Quantumrun

KUVAKrediitti: Quantumrun

Digitaalisen tallennustilan vallankumous: Tietokoneiden tulevaisuus P3

David Tal, kustantaja, futuristi
@DavidTalWrites
LinkedIn

Tiistaina 09 - 15:2020

Useimmat tätä lukevista muistavat todennäköisesti vaatimattoman levykkeen ja siinä on vankat 1.44 Mt levytilaa. Jotkut teistä olivat luultavasti kateellisia tälle ystävälle, kun hän vei kouluprojektin aikana esiin ensimmäisen USB-muistitikun, jossa oli hirvittävä 8 Mt tilaa. Nykyään taika on poissa ja meistä on tullut uupuneita. Yksi teratavu muistia on vakiona useimmissa vuoden 2018 pöytäkoneissa – ja Kingston myy nyt jopa yhden teratavun USB-asemia.

Pakkomiellemme varastointiin kasvaa vuosi vuodelta, kun kulutamme ja luomme yhä enemmän digitaalista sisältöä, olipa kyseessä sitten kouluraportti, matkakuva, bändisi mixtape tai GoPro-video, jossa hiihdyt Whistlerissä. Muut trendit, kuten nouseva esineiden internet, vain kiihdyttävät maailman tuottaman datavuoren määrää ja lisäävät rakettipolttoainetta digitaalisen tallennustilan kysyntään.

Tästä syystä päätimme äskettäin muokata tätä lukua jakamalla sen kahteen osaan, jotta voimme keskustella tietojen tallentamisesta kunnolla. Tämä puolikas käsittelee tiedontallennusteknologian innovaatioita ja niiden vaikutuksia keskivertodigitaalikuluttajiin. Sillä välin seuraava luku kattaa tulevan pilven vallankumouksen.

Tiedontallennusinnovaatioita valmisteilla

(TL;DR - Seuraava osio esittelee uuden tekniikan, joka mahdollistaa yhä suurempien tietomäärien tallentamisen yhä pienempiin ja tehokkaampiin tallennusasemiin. Jos et välitä tekniikasta, vaan haluat lukea laajemmasta tiedon tallentamiseen liittyvistä trendeistä ja vaikutuksista, suosittelemme siirtymistä seuraavaan alaotsikkoon.)

Monet teistä ovat jo kuulleet Mooren laista (havainto, että transistorien määrä tiheässä integroidussa piirissä kaksinkertaistuu suunnilleen kahden vuoden välein), mutta tietokoneliiketoiminnan tallennuspuolella meillä on Kryderin laki – pohjimmiltaan kykymme puristaa. yhä enemmän bittejä kutistuviin kiintolevyihin myös kaksinkertaistuu suunnilleen 18 kuukauden välein. Tämä tarkoittaa, että henkilö, joka käytti 1,500 5 dollaria 35 Mt:sta 600 vuotta sitten, voi nyt käyttää 6 dollaria XNUMX Tt:n asemaan.

Tämä on huimaa edistystä, eikä se lopu lähiaikoina.

Seuraava luettelo on lyhyt katsaus lyhyen ja pitkän aikavälin innovaatioihin, joita digitaalisten tallennuslaitteiden valmistajat käyttävät tyydyttääkseen tallennustilaa kaipaava yhteiskuntamme.

Paremmat kiintolevyasemat. 2020-luvun alkuun saakka valmistajat jatkavat perinteisten kiintolevyasemien (HDD) rakentamista ja lisäävät muistikapasiteettia, kunnes emme enää pysty rakentamaan tiheämpiä kiintolevyjä. Tekniikoita, jotka on keksitty johtamaan tätä HDD-tekniikan viimeistä vuosikymmentä, ovat mm Shingled Magnetic Recording (SMR), jota seuraa Kaksiulotteinen magneettitallennus (TDMR) ja mahdollisesti Lämpöavusteinen magneettitallennus (HAMR).

