计算生态导论 课件 第4章 存储器

第四章存储器基础知识0102定义发展史存储器的定义01什么是存储器主要功能存储计算机中的执行程序和交互信息交互过程

用户通过输入设备输入原始数据，中央处理器（控制器、运算器）对原始数据进行处理，并和存储器进行不断地数据交换，直到运算结束，最后输出设备通过读取存储器中的数据并将数据转化为信息反馈给用户。存储器的技术指标技术指标TextText功耗可靠性其他可重写次数留存时间容量存取速率访问时间存取周期频宽体积存储器的基本组成结构存储器的基本组成结构存储单元

在计算机中，把每一个存储信息的最小单位定义为存储单元，1个字节包含了8位基本的存储单元。存储矩阵

存储器存储单元被配置成一定的阵列进行编址。主要由1个或者多个基本存储单元组成。地址译码器

地址译码器的作用是在收到某个地址信号后，会产生对应的地址译码信号，然后在存储矩阵中找到其对应的存储单元。输入输出电路

数据是通过该电路完成传输的，外部电路和存储器之间的信息交换，也是依托输入、输出电路。存储器的分类8存储介质读写功能存储方式作用半导体存储器、磁介质存储器、光介质存储器等随机存储器（动态随机存取存储器、静态随机存取存储器）、只读存储器（掩模工艺ROM、一次性编程ROM）等随机存储器、顺序存储器等主存储器、寄存器、辅助存储器等存储器的发展史02存储器的发展史1打孔卡和打孔纸带1725年，打孔卡，其实现原理为通过打孔的形状存储图形。1846年，在电报发送中应用打孔纸带。1890年，打孔制表机，标志着数据处理系统进入了半自动时代的到来。1896年，IBM的前身HermanHollerith成立制表机公司。2磁带1928年，录音磁带，发明者：FritzPfleumer。该发明，磁性存储时代，实现了对模拟信号的存储。其原理是：伴随着音频电流的变化，磁力线也会产生对应的变化，这样就能把声音记录在磁带上。3磁鼓内存1932年，GustavTauschek发明磁鼓存储器。它是由外表有铁磁的金属圆柱体金属器，可以用作记录。以前，是计算机的主要存储器之一。4电子数字计算机1937年，电子数字计算机，发明人：JohnVincentAtanasoff和其学生，1942年测试成功，这是世界第一台电子数字计算机，也是第一个使用二进制数字来表示所有数字和数据。ABC使用IBM80列穿孔卡作为输入和输出，使用真空管处理二进制格式的数据，数据的存储则是使用再生电容磁鼓存储器。存储器的发展史5Selectron管1946年，静电记忆管诞生。1947年，Williams-Kilburntube，发明人：FreddieWilliams和TomKilburn。早期，在IBM的第一台商用科学计算机中被运用，做内存使用了该管72个。6延迟线存储器1928年，录音磁带，发明者：FritzPfleumer。该发明，磁性存储时代，实现了对模拟信号的存储。其原理是：伴随着音频电流的变化，磁力线也会产生对应的变化，这样就能把声音记录在磁带上。7磁芯存储器1947年，磁芯存储器，发明人：FrederickViehe。1948年，脉冲传输控制装置，发明人：王安。1949年申请了专利，并卖给了IBM。8磁带1951年，磁带第一次以存储器的方式，被用在电脑中，用作了UNIVAC的I/O设备。存储器的发展史39只读式光盘存储器1965年，第一个数字-光学记录和回放系统发明问世。10DRAM1966年，IBMThomaJ.Watson研究中心的RobertH,Dennard发明了DRAM，1968年申请专利。1969年，AdvancedMemorySystem公司生产了第一款DRAM芯片。1970年，Intel公司推出Intel1103，这是第一个商用DRAM芯片。11软盘1968年IBM的AlanShugart领导的小组开发了只读的8英寸软盘，1972年AlanShugart帮助Memorex公司推出了第一款可读/写的软盘Memorex650。1976年，5.25英寸软盘问世，1980年，索尼开发了3,5英寸软盘，并成为市场标准。从1971年后三年内，软盘一直被用于存储和交换数据。12闪存1980年，闪存问世，1981，取得了EEPROM专利，Intel把闪存带向了全世界。存储器的发展史413数字音频磁带DAT1965年，第一个数字-光学记录和回放系统发明问世。14数字多用途光盘DVD1995年IBM牵头将高容量光盘标准统一合成DVD。15USB1989年，闪存驱动器被发明，闪存也是如今广为流传的USB。16SD卡1999年，SD卡，发明人：松下、东芝、SanDisk。SD卡现在已被广泛应用在电子数码、计算机等领域。Thanks

