Quantenlauf

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Die digitale Speicherrevolution: Die Zukunft der Computer P3

David Tal, Verleger, Futurist
@DavidTalWrites
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Di, 09 / 15 / 2020 - 15: 43

Die meisten von Ihnen, die dies lesen, erinnern sich wahrscheinlich an die bescheidene Diskette mit soliden 1.44 MB Speicherplatz. Einige von Ihnen waren wahrscheinlich neidisch auf diesen einen Freund, als er während eines Schulprojekts den ersten USB-Stick mit seinen monströsen 8 MB Speicherplatz hervorholte. Heutzutage ist die Magie verschwunden und wir sind abgestumpft. Ein Terabyte Arbeitsspeicher ist Standard in den meisten 2018er Desktops – und Kingston verkauft jetzt sogar USB-Laufwerke mit einem Terabyte.

Unsere Speicherbesessenheit wächst von Jahr zu Jahr, da wir immer mehr digitale Inhalte konsumieren und erstellen, egal ob es sich um einen Schulbericht, ein Reisefoto, das Mixtape Ihrer Band oder ein GoPro-Video von Ihnen beim Skifahren in Whistler handelt. Andere Trends wie das aufkommende Internet der Dinge werden den Datenberg, den die Welt produziert, nur beschleunigen und der Nachfrage nach digitaler Speicherung weiteren Raketentreibstoff hinzufügen

Aus diesem Grund haben wir uns, um die Datenspeicherung richtig zu erörtern, kürzlich dazu entschieden, dieses Kapitel zu überarbeiten, indem wir es in zwei Teile aufteilen. Diese Hälfte behandelt die technischen Innovationen bei der Datenspeicherung und ihre Auswirkungen auf den durchschnittlichen digitalen Verbraucher. Unterdessen befasst sich das nächste Kapitel mit der bevorstehenden Revolution in der Cloud.

Datenspeicherinnovationen in der Pipeline

(TL;DR – Der folgende Abschnitt beschreibt die neue Technologie, die es ermöglichen wird, immer größere Datenmengen auf immer kleineren und effizienteren Speicherlaufwerken zu speichern. Wenn Sie sich nicht für die Technologie interessieren, sondern stattdessen mehr über das weitere lesen möchten Trends und Auswirkungen rund um die Datenspeicherung, dann empfehlen wir, zur nächsten Unterüberschrift zu springen.)

Viele von Ihnen haben bereits vom Mooreschen Gesetz gehört (die Beobachtung, dass sich die Anzahl der Transistoren in einem dichten integrierten Schaltkreis etwa alle zwei Jahre verdoppelt), aber auf der Speicherseite des Computergeschäfts haben wir das Krydersche Gesetz – im Grunde unsere Fähigkeit zu quetschen immer mehr Bits in schrumpfenden Festplatten verdoppelt sich auch etwa alle 18 Monate. Das bedeutet, dass die Person, die vor 1,500 Jahren 5 US-Dollar für 35 MB ausgegeben hat, jetzt 600 US-Dollar für eine 6-TB-Festplatte ausgeben kann.

Das ist ein atemberaubender Fortschritt, der so schnell nicht aufhört.

Die folgende Liste gibt einen kurzen Einblick in die kurz- und langfristigen Innovationen, die Hersteller digitaler Speicher nutzen werden, um unsere speicherhungrige Gesellschaft zu befriedigen.

Bessere Festplatten. Bis Anfang der 2020er Jahre werden die Hersteller weiterhin herkömmliche Festplattenlaufwerke (HDD) bauen und mehr Speicherkapazität einpacken, bis wir Festplatten nicht mehr dichter bauen können. Zu den Techniken, die erfunden wurden, um dieses letzte Jahrzehnt der HDD-Technologie anzuführen, gehören: Shingled Magnetic Recording (SMR), gefolgt von Zweidimensionale Magnetaufzeichnung (TDMR) und möglicherweise Wärmeunterstützte Magnetaufzeichnung (HAMR).

