コンピュータデータストレージ

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は、デジタルデータを保持するために使用されるコンピュータコンポーネントと記録媒体で構成される技術です。これは、コンピュータのコア機能であり、基本的なコンポーネントです。^{[1] ：15–16}

コンピュータの中央処理装置( CPU) は、計算を実行してデータを操作するものです。実際には、ほぼすべてのコンピュータはストレージ階層^{[1] : 468–473 を}使用しており、高速だが高価で小さなストレージ オプションを CPU の近くに配置して、低速だが安価で大きなストレージ オプションを遠くに配置します。一般に、高速^[a]テクノロジは「メモリ」と呼ばれ、低速の永続テクノロジは「ストレージ」と呼ばれます。

最初のコンピュータ設計であるチャールズ・バベッジの解析エンジンとパーシー・ラドゲートの解析機械でも、処理とメモリは明確に区別されていました (バベッジは数をギアの回転として保存し、ラドゲートは数をシャトルのロッドの変位として保存しました)。この区別はフォン・ノイマン・アーキテクチャで拡張され、CPU は制御ユニットと算術論理ユニット(ALU) の 2 つの主要部分で構成されます。前者は CPU とメモリ間のデータの流れを制御し、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。

十分な量のメモリがなければ、コンピュータは決まった操作を実行し、その結果をすぐに出力することしかできない。動作を変更するには再構成する必要がある。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は許容される。フォン・ノイマン型マシンは、操作命令とデータを格納するメモリを備えている点で異なっている。 ^{[1] : 20}このようなコンピュータは、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再プログラムするだけでよいという点で汎用性が高い。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、設計が簡単な傾向がある。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ある。

現代のデジタルコンピュータは、2進数表記法を使用してデータを表します。テキスト、数字、画像、音声、その他ほぼすべての形式の情報は、それぞれが 0 または 1 の値を持つビット、つまり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 ビットに等しいバイトです。情報は、その情報、つまり単にデータの2進表現を格納できる十分な記憶領域を持つコンピュータまたはデバイスであれば、どれでも処理できます。たとえば、印刷すると約 1,250 ページになるシェークスピアの全集は、1 文字につき 1 バイトとして約 5メガバイト(4,000 万ビット) で格納できます。

データは、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)。

エンコードされた各ユニットにビットを追加することにより、冗長性により、コンピューターはコード化されたデータのエラーを検出し、数学的アルゴリズムに基づいてエラーを修正できます。エラーは通常、ランダムなビット値の反転、つまり「物理的なビット疲労」、ストレージ内の物理ビットが識別可能な値 (0 または 1) を維持する能力を失うこと、またはコンピューター間またはコンピューター内の通信のエラーが原因で、低い確率で発生します。ランダムなビット反転(ランダムな放射線などによる) は、通常、検出されると修正されます。ビットまたは機能不全の物理ビットのグループ (特定の欠陥ビットが常にわかっているわけではなく、グループの定義は特定のストレージ デバイスによって異なります) は通常、自動的にフェンス アウトされ、デバイスによって使用できなくなり、デバイス内の別の機能する同等のグループに置き換えられ、修正されたビット値が復元されます (可能な場合)。巡回冗長検査(CRC) 方式は、通常、通信およびストレージでエラー検出に使用されます。検出されたエラーは再試行されます。

データ圧縮方法を使用すると、多くの場合 (データベースなど)、ビットの文字列をより短いビット文字列で表し (「圧縮」)、必要に応じて元の文字列を再構築 (「解凍」) できます。これにより、多くの種類のデータで、より多くの計算 (必要なときに圧縮および解凍) を犠牲にして、大幅に少ないストレージ (数十パーセント) が使用されます。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間のトレードオフを分析します。

セキュリティ上の理由から、特定の種類のデータ (クレジットカード情報など) 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が再構築される可能性を防ぐために、ストレージ内で暗号化されて保存される場合があります。

一般的に、ストレージが階層内で下位にあるほど、帯域幅は狭くなり、CPU からのアクセス待ち時間は長くなります。プライマリ、セカンダリ、三次、オフライン ストレージへのストレージの従来の分割も、ビットあたりのコストによって決まります。

