Что такое кэш жесткого диска и SSD и для чего он нужен?

ПК — это сложные машины, состоящие из десятков мелких компонентов, работающих вместе. Любой, кто работал с аппаратным обеспечением ПК, знаком с основными характеристиками жестких дисков, такими как емкость, скорость чтения/записи и скорость вращения пластин жестких дисков. Однако есть менее известная и часто упускаемая из виду функция, которая влияет на скорость и производительность ваших накопителей. Эта функция известна как оперативная память (ОЗУ) или кэш для жестких дисков (HDD) и динамическая оперативная память для твердотельных накопителей (SSD). Давайте кратко рассмотрим, что жесткий диск и твердотельный накопитель кэш и как они работают.

Что такое кэш жесткого диска?

Кэш жесткого диска часто называют дисковым буфером. Благодаря этому названию его цель становится немного более прозрачной. Он действует как временное пространство памяти, пока жесткий диск считывает и записывает данные в постоянное хранилище на пластинах.

Вы можете думать о кэше жесткого диска как об оперативной памяти, специально предназначенной для жесткого диска. Жесткие диски имеют встроенные микроконтроллеры, которые управляют и обрабатывают входящие и исходящие данные, подобно процессору. Оперативная память жесткого диска работает вместе с микроконтроллером и сохраняет память по мере ее обработки.

Вы также можете думать о кеше жесткого диска как о чем-то похожем на буферизацию потокового контента. Каждый сталкивался с потоковой передачей видео при медленном соединении. Видеопроигрыватель ожидает до или во время воспроизведения, чтобы собрать данные для более плавного воспроизведения видео по мере его воспроизведения. Кэш жесткого диска позволяет жесткому диску делать то же самое при чтении и записи данных.

Как работает кэш жесткого диска?

Когда жесткий диск читает и записывает данные, он извлекает их из пластин. Очень часто жесткий диск постоянно работает с одними и теми же данными, поскольку человек, использующий компьютер, обычно работает над одной или двумя задачами одновременно. Жесткий диск хранит в своем кеше данные, которые вы или ваши программы используете чаще всего и в последнее время, что устраняет необходимость извлекать их из пластин каждый раз, когда данные необходимы. Это действие ускоряет работу накопителя.

Жесткие диски: чтение вперед и назад

Обычно жесткий диск не просто собирает необходимые ему данные. Он также считывает данные вокруг себя. Жесткие диски неэффективны. Вращающиеся пластины и головки чтения/записи по своей сути ограничены физическими движущимися частями, которые работают намного медленнее, чем твердотельные накопители без движущихся компонентов. Поэтому жесткие диски пытаются компенсировать это путем угадывания.

Когда пользователь или программа запрашивает данные (напоминает мне о Троне), жесткий диск считывает эти данные и данные вокруг них с диска и сохраняет все это в буфере. Поскольку существует значительная вероятность того, что окружающие данные аналогичны, привод предполагает, что пользователь или процесс вскоре также запросит окружающие данные.

Жесткие диски: вечерний поток данных

Существует много разных шагов по извлечению данных с жесткого диска. Каждый из них требует времени, и они редко синхронизируются. Передача данных с жесткого диска через SATA обычно происходит быстрее, чем жесткий диск может читать и записывать данные на пластины. Дисковый буфер часто используется, чтобы выровнять этот поток данных и сделать процесс более плавным.

Жесткие диски: минимизация времени ожидания при записи

Опять же, жесткие диски медленные. Вероятно, они являются самой трудоемкой частью любого компьютера из-за их физически движущихся частей. Запись данных обычно «болезненна» для пользователя.

Жесткие диски: назначение кэша

Кэш жесткого диска (ОЗУ) помогает ускорить процесс записи данных, фактически обманывая остальную часть компьютера. Жесткий диск заберет данные в свой кэш и начнет их записывать. Вместо того, чтобы ждать записи всех данных на пластины, жесткий диск сигнализирует компьютеру, что он это сделал. ПК или Mac либо продолжают отправлять дополнительные данные, либо переходят к другим задачам, полагая, что процесс завершен. В любом случае это позволяет компьютеру перейти к следующему событию.

Однако у кэширования данных есть и обратная сторона. Пока жесткий диск пытается выполнить свое обещание записать данные, он может их потерять. Если компьютер внезапно выключится, все данные, хранящиеся в кэше исчезнет. ОЗУ/кэш — это энергозависимое хранилище.

Ускорение жестких дисков

Более высокий объем оперативной памяти (кэша) жесткого диска не означает непосредственно более высокую производительность диска при выполнении отдельных задач. Это не значит, что это заставляет диск двигаться быстрее. Однако наличие дискового буфера позволяет диску более эффективно выполнять многозадачную работу, и, скорее всего, это то, что вам нужно.

Редко когда диск выполняет только одну задачу или взаимодействует только с одним процессом одновременно. Дисковые жесткие диски по-прежнему являются широко известными устройствами хранения данных в современных ПК. Однако твердотельные накопители постепенно вытесняют эти жесткие диски. Даже при выполнении одной задачи нескольким программам может потребоваться одновременный доступ к хранилищу диска. Возможно, вы работаете с двумя или более файлами, выполняете фоновые задачи или даже получаете обновления.

Серверы — это еще одно место, где наличие оперативной памяти на жестких дисках имеет решающее значение. Серверные жесткие диски всегда будут выполнять несколько задач. Подумайте о базе данных, лежащей в основе веб-сайта. Всякий раз, когда пользователь выполняет действие, которое веб-сайт должен сохранить или зарегистрировать, сайт получает доступ к информации и записывает ее в базу данных. Каждый раз, когда кто-то просматривает этот веб-сайт, он считывает данные из базы данных. Редко бывает, чтобы диски, на которых хранится эта база данных, не выполняли несколько задач одновременно.

Что такое кэш в SSD?

SSD-накопители не такие медленные, как физические жесткие дискитак им тоже нужен кэш? Короче говоря, они делают. В то время как ОЗУ на жестких дисках ведет себя как ОЗУ на ПК или графическом процессоре (GPU), кэш на твердотельных накопителях выполняет функцию DRAM. Он намного быстрее и идет в ногу с SSD.

Несмотря на то, что твердотельные накопители намного быстрее, чем их дисковые аналоги, кэш по-прежнему дает преимущества. Твердотельные накопители по-прежнему используют его для регулирования ввода/вывода и обеспечения более быстрого доступа к чтению и записи. Между тем, некоторые твердотельные накопители не имеют встроенной DRAM. Это экономит энергопотребление, но заставляет приводы компенсировать его другими способами.

Еще следует отметить, что твердотельные накопители записывают пакетами, а не секторами, поэтому им приходится загружать группы данных, добавлять их из кеша, а затем возвращать их обратно и переходить к следующей группе данных. Вот почему кэш DRAM полезен.

В целом, кэш имеет значение, даже в твердотельных накопителях. Это не так важно, как характеристики основного диска, но вам следует это учитывать. Если ваш жесткий диск многозадачен или работает постоянно, например, на сервере, для разработки или даже для игр, ищите больший объем ОЗУ. Вы увидите от этого максимальную выгоду. Домашним пользователям, которым нужен накопитель для периодического использования, не нужно об этом так сильно беспокоиться, хотя несколько вкладок в браузере рядом с видео на YouTube и двумя электронными таблицами, а также получение обновлений могут замедлить работу. Что касается твердотельных накопителей, ситуация немного более мутная, но все же стоит учитывать DRAM в процессе принятия решения. Однако другие факторы могут легко омрачить это.