コンピュータデータストレージ

コンピュータに搭載された1GiB のSDRAM 。プライマリストレージの例。
1999年の15GB  PATAハードディスクドライブ（HDD）。コンピュータに接続すると、セカンダリストレージとして機能 します
Computer memory and data storage types
General
Volatile
RAM
Historical
Non-volatile
ROM
NVRAM
Early-stage NVRAM
Analog recording
Optical
In development
Historical

コンピュータデータストレージまたはデジタルデータストレージとは、コンピュータコンポーネントと記録媒体からなる技術を介してデジタルデータを保持することです。デジタルデータストレージは、コンピュータの中核機能であり、基本的な構成要素です。[1] : 15–16 

一般的に、高速で揮発性のストレージコンポーネントは「メモリ」と呼ばれ、低速で永続的なコンポーネントは「ストレージ」と呼ばれます。この区別はフォン・ノイマン・アーキテクチャで拡張され、中央処理装置（CPU）は制御ユニットと算術論理ユニット（ALU）という2つの主要な部分で構成されます。前者はCPUとメモリ間のデータフローを制御し、後者はデータに対して算術演算と論理演算を実行します。実際には、ほとんどすべてのコンピュータはメモリ階層[1] : 468–473 を使用しており、メモリはCPUの近くに、ストレージはCPUから離れた場所に配置されます。

現代のコンピュータでは、ハードディスクドライブ（HDD）またはソリッドステートドライブ（SSD）が通常、ストレージとして使用されます。

データ

現代のデジタルコンピュータは、2進数システムを使用してデータを表します。メモリセルはコンピュータメモリの基本的な構成要素であり、1ビットの2進情報を格納します。この情報は、1を格納するように設定し、0を格納するようにリセットし、セルを読み取ることでアクセスできます。[2] [3]

テキスト、数値、画像、音声、その他ほぼあらゆる形式の情報は、それぞれが0または1の値を持つビット列、つまり2進数に変換できます。最も一般的な記憶単位は8ビットに相当するバイトです。デジタルデータは、情報の2進表現で構成され、多くの場合、各文字、数字、またはマルチメディアオブジェクトにビットパターンを割り当てることによってエンコードされます。エンコードには多くの標準が存在します（例：ASCIIのような文字エンコード、JPEGのような画像エンコード、MPEG-4のようなビデオエンコード）。

暗号化

セキュリティ上の理由から、特定の種類のデータは、ストレージスナップショットのチャンクから不正な情報の再構築を防ぐため、ストレージ内で暗号化される場合があります。転送中の暗号化は、送信中のデータを保護します。[4]

圧縮

データ圧縮方法により、多くの場合（データベースなど）、ビット列をより短いビット列で表現し（「圧縮」）、必要に応じて元の文字列を再構築（「解凍」）することができます。これにより、多くの種類のデータに対して、より多くの計算（必要に応じて圧縮および解凍）を犠牲にして、大幅に少ないストレージ（数十％）を使用します。特定のデータを圧縮したままにするかどうかを決定する前に、ストレージコストの節約と関連する計算のコスト、およびデータ可用性の遅延の可能性とのトレードオフの分析が行われます。

脆弱性と信頼性

異なる種類のデータストレージには、異なる障害点があり、予測障害分析のさまざまな方法があります。即座に全損につながる可能性のある脆弱性は、機械式ハードドライブのヘッドクラッシュとフラッシュストレージの電子部品の故障です。

冗長性

冗長性により、コンピューターは符号化されたデータ内のエラー（例えば、ランダムな放射線によるランダムなビット反転）を検出し、数学的アルゴリズムに基づいて修正することができます。巡回冗長検査（CRC）方式は、通常、通信とストレージにおけるエラー検出に使用されます。冗長性ソリューションには、ストレージレプリケーション、ディスクミラーリング、RAID（Redundant Array of Independent Disks）などがあります。

エラー検出

DVD+Rのエラー率測定。軽微なエラーは修正可能であり、正常な範囲内です。

ハードディスクドライブの故障の可能性は、稼働時間とスピンアップ回数を含むSMART診断データを使用して推定できますが、その信頼性には議論があります。 [5]光メディアの健全性は、修正可能な軽微なエラーを測定することで判断できます。エラー数が多い場合は、メディアの劣化または品質の低下を意味します。軽微なエラーが連続して多すぎると、データ破損につながる可能性があります。すべてのベンダーと光学ドライブモデルがエラースキャンをサポートしているわけではありません。[6]