国产存储器第4章存储器华南理工大学010302同有科技紫光存储紫晶存储同有科技01闪存：NetStorNCS7000G2F特点：（1）安全稳定

采用磨损均衡算法，数据安全存储周期至少10年（2）性能优良

专用数据传输处理电路和专用控制处理芯片，提升系统性能；采用增强型RAID算法，实现百万级IOPS和<1ms的IO延时（3）灵活方便

支持多种介质和多样化的闪存柜规格（4）海量存储

可同时支持Scaleout模式横向扩展和ScaleUp模式纵向扩展闪存：NetStorNCS9000NVMe19特点：（1）统一存储

采用多控集群架构，支持横向扩展和多样控制，实现统一存储（2）多控集群

实现2到16控的扩展，实现多孔集群架构（3）高可扩展、高性能存储IOPS达到3600万，最大带宽达到360GB/s，响应时间小于70μs（4）数据自动分层

依托数据自动分层技术，实现高效使用（5）高可用性

可用性达99.99%，支持2站点和3站点复制（6）数据在线硬件压缩、重复数据删除提升效率

可利用率具有较大的提升效果并且保证了性能的优势自主可控：ACS10000A特点：（1）全分布式架构及统一命名空间

存储节点采用飞腾FT-1500A全分布式架构，提供多节点的并行操作和服务（2）全接口协议支持及广泛兼容

具有NFS、CIFS、iSCSI全接口模式（3）便捷管理功能及无缝快速扩容

提供清晰简洁的管理界面，通过分布式切片和负载均衡技术实现快速扩容（4）多种数据冗余保护机制及自动故障探测

支持副本、纠删码N+M等多种数据保护机制自主可控：ACS5000特点：（1）全国产化

使用自研软硬件平台，保障数据存储安全（2）功能强大

具备自动精简、cache加速、自动分层等多种存储设备高级功能自主可控：NetStoriSUMA1200特点：（1）全国产化

使用自研软硬件平台，保障数据存储安全（2）数据安全

文件系统采用校验和算法双重验证，可以检测错误并恢复（3）统一存储

支持IP-SAN/FC-SAN存储局域网等多种网络存储形式和结构（4）操作便捷，环保节能

支持全中文图形管理界面，支持主流浏览器存储管理。采用双电源工作形式，减少功率损耗，降低能耗支出自主可控：NetStoriSUMS1200特点：（1）数据安全全条带写入方式避免传统RAID的写漏洞问题，交易型数据写入和COW写入保证写入数据真实、有效、完整，通过数据多副本方式进一步保证数据安全（2）性能优良采用块级加速算法和内置的MRU、MFU算法，保证读取性能（3）无限制容量扩展采用128位文件系统，最大容量支持16EB，等同于无容量限制（4）专业化设计，同时支持异构存储备份归档（5）环保节能降低使用成本（6）操作便捷简化运维管理企业级存储：NetStorNCS7300G3主要特点：（1）统一存储

