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La memorizzazione dell’informazione assieme alla possibilità di recuperarla è un’operazione di fondamentale importanza. Ogni computer ha una componente destinata alla memorizzazione dei dati, chiamata appunto memoria, che può essere vista come un magazzino di dati.
LE UNITÀ DI MEMORIZZAZIONE
Una memoria può essere astrattamente immaginata come una sequenza finita di unità elementari di memorizzazione, i bit. Le unità elementari sono generalmente raggruppate e gestite in unità più grandi, in genere di un byte (8 bit), dette celle di memoria. Lo spazio di memoria può essere visto allora come una lunga sequenza di celle ognuna con una posizione. Le operazioni che è possibile effettuare sulla memoria sono e sulle sue celle sono: inizializzazione, lettura e scrittura.
L’inizializzazione è un trattamento che la memoria deve subire prima che sia possibile usarla per la scrittura o la lettura. Il processo di inizializzazione varia in base al tipo di memoria. Ad esempio, la memoria RAM non necessità inizializzazione, mentre i dischi magnetici vengono inizializzati creando una sequenza di celle in cui poter scrivere i dati. La scrittura è l’operazione che inserisce i dati all’interno delle celle di memoria. La lettura consiste nel recupero delle informazioni archiviate.
La scrittura e la lettura sono entrambe operazioni di accesso alla memoria. Il tempo di acceso di una memoria si dice basso se la memoria è veloce in scrittura e lettura. Le memorie possono essere classificate in base a vari criteri, come il tipo di accesso, la possibilità di scrittura, il tempo di accesso, la volatilità delle informazioni, il costo per unità di memorizzazione e la tecnologia che usano.
Nelle memorie ad accesso sequenziale è possibile leggere o scrivere solo la cella di memoria successiva a quella in cui è avvenuta l’ultima lettura o scrittura. Un’esempio era il nastro magnetico. Nelle memorie ad accesso diretto è invece possibile accedere a qualunque cella di memoria. Tuttavia il tempo di accesso potrebbe dipendere dalla distanza della cella sulla quale è avvenuta l’ultima operazione. Nelle memorie ad accesso casuale è possibile accedere a qualsiasi cella ma il tempo di accesso è costante.
Le memorie a sola lettura o ROM (Read Only Memory) subiscono un processo di scrittura irreversibile. Ne sono un esempio i DVD che non possono essere sovrascritti.
I supporti di memorizzazione che inizialmente non contengono alcun dato e che possono essere scritti in modo non reversibile si chiamano WORM (Write Once, Read Many), e ne sono esempio i DVD masterizzabili. Le memorie più versatili sono quelle a cui si può accedere in scrittura e in lettura, tutte le volte che si desidera, esse vengono chiamate memorie riscrivibili o RW (ReWritable). Ne sono esempio i DVD riscrivibili. Per queste memorie il tempo di lettura è vicino a quello di scrittura. In alcuni casi, invece, il tempo di scrittura è sensibilmente più basso rispetto al tempo di lettura. Ciò avviene ad esempio per le chiavette USB.
Generalmente, il costo unitario (ovvero per singolo bit) di accesso alla memoria cresce al diminuire del tempo di accesso. Le memorie volatili mantengono i dati all’interno delle loro celle solo se vengono alimentate elettricamente. Ne sono un tipico esempio le memorie RAM di cui è costituita la memoria centrale dei computer. Le memorie permanenti mantengono invece l’informazione archiviata per periodi molto lunghi anche in mancanza di alimentazione. Nonostante i loro difetti, le memorie volatili sono molto utilizzate perchè hanno tempi di accesso notevolmente inferiori rispetto ad altri tipi di memoria. Perciò sono memorie molto costose.
Bisogna notare che le memorie permanenti non conservano l’informazione per un tempo indefinito. Col passare del tempo le informazioni che contengono si deteriorano fino a non essere più accessibili. Oggi abbiamo difficoltà a leggere i dati contenuti nei dischi magnetici di 30-40 anni fa. Un floppy disk da 5 pollici, usato nei primi computer Apple e IBM a inizio anni ‘80, aveva una vita garantita di circa 2 anni. I CD, i DVD e i Blu-ray hanno una vita media che non arriva a 5 anni. Questo perchè la superficie del materiale magnetico, di cui sono fatti, ha una componente organica che inevitabilmente si deteriora nel tempo. I CD, DVD e Blu-ray con musica e film hanno una durata di almeno 20 anni, ciò è dovuto alle tecniche di scrittura irreversibile.
