【電腦科普】記憶力決定電腦的超能力──儲存記憶體

作者 | 發布日期 2016 年 03 月 12 日 12:00 | 分類 晶片 , 科技教育 , 電腦 follow us in feedly

記憶體,是用來存放電腦中的資料,依據使用功能可以區分成兩種類型,一為系統主記憶體(RAM),另一為儲存記憶體。在前一篇中已經對 RAM 的其中一個分支 DRAM 做初步的說明。



(在前一篇中有讀者對於將 RAM 翻成系統主記憶體有質疑,筆者很清楚這兩者並非是同種東西,但是現行國內消費性電子產品市場上對於主記憶體的標註相當混亂,想選一個比較客觀的描述做代替,便以英文版 Wikipedia 上的內容做依據。然而目前英文版的內容也有所問題,無法做更正確的解釋。因此,急需有力人士將記憶體分類做更完善的定義,供業界以及學習者參考。)

在本篇中,將進一步介紹儲存記憶體。儲存記憶體是用來存放電腦所有檔案的地方,越大的儲存空間就可以放更多資料。像對部分的男生來說,傳說中的 D 槽都是以 TB 起跳的,大容量的硬碟是相當重要的。

目前,市面上有兩種主流產品用做儲存記憶體,分別為固態硬碟(SSD)以及傳統硬碟(HDD)。這兩者有其獨特的運作方式以及優缺點,在本文中將一一介紹。

 

傳統硬碟,大量資料儲存的選擇

硬碟(Hard Disk Drive),在大多數的筆電或桌機中皆可看到其身影。目前一般消費者可以購買到的 HDD,容量從 500GB 起跳至 6TB 為止,一顆硬碟就可以儲存相當大量的資料。因此,HDD 相當適合存放大量的檔案。

政道

▲ 此圖為 2.5 吋的硬碟,常用在筆電中。和 3.5 吋硬碟相比,耗電量較低。(Source:Wikipedia)

傳統硬碟的運作方法是以中心的馬達旋轉碟片,接著磁頭會在碟片上移動以便尋找資料,如下圖。常見硬碟旋轉的速度有每分鐘 5,400、7,200 轉兩種,其中,5,400 轉的硬碟大多為 2.5 吋的硬碟,因運轉速度較慢,耗電量較低,只需用 USB 傳輸線供電即可。至於 7,200 轉以上的硬碟則多為 3.5 吋硬碟,需額外的電源供給。

(Source:YouTube

提升硬碟的讀取效率,硬碟分區!

至此,我們已知硬碟是將資料儲存於一張圓形的碟片上。然而資料究竟要如何擺放?在圓形的碟片上,資料的擺放有很多種,在這裡將介紹 3 種。

  1. 類似黑膠唱片,以螺旋狀的擺法,由外到內,只有單一一條路徑,在讀資料時,可以順順地從頭的讀到尾。但是這樣的儲存方式不適合硬碟這種會動態讀寫的運作機制。因為在動態寫資料進入硬碟時,將無法迅速且準確的區分不同資料的位置。
  2. 類似 DVD,以同心圓的方式,將資料一圈又一圈的擺放,如下圖。然而,缺點是最外圈單圈可儲存資料量比內圈單圈還要多,不同容量的儲存空間會不利於資料讀寫以及分類。單一化的模式較適合電腦。
  3. 將同心圓內的每圈切成多塊大小相同的區間。如此,就能夠將獲得單一模式的區塊,下圖為分塊的示意圖,實際上的切法會有差異。
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▲ 同心圓,在每一圈的間距皆相同的情況下,白色單圈的面積比紅色單圈面積大。面積的大小直接影響可儲存的資料量。(Source:Wikipedia)

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▲ 藉由將同心圓再分成多個區塊,如此便可均分硬碟的容量至每一區塊

傳統硬碟是以機械式的轉輪運轉碟片,並且使用機械軸控制磁頭,因此,機械馬達的運作速度會影響讀取資料的速度,現行 7,200 轉硬碟讀取資料的極限速度大致在 200MB/s 左右。此外,如果在運行的過程中,突然遇到激烈的震動,磁頭有可能和碟片相撞,導致硬碟受損。於是,一種非動態且可以更高速傳輸的硬碟閃耀登場。

 

固態硬碟,高速傳輸的不二選擇

固態硬碟(Solid State Disk),做為傳統硬碟市場的挑戰者,它不會因為運轉期間的劇烈震動而導致壞損。同時,也因為不需要機械式的轉軸以及讀取頭,資料讀取的速度可以大幅提升。目前,高階的筆記型電腦,大多採用此類的硬碟。

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▲ 市面上常見的 SSD,外觀和 2.5 吋的傳統硬碟一樣。因此,可以輕易地將筆電從傳統硬碟升級成固態硬碟。

其中,固態硬碟是硬碟形式的總稱。它可以再依據儲存記憶體採用的技術分成幾類。

  1. 以 DRAM 做為記憶體。和前一篇所述的系統記憶體,將 DRAM 當成只有系統可以讀取不同,這邊的 DRAM 是做為資料儲存用。因為 DRAM 有較高的讀取速度,因此部分使用者會將需要較高速執行的程式放在 DRAM 中執行,如此便能讓程式運行的更快。然而,DRAM 的價格較高以及會有失去資料的風險。
  2. 以 NAND Flash 做為內部記憶體,是目前市面上主流的技術,此外,手機內部的儲存記憶體也是採用此技術。在下一篇中會有更進一步的介紹。
  3. 3D Xpoint、3D V-NAND 及將來其他的技術。

總體來說,傳統硬碟和固態硬碟的優缺點如下:

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(首圖來源:Flickr/Yutaka Tsutano CC BY 2.0)

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