Quantumrun

KREDYT WZROKU: Quantumrun

Rewolucja cyfrowej pamięci masowej: przyszłość komputerów P3

David Tal, wydawca, futurysta
@DavidTal pisze
LinkedIn

Wt, 09 / 15 / 2020 - 15: 43

Większość z was, którzy to czytają, prawdopodobnie pamięta skromną dyskietkę z solidnym 1.44 MB miejsca na dysku. Niektórzy z was prawdopodobnie zazdrościli temu przyjacielowi, kiedy podczas szkolnego projektu wyciągnął pierwszy pendrive z monstrualnym 8 MB miejsca. W dzisiejszych czasach magia zniknęła, a my znudziliśmy się. Jeden terabajt pamięci jest standardem w większości komputerów stacjonarnych z 2018 roku — a firma Kingston sprzedaje teraz nawet dyski USB o pojemności jednego terabajta.

Nasza obsesja na punkcie pamięci masowej rośnie z roku na rok, w miarę jak konsumujemy i tworzymy coraz więcej treści cyfrowych, niezależnie od tego, czy jest to świadectwo szkolne, zdjęcie z podróży, mixtape zespołu, czy film GoPro, na którym jeździsz na nartach po Whistler. Inne trendy, takie jak wyłaniający się Internet Rzeczy, tylko przyspieszą wzrost ilości danych wytwarzanych przez świat, dodając kolejne paliwo rakietowe do popytu na cyfrowe pamięci masowe

Dlatego, aby właściwie omówić przechowywanie danych, ostatnio postanowiliśmy zredagować ten rozdział, dzieląc go na dwie części. Ta połowa obejmie innowacje technologiczne w zakresie przechowywania danych i ich wpływ na przeciętnych konsumentów cyfrowych. Tymczasem kolejny rozdział obejmie nadchodzącą rewolucję w chmurze.

Innowacje w zakresie przechowywania danych w przygotowaniu

(TL; DR – Poniższa sekcja przedstawia nową technologię, która umożliwi przechowywanie coraz większych ilości danych na coraz mniejszych i bardziej wydajnych dyskach pamięci masowej. Jeśli nie zależy Ci na technologii, ale zamiast tego chcesz przeczytać o szerszych trendy i wpływy związane z przechowywaniem danych, zalecamy przejście do następnego podtytułu).

Wielu z was słyszało już o prawie Moore'a (obserwacja, że liczba tranzystorów w gęstym układzie scalonym podwaja się mniej więcej co dwa lata), ale jeśli chodzi o pamięć masową w biznesie komputerowym, mamy prawo Krydera — w zasadzie naszą zdolność do ściśnięcia coraz więcej bitów na kurczących się dyskach twardych podwaja się mniej więcej co 18 miesięcy. Oznacza to, że osoba, która 1,500 lat temu wydała 5 USD na 35 MB, może teraz wydać 600 USD na dysk o pojemności 6 TB.

To oszałamiający postęp, który w najbliższym czasie się nie zatrzyma.

Poniższa lista to krótki wgląd w innowacje krótko- i długoterminowe, które producenci cyfrowych pamięci masowych będą stosować, aby zaspokoić nasze głodne pamięci masowej społeczeństwo.

Lepsze dyski twarde. Do początku lat dwudziestych producenci będą kontynuować tworzenie tradycyjnych dysków twardych (HDD), pakując większą pojemność pamięci, dopóki nie będziemy mogli budować dysków twardych o większej gęstości. Techniki wynalezione w celu prowadzenia tej ostatniej dekady technologii HDD obejmują: Magnetic Recording Gontem (SMR), a następnie Dwuwymiarowy zapis magnetyczny (TDMR) i potencjalnie Nagrywanie magnetyczne wspomagane ciepłem (HAMR).