I SUPPORTI CARTACEI ED ELETTROMECCANICI
I primi supporti di memorizzazione digitale della storia sono le schede perforate. Già agli inizi del 1700, le schede perforate venivano usate nei telai per regolare il motivo ornamentale da riprodurre sulla stoffa. Nel 1801, Joseph Jacquard introdusse delle schede perforate metalliche per il controllo di un telaio semiautomatico, il telaio di Jacquard, che ebbe grande successo. Nel 1837, Charles Babbage ideò una macchina calcolatrice programmabile, la macchina analitica, che sfruttava un sistema a schede perforate per il controllo della sequenza di calcoli.
Il metodo di funzionamento delle schede perforate è abbastanza semplice. Esse sono composte da un unico rettangolo di cartone, la cui superficie è suddivisa in molteplici porzioni unitarie che possono essere forate o meno. Ogni singola porzione sulla scheda rappresenta
delle memorie centrali; perciò, essi vengono mantenuti in rotazione a velocità costante dall’accensione allo spegnimento del computer. Nella parte centrale dei dischi (dove la velocità angolare è inferiore) i dati sono più concentrati, mentre nella parte più esterna (dove la velocità angolare è inferiore) i dati sono memorizzati in maniera più sparsa.
La scrittura dei dati su un hard disk consiste nel trasferimento di un verso alla magnetizzatione della superficie ferromagnetica del disco. Le singole unità di memorizzazione hanno ormai dimensioni di pochi nanometri quadri (vicini al limite fisico al di sotto del quale l’informazione può essere persa). Le testine utilizzate per l’acceso ai dati sono molto sensibili alle variazioni del campo magnetico. L’inizializzazione di un hard disk si chiama formattazione logica. A livello fisico, i dati sono memorizzati secondo lo schema CHS (Cylinder/Head/Sector) che permette di indicizzare univocamente il punto del disco a cui accedere. Se il disco rigido è composto da 4 dischi allora esso contiene 8 piatti paralleli, identificabili dai numerida1a8.
Tutte le testine del disco si muovono in maniera solidale, mantenendo la stessa posizione in ognuno dei diversi piatti. Ogni piatto si compone di anelli concentrici, chiamati tracce, anch’esse numerate univocamente. Un insieme delle tracce che si trovano alla stessa distanza dal centro di ciascun piatto, e che pertanto sono identificate dallo stesso numero, si chiama cilindro. Ogni piatto è suddiviso in settori (sectors) circolari, anch’essi enumerati. Un insieme dei settori nella stessa posizione si chiama blocco. Nel sistema CHS i dati vengono identificati indicando un numero di cilindro, un numero di testina, e un numero di settore.
I dischi rigidi moderni hanno capacità e prestazioni notevolmente migliori rispetto a quelle dei primi modelli. Una delle principali caratteristiche di un hard disk è la sua capacità di memorizzazione (in genere espressa in GigaByte). Se, ad esempio, un hard disk è composto di 4 dischi (8 piatti), 15.000 cilindri (tracce) e 16 settori e ciascun settore di una traccia ha capacità 4096 byte, allora la capacità dell’hard disk è 8x15.000x16x4096 byte = 7,8 GB. Attualmente (aprile 2017) i dischi rigidi si trovano in vendita con capacità fino a 10 TB.
Il tempo di accesso ai dati è la caratteristica più rilevante nella quantificazione delle prestazioni di un hard disk. Esso dipende dal tempo necessario alla testina per spostarsi nella posizione target (seek time) e dal tempo necessario affichè il settore dove si trovano i dati ruoti e si posizioni al di sotto della testina (latency time). Generalmente, è dell’ordine dei millesecondi. L’hard disk è stato per lungo tempo l'unica scelta per la memoria di massa dei personal computer, ma sta conoscendo una perdita di quote di mercato a favore delle più recenti e veloci, ma anche più costose, unità di memoria a stato solido (SSD, Solid State Drive).
