13 Hard disk & Flash memory (보조기억장치)

하드 디스크(하드 드라이브 또는 HDD)는 컴퓨터 시스템에서 데이터를 저장하는 주요 저장 장치 중 하나입니다. 이는 전기적인 기계적인 시스템으로 이루어져 있으며, 데이터를 비휘발성으로 저장합니다. 즉, 전원이 꺼져도 데이터는 보존됩니다.

하드디스크의 구성 

• 플래터(Platter): 하드 디스크에는 하나 이상의 원형 디스크가 있습니다. 각 디스크는 매우 얇게 만들어진 금속 또는 유리 재질의 플래터입니다. 플래터의 표면에는 자기적으로 기록된 데이터가 저장됩니다.
• 헤드(Head): 각 플래터 위에는 읽기/쓰기 작업을 수행하는 헤드가 있습니다. 헤드는 실제로 플래터의 표면에 접촉하지 않고 약간의 간격을 유지하면서 데이터를 읽거나 쓸 수 있도록 설계되어 있습니다.
• 암(Arm): 헤드는 암에 부착되어 있습니다. 암은 헤드를 움직이는 역할을 합니다. 하드 디스크의 암은 플래터 위를 이동하면서 특정 위치로 헤드를 이동시킵니다.
• 스핀들(Spindle): 플래터는 스핀들에 의해 회전합니다. 스핀들은 디스크를 안정적으로 유지하면서 정해진 속도로 회전하도록 설계되어 있습니다.
• 컨트롤러(Controller): 하드 디스크의 모든 작업을 제어하고 관리하는 컨트롤러가 있습니다. 컨트롤러는 디스크의 회전 속도, 헤드의 이동 및 데이터의 읽기/쓰기를 조절합니다.

 

하드디스크 저장 단위 

섹터(Sector)

• 섹터는 하드 디스크의 플래터 표면에 있는 작은 데이터 단위입니다.
• 일반적으로 섹터는 512바이트에서 시작하여 더 큰 섹터 크기로 확장되는 추세가 있습니다.
• 하드 디스크의 플래터는 여러 섹터로 나뉘어 있으며, 각 섹터에는 하나의 데이터 블록이 저장됩니다.
• 데이터를 읽거나 쓸 때, 하드 디스크는 섹터 단위로 작업합니다.

트랙(Track)

• 트랙은 하드 디스크의 플래터 상에 원형으로 나열된 경로입니다.
• 각 트랙은 하나의 회전 중에 읽거나 쓸 수 있는 고정된 데이터 경로를 나타냅니다.
• 디스크 표면에는 여러 개의 트랙이 있으며, 각 트랙에는 여러 섹터가 포함됩니다.
• 헤드가 트랙을 따라 이동함으로써 다양한 위치의 데이터에 접근할 수 있습니다.

실린더(Cylinder)

• 실린더는 여러 개의 플래터 중 동일한 트랙에 위치한 것들의 집합체입니다.
• 각 플래터에서 동일한 실린더 번호에 해당하는 트랙들을 묶어 하나의 실린더로 간주합니다.
• 실린더는 섹터 단위로 데이터에 접근할 때 사용되는 개념으로, 트랙의 높이(수직 방향)를 나타냅니다.
• 헤드가 실린더를 따라 이동하면 여러 플래터의 동일한 트랙에 위치한 데이터에 접근할 수 있습니다.

 

하드디스크 데이터 접근 과정 

하드 디스크의 성능을 평가하는 중요한 요소 중 세 가지는 "탐색 시간 (Seek Time)", "회전 지연 (Rotational Latency)", 그리고 "전송 시간 (Transfer Time)"입니다.

• 탐색 시간 (Seek Time) - 탐색 시간은 디스크 헤드가 원하는 트랙으로 이동하는 데 걸리는 시간입니다.
• 회전 지연 (Rotational Latency) - 회전 지연은 디스크의 플래터가 헤드 위치로 회전하는 데 걸리는 시간입니다.
• 전송 시간 (Transfer Time) - 전송 시간은 헤드가 섹터에 도달한 후 실제 데이터를 읽거나 쓰는 데 걸리는 시간입니다.

하드 디스크는 주로 컴퓨터의 운영 체제, 프로그램 파일, 사용자 데이터 등을 저장하는 데 사용됩니다. 최근에는 고성능 및 대용량 SSD(고체 상태 드라이브)가 등장하면서 이들과 경쟁하고 있지만, 여전히 많은 컴퓨터 시스템에서 사용되고 있습니다.

 

 

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플래시 메모리는 비휘발성 메모리(non-volatile memory) 중 하나로, 전기적인 신호를 사용하여 데이터를 기억하는 특징을 가지고 있습니다. 

플래시 메모리는 주로 대용량 저장 장치, USB 드라이브, SSD (Solid State Drive), 메모리 카드 등에 사용되며, 하드 디스크 드라이브(HDD)와 비교하여 속도, 내구성, 에너지 효율성 등에서 우수한 성능을 보여주는데 기여하고 있습니다.

