Istnieją dwie główne klasy pamięci podręcznej, pamięć podręczna odczytu i pamięć podręczna zapisu. Pamięć podręczna odczytu to narzędzie, które zapewnia szybki dostęp do danych, do których w przeciwnym razie dostęp byłby powolny. Pamięć podręczna zapisu to narzędzie, które oferuje iluzję dużych prędkości zapisu, generalnie ukrywając przed użytkownikiem prawdziwą niską prędkość urządzenia pamięci.
Struktura pamięci podręcznej
Zazwyczaj pamięć podręczna jest przechowywana o jeden poziom pamięci niżej niż rzeczywiste dane. Jednak dane z jednej pamięci podręcznej mogą być dalej buforowane w następnej warstwie pamięci. Istnieją cztery poziomy pamięci, przy czym pamięć podręczna procesora/rejestry są najniższym i najszybszym poziomem, a magazyn archiwalny jest najwyższym i najwolniejszym poziomem. Poziomy od najniższego do najwyższego to pamięć podręczna/rejestry procesora, systemowa pamięć RAM, dyski i magazyn archiwalny.
Każdy krok w dół poziomów pamięci zapewnia większą szybkość dostępu, ale mniejszą pojemność. Większość użytkowników domowych ma tylko trzy najniższe poziomy pamięci masowej w świecie rzeczywistym. Przechowywanie archiwalne ogólnie odnosi się do przechowywania na taśmach przeznaczonego do przechowywania długoterminowego i offline. Przechowywanie archiwalne może również odnosić się do korzystania z optycznych lub innych standardowych nośników pamięci, które zostały usunięte z urządzeń i są przechowywane w trybie offline. Te przykłady znacznie częściej można znaleźć w domu, ale nadal nie są tak powszechne.
Notatka: Do pewnego stopnia przechowywanie w chmurze można uznać za odmianę przechowywania archiwalnego. Jest bardzo online, ale niekoniecznie natychmiast dostępny i ogólnie dostęp do niego jest powolny. Nośniki wymienne, takie jak pamięć USB, również w pewnym stopniu przekraczają granicę między dyskiem pamięci masowej a pamięcią archiwalną.
Rodzaje pamięci podręcznej dysku
Pamięć podręczna dysku odnosi się do dowolnej pamięci podręcznej na „dysku”, czyli dyskach pamięci masowej, takich jak dyski SSD i HDD. Istnieją trzy rodzaje pamięci podręcznej dysku. Pamięć podręczna odczytu wymagałaby tymczasowego skopiowania niektórych danych z magazynu archiwalnego, aby przyspieszyć dostęp, gdy jest to potrzebne. Pamięć podręczna zapisu może przybrać formę pamięci podręcznej SLC na dysku SSD. Pamięć podręczna we / wy byłaby ogólnie pamięcią flash lub DRAM używaną do buforowania zarówno operacji odczytu, jak i zapisu. Cechą definiującą wszystkie z nich jest to, że pamięć podręczna znajduje się na samym dysku.
Odczyt pamięci podręcznej dysku
Wersja pamięci podręcznej dysku do odczytu jest prawdopodobnie najrzadziej używanym typem pamięci podręcznej dysku. Przechowywanie archiwalne z samej definicji jest rzadko potrzebne. Dane można również odczytać bezpośrednio z nośników archiwalnych. Problemem jest prędkość. Czas dostępu jest długi, ponieważ dane są w trybie offline, co wymaga zidentyfikowania i podłączenia odpowiedniego urządzenia pamięci masowej. Prędkości odczytu zależą od nośnika archiwalnego, ale zazwyczaj wystarczają w większości przypadków. Ale może nie być idealny w przypadku wymagań dotyczących dużej przepustowości, takich jak oglądanie wideo w wysokiej rozdzielczości. W takich scenariuszach pamięć podręczna dysku odczytu może służyć do buforowania kopii pliku wideo na nośniku pamięci, który może odtwarzać go w czasie rzeczywistym.
Zapisz pamięć podręczną dysku
Nowoczesne dyski SSD są niesamowicie szybkie, oferując niewiarygodnie duże prędkości odczytu i zapisu. Możesz nie zdawać sobie sprawy, że nie jest to technicznie prawda. Większość dysków SSD dostępnych na rynku to TLC, czyli komórki trójwarstwowe. Oznacza to, że każda komórka pamięci może przechowywać trzy bity danych. Chociaż oferuje to trzykrotnie większą gęstość przechowywania niż surowe komórki SLC (Single Layer Cells) z jednym bitem na komórkę, jest również znacznie wolniejsze.
Wskazówka: Błysk TLC jest nadal szybki. Jest wielokrotnie szybszy niż szczytowa przepustowość magistrali SATA 3 używanej przez dyski twarde i wczesne dyski SSD. QLC flash lub Quad Level Cells są jeszcze wolniejsze, w niektórych testach faktycznie działają wolniej niż dyski twarde.