All’inizio degli anni ‘70 apparve sul mercato una versione portabile e ridotta del disco rigido, chiamata Floppy Disk (flessibile). Dalla sua nascita, nel 1967 in un laboratorio IBM, fino agli anni ‘80, il floppy subì un continuo sviluppo e diventò sempre più piccolo e capiente. Era utilizzato come memoria di massa economica. I dati ,in un floppy disk, erano memorizzati in su un sottile disco flessibile posto all’interno di un involucro di plastica. Il promo formato da 80 pollici poteva contenere fino 80 kB. Alla fine degli anni ‘70 apparvero i formati da 5 pollici e un quarto (110 kB), e nel 1984, il formato da 3 pollici e mezzo (320 kB); quest’ultimo formato arrivò a contenere 1,44 MB alla fine degli anni ‘80. Negli anni ‘90 la distribuzione del software migrò gradualmente sui CD-Rom. Con l’avvento di Internet e delle chiavette USB, i floppy disk diventarono obsoleti.
I SUPPORTI OTTICI
I supporti ottici sono dispositivi capaci di accedere ai dati mediante raggi laser nella banda ottica, ovvero attraverso sorgenti luminose visibili dall'occhio umano, come laser rosso e laser blu. Sono in genere costituiti da un disco piatto e sottile di policarbonato trasparente, all'interno del quale è inserito un sottile foglio metallico, in genere di alluminio, su cui vengono scritte e lette le informazioni. Le capacità di immagazzinamento di larghe quantità di dati, l'assenza di contatto fisico fra la testina e i dispositivi di memorizzazione e i costi relativamente bassi li rendono preferibili ad altre memorie quali quelle magnetiche. Queste ultime, tuttavia, consentono tempi di accesso più brevi.
Il Compact Disc (CD) e il Digital Versatile Disc (DVD) hanno capacità di memorizzazione sono dell'ordine dei gigabyte (0,65 GB per il CD e 4,7 GB per il DVD). La necessità di superiori capacità di immagazzinamento di dati ha portato allo sviluppo dell'High Definition Digital Versatile Disc (HD DVD) e del Blu-Ray Disc (BD), le cui capacità sullo stesso formato del DVD sono di decine di gigabyte. Furono la Philips e la Sony a formare, nel 1979, un consorzio per lo sviluppo di un disco audio digitale, che portò in seguito all'introduzione del Compact Disc nel 1982.
I CD hanno un diametro di 12 centimetri, ma ne esistono versioni con diametri inferiori a discapito della capacità di memorizzazione. Le informazioni vengono memorizzate come successioni di buchi e terre (in inglese pits e lands) successivamente letti per mezzo di un laser. L'informazione viene letta sotto forma di segnali luminosi. Nello specifico la testina invia un impulso laser sull'area in cui il bit è memorizzato: se questa contiene un land allora ritorna indietro per mezzo della riflessione, altrimenti, se questa contiene un pit, allora rimbalza diagonalmente. I punti di passaggio da un pit e un land, e quelli di passaggio da un land ad un pit, vengono interpretati con il valore 1, altrimenti il segnale viene interpretato con il valore 0.
utilizzando lo stesso laser blu da 405 nm, prevedeva una disposizione degli strati differente dal Blu-Ray, ma identica a quella dei DVD così da consentire la stampa dei nuovi supporti pre- registrati con gli stessi macchinari già in possesso ai produttori di home video DVD. Tuttavia questa disposizione degli strati non risulta ottimizzata per un laser a così corta lunghezza d'onda. La battaglia per la diffusione dello standard si è combattuta principalmente sul fronte degli accordi commerciali con le case cinematografiche ed i produttori di hardware. Il 19 febbraio 2008 Blu-Ray ha definitivamente vinto la sua competizione con l'HD DVD, visto che Toshiba, titolare dei diritti sullo standard concorrente, ha dichiarato la chiusura del progetto e la dismissione delle attività collegate
Nel 2006, dei ricercatori giapponesi hanno sviluppato laser a raggi ultravioletti con una lunghezza d'onda di 210 nanometri, che consentirebbero una densità di bit maggiore rispetto ai dischi Blu- ray. Folio Photonics prevede di rilasciare dischi ad alta capacità nel 2024 al costo di 5$/TB, con una prospettiva di costo di 1 dollaro per TB, utilizzando l'80% di energia in meno rispetto agli hard disk.
