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 年製の15  GB PATAハード ディスク ドライブ (HDD)。コンピューターに接続すると、セカンダリストレージとして機能します。

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 を採用しており、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、通常、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進法を用い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に設定して1を、0に設定してリセットし、セルを読み出すことでアクセスできます。[2] [3]

テキスト、数字、画像、音声など、ほぼあらゆる形式の情報は、ビット列、つまり0または1の値を持つ2進数の文字列に変換できます。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で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などの文字エンコード、JPEGなどの画像エンコード、MPEG-4などのビデオエンコード）。

暗号化

セキュリティ上の理由から、ストレージスナップショットの断片から不正な情報復元が行われる可能性を防ぐため、特定の種類のデータはストレージ内で暗号化されることがあります。転送中の暗号化は、転送中のデータを保護します。[4]

圧縮

データ圧縮手法は、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復元（「解凍」）することを可能にします。これにより、多くの種類のデータにおいて、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、ストレージ使用量を大幅に削減できます。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削減と、関連する計算コスト、およびデータ可用性における遅延の可能性との間のトレードオフを分析します。

脆弱性と信頼性

データストレージの種類によって障害発生ポイントが異なり、予測障害分析の方法も異なります。瞬時に全データ損失につながる脆弱性としては、機械式ハードドライブのヘッドクラッシュやフラッシュストレージの電子部品の故障などが挙げられます。

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、通信やストレージにおけるエラー検出に一般的に使用されます。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予測は、稼働時間やスピンアップ回数を含むSMART診断データを用いて行うことができますが、その信頼性には議論があります。 [5]光学メディアの状態は、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。軽微なエラー数が多い場合は、メディアの劣化や品質低下を意味します。軽微なエラーが連続して発生すると、データ破損につながる可能性があります。すべての光学ドライブのベンダーや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、コンピュータは決まった演算しか実行できず、その結果をすぐに出力することになるため、新しいプログラムを実行するにはハードウェアを再構成する必要があります。これは、卓上電卓、デジタル信号プロセッサ、その他の専用デバイスなどのデバイスでよく使用されます。フォン・ノイマン型マシンは、演算命令とデータを格納す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で連続する計算間の状態を維持して複雑な手続き型の結果を構築できるため、設計が簡単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・ノイマン型マシンです。

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）を指します。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。一方、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、一次記憶装置と二次記憶装置のメモリ階層は、歴史的にはそれぞれ二次記憶装置と三次記憶装置と呼ばれていたものを指す場合もあります。[8]

主要な

様々な形態の記憶装置は、中央処理装置からの距離に応じて分類されます。汎用コンピュータの基本構成要素は、演算処理装置、制御回路、記憶装置、入出力装置です。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を備えています。

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る）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、均一な方法でそこに保存されます。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、主流でした。

これが、小型軽量で比較的高価な現代のランダムアクセスメモリ（RAM）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。RAMは、起動中の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も機能し、読み取りと書き込み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に必要とされない限り、キャッシュのためにRAMの容量を借ります。[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。大容量のメイン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。

  • プロセッサレジスタは、あらゆるデータストレージ形式の中で最も高速であり、プロセッサ内部に配置されています。各レジスタは通常、1ワードのデータ（多くの場合32ビットまたは64ビット）を保持します。CPU命令は、算術論理ユニットにこのデータに対する様々な計算やその他の操作を実行するよう指示します。
  • プロセッサキャッシュは、高速レジスタと低速メインメモリの中間段階に位置し、メインメモリよりも高速ですが、容量ははるかに小さいです。また、階層型キャッシュ構成も一般的に採用されており、プライマリキャッシュは最小サイズで高速、セカンダリキャッシュは大容量で低速となっています。

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的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）が保存されており、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では、プログラムの変更がまれであるため、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では、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る）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は保持されます。二次記憶装置は安価であるため、現代のコンピュータシステムは通常、一次記憶装置よりも2桁ほど大きな二次記憶装置を搭載しています。

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、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に到達し、データが書き込まれると、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別の方法として、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方法があります。例えば、RAIDが挙げられます。[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、データをファイルや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、アクセス時刻、アクセス権限などの情報を示す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頻度の低いチャンク（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、必要に応じて後で取得します。