Kiintolevyt. Edellä mainitun perinteisen kiintolevyaseman korvaaminen on SATA SSD -kiintolevy. Toisin kuin kiintolevyillä, SSD-levyillä ei ole pyöriviä levyjä – itse asiassa niissä ei ole lainkaan liikkuvia osia. Tämän ansiosta SSD-levyt voivat toimia paljon nopeammin, pienemmissä koossa ja kestävämmin kuin edeltäjänsä. SSD-levyt ovat jo standardi nykypäivän kannettavissa tietokoneissa, ja niistä on vähitellen tulossa vakiolaitteisto useimmissa uusissa pöytäkonemalleissa. Ja vaikka alun perin paljon kalliimpia kuin kiintolevyt, niiden hinnat laskevat nopeammin kuin kiintolevyt, mikä tarkoittaa, että niiden myynti voi ohittaa kiintolevyt 2020-luvun puoliväliin mennessä.

Myös seuraavan sukupolven SSD-levyjä otetaan vähitellen käyttöön, ja valmistajat ovat siirtymässä SATA SSD -levyistä PCIe-SSD-levyihin, joiden kaistanleveys on vähintään kuusi kertaa SATA-asemiin verrattuna ja jotka kasvavat.

Flash-muisti menee 3D:ksi. Mutta jos nopeus on tavoitteena, mikään ei voita kaiken tallentamista muistiin.

Kiintolevy- ja SSD-levyjä voidaan verrata pitkäkestoiseen muistiin, kun taas flash on enemmän kuin lyhytaikainen muisti. Ja aivan kuten aivosi, tietokone tarvitsee perinteisesti molempia tallennustyyppejä toimiakseen. Perinteisissä henkilökohtaisissa tietokoneissa, joita kutsutaan yleisesti RAM-muistiksi, on yleensä kaksi RAM-muistia, molemmissa 4–8 Gt. Sillä välin raskaat hittiläiset, kuten Samsung, myyvät nyt 2.5D-muistikortteja, joissa kussakin on 128 Gt – uskomatonta hardcore-pelaajille, mutta käytännöllisempää seuraavan sukupolven supertietokoneille.

Näiden muistikorttien haasteena on, että ne joutuvat samoihin fyysisiin rajoituksiin, joita kovalevyt kohtaavat. Mikä pahempaa, pienemmät transistorit tulevat RAM-muistin sisälle, mitä huonommin ne toimivat ajan myötä – transistoreja on vaikeampi tyhjentää ja kirjoittaa tarkasti, mikä lopulta osuu suorituskykymuuriin, joka pakottaa ne korvaamaan uusilla RAM-tikuilla. Tämän valossa yritykset alkavat rakentaa seuraavan sukupolven muistikortteja:

3D NAND. Yritykset, kuten Intel, Samsung, Micron, Hynix ja Taiwan Semiconductor, pyrkivät ottamaan käyttöön 3D NAND, joka pinoaa transistorit kolmeen ulottuvuuteen sirun sisällä.
Resistiivinen Random Access Memory (RAM). Tämä tekniikka käyttää vastusta sähkövarauksen sijasta muistibittien (0s ja 1s) tallentamiseen.
3D sirut. Tästä keskustellaan tarkemmin seuraavassa sarjan luvussa, mutta lyhyesti 3D sirut Tavoitteena on yhdistää laskenta ja tietojen tallennus pystysuunnassa pinotuissa kerroksissa, mikä parantaa käsittelynopeuksia ja vähentää energiankulutusta.
Vaiheenmuutosmuisti (PCM). PCM:n takana oleva tekniikka pohjimmiltaan lämmittää ja jäähdyttää kalkogenidilasia siirtäen sen kiteytyneen ja kiteytymättömän tilan välillä, joista jokaisella on ainutlaatuinen sähkövastus, joka edustaa binääriarvoa 0 ja 1. Täydellisenä tekniikka kestää paljon pidempään kuin nykyiset RAM-muunnelmat ja on haihtumaton, mikä tarkoittaa se voi säilyttää tietoja, vaikka virta on katkaistu (toisin kuin perinteinen RAM).
Pyörityksen siirtomomentin satunnaispääsymuisti (STT-RAM). Tehokas Frankenstein, jossa yhdistyvät kyvyt DRAM nopeudella SRAM, parannetun epävakauden ja lähes rajattoman kestävyyden kanssa.
3D XPoint. Tällä tekniikalla sen sijaan, että luottaisit transistoreihin tietojen tallentamisessa, 3D Xpoint käyttää mikroskooppista lankaverkkoa, jota koordinoi "valitsija", jotka on pinottu päällekkäin. Täydellisenä se voi mullistaa alan, koska 3D Xpoint on haihtumaton, toimii tuhansia kertoja nopeammin kuin NAND-flash ja 10 kertaa tiheämpi kuin DRAM.