現代の用法では、メモリは通常、高速だが一時的な半導体の 読み書きメモリで、典型的にはDRAM（ダイナミックRAM）などのデバイスを指します。ストレージは、 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（二次または三次ストレージ）で構成され、典型的にはハードディスクドライブ、光ディスクドライブ、およびRAMよりも低速だが不揮発性（電源を切っても内容を保持する）のその他のデバイスです。^[2]

歴史的に、メモリは、テクノロジに応じて、中央メモリ、コアメモリ、コアストレージ、ドラム、メインメモリ、実ストレージ、または内部メモリと呼ばれてきました。一方、より低速の永続ストレージデバイスは、セカンダリストレージ、外部メモリ、または補助/周辺ストレージと呼ばれてきました。

プライマリ ストレージ(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 が直接アクセスできる唯一のストレージです。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主要な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、主に磁気コア 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、主流のままでした。

これが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。RAMは小型で軽量ですが、同時に非常に高価です。主記憶装置として使用される特定の種類の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以外に、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でない限り、キャッシュ用にRAM容量を借ります。^[3]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。

図に示すように、従来、メインの大容量 RAM の他に、プライマリ ストレージのサブレイヤーが 2 つあります。

• プロセッサ レジスタはプロセッサ内部にあります。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して (またはそれを利用して) さまざまな計算やその他の操作を実行するように指示します。レジスタは、コンピュータ データ ストレージのあらゆる形式の中で最も高速です。
• プロセッサ キャッシュは、超高速レジスタとはるかに低速なメイン メモリの中間段階です。これは、コンピュータのパフォーマンスを向上させるためだけに導入されました。メイン メモリ内で最も頻繁に使用される情報は、キャッシュ メモリに複製されます。キャッシュ メモリは高速ですが、容量ははるかに小さくなります。一方、メイン メモリはプロセッサ レジスタよりもはるかに低速ですが、ストレージ容量ははるかに大きくなります。マルチレベルの階層型キャッシュ設定も一般的に使用されています。プライマリ キャッシュは最小で最速であり、プロセッサ内に配置されます。セカンダリ キャッシュはやや大きく、低速です。

メインメモリは、メモリバスを介して直接または間接的に中央処理装置に接続されます。実際には、アドレスバスとデータバスの2 つのバスがあります (図には表示されていません) 。CPU はまず、アドレスバスを介して、データの目的の場所を示すメモリアドレスと呼ばれる数値を送信します。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て、たとえば仮想メモリやその他のタスクを抽象化します。

プライマリ ストレージに使用される RAM タイプは揮発性 (起動時に初期化されない) であるため、そのようなストレージのみを含むコンピュータには、コンピュータを起動するための命令を読み取るソースがありません。したがって、小さなスタートアップ プログラム ( BIOS ) を含む不揮発性プライマリ ストレージを使用してコンピュータをブートストラップします。つまり、不揮発性セカンダ​​リストレージから RAM に大規模なプログラムを読み取り、実行を開始します。この目的で使用される不揮発性テクノロジは、読み取り専用メモリ(ROM) と呼ばれます (ほとんどの ROM タイプはランダム アクセスも可能なため、この用語は多少紛らわしい場合があります)。

多くの種類の「ROM」は文字通り読み取り専用ではなく、更新が可能です。ただし、速度が遅く、メモリを書き換える前に大部分を消去する必要があります。一部の組み込みシステムでは、プログラムがめったに変更されないため、ROM (または同様のもの) 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ーでは、基本的なプログラム以外は ROM に保存せず、大容量の二次記憶装置を使用します。二次記憶装置も不揮発性で、それほどコストがかかりません。

最近では、一次記憶装置と二次記憶装置は、歴史的に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。^[4]

ROM、EEPROM、NORフラッシュ、RAMなどの一次記憶装置^[5]は通常バイトアドレス指定可能です。

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。コンピューターは通常、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す (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ー システムでは通常、一次記憶装置よりも 2 桁多い二次記憶装置が搭載されています。

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) が通常、二次ストレージとして使用されます。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(1000 分の 1 秒) 単位で測定されますが、一次ストレージの 1 バイトあたりのアクセス時間はナノ秒(10 億分の 1 秒) 単位で測定されます。したがって、二次ストレージは一次ストレージよりも大幅に低速です。CDドライブやDVDドライブなどの回転式光ストレージデバイスは、アクセス時間がさらに長くなります。二次ストレージ テクノロジの他の例としては、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。