Solid-State-Festplatten. Die Solid-State-Festplatte (SATA SSD) ersetzt die oben erwähnte herkömmliche Festplatte. Im Gegensatz zu HDDs haben SSDs keine sich drehenden Festplatten – tatsächlich haben sie überhaupt keine beweglichen Teile. Dadurch können SSDs viel schneller, kleiner und langlebiger als ihre Vorgänger betrieben werden. SSDs sind bei heutigen Laptops bereits Standard und werden bei den meisten neuen Desktop-Modellen allmählich zur Standardhardware. Und obwohl ursprünglich viel teurer als HDDs, ihre Preis fällt schneller als HDDs, was bedeutet, dass ihre Verkäufe die HDDs bis Mitte der 2020er Jahre überholen könnten.

Nach und nach werden auch SSDs der nächsten Generation eingeführt, wobei die Hersteller von SATA-SSDs auf PCIe-SSDs umsteigen, die mindestens die sechsfache Bandbreite von SATA-Laufwerken haben, Tendenz steigend.

Flash-Speicher wird 3D. Aber wenn Geschwindigkeit das Ziel ist, gibt es nichts Schöneres, als alles im Speicher zu speichern.

HDDs und SSDs können mit Ihrem Langzeitgedächtnis verglichen werden, während Flash eher Ihrem Kurzzeitgedächtnis ähnelt. Und genau wie Ihr Gehirn benötigt ein Computer traditionell beide Arten von Speicher, um zu funktionieren. Herkömmlicherweise als Direktzugriffsspeicher (RAM) bezeichnet, sind herkömmliche PCs in der Regel mit zwei RAM-Riegeln mit jeweils 4 bis 8 GB ausgestattet. Unterdessen verkaufen die Schwergewichte wie Samsung jetzt 2.5-D-Speicherkarten mit jeweils 128 GB – erstaunlich für Hardcore-Gamer, aber praktischer für Supercomputer der nächsten Generation.

Die Herausforderung bei diesen Speicherkarten besteht darin, dass sie denselben physischen Einschränkungen unterliegen wie Festplatten. Schlimmer noch, je kleiner die Transistoren im RAM werden, desto schlechter wird ihre Leistung im Laufe der Zeit – die Transistoren lassen sich schwerer löschen und genau beschreiben und stoßen schließlich auf eine Leistungsgrenze, die ihren Ersatz durch frische RAM-Sticks erzwingt. Vor diesem Hintergrund beginnen Unternehmen damit, die nächste Generation von Speicherkarten zu bauen:

3D NAND. Unternehmen wie Intel, Samsung, Micron, Hynix und Taiwan Semiconductor drängen auf die breite Einführung von 3D NAND, das Transistoren in drei Dimensionen innerhalb eines Chips stapelt.
Resistiver Direktzugriffsspeicher (RRAM). Diese Technologie verwendet Widerstand anstelle einer elektrischen Ladung, um Bits (0 und 1) des Gedächtnisses zu speichern.
3D-Chips. Dies wird im nächsten Serienkapitel ausführlicher erörtert, aber kurz gesagt: 3D-Chips zielen darauf ab, Computing und Datenspeicherung in vertikal gestapelten Schichten zu kombinieren und dadurch die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken.
Phasenwechselspeicher (PCM)dem „Vermischten Geschmack“. Seine Technologie hinter PCMs Im Grunde heizt und kühlt Chalkogenidglas und verschiebt es zwischen kristallisierten und nicht kristallisierten Zuständen mit jeweils einzigartigen elektrischen Widerständen, die die binären 0 und 1 darstellen. Einmal perfektioniert, hält diese Technologie viel länger als aktuelle RAM-Varianten und ist nicht flüchtig, was bedeutet Es kann Daten auch dann speichern, wenn das Gerät ausgeschaltet ist (im Gegensatz zu herkömmlichem RAM).
Spin-Transfer-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher (STT-RAM). Ein mächtiger Frankenstein, der die Kapazität von kombiniert DRAM mit der Geschwindigkeit von SRAM, zusammen mit verbesserter Nichtflüchtigkeit und nahezu unbegrenzter Ausdauer.
3D XPoint. Mit dieser Technologie, anstatt sich auf Transistoren zu verlassen, um Informationen zu speichern, 3D-Xpoint verwendet ein mikroskopisch kleines Geflecht aus Drähten, koordiniert durch einen "Selektor", die übereinander gestapelt sind. Einmal perfektioniert, könnte dies die Branche revolutionieren, da 3D Xpoint nicht flüchtig ist, tausendmal schneller arbeitet als NAND-Flash und zehnmal dichter als DRAM.

