Comme pour la latence, il peut être nécessaire de différencier le taux de lecture et le taux d'écriture. De plus, l'accès aux médias de manière séquentielle, plutôt qu'aléatoire, génère généralement un débit maximal.
Granularité
La taille du plus grand "morceau" de données auquel il est possible d'accéder efficacement en une seule unité, par exemple sans introduire de latence supplémentaire.
Fiabilité
La probabilité d'un changement spontané de la valeur du bit dans diverses conditions, ou le taux d'échec global .

Des utilitaires tels que hdparm et sar peuvent être utilisés pour mesurer les performances d'E/S sous Linux.

Consommation d'énergie

  • Les périphériques de stockage qui réduisent l'utilisation des ventilateurs s'arrêtent automatiquement en cas d'inactivité et les disques durs à faible consommation d'énergie peuvent réduire la consommation d'énergie de 90 %. [8]
  • Les disques durs de 2,5 pouces consomment souvent moins d'énergie que les plus gros. [9] [10] Les disques SSD de faible capacité n'ont pas de pièces mobiles et consomment moins d'énergie que les disques durs. [11] [12] [13] En outre, la mémoire peut utiliser plus d'énergie que les disques durs. [13] Les grands caches, qui sont utilisés pour éviter de heurter le mur de la mémoire , peuvent également consommer une grande quantité d'énergie.

Sécurité

Chiffrement complet du disque , le volume et le cryptage de disque virtuel, Andor chiffrement fichier / dossier est facilement disponible pour la plupart des périphériques de stockage. [14]

Le chiffrement matériel de la mémoire est disponible dans l'architecture Intel, prenant en charge le chiffrement total de la mémoire (TME) et le chiffrement de la mémoire granulaire de la page avec plusieurs clés (MKTME). [15] [16] et dans la génération SPARC M7 depuis octobre 2015. [17]

Vulnérabilité et fiabilité

L' avertissement du logiciel SMART suggère une défaillance imminente du disque dur

Des types distincts de stockage de données ont différents points de défaillance et diverses méthodes d' analyse prédictive des défaillances .

Les vulnérabilités qui peuvent entraîner instantanément une perte totale sont le crash de la tête sur les disques durs mécaniques et la défaillance des composants électroniques sur le stockage flash.

Détection d'erreur

Mesure du taux d'erreur sur un DVD+R . Les erreurs mineures sont corrigibles et dans une fourchette saine.

Une panne imminente sur les disques durs peut être estimée à l'aide des données de diagnostic SMART qui incluent les heures de fonctionnement et le nombre de démarrages, bien que sa fiabilité soit contestée. [18]

Le stockage flash peut connaître des taux de transfert descendants en raison de l'accumulation d'erreurs, que le contrôleur de mémoire flash tente de corriger.

La santé des supports optiques peut être déterminée en mesurant les erreurs mineures corrigibles , dont un nombre élevé signifie une détérioration et/ou une mauvaise qualité des supports. Trop d'erreurs mineures consécutives peuvent entraîner une corruption des données. Tous les fournisseurs et modèles de lecteurs optiques ne prennent pas en charge l'analyse des erreurs. [19]

Supports de stockage

En 2011 , les supports de stockage de données les plus couramment utilisés sont les semi-conducteurs, magnétiques et optiques, tandis que le papier est encore utilisé de manière limitée. D'autres technologies de stockage fondamentales, telles que les baies 100 % flash (AFA), sont proposées pour le développement.

Semi-conducteur

La mémoire à semi-conducteurs utilise des puces de circuits intégrés (CI) à base de semi-conducteurs pour stocker des informations. Les données sont généralement stockées dans des cellules de mémoire métal-oxyde-semi-conducteur (MOS) . Une puce mémoire à semi-conducteur peut contenir des millions de cellules mémoire, constituées de minuscules transistors à effet de champ MOS (MOSFET) et/ou de condensateurs MOS . Il existe des formes volatiles et non volatiles de mémoire à semi-conducteurs, la première utilisant des MOSFET standard et la seconde utilisant des MOSFET à grille flottante .