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。シーク時間と回転待ち時間を削減するために、データは大きな連続ブロックでディスクに転送されます。ディスク上のシーケンシャル アクセスまたはブロック アクセスはランダム アクセスよりも桁違いに高速であり、シーケンシャル アクセスとブロック アクセスに基づく効率的なアルゴリズムを設計するための高度なパラダイムが数多く開発されています。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、プライマリ メモリとセカンダリ メモリ間の帯域幅を増やすことです。^[6]

二次ストレージは、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し、特定のファイルの所有者、アクセス時間、アクセス許可、およびその他の情報を説明するメタ 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 システムでは、仮想メモリの概念が採用されており、システムで物理的に使用可能な容量よりも多くのプライマリ ストレージ容量を利用できます。プライマリ メモリ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) をセカンダリ ストレージのスワップ ファイルまたはページ ファイルに移動し、後で必要なときに取得します。多くのページが低速のセカンダリ ストレージに移動されると、システムのパフォーマンスが低下します。

HDD、ODD、SSDなどのセカンダリ ストレージは通常、ブロック アドレス可能です。

三次記憶装置または三次メモリ^[7]は、二次記憶装置の下のレベルです。通常、システムの要求に応じて、取り外し可能な大容量記憶媒体を記憶装置にマウント（挿入）およびマウント解除するロボット機構が関係します。このようなデータは、使用前に二次記憶装置にコピーされることがよくあります。これは、二次記憶装置よりもはるかに遅いため（例：5〜60秒対1〜10ミリ秒）、めったにアクセスされない情報をアーカイブするために主として使用されます。これは主に、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役立ちます。典型的な例としては、テープライブラリや光ジュークボックスなどがあります。

コンピュータが三次ストレージから情報を読み取る必要がある場合、まずカタログデータベースを参照して、どのテープまたはディスクに情報が含まれているかを判断します。次に、コンピュータはロボット アームにメディアを取得してドライブに配置するよう指示します。コンピュータが情報の読み取りを終了すると、ロボット アームはメディアをライブラリ内の所定の場所に戻します。

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。オンライン、ニアライン、オフラインストレージの正式な区別は次のとおりです。^[8]

• オンライン ストレージは I/O にすぐに使用できます。
• ニアライン ストレージはすぐには利用できませんが、人手を介さずにすぐにオンラインにすることができます。
• オフライン ストレージはすぐには利用できず、オンラインにするには人による介入が必要です。

たとえば、常時オンの回転式ハードディスク ドライブはオンライン ストレージですが、MAID (massive Arrays of Idle Disks) などの自動的に回転を停止する回転式ドライブはニアライン ストレージです。テープ ライブラリのように自動的にロードできるテープ カートリッジなどのリムーバブル メディアはニアライン ストレージですが、手動でロードする必要があるテープ カートリッジはオフライン ストレージです。

オフラインストレージは、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。^[9]媒体は通常、二次または三次ストレージデバイスに記録され、その後物理的に削除または切断されます。コンピューターが再びアクセスできるようにするには、人間のオペレーターが挿入または接続する必要があります。三次ストレージとは異なり、人間の介入なしにアクセスすることはできません。

オフラインストレージは、切り離されたメディアを物理的に簡単に輸送できるため、情報の転送に使用されます。また、災害時にも役立ちます。たとえば、火災により元のデータが破壊されても、遠隔地にあるメディアは影響を受けず、災害復旧が可能になります。オフライン ストレージは、コンピューターから物理的にアクセスできないため、一般的な情報セキュリティが向上し、データの機密性や整合性はコンピューター ベースの攻撃手法によって影響を受けません。また、アーカイブ目的で保存された情報にほとんどアクセスされない場合は、オフライン ストレージは 3 次ストレージよりも安価です。

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ストレージ メディアがオフライン ストレージとしても使用されています。光ディスクとフラッシュ メモリ デバイスが最も一般的で、リムーバブル ハード ディスク ドライブもそれほど一般的ではありません。古い例としては、フロッピー ディスクや Zip ディスクがあります。企業での使用では、磁気テープ カートリッジが主流です。古い例としては、オープン リール磁気テープやパンチ カードがあります。

ストレージ階層のすべてのレベルのストレージ テクノロジは、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、揮発性、可変性、アクセス可能性、およびアドレス指定可能性です。どのストレージ テクノロジのどの実装でも、測定する価値のある特性は容量とパフォーマンスです。