Dyski twarde półprzewodnikowe. Wspomniany powyżej tradycyjny dysk twardy zastępuje dysk półprzewodnikowy (SATA SSD). W przeciwieństwie do dysków twardych dyski SSD nie mają żadnych obracających się dysków — w rzeczywistości nie mają żadnych ruchomych części. Dzięki temu dyski SSD działają znacznie szybciej, mają mniejsze rozmiary i są bardziej trwałe niż ich poprzednicy. Dyski SSD są już standardem w dzisiejszych laptopach i stopniowo stają się standardowym sprzętem w większości nowych modeli komputerów stacjonarnych. I choć pierwotnie znacznie droższe niż dyski twarde, ich cena spada szybciej niż HDD, co oznacza, że ich sprzedaż może wyprzedzić dyski twarde do połowy lat dwudziestych.

Stopniowo wprowadzane są również dyski SSD nowej generacji, a producenci przechodzą z dysków SSD SATA na dyski SSD PCIe, które mają co najmniej sześciokrotnie przepustowość dysków SATA i stale rosną.

Pamięć flash przechodzi w tryb 3D. Ale jeśli celem jest szybkość, nic nie przebije przechowywania wszystkiego w pamięci.

Dyski HDD i SSD można porównać do pamięci długoterminowej, podczas gdy flash bardziej przypomina pamięć krótkotrwałą. I tak jak twój mózg, komputer tradycyjnie potrzebuje obu rodzajów pamięci, aby funkcjonować. Powszechnie określane jako pamięć o dostępie swobodnym (RAM), tradycyjne komputery osobiste mają zwykle dwie karty pamięci RAM o pojemności od 4 do 8 GB każda. Tymczasem najciężsi gracze, tacy jak Samsung, sprzedają teraz karty pamięci 2.5D o pojemności 128 GB każda — niesamowite dla zapalonych graczy, ale bardziej praktyczne dla superkomputerów nowej generacji.

Wyzwanie związane z tymi kartami pamięci polega na tym, że napotykają one te same fizyczne ograniczenia, z jakimi borykają się dyski twarde. Co gorsza, im mniejsze tranzystory znajdują się w pamięci RAM, tym gorzej działają z biegiem czasu — tranzystory stają się trudniejsze do wymazania i dokładnego zapisu, w końcu uderzając w barierę wydajności, która wymusza ich wymianę na nowe pamięci RAM. W związku z tym firmy zaczynają budować kolejną generację kart pamięci:

3D NAND. Firmy takie jak Intel, Samsung, Micron, Hynix i Taiwan Semiconductor naciskają na przyjęcie na szeroką skalę 3D NAND, który układa tranzystory w trzech wymiarach wewnątrz chipa.
Rezystancyjna pamięć o dostępie swobodnym (Baran). Ta technologia wykorzystuje opór zamiast ładunku elektrycznego do przechowywania bitów (0s i 1s) pamięci.
Chipy 3D. Zostanie to omówione bardziej szczegółowo w kolejnym rozdziale serii, ale w skrócie: Chipy 3D dążą do połączenia przetwarzania i przechowywania danych w warstwach ułożonych pionowo, poprawiając w ten sposób szybkość przetwarzania i zmniejszając zużycie energii.
Pamięć zmiany fazy (PCM), technologia stojąca za PCM zasadniczo podgrzewa i chłodzi szkło chalkogenowe, przesuwając je między stanami skrystalizowanymi a nieskrystalizowanymi, z których każdy ma unikalną rezystancję elektryczną reprezentującą binarne 0 i 1. Po udoskonaleniu ta technologia będzie trwać znacznie dłużej niż obecne warianty pamięci RAM i jest nielotna, co oznacza może przechowywać dane nawet po wyłączeniu zasilania (w przeciwieństwie do tradycyjnej pamięci RAM).
Pamięć o dostępie swobodnym z momentem obrotowym spin-Transfer (STT-RAM). Potężny Frankenstein, który łączy w sobie możliwości DRAM z prędkością SRAM, wraz z poprawioną nielotnością i prawie nieograniczoną wytrzymałością.
3D XPoint. Dzięki tej technologii, zamiast polegać na tranzystorach do przechowywania informacji, Punkt 3D wykorzystuje mikroskopijną siatkę drutów, koordynowaną przez „selektor”, które są ułożone jeden na drugim. Po udoskonaleniu może to zrewolucjonizować branżę, ponieważ 3D Xpoint jest nieulotny, będzie działać tysiące razy szybciej niż flash NAND i 10 razy gęstszy niż DRAM.