Mit anderen Worten, erinnern Sie sich, als wir sagten: „HDDs und SSDs können mit Ihrem Langzeitgedächtnis verglichen werden, während Flash eher Ihrem Kurzzeitgedächtnis ähnelt“? Nun, 3D Xpoint wird mit beiden umgehen und das besser als beides als beide getrennt.

Unabhängig davon, welche Option sich durchsetzt, bieten all diese neuen Flash-Speicherformen mehr Speicherkapazität, Geschwindigkeit, Ausdauer und Energieeffizienz.

Innovationen zur Langzeitspeicherung. Für die Anwendungsfälle, in denen Geschwindigkeit weniger zählt als die Erhaltung großer Datenmengen, sind derzeit neue und theoretische Technologien in Arbeit:

Bandlaufwerke. Vor über 60 Jahren erfunden, haben wir ursprünglich Bandlaufwerke verwendet, um Steuer- und Gesundheitsdokumente zu archivieren. Heute wird diese Technologie in der Nähe ihres theoretischen Höhepunkts perfektioniert IBM stellt einen Rekord auf durch die Archivierung von 330 Terabyte unkomprimierter Daten (~330 Millionen Bücher) auf einer etwa handgroßen Bandkassette.
DNA-Speicherung. Forscher der University of Washington und Microsoft Research ein System entwickelt zum Kodieren, Speichern und Abrufen digitaler Daten unter Verwendung von DNA-Molekülen. Einmal perfektioniert, könnte dieses System eines Tages Informationen millionenfach kompakter archivieren als aktuelle Datenspeichertechnologien.
Kilobyte wiederbeschreibbarer atomarer Speicher. Durch Manipulation einzelner Chloratome auf einem flachen Kupferblech Wissenschaftler schrieben eine 1-Kilobyte-Nachricht mit 500 Terabit pro Quadratzoll – ungefähr 100-mal mehr Informationen pro Quadratzoll als die effizienteste Festplatte auf dem Markt.
5D-Datenspeicherung. Dieses von der University of Southampton geleitete Spezialspeichersystem bietet eine Datenkapazität von 360 TB/Disc, eine thermische Stabilität von bis zu 1,000 °C und eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer bei Raumtemperatur (13.8 Milliarden Jahre bei 190 °C). Mit anderen Worten, die 5D-Datenspeicherung wäre ideal für die Archivierung in Museen und Bibliotheken.

Softwaredefinierte Speicherinfrastruktur (SDS). Nicht nur die Speicherhardware erfährt Innovationen, sondern auch die Software, auf der sie ausgeführt wird, befindet sich in einer spannenden Entwicklung. SDS wird hauptsächlich in Computernetzwerken großer Unternehmen oder in Cloud-Speicherdiensten verwendet, in denen Daten zentral gespeichert und über einzelne, verbundene Geräte abgerufen werden. Es nimmt im Grunde die gesamte Datenspeicherkapazität in einem Netzwerk und trennt sie zwischen den verschiedenen Diensten und Geräten, die im Netzwerk ausgeführt werden. Es werden ständig bessere SDS-Systeme codiert, um vorhandene (anstelle neuer) Speicherhardware effizienter zu nutzen.

Brauchen wir in Zukunft überhaupt noch Speicher?

Okay, die Speichertechnologie wird sich in den nächsten Jahrzehnten stark verbessern. Aber die Sache, die wir bedenken müssen, ist, welchen Unterschied macht das überhaupt?