统筹SAN和NAS功能，同时实现应用系统块级和文件级存储（2）配置灵活

支持横向和纵向扩展，支持iSCSI、FC、CIFS等多种存储接口协议（3）多控集群

采用多控集群架构，支持资源的统一调度管理（4）高速缓存

支持大小256G的高速缓存（5）双活架构

更新双活架构，实现控制器、机柜、站点级别的故障切换（6）数据分层

实现了用户对数据访问效率的需求和成本之间的平衡（7）其他

快速拷贝、存储镜像、远程复制企业级存储：NetStoriSUM420G5主要特点：（1）绿色节能

采用低功耗64位处理器和80plus金牌认证电源，满足节能环保要求（2）功能全面的存储管理

在控制器中嵌入管理软件，无需再添加软件驱动（3）增值软件

提供快照、配置自动化、远程复制等增值软件企业级存储：NetStoriSUM420E主要特点：（1）增值软件

提供定时备份、远程复制、自动精简配置等增值软件（2）简化管理

提供WEB界面实现系统管理，包括应用配置、固件更新、故障排查等功能紫光存储02RawNAND颗粒主要特点：（1）存储智选

采用业界领先的3DTLC闪存芯片，相比2D闪存芯片单位面积下容量大幅提升（2）体积迷你

全系颗粒长宽仅12毫米x18毫米，轻量级固态存储方案之选（3）容量丰富

全系列提供5种容量，32GB，64GB，128GB，256GB和512GB（4）双路可选

提供FBGA132Ball和FBGA252Ball两种封装标准（5）游刃有余

消费级颗粒支持1500次擦写寿命，企业级颗粒支持5000次擦写寿命RawNAND颗粒：消费级颗粒型号容量密度叠片封装类型UNN8GTE1B1AEA132GB256GbSDPFBGA(132Ball)UNN9GTE1B1DEA164GB256GbDDPFBGA(132Ball)UNN0TTE1B1HEA1128GB256GbQDPFBGA(132Ball)UNN1TTE1B1JEA1256GB256GbODPFBGA(132Ball)UNN9GTE1B1AEA164GB512GbSDPFBGA(132Ball)UNN0TTE1B1DEA1128GB512GbDDPFBGA(132Ball)UNN1TTE1B1HEA1256GB512GbQDPFBGA(132Ball)UNN2TTE1B1JEA1512GB512GbODPFBGA(132Ball)UNN0TTE1B4QEA1128GB256GbQDPFBGA(252Ball)UNN1TTE1B4LEA1256GB256GbODPFBGA(252Ball)RawNAND颗粒：入门企业级颗粒型号容量密度叠片封装类型UNN9GTE1B1DEB164GB256GbDDPFBGA(132Ball)UNN0TTE1B1HEB1128GB256GbQDPFBGA(132Ball)UNN1TTE1B1JEB1256GB256GbODPFBGA(132Ball)UNN9GTE1B1AEB164GB512GbSDPFBGA(132Ball)UNN0TTE1B1DEB1128GB512GbDDPFBGA(132Ball)UNN1TTE1B1HEB1256GB512GbQDPFBGA(132Ball)UNN2TTE1B1JEB1512GB512GbODPFBGA(132Ball)UNN0TTE1B4QEB1128GB256GbQDPFBGA(252Ball)UNN1TTE1B4LEB1256GB256GbODPFBGA(252Ball)RawNAND颗粒：企业级颗粒型号容量密度叠片封装类型UNN8GTE1B1AEC132GB256GbSDPFBGA(132Ball)UNN9GTE1B1DEC164GB256GbDDPFBGA(132Ball)UNN0TTE1B1HEC1128GB256GbQDPFBGA(132Ball)UNN1TTE1B1JEC1256GB256GbODPFBGA(132Ball)UNN9GTE1B1AEC164GB512GbSDPFBGA(132Ball)UNN0TTE1B1DEC1128GB512GbDDPFBGA(132Ball)UNN1TTE1B1HEC1256GB512GbQDPFBGA(132Ball)UNN2TTE1B1JEC1512GB512GbODPFBGA(132Ball)UNN0TTE1B4QEC1128GB256GbQDPFBGA(252Ball)UNN1TTE1B4LEC1256GB256GbODPFBGA(252Ball)嵌入式存储：eMCP主要特点：（1）高度集成