Innymi słowy, pamiętasz, kiedy powiedzieliśmy „Dyski twarde i dyski SSD można porównać do pamięci długotrwałej, podczas gdy pamięć flash jest bardziej zbliżona do pamięci krótkotrwałej”? Cóż, 3D Xpoint poradzi sobie z obydwoma i zrobi to lepiej niż którykolwiek z nich osobno.

Niezależnie od tego, która opcja wygra, wszystkie te nowe formy pamięci flash zapewnią większą pojemność pamięci, szybkość, wytrzymałość i energooszczędność.

Innowacje w zakresie długoterminowego przechowywania. Tymczasem dla tych przypadków użycia, w których prędkość ma mniejsze znaczenie niż zachowanie dużej ilości danych, obecnie trwają prace nad nowymi i teoretycznymi technologiami:

Napędy taśmowe. Wynalezione ponad 60 lat temu, początkowo używaliśmy napędów taśmowych do archiwizacji dokumentów podatkowych i zdrowotnych. Dziś ta technologia jest doskonalona w pobliżu teoretycznego szczytu z IBM ustanawia rekord archiwizując 330 terabajtów nieskompresowanych danych (ok. 330 milionów książek) na taśmie o rozmiarach zbliżonych do dłoni.
Przechowywanie DNA. Naukowcy z University of Washington i Microsoft Research opracował system do kodowania, przechowywania i pobierania danych cyfrowych za pomocą cząsteczek DNA. Raz udoskonalony system może pewnego dnia archiwizować informacje miliony razy bardziej kompaktowo niż obecne technologie przechowywania danych.
Kilobajtowa pamięć atomowa wielokrotnego zapisu. Manipulując pojedynczymi atomami chloru na płaskim arkuszu miedzi, naukowcy napisali 1-kilobajtowa wiadomość przy 500 terabitach na cal kwadratowy — około 100 razy więcej informacji na cal kwadratowy niż najbardziej wydajny dysk twardy na rynku.
Przechowywanie danych 5D. Ten specjalistyczny system pamięci masowej, którego inicjatorem jest Uniwersytet w Southampton, oferuje pojemność 360 TB/dysk, stabilność termiczną do 1,000 °C i prawie nieograniczoną żywotność w temperaturze pokojowej (13.8 miliarda lat przy 190 °C). Innymi słowy, przechowywanie danych 5D byłoby idealne do zastosowań archiwalnych w muzeach i bibliotekach.

Infrastruktura pamięci masowej definiowanej programowo (SDS). Nie tylko sprzęt do przechowywania danych doczekał się innowacji, ale oprogramowanie, które go obsługuje, również przechodzi ekscytujący rozwój. SDS jest stosowany głównie w dużych firmowych sieciach komputerowych lub usługach przechowywania danych w chmurze, gdzie dane są przechowywane centralnie i dostępne za pośrednictwem indywidualnych, podłączonych urządzeń. Zasadniczo pobiera całkowitą pojemność pamięci masowej danych w sieci i oddziela ją od różnych usług i urządzeń działających w sieci. Coraz lepsze systemy SDS są kodowane, aby efektywniej wykorzystywać istniejący (zamiast nowego) sprzęt pamięci masowej.

Czy w przyszłości będziemy potrzebować pamięci masowej?

Ok, więc technologia pamięci masowej ulegnie znacznej poprawie w ciągu najbliższych kilku dekad. Ale rzeczą, którą musimy wziąć pod uwagę, jest to, jaką to robi różnicę?