不揮発性メモリは、常時電力を供給されていなくても、保存された情報を保持します。これは、情報の長期保存に適しています。揮発性メモリは、保存された情報を維持するために常時電力を必要とします。最も高速なメモリ技術は揮発性メモリですが、これは普遍的なルールではありません。プライマリ ストレージは非常に高速であることが求められるため、主に揮発性メモリが使用されます。

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 (リフレッシュ)する必要があり、そうしないと情報が消失してしまいます。スタティック ランダム アクセス メモリは DRAM に似た揮発性メモリの一種ですが、電源が供給されている限りリフレッシュする必要がない点が異なります。スタティック ランダム アクセス メモリは電源が失われると内容が失われます。

無停電電源装置( UPS) を使用すると、バッテリーが消耗する前に、コンピューターに短時間の猶予を与えて、情報を主要な揮発性ストレージから不揮発性ストレージに移動することができます。EMC Symmetrixなどの一部のシステムには、揮発性ストレージを数分間維持するバッテリーが組み込まれています。

読み取り/書き込みストレージまたは変更可能なストレージ

いつでも情報を上書きできます。プライマリ ストレージ用にある程度の読み取り/書き込みストレージを持たないコンピューターは、多くのタスクに役立ちません。最近のコンピューターでは、通常、セカンダリ ストレージにも読み取り/書き込みストレージを使用します。

書き込みは遅いが読み取りは速いストレージ

読み取り/書き込みストレージでは、情報を複数回上書きできますが、書き込み操作は読み取り操作よりもはるかに遅くなります。例としては、CD-RWやSSD などがあります。

一度だけ書き込み可能なストレージ

WORM ( Write Once Read Many ) では、製造後のある時点で情報を一度だけ書き込むことができます。例としては、半導体プログラマブル読み取り専用メモリやCD-R などがあります。

読み取り専用ストレージ

製造時に保存された情報を保持します。例としては、マスク ROM ICやCD-ROM などがあります。

ランダムアクセス

ストレージ内のどの場所にも、ほぼ同じ時間でいつでもアクセスできます。このような特性は、プライマリ ストレージとセカンダリ ストレージに適しています。ほとんどの半導体メモリ、フラッシュ メモリ、ハード ディスク ドライブはランダム アクセスを提供しますが、半導体メモリとフラッシュ メモリはどちらも、機械部品を動かす必要がないため、ハード ディスク ドライブと比較するとレイテンシが最小限に抑えられています。

シーケンシャルアクセス

情報へのアクセスは、順番に行われます。したがって、特定の情報にアクセスする時間は、どの情報に最後にアクセスしたかによって異なります。このような特性は、オフライン ストレージに典型的です。

位置指定可能

ストレージ内の個別にアクセス可能な各情報単位は、数値メモリ アドレスによって選択されます。現代のコンピュータでは、位置アドレス指定可能なストレージは通常、コンピュータ プログラムによって内部的にアクセスされるプライマリ ストレージに限定されます。これは、位置アドレス指定は非常に効率的ですが、人間にとっては負担が大きいためです。

ファイルアドレス指定可能

情報は可変長のファイルに分割され、人間が判読できるディレクトリ名とファイル名で特定のファイルが選択されます。基盤となるデバイスは依然として場所のアドレス指定が可能ですが、コンピューターのオペレーティング システムはファイル システムの抽象化を提供し、操作をよりわかりやすくします。現代のコンピューターでは、二次、三次、オフライン ストレージでファイル システムが使用されます。

コンテンツアドレス可能

個別にアクセス可能な各情報単位は、そこに保存されているコンテンツ（の一部）に基づいて選択されます。コンテンツ アドレス可能ストレージは、ソフトウェア（コンピュータ プログラム）またはハードウェア（コンピュータ デバイス）を使用して実装できます。ハードウェアの方が高速ですが、より高価なオプションです。ハードウェアのコンテンツ アドレス可能メモリは、コンピュータのCPU キャッシュでよく使用されます。

生容量

ストレージ デバイスまたはメディアに保存できる情報の総量。ビットまたはバイトの量で表されます(例: 10.4メガバイト)。

メモリストレージ密度

保存された情報のコンパクトさ。長さ、面積、または体積の単位で割った媒体の保存容量です (例: 1.2 メガバイト/平方インチ)。

レイテンシー

ストレージ内の特定の場所にアクセスするのにかかる時間。関連する測定単位は、通常、プライマリ ストレージの場合はナノ秒、セカンダリ ストレージの場合はミリ秒、三次ストレージの場合は秒です。読み取り待ち時間と書き込み待ち時間を分離すると意味があります (特に不揮発性メモリの場合)。また、シーケンシャル アクセス ストレージの場合は、最小、最大、平均待ち時間を分離すると意味があります。