Dans les ordinateurs modernes, le stockage primaire se compose presque exclusivement de mémoire vive dynamique à semi - conducteurs volatiles (RAM), en particulier de mémoire vive dynamique (DRAM). Depuis le début du siècle, un type de mémoire non volatile à semi - conducteurs à grille flottante connue sous le nom de mémoire flash a progressivement gagné du terrain en tant que stockage hors ligne pour les ordinateurs personnels. La mémoire non volatile à semi-conducteurs est également utilisée pour le stockage secondaire dans divers appareils électroniques avancés et ordinateurs spécialisés conçus pour eux.

Dès 2006, les fabricants d' ordinateurs portables et de bureau ont commencé à utiliser des disques SSD (Solid State Drive) flash comme options de configuration par défaut pour le stockage secondaire, en plus ou à la place du disque dur plus traditionnel. [20] [21] [22] [23] [24]

Magnétique

Le stockage magnétique utilise différents modèles de magnétisation sur une surface revêtue magnétiquement pour stocker des informations. Le stockage magnétique est non volatile . Les informations sont accessibles à l'aide d'une ou plusieurs têtes de lecture/écriture qui peuvent contenir un ou plusieurs transducteurs d'enregistrement. Une tête de lecture/écriture ne couvre qu'une partie de la surface de sorte que la tête ou le support ou les deux doivent être déplacés l'un par rapport à l'autre pour accéder aux données. Dans les ordinateurs modernes, le stockage magnétique prendra les formes suivantes :

Dans les premiers ordinateurs, le stockage magnétique était également utilisé comme :

Le stockage magnétique n'a pas de limite définie de cycles de réécriture comme le stockage flash et les supports optiques réinscriptibles, car la modification des champs magnétiques ne provoque aucune usure physique. Au contraire, leur durée de vie est limitée par des pièces mécaniques. [25] [26]

Optique

Le stockage optique , le disque optique typique , stocke des informations sous forme de déformations sur la surface d'un disque circulaire et lit ces informations en éclairant la surface avec une diode laser et en observant la réflexion. Le stockage sur disque optique est non volatile . Les déformations peuvent être permanentes (supports en lecture seule), formées une seule fois (supports à écriture unique) ou réversibles (supports enregistrables ou lecture/écriture). Les formulaires suivants sont actuellement d'usage courant : [27]

  • CD , CD-ROM , DVD , BD-ROM : Stockage en lecture seule, utilisé pour la distribution de masse d'informations numériques (musique, vidéo, programmes informatiques)
  • CD-R , DVD-R , DVD+R , BD-R : Stockage unique, utilisé pour le stockage tertiaire et hors ligne
  • CD-RW , DVD-RW , DVD+RW , DVD-RAM , BD-RE : stockage à écriture lente, lecture rapide, utilisé pour le stockage tertiaire et hors ligne
  • Ultra Density Optical ou UDO a une capacité similaire à BD-R ou BD-RE et est un stockage à écriture lente et à lecture rapide utilisé pour le stockage tertiaire et hors ligne.

Le stockage sur disque magnéto-optique est un stockage sur disque optique où l'état magnétique sur une surface ferromagnétique stocke des informations. Les informations sont lues optiquement et écrites en combinant des méthodes magnétiques et optiques. Le stockage sur disque magnéto-optique est un stockage non volatil , à accès séquentiel , à écriture lente et à lecture rapide, utilisé pour le stockage tertiaire et hors ligne.

Un stockage optique de données en 3D a également été proposé.

La fusion par aimantation induite par la lumière dans des photoconducteurs magnétiques a également été proposée pour le stockage magnéto-optique à grande vitesse et à faible consommation d'énergie. [28]

Papier

Le stockage de données sur papier , généralement sous la forme de bandes de papier ou de cartes perforées , a longtemps été utilisé pour stocker des informations en vue d'un traitement automatique, en particulier avant l'apparition des ordinateurs à usage général. Les informations ont été enregistrées en perforant des trous dans le support papier ou carton et ont été lues mécaniquement (ou plus tard optiquement) pour déterminer si un emplacement particulier sur le support était solide ou contenait un trou. Les codes à barres permettent aux objets vendus ou transportés d'avoir des informations lisibles par ordinateur attachées de manière sécurisée.