Toisin sanoen, muistatko, kun sanoimme "HDD- ja SSD-levyjä voidaan verrata pitkäaikaiseen muistiin, kun taas salama muistuttaa enemmän lyhytaikaista muistiasi"? No, 3D Xpoint käsittelee molemmat ja tekee sen paremmin kuin kumpikaan erikseen.

Riippumatta siitä, kumpi vaihtoehto voittaa, kaikki nämä uudet flash-muistimuodot tarjoavat enemmän muistikapasiteettia, nopeutta, kestävyyttä ja tehokkuutta.

Pitkän aikavälin varastointiinnovaatioita. Sitä vastoin niihin käyttötapauksiin, joissa nopeus ei ole niin tärkeä kuin suurten tietomäärien säilyminen, uusia ja teoreettisia teknologioita on parhaillaan työn alla:

Nauha-asemat. Keksimme yli 60 vuotta sitten, ja käytimme alun perin nauha-asemia vero- ja terveydenhuoltoasiakirjojen arkistointiin. Nykyään tätä tekniikkaa kehitetään lähelle teoreettista huippuaan IBM asetti ennätyksen arkistoimalla 330 teratavua pakkaamatonta dataa (noin 330 miljoonaa kirjaa) kätesi kokoiselle nauhakasetille.
DNA:n säilytys. Washingtonin yliopiston ja Microsoft Researchin tutkijat kehittänyt järjestelmän digitaalisen tiedon koodaamiseen, tallentamiseen ja hakemiseen DNA-molekyylejä käyttämällä. Kun tämä järjestelmä on täydellinen, se saattaa jonain päivänä arkistoida tietoja miljoonia kertoja kompaktimmin kuin nykyiset tiedontallennustekniikat.
Kilotavun uudelleenkirjoitettava atomimuisti. Käsittelemällä yksittäisiä klooriatomeja tasaisella kuparilevyllä, tiedemiehet kirjoittivat 1 kilotavuinen viesti nopeudella 500 terabittiä neliötuumaa kohti – noin 100 kertaa enemmän tietoa neliötuumaa kohti kuin markkinoiden tehokkain kiintolevy.
5D-tietojen tallennus. Tämä Southamptonin yliopiston johtama erikoistallennusjärjestelmä sisältää 360 TB/levyn datakapasiteetin, lämpöstabiilisuuden 1,000 13.8°C asti ja lähes rajattoman käyttöiän huoneenlämpötilassa (190 miljardia vuotta 5°C:ssa). Toisin sanoen XNUMXD-tietovarasto olisi ihanteellinen museoiden ja kirjastojen arkistokäyttöön.

Software Defined Storage Infrastructure (SDS). Innovaatioita ei nähdä vain tallennuslaitteistossa, vaan myös sitä käyttävä ohjelmisto on jännittävässä kehitystyössä. SDS käytetään enimmäkseen suurten yritysten tietokoneverkoissa tai pilvitallennuspalveluissa, joissa tiedot tallennetaan keskitetysti ja niihin pääsee käsiksi yksittäisten, yhdistettyjen laitteiden kautta. Se ottaa periaatteessa verkon kokonaistallennuskapasiteetin ja erottaa sen verkossa toimivien eri palvelujen ja laitteiden kesken. Parempia SDS-järjestelmiä koodataan koko ajan, jotta olemassa olevaa (uusien) tallennuslaitteistoa voidaan käyttää tehokkaammin.

Tarvitsemmeko edes säilytystilaa tulevaisuudessa?

Okei, joten tallennustekniikka paranee paljon seuraavien vuosikymmenten aikana. Mutta mitä meidän on harkittava, mitä eroa sillä on?