建築

十分な量のメモリがなければ、コンピュータは固定された演算しか実行できず、その結果を即座に出力することしかできないため、新しいプログラムを実行するにはハードウェアの再構成が必要になります。これは、卓上電卓、デジタル信号プロセッサ、その他の特殊なデバイスでよく使用されます。フォン・ノイマン・マシンは、演算命令とデータが格納されるメモリを備えている点で異なります。 [1] : 20 そのため、新しいプログラムごとにハードウェアを再構成する必要がなく、新しいメモリ内命令で簡単に再プログラムできます。また、比較的単純なプロセッサが連続する計算間の状態を保持して複雑な手続き型の結果を構築できるため、設計が単純になる傾向があります。現代のコンピュータのほとんどはフォン・ノイマン・マシンです。

ストレージとメモリ

現代の用法では、「ストレージ」という用語は通常、CPUが直接アクセスできないストレージデバイスとそのメディア、つまり二次ストレージまたは三次ストレージで構成されるコンピュータデータストレージのサブセットを指します。一般的なストレージの形式には、ハードディスクドライブ、光ディスクドライブ、不揮発性デバイス（つまり、コンピュータの電源を切っても内容を保持するデバイス）などがあります。[7]一方、「メモリ」という用語は、半導体の 読み書き可能なデータストレージ、通常はダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）を指すために使用されます。ダイナミックランダムアクセスメモリは揮発性メモリの一種で、保存された情報を定期的に再読み取りおよび再書き込み、つまりリフレッシュする必要があります。スタティックRAM（SRAM）はDRAMに似ていますが、電源が供給されている限りリフレッシュする必要はありません。

現代の用法では、一次ストレージと二次ストレージのメモリ階層は、歴史的にそれぞれ二次ストレージと三次ストレージと呼ばれていたものを指す場合があります。[8]

一次

中央処理装置からの距離に応じて分類される様々な形式の記憶装置。汎用コンピュータの基本構成要素は、算術論理演算装置、制御回路、記憶スペース、および入出力デバイスです。 2005年頃の一般的な家庭用コンピュータと同様の技術と容量です。

一次記憶装置（メインメモリ、内部メモリ、プライムメモリとも呼ばれます）は、単にメモリと呼ばれることが多く、CPUに直接アクセスできる記憶装置です。CPUはそこに保存されている命令を継続的に読み取り、必要に応じて実行します。アクティブに操作されるデータも、そこに均一な方法で保存されます。歴史的に、初期のコンピュータは、遅延線、ウィリアムズ管、または回転磁気ドラムを一次記憶装置として使用していました。1954年までに、これらの信頼性の低い方法はほとんどが磁気コアメモリに置き換えられました。コアメモリは、集積回路技術の進歩により半導体メモリが経済的に競争力を持つ ようになった1970年代まで、主流であり続けました

これが、小型で軽量、そして比較的高価な現代のランダムアクセスメモリの誕生につながりました。主記憶装置として使用されるRAMは揮発性であり、電源が入っていないと情報が失われます。開いているプログラムを保存するだけでなく、ディスクキャッシュや書き込みバッファとして機能し、読み取りと書き込みの両方のパフォーマンスを向上させます。オペレーティングシステムは、実行中のソフトウェアで必要とされない限り、キャッシュのためにRAM容量を借ります。[9]予備メモリは、一時的な高速データストレージ用のRAMドライブとして利用できます。メインの大容量RAMに加えて、主記憶装置にはさらに2つのサブレイヤーがあります。

ROM、EEPROM、NORフラッシュ、RAM [ 10]などの一次記憶装置は、通常、バイトアドレス指定可能です。このようなメモリは、アドレスバスとデータバスで構成されるメモリバスを介して、中央処理装置に直接または間接的に接続されます。CPUはまず、データの目的の位置を示すメモリアドレスと呼ばれる数値をアドレスバスを介して送信します。次に、データバスを使用してメモリセルのデータを読み書きします。さらに、メモリ管理ユニット（MMU）は、CPUとRAMの間にある小さなデバイスで、実際のメモリアドレスを再計算します。メモリ管理ユニットはメモリ管理を可能にし、たとえば、仮想メモリやその他のタスクの抽象化を提供します。

