Квантумран

ИЗОБРАЖЕНИЕ КРЕДИТ: Квантумран

Революция в сфере цифровых хранилищ: Будущее компьютеров P3

Дэвид Тал, издатель, футурист
@DavidTalWrites
LinkedIn

Вт, 09 / 15 / 2020 - 15: 43

Большинство из вас, читающих это, вероятно, помнят скромную дискету и солидные 1.44 МБ дискового пространства. Некоторые из вас, вероятно, завидовали тому другу, когда он во время школьного проекта вытащил первую флешку с ее чудовищными 8 МБ. Сейчас волшебства больше нет, и мы пресытились. Один терабайт памяти входит в стандартную комплектацию большинства настольных компьютеров 2018 года, а Kingston сейчас продает даже USB-накопители емкостью XNUMX терабайт.

Наша одержимость хранением растет с каждым годом, поскольку мы потребляем и создаем все больше цифрового контента, будь то школьный отчет, фотография из путешествия, микстейп вашей группы или видео GoPro, на котором вы катаетесь на лыжах по Уистлеру. Другие тенденции, такие как развивающийся Интернет вещей, только ускорят рост горы данных, которые производит мир, подливая еще больше ракетного топлива к спросу на цифровое хранилище.

Вот почему, чтобы обсудить хранение данных должным образом, мы недавно решили отредактировать эту главу, разделив ее на две части. Эта половина будет посвящена технологическим инновациям в области хранения данных и их влиянию на обычных цифровых потребителей. Тем временем в следующей главе будет рассказано о грядущей революции в облаке.

Инновации в области хранения данных в процессе разработки

(TL;DR — В следующем разделе описывается новая технология, которая позволит хранить все большие объемы данных на все более компактных и эффективных накопителях. Если вам не нужна технология, но вы хотите прочитать о более широком тенденции и влияние на хранение данных, то мы рекомендуем перейти к следующему подзаголовку.)

Многие из вас уже слышали о законе Мура (наблюдение о том, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года), но что касается хранения данных в компьютерном бизнесе, у нас есть закон Крайдера — в основном, наша способность сжимать все больше битов на сокращающихся жестких дисках также удваивается примерно каждые 18 месяцев. Это означает, что человек, который 1,500 лет назад потратил 5 долларов на 35 МБ, теперь может потратить 600 долларов на диск на 6 ТБ.

Это потрясающий прогресс, и он не остановится в ближайшее время.

Следующий список представляет собой краткий обзор краткосрочных и долгосрочных инноваций, которые производители цифровых хранилищ будут использовать, чтобы удовлетворить потребность общества в хранении данных.

Улучшенные жесткие диски. До начала 2020-х годов производители будут продолжать выпускать традиционные жесткие диски (HDD), увеличивая объем памяти до тех пор, пока мы не сможем создавать более плотные жесткие диски. Методы, изобретенные, чтобы возглавить это последнее десятилетие технологии жестких дисков, включают: Дранкой магнитная запись (СМР), а затем Двумерная магнитная запись (TDMR) и потенциально Магнитная запись с подогревом (ХАМР).

Твердотельные жесткие диски. На замену традиционному жесткому диску, упомянутому выше, пришел твердотельный накопитель (SATA SSD). В отличие от жестких дисков, твердотельные накопители не имеют вращающихся дисков — фактически у них вообще нет движущихся частей. Это позволяет твердотельным накопителям работать намного быстрее, меньшего размера и с большей надежностью, чем их предшественники. Твердотельные накопители уже являются стандартом для современных ноутбуков и постепенно становятся стандартным оборудованием для большинства новых моделей настольных компьютеров. И хотя изначально они намного дороже жестких дисков, их цена падает быстрее, чем HDD, а это означает, что к середине 2020-х годов их продажи могут полностью превзойти объемы продаж жестких дисков.

Также постепенно внедряются твердотельные накопители следующего поколения: производители переходят с твердотельных накопителей SATA на твердотельные накопители PCIe, пропускная способность которых как минимум в шесть раз выше, чем у дисков SATA, и эта тенденция растет.

Флэш-память переходит в 3D. Но если целью является скорость, ничто не сравнится с хранением всего в памяти.

Жесткие диски и твердотельные накопители можно сравнить с вашей долговременной памятью, тогда как флэш-память больше похожа на вашу кратковременную память. И, как и ваш мозг, компьютеру для работы традиционно нужны оба типа памяти. Традиционные персональные компьютеры, обычно называемые оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), обычно поставляются с двумя модулями ОЗУ объемом от 4 до 8 ГБ каждый. Между тем, самые крупные игроки, такие как Samsung, теперь продают карты памяти 2.5D емкостью 128 ГБ каждая — это великолепно для заядлых геймеров, но более практично для суперкомпьютеров следующего поколения.

