Long History of Memory

• 인류가 시작된 이후, Memory는 다양한 형태로 진화해 왔다.

Category of Silicon-Based Memory

Magnetic Disk

• 자기 매체에 데이터를 저장하는 저장소
• 자화 가능한 물질의 다양한 자화 패턴을 사용하여 데이터를 저장
• 비휘발성 메모리
• 테이프, 플로피 디스크, 마그네틱 카드, 하드 디스크 드라이브 (HDD)
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• 저장된 비트는 일련의 자화된 입자
  • Write: 전류 → 자기장 → 전류의 극성에 따라 자성 입자를 좌우로 정렬
  • Read: 자화된 영역을 지나는 Head → 양 또는 음의 전류 유도

Disk Drive Structure

• Actuator(+Sensor): 전기를 물리적 에너지로 변환
  • Sensor: 외부 자극을 전기 신호로 변환
• Head: Platter의 데이터를 읽는 역할

Disk Geometry

Similar to LP

Platter

• 디스크는 두 면을 가진 Platter로 구성
• 각각의 표면은 Track이라고 부르는 동심원으로 구성
• 각 Track은 Gap으로 구분되는 Sector로 구성

Multiple Platter

• 정렬된 Track → Cylinder 형성
• Multiple Platter는 양면으로 사용하여 총 용량을 증가시키는 것

Disk Capacity

• Capacity: 저장할 수 있는 최대 비트 수
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• Capacity는 다음 세 가지 기술적 요소로 결정된다.
  • Lineary of Recording Density (Bits / Inch, BPI): Track의 데이터가 얼마나 조밀하게 들어있는지 보여주는 값. Track의 Inch당 비트 수.
  • Track Density (Tracks / Inch, TPI): Plate의 Track이 서로 얼마나 가까운지 보여주는 값. Inch당 Track 수.
  • Areal Density (Bits / Inch$^2$, BPSI): 자기 Disk 1 Inch$^2$에 기록할 수 있는 데이터의 양. Inch$^2$당 Bit 수 (=BPI x TPI)
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• 현대의 Disk는 Track을 Recording Zone이라고 하는 분리된 하위 집합으로 분할한다.
  • 영역 내의 각 Track은 같은 수의 Sector를 가지며 가장 안쪽의 Track의 둘레로 결정된다.
  • 각 영역은 다른 수의 Sector와 Track을 갖는다.

Computing Disk Capacity

• Capacity = (# Bytes / Sector) x (Avg # Sectors / Track) x (# Tracks / Surface) x (# Surfaces / Platter) x (# Platters / Disk)
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• Examples
  • 512 Bytes / Sector
  • 300 Sectors / Track (On Average)
  • 20,000 Tracks / Surface
  • 2 Surfaces / Platter
  • 5 Platters / Disk
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  • Capacity = 512 x 300 x 20,000 x 2 x 5
    ⠀⠀⠀⠀⠀⠀= 30,720,000,000
    ⠀⠀⠀⠀⠀⠀= 30.72 GB

Disk Operation

Single-Platter View

• Arm을 움직여 Head가 Target Sector를 향하게 한다.

Disk Access

Disk Access Time

• 일부 Target Sector에 접근하는 데 걸리는 평균 시간은 다음과 같다.
  

Seek Time

• Target Sector가 포함된 Cylinder 위로 Head를 배치하는 데 걸리는 시간
  Typical Seek Time

Rotational Latency For Random Read

• Target Sector의 첫 번째 비트가 R/W Head 아래로 전달될 때까지 기다리는 시간
  

Tranfer Time

• Target Sector의 비트를 읽는 시간
  

Example

• Given Information
  • Rotational Rate = 7200 RPM
  • Average Seek Time = 9 ms
  • Average # of Sectors / Track = 400
• Derived Information
  • Average Rotational Latency = 1/2 x (60 secs / 7200 RPM) x 1000 ms/sec = 4 ms
  • Average Transfer Time = (60 secs / 7200 RPM) x 1/400 x 1000 ms/sec = 0.02 ms
  • Disk Access Time = 9 ms + 4 ms + 0.02 ms = 13.02 ms
• Important Points
  • Access Time은 Seek Time과 Rotational Latency이 지배적이다.
  • Sector의 첫 번째 비트가 가장 비싸다.

Types of Access Time

• 연속적인 Sector에 접근하는 것이 무작위 접근보다 빠르다.
  • Sequential Read: Transfer Time → 병목 현상
  • Random Read: Seek Time + Rotational Latency → 병목 현상

Logical Disk Blocks

• 최신 Disk는 복잡한 Sector 기하학에 대한 더 간단하고 추상적인 보기를 제공한다.
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• Logical Block과 실제 Sector 간의 Mapping
  • Disk Controller라고 불리는 하드웨어/펌웨어 장치에 의해 유지된다.
  • Logical Block을 위한 요청을 Surface, Track, Sector로 변환한다.
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• Controller가 각 구역에 예비 Cylinder를 따로 보관할 수 있게 한다.
  • 포맷된 용량과 최대 용량의 차이를 고려한다.