BIOS

不揮発性の一次記憶装置には、小さな起動プログラム（BIOS）が含まれており、コンピュータのブートストラップ、つまり不揮発性の二次記憶装置からRAMに大規模なプログラムを読み込み、実行を開始するために使用されます。この目的で使用される不揮発性技術は、読み取り専用メモリ（ROM）と呼ばれます。ほとんどの種類の「ROM」は文字通り読み取り専用ではありませんが、書き込みが困難で時間がかかります。一部の組み込みシステムは、プログラムがめったに変更されないため、ROMから直接プログラムを実行します。標準的なコンピュータは、ファームウェアを除いて、ROMに多くのプログラムを保存せず、大容量の二次記憶装置を使用します。

二次

二次記憶装置（外部メモリまたは補助記憶装置とも呼ばれます）は、CPUから直接アクセスできないという点で一次記憶装置とは異なります。コンピュータは入出力チャネルを使用して二次記憶装置にアクセスし、必要なデータを一次記憶装置に転送します。二次記憶装置は不揮発性であり、電源を切ってもデータを保持します。現代のコンピュータシステムは通常、二次記憶装置が安価であるため、一次記憶装置よりも2桁多い二次記憶装置を備えています

現代のコンピュータでは、ハードディスクドライブ（HDD）またはソリッドステートドライブ（SSD）が二次記憶装置として一般的に使用されています。HDDまたはSSDの1バイトあたりのアクセス時間は通常ミリ秒単位で測定されますが、一次記憶装置の1バイトあたりのアクセス時間はナノ秒単位で測定されます。CDドライブやDVDドライブなどの回転式光記憶装置は、アクセス時間がさらに長くなります。その他の二次記憶装置技術の例としては、USBフラッシュドライブ、フロッピーディスク、磁気テープ、紙テープ、パンチカード、RAMディスクなどがあります。

シーク時間と回転レイテンシを削減するために、HDD、ODD、SSDなどの二次記憶装置は、大きな連続ブロック単位でディスクとの間で転送されます。二次記憶装置はブロック単位でアドレス指定可能です。HDDのディスク読み取り/書き込みヘッドが適切な位置とデータに到達すると、トラック上の後続のデータへのアクセスは非常に高速になります。I/Oボトルネックを軽減するもう1つの方法は、複数のディスクを並列に使用して、一次記憶装置と二次記憶装置間の帯域幅を増やすことです。たとえば、RAIDを使用します。[11]

二次記憶装置は、多くの場合、ファイルシステム形式に従ってフォーマットされます。ファイルシステム形式は、データをファイルとディレクトリに整理するために必要な抽象化を提供するとともに、特定のファイルの所有者、アクセス時間、アクセス許可、その他の情報を記述するメタデータも提供します。ほとんどのコンピュータオペレーティングシステムは仮想メモリの概念を使用しており、システムで物理的に利用可能な容量よりも多くの一次記憶装置容量を利用できます。一次記憶装置がいっぱいになると、システムは最も使用されていないチャンク（ページ）を二次記憶装置上のスワップファイルまたはページファイルに移動し、後で必要に応じて取得します。

三次

大型のテープライブラリ。前面の棚にテープカートリッジが置かれ、背面ではロボットアームが動いています。ライブラリの目視可能な高さは約180cmです

三次ストレージまたは三次メモリは、通常、システムの要求に応じて、カタログデータベースからストレージデバイスにリムーバブル大容量ストレージメディアをマウントおよびマウント解除するロボットアームを備えています。これは、二次ストレージよりもはるかに遅いため（例：5～60秒対1～10ミリ秒）、主に頻繁にアクセスされない情報のアーカイブに使用されます。これは主に、人間のオペレーターなしでアクセスされる非常に大規模なデータストアに役立ちます。典型的な例としては、テープライブラリ、光学式ジュークボックス、および大規模アイドルディスクアレイ（MAID ）などがあります。三次ストレージは「オンラインに近い」ため、ニアラインストレージとも呼ばれます。[12]階層型ストレージ管理は、長期間使用されていないファイルを高速ハードディスクストレージからライブラリまたはジュークボックスに自動的に移行するアーカイブ戦略です。

オフライン

オフラインストレージとは、処理装置の制御下にない媒体またはデバイス上のコンピュータデータストレージです。[13]媒体は通常、二次または三次記憶装置に記録され、その後物理的に取り外されます。三次記憶装置とは異なり、人間の介入なしにアクセスすることはできません。切り離された媒体は物理的に容易に輸送できるため、情報の転送に使用されます。現代のパーソナルコンピュータでは、ほとんどの二次および三次記憶装置がオフラインストレージにも使用されています。