Des quantités relativement faibles de données numériques (par rapport à d'autres stockages de données numériques) peuvent être sauvegardées sur papier sous forme de code-barres matriciel pour un stockage à très long terme, car la longévité du papier dépasse généralement même le stockage de données magnétique. [29] [30]

Autres supports de stockage ou substrats

Mémoire de tube à vide
Un tube Williams utilisait un tube à rayons cathodiques et un tube Selectron utilisait un grand tube à vide pour stocker des informations. Ces dispositifs de stockage primaires ont été de courte durée sur le marché, car le tube Williams n'était pas fiable et le tube Selectron était cher.
Mémoire électroacoustique
La mémoire de ligne à retard utilisait des ondes sonores dans une substance telle que le mercure pour stocker des informations. La mémoire de la ligne à retard était un stockage dynamique de lecture/écriture à cycles séquentiels et était utilisée pour le stockage principal.
Ruban optique
est un support de stockage optique constitué généralement d'une longue et étroite bande de plastique sur laquelle des motifs peuvent être écrits et à partir desquels les motifs peuvent être lus. Il partage certaines technologies avec les films de cinéma et les disques optiques, mais n'est compatible avec ni l'un ni l'autre. La motivation derrière le développement de cette technologie était la possibilité de capacités de stockage beaucoup plus importantes que les bandes magnétiques ou les disques optiques.
Mémoire à changement de phase
utilise différentes phases mécaniques de matériau à changement de phase pour stocker des informations dans une matrice adressable XY, et lit les informations en observant la résistance électrique variable du matériau. La mémoire à changement de phase serait un stockage en lecture/écriture non volatile à accès aléatoire et pourrait être utilisée pour le stockage primaire, secondaire et hors ligne. La plupart des disques optiques réinscriptibles et à écriture unique utilisent déjà un matériau à changement de phase pour stocker des informations.
Stockage de données holographiques
stocke des informations optiquement à l'intérieur de cristaux ou de photopolymères . Le stockage holographique peut utiliser tout le volume du support de stockage, contrairement au stockage sur disque optique qui est limité à un petit nombre de couches de surface. Le stockage holographique serait un accès séquentiel non volatil et un stockage en écriture unique ou en lecture/écriture. Il peut être utilisé pour le stockage secondaire et hors ligne. Voir Disque Holographique Polyvalent (HVD).
Mémoire moléculaire
stocke des informations dans un polymère qui peut stocker une charge électrique. La mémoire moléculaire peut être particulièrement adaptée au stockage primaire. La capacité de stockage théorique de la mémoire moléculaire est de 10 térabits par pouce carré. [31]
Photoconducteurs magnétiques
stocker des informations magnétiques qui peuvent être modifiées par un éclairage faible. [28]
ADN
stocke des informations dans des nucléotides d' ADN . Cela a été fait pour la première fois en 2012 lorsque les chercheurs ont atteint un ratio de 1,28 pétaoctet par gramme d'ADN. En mars 2017, des scientifiques ont signalé qu'un nouvel algorithme appelé fontaine d'ADN atteignait 85 % de la limite théorique, à 215 pétaoctets par gramme d'ADN. [32] [33] [34] [35]

Technologies connexes

Redondance

Alors qu'un dysfonctionnement d'un groupe de bits peut être résolu par des mécanismes de détection et de correction d'erreurs (voir ci-dessus), un dysfonctionnement du périphérique de stockage nécessite différentes solutions. Les solutions suivantes sont couramment utilisées et valables pour la plupart des périphériques de stockage :

  • Mise en miroir de l' appareil (réplication) – Une solution courante au problème consiste à conserver en permanence une copie identique du contenu de l'appareil sur un autre appareil (généralement du même type). L'inconvénient est que cela double le stockage et que les deux périphériques (copies) doivent être mis à jour simultanément avec une surcharge et éventuellement des retards. L'avantage est la lecture simultanée possible d'un même groupe de données par deux processus indépendants, ce qui augmente les performances. Lorsqu'un des appareils répliqués est détecté comme étant défectueux, l'autre copie est toujours opérationnelle et est utilisée pour générer une nouvelle copie sur un autre appareil (généralement disponible opérationnelle dans un pool d'appareils de secours à cet effet).
  • Réseau redondant de disques indépendants ( RAID ) - Cette méthode généralise la mise en miroir de périphériques ci-dessus en permettant à un périphérique d'un groupe de N périphériques de tomber en panne et d'être remplacé par le contenu restauré (la mise en miroir de périphériques est RAID avec N = 2). Les groupes RAID de N=5 ou N=6 sont courants. N>2 permet d'économiser du stockage, par rapport à N=2, au prix d'un traitement plus important à la fois lors du fonctionnement normal (avec des performances souvent réduites) et lors du remplacement d'un appareil défectueux.