 

 

SCL(Single-Level Cell), MLC(Multi-Level Cell), TLC(Triple-Level Cell), 그리고 QLC(Quad-Level Cell)은 플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 방식을 나타내는 용어들입니다. 이들은 주로 NAND 플래시 메모리에서 사용되는 기술들로, 각 셀이 몇 비트의 데이터를 저장하는지를 나타냅니다.

SCL (Single-Level Cell)

• SCL은 각 셀이 하나의 비트만을 저장하는 형태입니다.
• 각 셀이 두 가지 상태(0 또는 1)만을 나타내므로 가장 단순하고 안정적인 구조를 가지고 있습니다.
• 내구성이 높고 속도가 빠르지만 저장 용량이 적고 가격이 상대적으로 높습니다. 주로 고성능 및 고가의 응용에서 사용됩니다.

MLC (Multi-Level Cell)

• MLC는 각 셀이 두 비트를 저장하는 형태입니다.
• 각 셀은 00, 01, 10, 11과 같이 네 가지 상태를 나타낼 수 있습니다.
• 저장 용량이 높아지고 SLC에 비해 비용이 낮아지지만, 내구성과 속도는 상대적으로 낮아집니다. 주로 소비자 전자제품과 일반적인 저장 장치에서 사용됩니다.

TLC (Triple-Level Cell)

• TLC는 각 셀이 세 비트를 저장하는 형태입니다.
• 여덟 가지 상태를 나타낼 수 있으므로 저장 용량은 더욱 증가하지만, 내구성과 속도는 더욱 감소합니다.
• 대다수의 일반적인 SSD에서 사용되며, 소비자에게 저렴한 가격 대비 높은 저장 용량을 제공합니다.

QLC (Quad-Level Cell)

• QLC는 각 셀이 네 비트를 저장하는 형태입니다.
• 저장 용량이 크게 증가하지만, 내구성과 속도는 더욱 낮아집니다. 주로 대용량 저장 장치와 비용이 중요한 응용에서 사용됩니다.

 

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플래시 메모리는 데이터를 저장하는 데 사용되는 다양한 계층을 갖고 있습니다. 주요 저장 단위로는 페이지(Page), 블록(Block), 플레인(Plane), 다이(Die) 등이 있습니다.

1. 페이지 (Page): 플래시 메모리의 가장 작은 기본 데이터 저장 단위입니다.
2. 블록 (Block): 여러 페이지가 모여 구성된 논리적인 단위입니다. 데이터를 삭제할 때는 블록 단위로 삭제합니다. 
3. 플레인 (Plane): 플래인은 여러 개의 블록을 포함하는 물리적인 단위입니다.
4. 다이 (Die): 다이는 플래시 칩의 최소 단위로, 하나의 플래시 메모리 칩은 여러 다이로 나뉩니다. 각 다이는 독립적인 제어와 데이터 입출력을 수행할 수 있습니다.

이러한 계층 구조는 플래시 메모리의 성능 및 관리를 향상시키기 위해 설계되었으며, 특히 블록과 페이지의 지우기 및 쓰기 동작을 효율적으로 관리함으로써 플래시 메모리의 수명과 성능을 최적화합니다.

 

 

플래시 메모리에서 페이지(Page)의 상태를 나타내는 용어로는 "Free", "Valid", "Invalid", 그리고 "Garbage Collection"이 있습니다. 이러한 상태들은 플래시 메모리에서 데이터의 관리와 유지를 위해 사용됩니다.

• Free (비어 있는 상태): Free 페이지는 현재 사용 중이 아니라고 표시된 페이지를 나타냅니다. 이 페이지는 쓰기 작업에 사용될 수 있는 상태로, 데이터를 저장할 수 있는 빈 페이지입니다.
• Valid (유효한 상태): Valid 페이지는 현재 유효한 데이터가 저장되어 있는 상태를 나타냅니다. 읽기 작업을 수행할 때 해당 페이지에 저장된 데이터를 사용할 수 있습니다.
• Invalid (무효한 상태): Invalid 페이지는 이전에 저장된 데이터가 무효화되었거나 삭제된 상태를 나타냅니다. 무효화된 페이지는 현재 사용되지 않는 상태이며, 데이터를 읽거나 쓰는 데 사용되지 않습니다.
• Garbage Collection (쓰레기 수집): Garbage Collection은 플래시 메모리에서 무효화된 페이지를 식별하고 비어 있는 상태로 만들어 재활용하는 프로세스를 나타냅니다. 쓰레기 수집은 주로 무효화된 페이지가 많아져 공간의 낭비가 발생할 때 수행됩니다. 수집 프로세스는 유효한 데이터를 새로운 위치로 이동시키고, 해당 페이지를 초기화하여 Free 상태로 만듭니다.

페이지의 상태를 관리하고 쓰레기 수집을 효과적으로 수행함으로써 플래시 메모리는 내구성, 성능, 저장 공간 사용 효율성 등의 측면에서 효율적으로 운영됩니다

 

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Hard Disk Drive (HDD): A non-volatile storage device that uses magnetic storage with rapidly rotating disks to store and retrieve digital information.

 

Flash Memory: Non-volatile computer storage that can be electrically erased and reprogrammed, commonly used in USB drives, SSDs, memory cards, and other portable electronic devices.