I SUPPORTI ELETTRONICI
Le memorie elettroniche sono delle tipologie di memorie basate su semiconduttori, che utilizzano supporti di archiviazione allo stato solido per il mantenimento dei dati. Le più efficienti tra le memorie elettroniche sono delle memorie volatili ad accesso casuale, ma ne esistono anche altre tipologie che permettono di memorizzare i dati in modo permanente, anche se con tempi di accesso superiori. Tali memorie sono tuttavia tra le più efficienti e, per tale motivo, hanno un costo per bit molto alto. Le memorie elettroniche caratterizzate da un tempo di accesso costante alle singole celle che le compongono vengono chiamate memorie RAM (Random Access Memory) ovvero memorie ad accesso casuale. Esistono tre tipologie principali di memorie ad accesso casuale, le SRAM, le DRAM le memorie flash.
Le SRAM (Static Random Access Memory), sono delle memorie statiche ad accesso casuale, le cui singole unità di memorizzazione binaria sono disposte a matrice e l'accesso avviene specificando la riga e la colonna. Esse permettono di mantenere i dati permanentemente, sono estremamente veloci, consumano poco e quindi dissipano poco calore. Tuttavia la necessità di usare molti componenti le rende molto costose, difficili da impacchettare e con una scarsa capienza. Sono spesso usate come memorie cache, dove sono necessarie elevate velocità in abbinamento a ridotti consumi e capienze non troppo elevate.
Le DRAM (Dynamic Random Access Memory), sono invece delle memorie dinamiche in cui
viene usato un solo componente per ogni cella di memoria (composta da diversi bit), con costi sensibilmente ridotti e la possibilità di aumentare notevolmente la densità di memoria. Esse sono in genere utilizzate per la memoria primaria del calcolatore. Tuttavia hanno lo svantaggio di scaricarsi velocemente, per cui dopo un breve lasso di tempo il suo contenuto diventa inaffidabile. Si rende necessario perciò ricaricarlo attraverso un'operazione, detta refreshing, che consiste in una lettura fittizia e una riscrittura dei dati. Tali operazioni, oltre a comportare un certo dispendio di energia, rendono più lenta la memoria. In una DRAM, l'operazione di lettura è distruttiva, ovvero cancella i dati letti.
Le memorie flash (flash memory) sono delle memorie elettroniche a stato solido di tipo non volatile, e che quindi possono anche essere usate come memorie portatili a lettura-scrittura. In una memoria flash le informazioni vengono registrate su dei transistor in grado di mantenere carica elettrica per un tempo lungo. Ogni transistor costituisce un'unità di memoria che conserva il valore di un bit. Le flash memory vengono usate frequentemente nelle fotocamere digitali, nei lettori di musica portatili, nei cellulari, nelle pendrive (chiavette usb), nei tablet, nei laptop, negli smartphone e in molti altri dispositivi che richiedono un'elevata portabilità e una buona capacità di memoria per il salvataggio dei dati.
Gli drive a stato solido (SSD, Solid State Drive) sono memorie di massa basate su tecnologie a semiconduttore. Uno dei grandi vantaggi di tali memorie di massa è la possibilità di memorizzare in maniera non volatile grandi quantità di dati, senza l'utilizzo di organi meccanici come avviene invece negli hard disk tradizionali. Inoltre la completa assenza di parti meccaniche in movimento porta diversi vantaggi, tra cui la completa assenza di rumorosità del dispositivo e una più alta resistenza agli urti, la minore possibilità di surriscaldamento e di rottura, minori consumi e tempi di accesso ai dati ridotti. Hanno inoltre la possibilità di raggiungere capacità (dell’ordine di centinaia di TeraByte) che sono impossibili per un hard disk.
I SUPPORTI OLOGRAFICI
I supporti olografici sfruttano una tecnica di memorizzazione di informazioni ad alta densità. Il materiale memorizzante è un cristallo, mentre lo strumento di accesso ai dati è un laser. La scrittura delle informazioni avviene attraverso un processo chiamato fotopolimerasi, il quale permette densità di memorizzazione del supporto molto maggiori rispetto ad altri tipi di memorizzazione ottica, come i DVD. Per memorizzare gli ologrammi in un determinato punto del cristallo bisogna avere un mezzo per modulare il laser e modificare lo stato della materia in quel determinato punto. La lettura delle informazioni avviene sulla base della rifrazione o meno del laser su quel determinato punto del cristallo. La memorizzazione olografica sfrutta l'intero volume del supporto di memorizzazione, grazie ad un fenomeno chiamato selettività di Bragg, il quale permette a più ologrammi di essere