La mise en miroir de périphériques et le RAID typique sont conçus pour gérer une défaillance de périphérique unique dans le groupe de périphériques RAID. Cependant, si une deuxième panne se produit avant que le groupe RAID ne soit complètement réparé à partir de la première panne, des données peuvent être perdues. La probabilité d'une défaillance unique est généralement faible. Ainsi, la probabilité de deux pannes dans un même groupe RAID à proximité temporelle est beaucoup plus faible (environ la probabilité au carré, c'est-à-dire multipliée par elle-même). Si une base de données ne peut pas tolérer une probabilité de perte de données encore plus faible, le groupe RAID lui-même est répliqué (en miroir). Dans de nombreux cas, une telle mise en miroir est effectuée géographiquement à distance, dans une baie de stockage différente, pour gérer également la récupération après sinistre (voir la récupération après sinistre ci-dessus).

Connectivité réseau

Un stockage secondaire ou tertiaire peut se connecter à un ordinateur utilisant des réseaux informatiques . Ce concept ne concerne pas le stockage primaire, qui est partagé entre plusieurs processeurs dans une moindre mesure.

  • Le stockage à connexion directe (DAS) est un stockage de masse traditionnel, qui n'utilise aucun réseau. C'est toujours l'approche la plus populaire. Ce rétronyme a été inventé récemment, avec NAS et SAN.
  • Le stockage en réseau (NAS) est un stockage de masse connecté à un ordinateur auquel un autre ordinateur peut accéder au niveau du fichier sur un réseau local , un réseau étendu privé ou, dans le cas du stockage de fichiers en ligne , sur Internet . Le NAS est généralement associé aux protocoles NFS et CIFS/SMB .
  • Le réseau de stockage (SAN) est un réseau spécialisé qui fournit à d'autres ordinateurs une capacité de stockage. La différence cruciale entre le NAS et le SAN est que le NAS présente et gère les systèmes de fichiers sur les ordinateurs clients, tandis que le SAN fournit un accès au niveau de l'adressage des blocs (brut), laissant le soin aux systèmes de gérer les données ou les systèmes de fichiers dans les limites de la capacité fournie. Le SAN est généralement associé aux réseaux Fibre Channel .

Stockage robotique

De grandes quantités de bandes magnétiques individuelles et de disques optiques ou magnéto-optiques peuvent être stockées dans des dispositifs de stockage tertiaires robotisés. Dans le domaine du stockage sur bande, ils sont connus sous le nom de bibliothèques de bandes et dans le domaine du stockage optique, juke - box optiques ou bibliothèques de disques optiques par analogie. Les plus petites formes de l'une ou l'autre technologie contenant un seul dispositif d'entraînement sont appelées chargeurs automatiques ou changeurs automatiques .

Les périphériques de stockage à accès robotique peuvent avoir un certain nombre d'emplacements, chacun contenant des supports individuels, et généralement un ou plusieurs robots de prélèvement qui traversent les emplacements et chargent les supports sur les lecteurs intégrés. La disposition des fentes et des dispositifs de prélèvement affecte les performances. Les caractéristiques importantes d'un tel stockage sont les options d'extension possibles : ajout de slots, modules, lecteurs, robots. Les bibliothèques de bandes peuvent avoir de 10 à plus de 100 000 emplacements et fournir des téraoctets ou des pétaoctets d'informations en quasi-ligne. Les juke-box optiques sont des solutions un peu plus petites, jusqu'à 1 000 emplacements.

Le stockage robotisé est utilisé pour les sauvegardes et pour les archives de grande capacité dans les secteurs de l'imagerie, de la médecine et de la vidéo. La gestion hiérarchique du stockage est la stratégie d'archivage la plus connue pour migrer automatiquement les fichiers longtemps inutilisés du stockage rapide sur disque dur vers des bibliothèques ou des juke-box. Si les fichiers sont nécessaires, ils sont récupérés sur le disque.

Voir aussi

Sujets de stockage principal

Sujets de stockage secondaire, tertiaire et hors ligne

Conférences de stockage de données

Références

Domaine public Cet article incorpore  du matériel du domaine public du document General Services Administration : "Federal Standard 1037C" .

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Lectures complémentaires