长宽11.5毫米x13毫米尺寸空间内集成了eMMC控制器、NANDFlash颗粒和DRAM颗粒（2）先进的硬件纠错引擎LDPCECC具有高效的数据纠错能力，确保系统安全可靠的运行（3）内部电压侦测系统

当电压偏低时，系统会采用解决方案，对数据进行保护，确保数据的安全稳定（4）内嵌32位CPU系统

内部嵌入了CPU系统（32位），达到保护NAND内部的数据安全稳定(5)高速LPDDR3接口高速LPDDR3符合JEDECLPDDR3协议规范，为系统CPU实现高效存储提供了必要的接口通道。嵌入式存储：eMCP型号密度内存信息PKG型号PKG

尺寸（mm）eMMC

(VCC/VCCQ)LP3

(VDD/VDDQ)NandLP

DRAMUNPVN6GACACA4CS64GB+24Gb3D

TLC

256GbLP3

1866Mbps221FBGA11.5

x

13

x

1.2VCC:

2.7~3.6V

VCCQ:

1.70~1.95V

或

2.7~3.6VVDD:

1.7~1.95V

VDDQ:

1.14~1.30VUNPVN6G5CACA4CS64GB+32Gb3D

TLC

256GbLP3

1866Mbps221FBGA11.5

x

13

x

1.2UNPVN5GACACA4BS32GB+24Gb3D

TLC

256GbLP3

1866Mbps221FBGA11.5

x

13

x

1.0UNPVN5G4CACA4BS32GB+16Gb3D

TLC

256GbLP3

1866Mbps221FBGA11.5

x

13

x

1.0嵌入式存储：UFS主要特点：（1）性能卓越

兼容JEDECUFS2.1标准，最高至HS-Gear3/UniPro1.6的MIPIM-PHY3.0（2）低功耗

速度的提升缩短任务处理时间，使功耗减低（3）小封装，高密度153-BallBGA封装,使用64层3DNAND（4）先进的硬件纠错引擎LDPCECC具有高效的数据纠错能力，确保系统安全可靠的运行嵌入式存储：UFS型号容量Nand