Pamięć podręczna SLC została wymyślona, aby ukryć przed użytkownikiem niskie prędkości zapisu. Pamięć podręczna SLC po prostu traktuje pamięć flash TLC jako pamięć flash SLC, umożliwiając jej działanie ze zwiększoną szybkością. Dane zapisywane w pamięci podręcznej SLC są następnie wewnętrznie kopiowane do formatu TLC tak szybko, jak pozwalają na to prędkości zapisu. Technika ta sprawdza się doskonale, oferując coraz większe prędkości, które wymusiły opracowanie nowych, szybszych standardów.
Pamięci podręczne SLC mają jednak pewne zastrzeżenia. Rozmiar pamięci podręcznej SLC wynosi 1/3 pozostałego wolnego miejsca na dysku SSD. W miarę zapełniania się dysku SSD zmniejsza się rozmiar pamięci podręcznej SLC. Nie stanowi to większego problemu na dużych pustych dyskach, ale może dotyczyć mniejszego lub prawie pojemnego dysku SSD. Gdy pamięć podręczna SLC zostanie zapełniona, użytkownik widzi dramatyczny spadek prędkości zapisu, ponieważ jest narażony na działanie prawdziwej prędkości zapisu TLC.
Notatka: Z technicznego punktu widzenia, jeśli dane mają być w przyszłości zapisywane na nośnikach archiwalnych, każdy dysk pamięci może być traktowany jako pamięć podręczna zapisu dla nośników archiwalnych. Jednak to znaczenie na ogół nie byłoby zakładane.
Pamięć podręczna dysku we/wy
Dyski twarde są generalnie dość wolne, nawet przy optymalnym obciążeniu. Aby pomóc ukryć to przed użytkownikiem w jak największym stopniu, można użyć pamięci podręcznej we/wy. Pamięć podręczna we/wy przechowuje w pamięci podręcznej zarówno operacje odczytu, jak i zapisu w razie potrzeby. Ta pamięć podręczna zwykle składa się z pamięci Flash lub DRAM w samym napędzie. Pojemności są na ogół niskie, chociaż klasa dysków SSHD lub hybrydowych dysków półprzewodnikowych z pamięcią Flash oferuje większe możliwości, choć nieporównywalne z pojemnościami nowoczesnych dysków SSD.
Buforowanie odczytów oznacza, że dysk twardy nie musi znajdować, a następnie odczytywać danych. Może to zapewnić doskonałe korzyści w zakresie wydajności, ale tylko w przypadku kolejnych operacji odczytu. Pierwszy odczyt jest zawsze powolny. Buforowanie zapisu oznacza, że małe operacje zapisu mogą być wchłaniane do pamięci podręcznej, a następnie zapisywane na rzeczywistym dysku twardym tak szybko, jak to możliwe. Zapewnia to większe prędkości, ale powoduje duży spadek wydajności, jeśli pamięć podręczna jest kiedykolwiek wyczerpana.
Pamięć podręczna we/wy musi starannie równoważyć potrzeby funkcji odczytu i zapisu, zwłaszcza gdy dostępna jest tylko niewielka pamięć podręczna. Większe pamięci podręczne w pewnym stopniu niwelują ten problem, chociaż przypadki brzegowe z dużymi zestawami danych mogą nadal przeciążać pamięć podręczną flash największych dysków SSHD.
Notatka: Dyski SSD mogą również technicznie wykorzystywać swoją wbudowaną pamięć DRAM jako pamięć podręczną we/wy. Jednak jest to zwykle używane głównie lub wyłącznie do przechowywania tablicy translacji adresów logicznych na fizyczne, używanej do znajdowania danych na dysku SSD.
Wniosek
Pamięć podręczna dysku to pamięć podręczna, która istnieje bezpośrednio na dysku pamięci masowej. Może przybrać formę pamięci podręcznej do odczytu lub zapisu lub pamięci podręcznej we/wy. Pamięci podręczne odczytu zazwyczaj przechowują dane z wolniejszej, archiwalnej pamięci masowej. Pamięci podręczne zapisu ukrywają przed użytkownikiem niskie prędkości zapisu dysków. Pamięci podręczne we/wy ukrywają przed użytkownikiem zarówno powolne odczyty, jak i zapisy.
Pamięci podręczne są doskonałymi narzędziami użyteczności, ale po wyczerpaniu mogą powodować ból głowy u użytkowników. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku dynamicznych pamięci podręcznych zapisu, takich jak pamięć podręczna SLC. Ponieważ użytkownicy nietechniczni mogą nie rozumieć, dlaczego ich prędkości zapisu są tak niskie, a tym samym nie być w stanie ich naprawić, rozwiązując problemy z pojemnością.