Keskivertoihminen ei koskaan käytä loppuun sitä teratavua tallennustilaa, joka on nyt saatavilla uusimmissa pöytätietokonemalleissa. Ja vielä kahden tai neljän vuoden kuluttua seuraavassa älypuhelimessasi on tarpeeksi tallennustilaa vuoden kuvien ja videoiden keräämiseen ilman, että sinun tarvitsee kevätsiivoa laitettasi. Toki, on olemassa vähemmistö ihmisiä, jotka haluavat tallentaa valtavia määriä dataa tietokoneilleen, mutta meille muille on olemassa useita trendejä, jotka vähentävät tarvettamme liiallisen, yksityisomistuksessa olevan levytilan tarpeeseen.

Suoratoistopalvelut. Musiikkikokoelmiimme kuului joskus levyjen, sitten kasettejen ja sitten CD-levyjen kerääminen. 90-luvulla kappaleet digitoitiin MP3-tiedostoiksi, jotta niitä hamstrasivat tuhannet (ensin torrentien kautta, sitten yhä enemmän digitaalisten kauppojen, kuten iTunesin, kautta). Nyt sen sijaan, että meidän pitäisi tallentaa ja järjestää musiikkikokoelmaa kotitietokoneellesi tai puhelimeesi, voimme suoratoistaa äärettömän määrän kappaleita ja kuunnella niitä missä tahansa palveluiden, kuten Spotifyn ja Apple Musicin, kautta.

Tämä eteneminen vähensi ensin musiikin fyysistä tilaa kotona ja sitten tietokoneesi digitaalista tilaa. Nyt se voidaan korvata ulkoisella palvelulla, joka tarjoaa sinulle halvan ja kätevän pääsyn missä tahansa/milloin tahansa musiikkiin, jota haluat. Tietysti useimmilla teistä tätä lukiessa on luultavasti vielä muutamia CD-levyjä kädessään, useimmilla on edelleen vankka kokoelma MP3-tiedostoja tietokoneessaan, mutta seuraavan sukupolven tietokoneen käyttäjät eivät tuhlaa aikaansa täyttämään tietokoneitaan musiikilla, jonka he voivat. käyttää vapaasti verkossa.

On selvää, että kopioi kaikki, mitä juuri sanoin musiikista ja käytä sitä elokuvissa ja televisiossa (hei, Netflix!), ja henkilökohtaiset tallennussäästöt kasvavat jatkuvasti.

sosiaalinen media. Kun musiikki, elokuvat ja TV-ohjelmat tukkivat yhä vähemmän henkilökohtaisia tietokoneitamme, seuraavaksi suurin digitaalisen sisällön muoto ovat henkilökohtaiset kuvat ja videot. Meillä oli taas tapana tuottaa kuvia ja videoita fyysisesti, lopulta kerätäksemme pölyä ullakoillamme. Sitten kuvamme ja videomme muuttuivat digitaalisiksi, mutta keräsivät taas pölyä tietokoneidemme alta. Ja se on ongelma: katsomme harvoin useimpia ottamamme kuvia ja videoita.

Mutta sosiaalisen median syntymisen jälkeen Flickr- ja Facebook-sivustot antoivat meille mahdollisuuden jakaa äärettömän määrän kuvia välittämiemme ihmisten verkoston kanssa ja samalla tallentaa kuvat (ilmaiseksi) itseorganisoituvaan kansiojärjestelmään tai aikajanaan. Vaikka tämä sosiaalinen elementti yhdistettynä miniatyyrillisiin huippuluokan puhelinkameroihin lisäsi huomattavasti keskimääräisen ihmisen tuottamien kuvien ja videoiden määrää, se vähensi myös tapaamme tallentaa valokuvia yksityisille tietokoneillemme, mikä rohkaisi meitä tallentamaan niitä verkossa, yksityisesti. tai julkisesti.

Pilvi- ja yhteistyöpalvelut. Kun otetaan huomioon kaksi viimeistä kohtaa, jäljelle jää vain vaatimaton tekstidokumentti (ja muutama muu niche-tietotyyppi). Nämä asiakirjat ovat juuri mainitsemiimme multimediaan verrattuna yleensä niin pieniä, että niiden tallentaminen tietokoneelle ei ole koskaan ongelma.