信息PKG类型PKG

尺寸（mm）VCCVCCQUNMFE06GC2D31AS64GB3D

TLC

256GbBGA15311.5

x

13

x

0.82.7~3.6V1.70~1.95VUNMFE07GC4D31BS128GB3D

TLC

256GbBGA15311.5

x

13

x

1.02.7~3.6V1.70~1.95VUNMFE08GC8D31CS256GB3D

TLC

256GbBGA15311.5

x

13

x

1.22.7~3.6V1.70~1.95V嵌入式存储：eMMC主要特点：（1）移动装置智能算法

针对移动装置，专门设计控制模块中硬件和软件（2）动态电源管理技术

电源管理方案灵活机动，芯片的功耗低（3）先进的硬件纠错引擎LDPCECC具有高效的数据纠错能力，确保系统安全可靠的运行（4）内部电压侦测系统

当电压偏低时，系统会采用解决方案，对数据进行保护，确保数据的安全稳定（5）内嵌32位CPU系统

内部嵌入了CPU系统（32位），达到保护NAND内部的数据安全稳定嵌入式存储：eMMC型号容量Nand信息PKG类型PKG

尺寸（mm）VCCVCCQUNMEN05GC1C31AS32GB3D

TLC

256GbBGA

15311.5

x

13

x

0.8

2.7~3.6V1.70~1.95V

or

2.7~3.6VUNMEN06GC2C31AS64GB3D

TLC

256GbBGA

15311.5

x

13

x

0.8

2.7~3.6V1.70~1.95V

or

2.7~3.6VUNMEN07GC4C31BS128GB3D

TLC

256GbBGA

15311.5

x

13

x

1.0

2.7~3.6V1.70~1.95V

or

2.7~3.6VSSD：P8160E主要特点：（1）软硬件的协同设计

通过高效调度FTL管理软件实现了较高的可靠保证、较高性能的数据存储功能（2）数据可靠性

高强度ECC硬件编解码单元由控制器芯片集成，检测并且纠正NAND介质访问的数据错误（3）平稳的性能

管理算法充分预计了高压力下的极端情况和工作负载的多变性，对前端I/O请求和后台行为进行了精细调度和控制SSD：S6110主要特点：（1）降低运营成本的同时保留基础设施投资

标准的SATA3.0接口,6Gb/s，与现有SATA存储基础设施兼容，并提供各种容量（2）支持两种封装

为了灵活的适配存储系统，可供选择的有2.5英寸和M.2两种外形（3）断电保护功能

自动断电保护功能，保证系统平稳运行（4）支持MPECC

数据容错算法强，数据安全得以保证SSD：S5170主要特点：（1）性能高，性价比高

采用3DNANDFlash，提供多种容量规格（2）稳定性、可靠性RAID数据保护技术、LDPC数据保护技术，动态/静态磨损均衡算法等保证了稳定性和可靠性（3）兼容性强大

兼容SATARevision3.1，支持ATA-8命令设定（4）管理智能

支持坏块管理、垃圾回收、WriteBooster技术、TRIM、S.M.A.R.T自检SSD：P5160主要特点：（1）PCIeGen3×4接口，符合NVMe1.3

传输速率上限3,500MB/s（2）3DNANDFlash

高容量、高效率、使用时间更长（3）M.22280-S2-M外形

兼容性更强，适配采用主流平台的笔记本和台式机SSD：P400主要特点：（1）PCIeGen4×4接口，符合NVMe1.3

传输速率上限4,500MB/s（2）3DNANDFlash

高容量、高效率、更耐久（3）M.22280外形

小巧轻薄，节省空间紫晶存储03ZL系列光存储系统主要特点：（1）产品线完整

能够满足绝大部分需求，具有小规模到PB级的海量存储（2）安全可靠

RRC数据的校验技术，单盘可读，拥有着超过50年的保存年限，且不可被篡改（3）磁光电一体化存储

能够实现超长时间的数据存储（4）无缝集成

集成多种方案，实现数据归档、备份、分层、容灾ZL系列光存储系统产品型号ZL600ZL1800ZL2520ZL6120ZL12240容量60TB180TB504TB1224TB2448TB光盘装载量60018002520612012240最大光驱数66122448网络接口1Gb/10GbEthernet平均抓取时间14s14s60s60s60s最大传输速率162MB/s162MB/s324MB/s648MB/s1296MB/s电源电压100-240VAC/47-63Hz尺寸标准19英寸24U机柜标准19英寸37U机柜19英寸25U机架标准19英寸42U机柜000x800x2090mm满载重量150kg240kg180kg454kg1028kg工作环境温度10°C-35°C，湿度20%-80%MHL系列光存储系统主要特点：（1）光盘竖置

符合国家档案馆对数据光盘的存放要求（2）模块化设计

模块为可扩展的4U存储节点（3）磁光电一体化存储

能够实现超长时间的数据存储（4）无缝集成

集成多种方案，实现数据归档、备份、分层、容灾（5）安全可靠50年以上保存年限，不被篡改，RRC数据校验技术，单盘可读MHL系列光存储系统参数具体数值产品型号MHL50/MHL100架构Scale-Up纵向扩展最大支持节点10/机柜可装载盘片数500张/节点单盘容量100GB/200GB最大存储容量100TB/节点支持光驱数12/节点最大传输速率216MB/S节点平均抓取时间30s协议标准NAS接口，支持CIFS，NFS；网络接口6x1GbE/节点MBD系列光盘摆渡机系统