Przeciętny człowiek nigdy nie wykorzysta terabajta przestrzeni dyskowej dostępnej obecnie w najnowszych modelach komputerów stacjonarnych. A za kolejne dwa do czterech lat następny smartfon będzie miał wystarczająco dużo miejsca do przechowywania zdjęć i filmów z całego roku bez konieczności wiosennego czyszczenia urządzenia. Jasne, istnieje mniejszość ludzi, którzy lubią gromadzić ogromne ilości danych na swoich komputerach, ale dla reszty z nas istnieje szereg trendów zmniejszających nasze zapotrzebowanie na nadmierne, prywatne miejsce na dysku.

Usługi przesyłania strumieniowego. Dawno, dawno temu nasze kolekcje muzyczne polegały na zbieraniu płyt, potem kaset, a potem płyt CD. W latach 90. piosenki zostały zdigitalizowane do plików MP3, które miały być gromadzone przez tysiące (najpierw przez torrenty, a potem coraz częściej przez cyfrowe sklepy, takie jak iTunes). Teraz, zamiast przechowywać i organizować kolekcję muzyki na domowym komputerze lub telefonie, możemy przesyłać strumieniowo nieskończoną liczbę utworów i słuchać ich w dowolnym miejscu za pośrednictwem usług takich jak Spotify i Apple Music.

Ten postęp najpierw zmniejszył fizyczną przestrzeń muzyczną zajmowaną w domu, a następnie cyfrową przestrzeń na komputerze. Teraz to wszystko może zostać zastąpione przez zewnętrzną usługę, która zapewnia tani i wygodny dostęp do każdej muzyki w dowolnym miejscu i czasie. Oczywiście, większość z was, którzy to czytają, prawdopodobnie nadal ma kilka płyt CD, większość nadal będzie miała solidną kolekcję plików MP3 na swoim komputerze, ale następna generacja użytkowników komputerów nie będzie tracić czasu na wypełnianie swoich komputerów muzyką, którą mogą. swobodny dostęp online.

Oczywiście skopiuj wszystko, co właśnie powiedziałem o muzyce, i zastosuj to w filmie i telewizji (cześć, Netflix!), a oszczędności na osobistej pamięci wciąż rosną.

social media. Ponieważ muzyka, filmy i programy telewizyjne coraz mniej zapychają nasze komputery osobiste, kolejną co do wielkości formą treści cyfrowych są osobiste zdjęcia i filmy. Ponownie, fizycznie produkowaliśmy zdjęcia i filmy, aby ostatecznie zebrać kurz na naszych strychach. Następnie nasze zdjęcia i filmy stały się cyfrowe, aby ponownie zebrać kurz w dolnych zakątkach naszych komputerów. I to jest problem: rzadko oglądamy większość zdjęć i filmów, które robimy.

Jednak po pojawieniu się mediów społecznościowych witryny takie jak Flickr i Facebook dały nam możliwość udostępniania nieskończonej liczby zdjęć sieciom osób, na których nam zależy, a także przechowywania tych zdjęć (za darmo) w samoorganizującym się systemie folderów lub osi czasu. Chociaż ten element społecznościowy, w połączeniu z miniaturowymi, wysokiej klasy aparatami telefonicznymi, znacznie zwiększył liczbę zdjęć i filmów produkowanych przez przeciętną osobę, zmniejszył również nasz nawyk przechowywania zdjęć na naszych prywatnych komputerach, zachęcając nas do przechowywania ich online, prywatnie lub publicznie.

Usługi w chmurze i współpracy. Biorąc pod uwagę dwa ostatnie punkty, pozostaje tylko skromny dokument tekstowy (i kilka innych niszowych typów danych). Te dokumenty, w porównaniu do multimediów, które właśnie omówiliśmy, są zwykle tak małe, że przechowywanie ich na komputerze nigdy nie będzie problemem.