スループット

ストレージから情報を読み取ったり、ストレージに書き込んだりできる速度。コンピュータ データ ストレージでは、スループットは通常メガバイト/秒 (MB/s) で表されますが、ビット レートが使用される場合もあります。レイテンシと同様に、読み取り速度と書き込み速度を区別する必要がある場合があります。また、ランダムではなく、メディアに順番にアクセスすると、通常はスループットが最大になります。

粒度

追加の遅延を発生させることなく、単一のユニットとして効率的にアクセスできるデータの最大の「チャンク」のサイズ。

信頼性

さまざまな条件下でのビット値の自発的な変化の確率、または全体的な故障率。

Linux では、 hdparmやsarなどのユーティリティを使用して IO パフォーマンスを測定できます。

• ファンの使用を減らすストレージデバイスは、非アクティブ時に自動的にシャットダウンし、低電力ハードドライブはエネルギー消費を90％削減できます。^{[10] [11]}
• 2.5インチのハードディスクドライブは、多くの場合、より大きなサイズのものよりも消費電力が少なくなります。^{[12] [13]}低容量のソリッドステートドライブには可動部品がないため、ハードディスクよりも消費電力が少なくなります。 ^{[14] [15] [16]}また、メモリはハードディスクよりも多くの電力を消費する場合があります。^[16]メモリウォールへの衝突を避けるために使用される大容量のキャッシュも、大量の電力を消費する可能性があります。

フルディスク暗号化、ボリュームおよび仮想ディスク暗号化、および/またはファイル/フォルダ暗号化は、ほとんどのストレージデバイスで利用可能です。^[17]

ハードウェアメモリ暗号化はIntelアーキテクチャで利用可能であり、Total Memory Encryption（TME）と複数のキーによるページ粒度メモリ暗号化（MKTME）をサポートしています。^{[18] [19]また、2015年10月以降の}SPARC M7世代でも利用可能です^。[20]

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。

即座に全損失につながる可能性がある脆弱性としては、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あります。

ハードディスクドライブの故障の兆候は、稼働時間やスピンアップ回数などのSMART診断データを使用して推定できるが、その信頼性には議論の余地がある。 ^[21]

フラッシュ ストレージでは、エラーが蓄積された結果、転送速度が低下することがありますが、フラッシュ メモリ コントローラはこれを修正しようとします。

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。軽微なエラーの数が多いと、メディアの劣化や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、データが破損する可能性があります。光学ドライブのすべてのベンダーと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。^[22]

2011 年現在^{[アップデート]}、最も一般的に使用されているデータ ストレージ メディアは半導体、磁気、光学ですが、紙もまだ限られた範囲で使用されています。オール フラッシュ アレイ (AFA) などの他の基本的なストレージ テクノロジの開発も提案されています。

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形式と不揮発性形式の両方があり、前者は標準の 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、プライマリ ストレージは、ほとんどがダイナミック揮発性半導体ランダム 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 メモリと呼ば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セカンダリ ストレージ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。 ^{[23] [24] [25] [26] [27]}

磁気ストレージは、磁気コーティングされた表面のさまざまな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。情報にアクセスするには、1 つ以上の読み取り/書き込みヘッドを使用します。読み取り/書き込みヘッドには、1 つ以上の記録トランスデューサーが含まれている場合があります。読み取り/書き込みヘッドは表面の一部のみをカバーしているため、データにアクセスするには、ヘッドまたはメディア、あるいはその両方を他のヘッドに対して移動する必要があります。最新のコンピューターでは、磁気ストレージは次の形式になります。

• 磁気ディスク;
  • オフライン保存に使用されるフロッピーディスク。
  • 二次記憶装置として使用されるハードディスクドライブ。
• 三次およびオフラインのストレージに使用される磁気テープ。
• カルーセルメモリ（磁気ロール）。

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。

• 磁気メモリ、またはコアメモリ、コアロープメモリ、薄膜メモリ、および/またはツイスターメモリの形式による一次記憶装置。
• 三次ストレージ（例：NCR CRAM）または磁気カード形式のオフラインストレージ。
• 当時は磁気テープが二次記憶装置としてよく使われていました。