第三紀

大型のテープライブラリ。前面の棚には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。

三次記憶装置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記憶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、二次記憶装置よりもはるかに低速（例えば、1～10ミリ秒に対して5～60秒）であるため、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、人間の操作なしでアクセスされる非常に大規模なデータストアに特に役立ちます。代表的な例としては、テープライブラリ、光学式ジュークボックス、 MAID（大規模アイドルディスクアレイ）などがあります。三次記憶装置は「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]この媒体は通常、二次記憶装置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、人間の介入なしにはアクセスできません。切り離された媒体は物理的に容易に運搬できるため、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、ほとんどの二次記憶装置および三次記憶装置がオフラインストレージとしても使用されています。

ネットワーク接続

二次ストレージまたは三次ストレージは、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することができます。この概念は一次ストレージには適用されません。

雲

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なインターフェース、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利用することも、オンプレミスで展開することもできます。[15]

展開モデル

クラウド展開モデルは、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]

  • 例えば、プライベートクラウドは、アウトソーシングされたデータストレージの攻撃対象領域の拡大を軽減するためにクラウドセキュリティで使用されます。 [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、内部で管理されるか、サードパーティによって管理されるか、内部または外部でホストされます。[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利用する、クラウドセキュリティソリューションの1つです。オンプレミスストレージは通常、組織が管理し、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に責任を負います。[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でキーが保持される暗号化形式でデータを取り込むことができ、オンプレミスのクラウドストレージゲートウェイへのアクセスを制限できます。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用意されている場合もあります。[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提供される場合、「パブリック」とみなされます。[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から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の 1 GiB モジュール

ストレージ階層のあらゆる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するだけでなく、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以下のとおりです。

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）チップを用いて情報を保存します。データは通常、金属酸化膜半導体（MOS）メモリセルに保存されます。半導体メモリチップには、微小な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、揮発性の動的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。20世紀に入ってからは、フラッシュメモリと呼ばれる不揮発性浮遊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、様々な高度な電子機器や、それら向けに設計された専用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年にはすでに、ノートパソコンやデスクトップパソコンのメーカーは、従来のHDDに加えて、あるいはHDDの代わりに、フラッシュベースのソリッドステートドライブ（SSD）を二次ストレージのデフォルト構成オプションとして使い始めていました。 [35] [36] [37] [38] [39]

磁気

磁気ストレージは、磁性コーティングされた表面の異なる磁化パターンを用い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つまたは複数の記録トランスデューサーを含む1つまたは複数の読み取り/書き込みヘッドによって行われます。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ーでは、磁気ストレージは以下の形態をとります。

初期のコンピュータでは、磁気ストレージは次のような用途にも使用されていました。

磁気ストレージは、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に、書き換え回数に明確な制限がありません。これは、磁場の変化によって物理的な摩耗が起こらないためです。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光を観察することで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。凹凸は永久的なもの（読み取り専用メディア）、一度だけ形成されるもの（書き込み専用メディア）、または可逆的なもの（記録可能または読み書き可能なメディア）があります。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) の大量配布に使用されます。
  • CD-R、DVD-R、DVD+R、BD-R : 一度だけ書き込み可能なストレージ。三次およびオフライン ストレージとして使用されます。
  • CD-RW、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM、BD-RE : 書き込みは低速、読み取りは高速のストレージ。三次ストレージおよびオフライン ストレージとして使用されます。
  • Ultra Density Optical (UDO) は、 BD-R や BD-REと容量が似ており、三次ストレージやオフライン ストレージに使用される書き込み速度が遅く、読み取り速度が速いストレージです。

光磁気ディスクストレージは、強磁性表面の磁気状態を利用して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、磁気と光学の手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、低速書き込み、高速読み出しのストレージであり、三次ストレージやオフラインストレージとして使用されます。

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は、高速で低消費電力の磁気光ストレージとしても提案されている。[43]

紙

紙によるデータストレージは、一般的に紙テープやパンチカードの形で、自動処理のための情報保存に長年使用されてきました。特に汎用コンピュータが登場する以前はそうでした。情報は紙や厚紙などの媒体に穴を開けることで記録され、機械的に（後に光学的に）読み取られ、媒体上の特定の場所が無地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した。

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、非常に長期の保存のために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ができます。 [44] [45]

他の

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（General Services Administration ）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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  50. ^ Erlich, Yaniv; Zielinski, Dina (2017年3月2日). 「DNAファウンテンは堅牢かつ効率的なストレージアーキテクチャを実現する」. Science . 355 (6328): 950– 954. Bibcode :2017Sci...355..950E. doi :10.1126/science.aaj2038. PMID  28254941. S2CID  13470340.

さらに読む

  • アメリア・アッカー. 2025. 「アーカイブマシン：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