Die durchschnittliche Person wird niemals das Terabyte an Speicherplatz verbrauchen, das jetzt in den neuesten Desktop-Computermodellen verfügbar ist. Und in weiteren zwei bis vier Jahren wird Ihr nächstes Smartphone genug Speicherplatz haben, um ein Jahr lang Bilder und Videos zu horten, ohne Ihr Gerät im Frühjahrsputz machen zu müssen. Sicher, es gibt eine Minderheit von Menschen da draußen, die gerne riesige Datenmengen auf ihren Computern horten, aber für den Rest von uns gibt es eine Reihe von Trends, die unseren Bedarf an übermäßigem Speicherplatz in Privatbesitz verringern.

Streaming-Dienste. Früher bestand unsere Musiksammlung aus dem Sammeln von Schallplatten, dann Kassetten, dann CDs. In den 90er Jahren wurden Songs in MP3s digitalisiert, um sie zu Tausenden zu horten (zuerst über Torrents, dann immer mehr über digitale Stores wie iTunes). Anstatt eine Musiksammlung auf Ihrem Heimcomputer oder Telefon speichern und organisieren zu müssen, können wir jetzt eine unendliche Anzahl von Songs streamen und sie überall über Dienste wie Spotify und Apple Music anhören.

Dieser Fortschritt reduzierte zuerst den physischen Raum, den Musik zu Hause einnahm, und dann den digitalen Raum auf Ihrem Computer. Jetzt kann dies alles durch einen externen Dienst ersetzt werden, der Ihnen überall und jederzeit einen günstigen und bequemen Zugriff auf all die Musik bietet, die Sie sich nur wünschen können. Natürlich haben die meisten von Ihnen, die dies lesen, wahrscheinlich immer noch ein paar CDs herumliegen, die meisten werden immer noch eine solide Sammlung von MP3s auf ihrem Computer haben, aber die nächste Generation von Computerbenutzern wird ihre Zeit nicht damit verschwenden, ihre Computer mit Musik zu füllen, die sie finden können online frei zugreifen.

Kopieren Sie natürlich alles, was ich gerade über Musik gesagt habe, und wenden Sie es auf Film und Fernsehen an (Hallo, Netflix!), Und die persönlichen Speichereinsparungen wachsen weiter.

Soziale Medien. Da Musik, Filme und Fernsehsendungen unsere PCs immer weniger verstopfen, sind persönliche Bilder und Videos die nächstgrößere Form digitaler Inhalte. Auch hier haben wir früher Bilder und Videos physisch produziert, um letztendlich Staub auf unseren Dachböden zu sammeln. Dann wurden unsere Bilder und Videos digitalisiert, nur um wieder Staub in den Unterwelten unserer Computer zu sammeln. Und das ist das Problem: Wir sehen uns die meisten Bilder und Videos, die wir machen, selten an.

Aber nachdem soziale Medien entstanden sind, haben uns Websites wie Flickr und Facebook die Möglichkeit gegeben, eine unendliche Anzahl von Bildern mit einem Netzwerk von Menschen zu teilen, die uns wichtig sind, und diese Bilder gleichzeitig (kostenlos) in einem selbstorganisierenden Ordnersystem oder einer Zeitachse zu speichern. Während dieses soziale Element, gepaart mit High-End-Miniatur-Telefonkameras, die Anzahl der von der Durchschnittsperson produzierten Bilder und Videos stark erhöhte, reduzierte es auch unsere Gewohnheit, Fotos auf unseren privaten Computern zu speichern, und ermutigte uns, sie privat online zu speichern oder öffentlich.

Cloud- und Kollaborationsdienste. Angesichts der letzten beiden Punkte bleibt nur das bescheidene Textdokument (und ein paar andere Nischendatentypen) übrig. Diese Dokumente sind im Vergleich zu den gerade besprochenen Multimedia-Dokumenten normalerweise so klein, dass das Speichern auf Ihrem Computer niemals ein Problem darstellen wird.