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の明確な制限はありません。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。^{[28] [29]}

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ら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取り/書き込みメディア）があります。2009年現在、次の形式が一般的に使用されています^{[アップデート]}。^[30]

• 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。
• 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。
• 超高密度光学式(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に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、低速書き込み、高速読み取りのストレージであり、三次およびオフライン ストレージとして使用されます。

3D 光学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、高速低消費エネルギーの磁気光ストレージとしても提案されている。^[31]

紙によるデータ保存は、一般的には紙テープやパンチカードの形で行われ、特に汎用コンピュータが存在する以前は、自動処理用の情報を保存するために長い間使用されてきました。情報は紙や厚紙の媒体に穴を開けて記録され、機械的に（後には光学的に）読み取られ、媒体上の特定の場所が固体か穴があ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体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して非常に長期間保存することができます。^{[32] [33]}

真空管メモリ

ウィリアムズ管はブラウン管を使用し、セレクトロン管は大型の真空管を使用して情報を保存しました。ウィリアムズ管は信頼性が低く、セレクトロン管は高価であったため、これらの主要な記憶装置は市場で短命でした。

電気音響メモリ

遅延線メモリは、水銀などの物質内の音波を使用して情報を保存します。遅延線メモリは、動的揮発性、サイクルシーケンシャル読み取り/書き込みストレージであり、プライマリストレージとして使用されました。

光テープ

は光学記憶媒体で、通常は細長いプラスチック片で構成され、パターンを書き込んだり、パターンを読み取ったりすることができます。映画フィルムや光ディスクと一部の技術を共有していますが、どちらとも互換性はありません。この技術の開発の動機は、磁気テープや光ディスクよりもはるかに大きな記憶容量を実現する可能性でした。

相変化メモリ

相変化材料の異なる機械的相を使用して、X-Y アドレス指定可能なマトリックスに情報を保存し、材料の変化する電気抵抗を観察することによって情報を読み取ります。相変化メモリは、不揮発性でランダム アクセスの読み取り/書き込みストレージであり、プライマリ、セカンダリ、およびオフライン ストレージとして使用できます。ほとんどの書き換え可能光ディスクと多くの書き込み可能光ディスクは、すでに相変化材料を使用して情報を保存しています。

ホログラフィックデータストレージ

ホログラフィック ストレージは、結晶またはフォトポリマー内に光学的に情報を保存します。ホログラフィック ストレージは、少数の表面層に限定される光ディスク ストレージとは異なり、ストレージ メディアの全容量を利用できます。ホログラフィック ストレージは、不揮発性、シーケンシャル アクセス、および 1 回書き込みまたは読み取り/書き込みストレージのいずれかです。二次ストレージやオフライン ストレージとして使用できます。Holographic Versatile Disc (HVD) を参照してください。

分子記憶

分子メモリは電荷を蓄えることができるポリマーに情報を保存する。分子メモリは特に一次記憶装置に適しているかもしれない。分子メモリの理論的な記憶容量は1平方インチあたり10テラビット（16Gbit/mm ²）である。^[34]

磁気光伝導体

磁気情報を蓄えており、低光量照射によって変化させることができる。^[31]

DNA

DNAヌクレオチドに情報を保存する。これは2012年に初めて行われ、研究者はDNA1グラムあたり1.28ペタバイトの比率を達成した。2017年3月、科学者はDNAファウンテンと呼ばれる新しいアルゴリズムが理論上の限界の85％、DNA1グラムあたり215ペタバイトを達成したと報告した。^{[35] [36] [37] [38]}

ビット グループの誤動作はエラー検出および修正メカニズム (上記参照) によって解決できますが、ストレージ デバイスの誤動作には別の解決策が必要です。次の解決策は一般的に使用され、ほとんどのストレージ デバイスに有効です。