Yhä liikkuvassa maailmassamme on kuitenkin kasvava tarve käyttää asiakirjoja liikkeellä ollessamme. Ja täällä taas tapahtuu sama kehitys, josta keskustelimme musiikin kanssa – kun ensin kuljetimme asiakirjoja levykkeillä, CD-levyillä ja USB-liitännöillä, nyt käytämme kätevämpää ja kuluttajalähtöisempää. Cloud Storage palvelut, kuten Google Drive ja Dropbox, jotka tallentavat asiakirjamme ulkoiseen datakeskukseen, jotta voimme käyttää niitä turvallisesti verkossa. Tällaisten palvelujen avulla voimme käyttää ja jakaa asiakirjojamme missä tahansa, milloin tahansa, millä tahansa laitteella tai käyttöjärjestelmällä.

Ollakseni rehellinen, suoratoistopalveluiden, sosiaalisen median ja pilvipalvelujen käyttäminen ei välttämättä tarkoita, että siirtäisimme kaiken pilveen – jotkin asiat pidämme mieluummin liian yksityisinä ja turvallisina – mutta näitä palveluita on leikattu ja leikataan edelleen. fyysisen tiedontallennustilan kokonaismäärä, joka meidän on omistettava vuodesta toiseen.

Miksi eksponentiaalisesti enemmän tallennustilaa on?

Vaikka keskivertoihminen voi nähdä vähemmän tarvetta lisätä digitaalista tallennustilaa, pelissä on suuret voimat, jotka vievät Kryderin lakia eteenpäin.

Ensinnäkin useiden teknologia- ja rahoituspalveluyritysten lähes vuosittaisen tietoturvaloukkausten luettelon vuoksi – joista jokainen vaarantaa miljoonien henkilöiden digitaalisen tiedon – huolet tietosuojasta kasvavat oikeutetusti yleisön keskuudessa. Yksilöllisistä tarpeista riippuen tämä voi lisätä julkista kysyntää suuremmille ja halvemmille henkilökohtaiseen käyttöön tarkoitettujen tiedontallennusvaihtoehtojen välttämiseksi pilvestä riippuen. Tulevat henkilöt voivat jopa perustaa yksityisiä tiedontallennuspalvelimia koteihinsa muodostaakseen yhteyden ulkoisesti sen sijaan, että riippuisivat suurten teknologiayritysten omistamista palvelimista.

Toinen näkökohta on, että tiedon tallennuksen rajoitukset estävät tällä hetkellä kehitystä useilla aloilla biotekniikasta tekoälyyn. Big datan kerääntymisestä ja käsittelystä riippuvaisten sektoreiden on tallennettava yhä suurempia tietomääriä uusien tuotteiden ja palvelujen innovoimiseksi.

Seuraavaksi 2020-luvun lopulla esineiden internet (IoT), autonomiset ajoneuvot, robotit, lisätty todellisuus ja muut vastaavat seuraavan sukupolven "ede-teknologiat" lisäävät investointeja tallennustekniikkaan. Tämä johtuu siitä, että näiden tekniikoiden toimiminen edellyttää laskentatehoa ja tallennuskapasiteettia ymmärtääkseen ympäristöään ja reagoidakseen reaaliajassa ilman jatkuvaa riippuvuutta pilvestä. Tutkimme tätä käsitettä tarkemmin viides luku tämän sarjan.

Lopuksi, Esineiden internet (selvitetty täysin meidän Internetin tulevaisuus sarja) johtaa miljardeista biljooniin antureita, jotka seuraavat miljardeista biljooniin esineiden liikettä tai tilaa. Näiden lukemattomien antureiden tuottamat valtavat tietomäärät vaativat tehokkaan tallennuskapasiteetin, ennen kuin ne voidaan käsitellä tehokkaasti supertietokoneissa, joita käsittelemme tämän sarjan lopussa.

Kaiken kaikkiaan, vaikka keskimääräinen ihminen vähentää yhä enemmän henkilökohtaisen omistuksensa digitaalisten tallennuslaitteiden tarvetta, kaikki planeetan ihmiset hyötyvät edelleen välillisesti tulevaisuuden digitaalisten tallennustekniikoiden tarjoamasta äärettömästä tallennuskapasiteetista. Tietysti, kuten aiemmin vihjattiin, tallennustilan tulevaisuus on pilvessä, mutta ennen kuin voimme sukeltaa syvälle aiheeseen, meidän on ensin ymmärrettävä tietokoneliiketoiminnan prosessointipuolella (mikrosirujen) tapahtuvat ilmaiset vallankumoukset. seuraavan luvun aihe.