ネットワーク接続

二次または三次記憶装置は、コンピュータネットワークを利用してコンピュータに接続できます。この概念は一次ストレージには関係ありません。

クラウド

クラウドストレージは、高度に仮想化されたインフラストラクチャに基づいています。[14]クラウドコンピューティングのサブセットであり、クラウドネイティブインターフェース、ほぼ瞬時の弾力性と拡張性、マルチテナント、従量制リソースを備えています。クラウドストレージサービスは、オフプレミスサービスから使用することも、オンプレミスで展開することもできます。[15]

導入モデル

クラウド導入モデルは、クラウドプロバイダーと顧客間のやり取りを定義します。[16]

  • たとえば、プライベートクラウドは、クラウドセキュリティにおいて、データストレージのアウトソーシングによる攻撃対象領域の拡大を軽減するために使用されます。[17]プライベートクラウドとは、単一の組織専用に運用されるクラウドインフラストラクチャであり、社内またはサードパーティによって管理されるか、社内または社外でホストされます。[18]
  • ハイブリッドクラウドストレージは、オンプレミスのストレージリソースとクラウドストレージを組み合わせたストレージインフラストラクチャを含む、もう1つのクラウドセキュリティソリューションです。オンプレミスストレージは通常、組織によって管理され、パブリッククラウドストレージプロバイダーはクラウドに保存されたデータの管理とセキュリティを担当します。[19] [20]ハイブリッドモデルを使用すると、オンプレミスインフラストラクチャ内にキーが保持され、オンプレミスのクラウドストレージゲートウェイの使用へのアクセスを制限できます。オンプレミスのクラウドストレージゲートウェイには、転送前にデータを暗号化するオプションがある場合があります。[21]
  • クラウドサービスは、パブリックインターネット経由で配信される場合、「パブリック」と見なされます。[22]
    • 仮想プライベートクラウド（VPC）は、パブリッククラウド内の共有リソースプールであり、リソースを使用する異なるユーザー間で一定レベルの分離を提供します。VPCは、ユーザー間のプライベートIPサブネットと仮想通信構造（VLANや暗号化された通信チャネルのセットなど）の割り当て、およびVPCユーザーごとの仮想プライベートネットワーク（VPN）の使用を通じてユーザーの分離を実現し、認証と暗号化によって組織のVPCリソースへのリモートアクセスを保護します。[要出典]

種類

クラウドストレージには3つの種類があります。

特徴

ノートパソコン用 DDR2 RAM 1GiBモジュール

ストレージ階層のすべてのレベルにおけるストレージ技術は、特定のコア特性を評価し、特定の実装に固有の特性を測定することで差別化できます。これらのコア特性は次のとおりです。

概要
特性ハードディスクドライブ光ディスクフラッシュメモリランダムアクセスメモリリニアテープオープン
技術磁気レーザービーム半導体磁気テープ
揮発性なしなしなし揮発性なし
ランダムアクセスありありありありなし
レイテンシ（アクセス時間）約15ミリ秒（迅速）約150ミリ秒（中程度）なし（瞬時）なし（瞬時）ランダムアクセスの欠如（非常に遅い）
コントローラー内部外部内部内部外部
データ損失の差し迫った障害ヘッドクラッシュ—回路—
エラー検出診断（SMART）エラー率測定転送速度の低下によって示される（短期ストレージ）不明
容量あたりの価格低低高非常に高い非常に低い（ただし、ドライブは高価）
ユニットあたりの価格中低中高中（ただし、ドライブは高価）
主な用途中期アーカイブ、定期バックアップ、サーバー、ワークステーションのストレージ拡張長期アーカイブ、ハードコピーの配布携帯型電子機器、オペレーティングシステムリアルタイム長期アーカイブ

メディア

半導体

半導体メモリは、半導体ベースの集積回路（IC）チップを使用して情報を保存します。データは通常、金属酸化物半導体（MOS）メモリセルに保存されます。半導体メモリチップには、小さなMOS電界効果トランジスタ（MOSFET）やMOSコンデンサで構成される数百万個のメモリセルが含まれている場合があります。半導体メモリには揮発性と不揮発性の両方があり、前者は標準的なMOSFETを使用し、後者はフローティングゲートMOSFETを使用します

現代のコンピュータでは、一次記憶装置はほぼすべて、揮発性ダイナミック半導体ランダムアクセスメモリ（RAM）、特にダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）で構成されています。世紀の変わり目以降、フラッシュメモリとして知られる不揮発性フローティングゲート半導体メモリの一種が、家庭用コンピュータのオフラインストレージとして着実にシェアを拡大​​してきました。不揮発性半導体メモリは、さまざまな高度な電子機器や、それら向けに設計された特殊なコンピュータの二次記憶装置としても使用されています。