• デバイスのミラーリング(レプリケーション) – この問題の一般的な解決策は、デバイス コンテンツの同一コピーを別のデバイス (通常は同じタイプ) に常に保持することです。欠点は、ストレージが 2 倍になり、両方のデバイス (コピー) を同時に更新する必要があるため、オーバーヘッドと遅延が発生する可能性があることです。利点は、2 つの独立したプロセスで同じデータ グループを同時に読み取ることができるため、パフォーマンスが向上することです。複製されたデバイスの 1 つに欠陥が検出されても、もう 1 つのコピーは引き続き動作しており、別のデバイス (通常はこの目的のためにスタンバイ デバイスのプールで動作可能) に新しいコピーを生成するために使用されます。
• 冗長独立ディスクアレイ( RAID ) - この方法は、デバイスグループ内の 1 つのデバイスに障害が発生しても、そのデバイスを復元されたコンテンツで置き換えることで、上記のデバイスミラーリングを一般化します (デバイスミラーリングはn=2の RAID です) 。n=5またはn=6の RAID グループが一般的です。n>2では、 n=2と比較してストレージを節約できますが、通常の操作 (多くの場合、パフォーマンスが低下します) と故障したデバイスの交換の両方で、より多くの処理が必要になります。

デバイス ミラーリングと一般的な RAID は、RAID グループのデバイスで単一のデバイス障害を処理するように設計されています。ただし、RAID グループが最初の障害から完全に修復される前に 2 番目の障害が発生すると、データが失われる可能性があります。単一の障害が発生する確率は通常は小さいです。したがって、同じ RAID グループで時間的に近接した 2 つの障害が発生する確率ははるかに小さくなります (確率の 2 乗、つまり、その確率自体に掛け合わせた値にほぼ相当します)。データベースがこのような低いデータ損失の確率さえ許容できない場合は、RAID グループ自体が複製 (ミラーリング) されます。多くの場合、このようなミラーリングは、災害からの復旧を処理するために、地理的に離れた別のストレージ アレイで実行されます (上記の災害復旧を参照)。

二次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できます。この概念は、複数のプロセッサ間で程度は低いものの共有される一次ストレージには関係ありません。

• 直接接続ストレージ(DAS) は、ネットワークを使用しない従来の大容量ストレージです。これは今でも最も人気のあるアプローチです。このレトロニムは、NAS や SAN とともに最近造られました。
• ネットワーク接続ストレージ(NAS) は、コンピュータに接続された大容量ストレージであり、別のコンピュータがローカル エリア ネットワーク、プライベートワイド エリア ネットワーク、またはオンライン ファイル ストレージの場合はインターネット経由でファイル レベルでアクセスできます。NAS は、通常、NFSおよびCIFS/SMBプロトコルに関連付けられています。
• ストレージ エリア ネットワーク(SAN) は、他のコンピュータにストレージ容量を提供する特殊なネットワークです。NAS と SAN の決定的な違いは、NAS はファイル システムをクライアント コンピュータに提示して管理するのに対し、SAN はブロック アドレス指定 (raw) レベルでアクセスを提供し、提供された容量内でデータまたはファイル システムの管理を接続システムに任せることです。SA​​N は一般にファイバー チャネルネットワークに関連付けられます。

大量の個別の磁気テープ、および光ディスクまたは磁気光ディスクは、ロボット式の三次記憶装置に保存できます。テープ ストレージの分野では、これらはテープ ライブラリと呼ばれ、光ストレージの分野では、光ジュークボックス、または類推により光ディスク ライブラリと呼ばれます。ドライブ デバイスを 1 つだけ含む、どちらのテクノロジでも最小の形式は、オートローダまたはオートチェンジャと呼ばれます。

ロボット アクセス ストレージ デバイスには、それぞれ個別のメディアを保持する多数のスロットと、スロット間を移動してメディアを内蔵ドライブにロードする 1 台以上のピッキング ロボットがあります。スロットとピッキング デバイスの配置はパフォーマンスに影響します。このようなストレージの重要な特性は、スロット、モジュール、ドライブ、ロボットの追加など、拡張オプションが可能であることです。テープ ライブラリには 10 から 100,000 を超えるスロットがあり、テラバイトまたはペタバイトのニアライン情報を提供します。光ジュークボックスは、最大 1,000 スロットのやや小型のソリューションです。

ロボット ストレージは、バックアップや、画像、医療、ビデオ業界での大容量アーカイブに使用されます。階層型ストレージ管理は、長い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やジュークボックスに自動的に移行する、最もよく知られているアーカイブ戦略です。ファイルが必要な場合は、ディスクに戻されます。

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 この記事には、連邦規格 1037Cのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日時点のオリジナルよりアーカイブ。

• 合田 功; 喜連川 正治 (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