软硬件一体化的单向信息的光盘摆渡机，在网络间设置组织，内部为物理隔离，确保各网络间设备的独立，过光盘介质进行单向数据传输，网络间实现数据摆渡。另外，还提供了防病毒、数据完整性校验、内容关键字过滤等功能。参数具体数值产品型号MBD50光驱数量刻录光驱x1；只读光驱x1最大光盘数量50光盘规格25GB；100GB网络服务器接口CIFS/SMB；NFS；FTP；数据库接口电源+100VAC～+240VAC工作环境+15℃～+35℃（工作温度）；-30℃～+55℃（存储温度）尺寸614mm×220mm×503mm（长×宽×高）重量≤50kgThanks

国外存储器第4章存储器华南理工大学51010302三星西部数据希捷04东芝三星01DRAM：双倍数据率同步动态随机存储器

三星业界先进的DDR3于2005年开发而成，是应用极为广泛的系统解决方案，无论是在PC和家用电器还是在汽车设备中，都得到广泛应用。

速度出色的四代双倍数据率同步动态随机存储器能传输更多的数据，为降低交错延迟它提供4个储库组（共16个储库），1TB/s内存，3,200Mbps带宽，可以实现工作的快速处理。DRAM：高带宽存储器

三星HBM（高带宽存储）解决方案已为高性能计算(HPC)进行优化，提供支持下一代技术如人工智能(AI)所需的性能DRAM：显存

凭着业界内相对高速的数据传输速率，三星GDDR6具有高带宽，以及高速率，相对于使用同等密度配置的8Gb解决方案，其节省功耗能力显著。DRAM：低功耗双倍数据率同步动态随机存储器

速度1.5倍于上一代产品的三星五代低功耗双倍数据率同步动态随机存储器，引脚速度6,400Mbps，实现了51.2GB/s的强大传输能力。三星五代低功耗双倍数据率同步动态随机存储器更节能高达20%。设备电池可以维持一整天。低功耗双倍数据率同步动态随机存储器的高速度和低能耗使移动和车载设备能够跟上人工智能技术以及自动驾驶、5G网络、优质显示屏选择和下一代相机创新的发展。SSD产品类别代表产品及介绍消费级固态硬盘能够给PC提供性能卓越的SSD功能的PM981a。支持加速写入以及PCIe接口标准，在省电模式下，也可实现高速率的性能。数据中心级固态硬盘PM983借助应用PCIeGen3为读取密集型数据中心提供十分出色的性能，实现了读写操作的次数(IOPs)每秒进行540K的随机读取和3200MB/s的顺序读取速度。企业级固态硬盘由三星PCIe第4代驱动的PM1733SSD是第3代SSD的两倍吞吐能力。2.5英寸和HHHL两种规格由两种NVMeSSD系列提供，0.8TB至30.72TB为其容量，能够满足全球OEM的需求。Z-固态硬盘Z-SSD可保证5年最高每日30次整盘写入(DWPD)，800GB容量的驱动器总计可写入42PB。NF1固态硬盘NF1SSD不需要进行重大的更改也能够轻松的用在现有的服务器配置。前加载能力、热交换以及功率损耗保护(PLP)等功能，使NF1SSD可轻松可靠的替换现有的2.5英寸和M.2驱动器。嵌入式存储器嵌入式多媒体卡通用闪存eMMC产品阵容非常先进且极具竞争力，能够以更快的处理速度为当今体积更小、更轻薄的智能手机和平板电脑提供卓越性能。eMMC5.1可轻松处理繁重的工作负载，实现最高达330MB/s和200MB/s（基于64GB）的顺序读/写速度。UFS3.1能够满足5G设备，具有速率超过上一代3倍以上通用闪存存储。此设备速度1,200MB/s，实现了5G的低延迟连接性。嵌入式存储器西部数据02西部数据闪迪至尊极速移动固态硬盘可提供高性能传输，其读取速度最高可达550MB/s，且能够迅速移出文件。用于存储分辨率高的照