2006年には早くも、ノートパソコンやデスクトップコンピュータのメーカーは、従来のHDDに加えて、または代わりに、二次記憶装置のデフォルト構成オプションとして、フラッシュベースのソリッドステートドライブ（SSD）を使い始めました。 [35] [36] [37] [38] [39]

磁気

磁気ストレージは、磁気コーティングされた表面の異なる磁化パターンを使用して情報を保存します。磁気ストレージは不揮発性です。情報へのアクセスは、1つ以上の記録トランスデューサーを含む1つ以上の読み取り/書き込みヘッドを使用して行われます。読み取り/書き込みヘッドは表面の一部のみを覆うため、データにアクセスするには、ヘッドまたは媒体、あるいはその両方を他のヘッドに対して相対的に移動させる必要があります。現代のコンピュータでは、磁気ストレージは以下の形式をとります。

初期のコンピュータでは、磁気ストレージは以下としても使用されていました。

磁気ストレージは、磁場の変化によって物理的な摩耗が発生しないため、フラッシュストレージや書き換え可能な光メディアのような書き換え回数の明確な制限はありません。むしろ、その寿命は機械部品によって制限されます。[40] [41]

光学

光ストレージ、典型的な光ディスクは、円形ディスクの表面の凹凸に情報を保存し、レーザーダイオードで表面を照射して反射を観察することでこの情報を読み取ります。光ディスクストレージは不揮発性です。凹凸は永続的（読み取り専用メディア）、一度だけ形成される（追記型メディア）、または可逆的（記録可能または読み書き型メディア）です。2009年現在、以下の形式が一般的に使用されています。[42]

  • CD、CD-ROM、DVD、BD-ROM：読み取り専用ストレージ。デジタル情報（音楽、ビデオ、コンピュータプログラム）の大量配信に使用されます。
  • CD-R、DVD-R、DVD+R、BD-R：追記型ストレージ。三次およびオフラインストレージに使用されます。
  • CD-RW、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM、BD-RE：書き込み速度が遅く、読み取り速度が速いストレージ。三次およびオフラインストレージに使用されます
  • 超高密度光ディスク（UDO）は、 BD-RやBD-REと容量が同等で、書き込みは低速、読み出しは高速のストレージであり、三次およびオフラインストレージに使用されます。

光磁気ディスクストレージは、強磁性表面の磁気状態が情報を保存する光ディスクストレージです。情報は光学的に読み取られ、磁気的方法と光学的方法を組み合わせて書き込まれます。光磁気ディスクストレージは、不揮発性、シーケンシャルアクセス、書き込みは低速、読み出しは高速のストレージであり、三次およびオフラインストレージに使用されます。

3D光データストレージも提案されています。

磁性光伝導体における光誘起磁化溶融も、高速で低消費電力の磁気光ストレージとして提案されています。[43]

論文

紙のデータストレージは、通常、紙テープまたはパンチカードの形で、自動処理のための情報の保存に長い間使用されてきました。特に汎用コンピュータが存在する以前はそうでした。情報は紙または厚紙の媒体に穴を開けることで記録され、機械的に（または後に光学的に）読み取られ、媒体上の特定の場所が固体であるか穴が開いているかが判断されました。バーコードにより、販売または輸送される物品にコンピュータで読み取り可能な情報を安全に添付することが可能になります

比較的少量のデジタルデータ（他のデジタルデータストレージと比較して）は、紙の寿命が磁気データストレージよりも長いため、マトリックスバーコードとして紙にバックアップすることで、非常に長期保存が可能です。[44] [45]

その他

参照

ウィキバーシティには、コンピュータ・データ・ストレージに関する学習リソースがあります。

二次、三次、オフライン・ストレージのトピック

注記

参考文献

パブリックドメイン この記事には、連邦規格1037C（一般調達局）のパブリックドメイン資料が含まれています。 2022年1月22日時点のオリジナルからのアーカイブ。

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参考文献

  • アメリア・アッカー。2025年。マシン：パンチカードからプラットフォームへ」。MITプレス
  • 合田 憲一; 喜連川 正之 (2012). 「ストレージシステムの歴史」. Proceedings of the IEEE . 100 : 1433–1440 . doi : 10.1109 /JPROC.2012.2189787 .
  • メモリとストレージ、コンピュータ歴史博物館
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