Jednak w naszym coraz bardziej mobilnym świecie rośnie zapotrzebowanie na dostęp do dokumentów w podróży. I tutaj znowu dzieje się ten sam postęp, o którym rozmawialiśmy z muzyką – gdzie najpierw transportowaliśmy dokumenty za pomocą dyskietek, płyt CD i USB, teraz używamy wygodniejszych i bardziej zorientowanych na konsumenta przechowywanie w chmurze usługi, takie jak Google Drive i Dropbox, które przechowują nasze dokumenty w zewnętrznym centrum danych, aby zapewnić nam bezpieczny dostęp online. Takie usługi pozwalają nam uzyskiwać dostęp do naszych dokumentów i udostępniać je w dowolnym miejscu i czasie, na dowolnym urządzeniu lub systemie operacyjnym.

Aby być uczciwym, korzystanie z usług przesyłania strumieniowego, mediów społecznościowych i usług w chmurze niekoniecznie oznacza, że przeniesiemy wszystko do chmury — niektóre rzeczy wolimy zachować nadmiernie prywatne i bezpieczne — ale te usługi zostały ograniczone i będą ograniczać, całkowita ilość fizycznej przestrzeni do przechowywania danych, którą potrzebujemy rok do roku.

Dlaczego wykładniczo więcej pamięci ma znaczenie

Podczas gdy przeciętna osoba może widzieć mniejsze zapotrzebowanie na więcej pamięci cyfrowej, w grę wchodzą duże siły, które napędzają prawo Krydera.

Po pierwsze, ze względu na prawie roczną listę naruszeń bezpieczeństwa w różnych firmach technologicznych i usług finansowych — z których każda zagraża informacjom cyfrowym milionów osób — obawy dotyczące prywatności danych słusznie rosną wśród opinii publicznej. W zależności od indywidualnych potrzeb może to zwiększyć zapotrzebowanie opinii publicznej na większe i tańsze opcje przechowywania danych do użytku osobistego, aby uniknąć uzależnienia od chmury. Przyszłe osoby mogą nawet skonfigurować prywatne serwery przechowywania danych w swoich domach, aby łączyć się z nimi zewnętrznie, zamiast polegać na serwerach należących do dużych firm technologicznych.

Inną kwestią jest to, że ograniczenia przechowywania danych blokują obecnie postęp w wielu sektorach, od biotechnologii po sztuczną inteligencję. Sektory, które zależą od gromadzenia i przetwarzania dużych zbiorów danych, muszą przechowywać coraz większe ilości danych, aby wprowadzać innowacje w nowych produktach i usługach.

Następnie, pod koniec lat dwudziestych, Internet rzeczy (IoT), pojazdy autonomiczne, roboty, rzeczywistość rozszerzona i inne tego typu „nowoczesne technologie” nowej generacji pobudzą inwestycje w technologię pamięci masowej. Dzieje się tak, ponieważ aby te technologie działały, będą musiały mieć moc obliczeniową i pojemność pamięci, aby zrozumieć swoje otoczenie i reagować w czasie rzeczywistym bez ciągłego uzależnienia od chmury. Zgłębiamy tę koncepcję dalej w rozdział piąty z tej serii.

Wreszcie, Internet przedmiotów (wyjaśnione w pełni w naszym Przyszłość Internetu serii) spowoduje miliardy do bilionów czujników śledzących ruch lub stan miliardów do bilionów rzeczy. Ogromne ilości danych, które te niezliczone czujniki wytworzą, będą wymagały efektywnej pojemności pamięci, zanim będą mogły zostać skutecznie przetworzone przez superkomputery, które omówimy pod koniec tej serii.

Ogólnie rzecz biorąc, podczas gdy przeciętny człowiek coraz bardziej ograniczy zapotrzebowanie na posiadany przez siebie cyfrowy sprzęt do przechowywania danych, wszyscy na świecie nadal będą pośrednio czerpać korzyści z nieskończonej pojemności, jaką będą oferować przyszłe technologie cyfrowej pamięci masowej. Oczywiście, jak wspomniano wcześniej, przyszłość pamięci masowych leży w chmurze, ale zanim zagłębimy się w ten temat, musimy najpierw zrozumieć komplementarne rewolucje zachodzące po stronie przetwarzania (mikrochipów) w biznesie komputerowym — temat następnego rozdziału.