In unserer zunehmend mobilen Welt gibt es jedoch eine wachsende Nachfrage, unterwegs auf Dokumente zuzugreifen. Und auch hier findet der gleiche Fortschritt statt, den wir mit Musik besprochen haben – wo wir zuerst Dokumente mit Disketten, CDs und USBs transportiert haben, verwenden wir jetzt bequemere und verbraucherorientiertere Medien Cloud-Speicher Dienste wie Google Drive und Dropbox, die unsere Dokumente in einem externen Rechenzentrum speichern, damit wir sicher online darauf zugreifen können. Dienste wie diese ermöglichen es uns, überall und jederzeit auf jedem Gerät oder Betriebssystem auf unsere Dokumente zuzugreifen und sie zu teilen.

Um fair zu sein, die Nutzung von Streaming-Diensten, sozialen Medien und Cloud-Diensten bedeutet nicht unbedingt, dass wir alles in die Cloud verlagern werden – einige Dinge ziehen wir vor, übermäßig privat und sicher zu bleiben – aber diese Dienste haben gekürzt und werden weiterhin gekürzt, die Gesamtmenge an physischem Speicherplatz, den wir Jahr für Jahr besitzen müssen.

Warum exponentiell mehr Speicherplatz wichtig ist

Während der durchschnittliche Mensch vielleicht weniger Bedarf für mehr digitale Speicherung sieht, sind große Kräfte im Spiel, die Kryders Gesetz vorantreiben.

Zunächst einmal wachsen aufgrund der fast jährlichen Liste von Sicherheitsverletzungen in einer Reihe von Technologie- und Finanzdienstleistungsunternehmen – die jeweils die digitalen Informationen von Millionen von Menschen gefährden – die Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes in der Öffentlichkeit zu Recht. Abhängig von den individuellen Bedürfnissen kann dies die öffentliche Nachfrage nach größeren und billigeren Datenspeicheroptionen für den persönlichen Gebrauch anregen, um die Abhängigkeit von der Cloud zu vermeiden. Zukünftige Einzelpersonen können sogar private Datenspeicherserver in ihren Häusern einrichten, um sich mit externen Verbindungen zu verbinden, anstatt sich auf Server der großen Technologieunternehmen zu verlassen.

Eine weitere Überlegung ist, dass die Beschränkungen der Datenspeicherung derzeit den Fortschritt in einer Reihe von Sektoren von der Biotechnologie bis zur künstlichen Intelligenz blockieren. Sektoren, die auf die Sammlung und Verarbeitung von Big Data angewiesen sind, müssen immer größere Datenmengen speichern, um neue Produkte und Dienstleistungen zu entwickeln.

Als nächstes werden bis Ende der 2020er Jahre das Internet der Dinge (IoT), autonome Fahrzeuge, Roboter, Augmented Reality und andere solche „Edge-Technologien“ der nächsten Generation Investitionen in die Speichertechnologie ankurbeln. Denn damit diese Technologien funktionieren, müssen sie über die Rechenleistung und Speicherkapazität verfügen, um ihre Umgebung zu verstehen und in Echtzeit zu reagieren, ohne ständig von der Cloud abhängig zu sein. Wir untersuchen dieses Konzept weiter unten Kapitel fünf dieser Serie.

Schließlich wird der Internet der Dinge (ausführlich erklärt in unserer Zukunft des Internets Serie) wird dazu führen, dass Milliarden bis Billionen von Sensoren die Bewegung oder den Status von Milliarden bis Billionen von Dingen verfolgen. Die immensen Datenmengen, die diese unzähligen Sensoren produzieren werden, erfordern eine effektive Speicherkapazität, bevor sie effektiv von den Supercomputern verarbeitet werden können, die wir gegen Ende dieser Serie behandeln werden.

Alles in allem, während der Durchschnittsbürger seinen Bedarf an persönlicher digitaler Speicherhardware zunehmend reduzieren wird, wird dennoch jeder auf der Welt indirekt von der unendlichen Speicherkapazität profitieren, die zukünftige digitale Speichertechnologien bieten werden. Natürlich liegt die Zukunft der Speicherung, wie bereits angedeutet, in der Cloud, aber bevor wir tief in dieses Thema eintauchen können, müssen wir zuerst die ergänzenden Revolutionen verstehen, die auf der Verarbeitungsseite (Mikrochip) des Computergeschäfts stattfinden – die Thema des nächsten Kapitels.