Проблема с этими картами памяти заключается в том, что они сталкиваются с теми же физическими ограничениями, что и жесткие диски. Хуже того, чем меньше транзисторы становятся внутри ОЗУ, тем хуже они работают с течением времени — транзисторы становится сложнее стирать и аккуратно записывать, что в конечном итоге приводит к снижению производительности, что вынуждает их заменять новыми планками ОЗУ. В свете этого компании начинают создавать карты памяти следующего поколения:

3D NAND. Такие компании, как Intel, Samsung, Micron, Hynix и Taiwan Semiconductor, настаивают на широкомасштабном внедрении 3D NAND, который складывает транзисторы в трех измерениях внутри чипа.
Резистивная оперативная память (RRAM). Эта технология использует сопротивление вместо электрического заряда для хранения битов (0 и 1) памяти.
3D фишки. Более подробно это будет обсуждаться в следующей главе серии, но вкратце: 3D фишки стремиться объединить вычисления и хранение данных в вертикально расположенных слоях, тем самым повышая скорость обработки и снижая потребление энергии.
Память с изменением фазы (PCM), технология, стоящая за PCM в основном нагревает и охлаждает халькогенидное стекло, переводя его из кристаллизованного в некристаллизованное состояние, каждое из которых имеет свое уникальное электрическое сопротивление, представляющее двоичные 0 и 1. После усовершенствования эта технология будет работать намного дольше, чем текущие варианты RAM, и является энергонезависимой, что означает он может хранить данные даже при выключенном питании (в отличие от традиционной оперативной памяти).
Оперативная память с передачей вращающего момента (СТТ-RAM). Мощный Франкенштейн, сочетающий в себе способности Динамическое ОЗУ со скоростью SRAM, наряду с улучшенной энергонезависимостью и почти неограниченной выносливостью.
3D XPoint. С этой технологией вместо того, чтобы полагаться на транзисторы для хранения информации, 3D Экспоинт использует микроскопическую сетку проводов, координируемых «селектором», которые уложены друг на друга. После усовершенствования это может произвести революцию в отрасли, поскольку 3D Xpoint является энергонезависимым, будет работать в тысячи раз быстрее, чем флэш-память NAND, и в 10 раз плотнее, чем DRAM.

Другими словами, помните, мы говорили, что «жесткие диски и твердотельные накопители можно сравнить с вашей долговременной памятью, тогда как флэш-память больше похожа на вашу кратковременную память»? Что ж, 3D Xpoint справится с обоими и сделает это лучше, чем каждый из них по отдельности.

Независимо от того, какой вариант победит, все эти новые формы флэш-памяти будут предлагать больший объем памяти, скорость, надежность и энергоэффективность.

Инновации в области долгосрочного хранения. Между тем, для тех случаев использования, где скорость имеет меньшее значение, чем сохранение больших объемов данных, в настоящее время разрабатываются новые и теоретические технологии:

Ленточные накопители. Изобретенные более 60 лет назад, мы изначально использовали ленточные накопители для архивирования налоговых и медицинских документов. Сегодня эта технология совершенствуется вблизи своего теоретического пика. IBM устанавливает рекорд заархивировав 330 терабайт несжатых данных (~330 миллионов книг) на ленточный картридж размером с вашу ладонь.
Хранение ДНК. Исследователи из Вашингтонского университета и Microsoft Research разработал систему для кодирования, хранения и извлечения цифровых данных с использованием молекул ДНК. После усовершенствования эта система однажды сможет архивировать информацию в миллионы раз более компактно, чем современные технологии хранения данных.
Килобайт перезаписываемой атомной памяти. Манипулируя отдельными атомами хлора на плоском листе меди, ученые написали сообщение размером 1 килобайт со скоростью 500 терабит на квадратный дюйм — примерно в 100 раз больше информации на квадратный дюйм, чем у самого эффективного жесткого диска на рынке.
Хранение 5D-данных. Эта специальная система хранения данных, разработанная Университетом Саутгемптона, имеет емкость данных 360 ТБ на диск, термическую стабильность до 1,000°C и почти неограниченный срок службы при комнатной температуре (13.8 миллиардов лет при 190°C). Другими словами, хранение 5D-данных было бы идеальным для архивного использования в музеях и библиотеках.

Программно-определяемая инфраструктура хранения (SDS). Инновации претерпевают не только оборудование для хранения данных, но и программное обеспечение, на котором оно работает. SDS используется в основном в компьютерных сетях крупных компаний или в облачных хранилищах, где данные хранятся централизованно и доступны через отдельные подключенные устройства. По сути, он берет общий объем хранилища данных в сети и распределяет его между различными службами и устройствами, работающими в сети. Все время разрабатываются лучшие системы SDS для более эффективного использования существующего (а не нового) оборудования для хранения данных.

Потребуется ли нам хранилище в будущем?

Итак, технологии хранения значительно улучшатся в течение следующих нескольких десятилетий. Но мы должны задуматься, а какая разница?

Обычный человек никогда не израсходует терабайт дискового пространства, доступного в последних моделях настольных компьютеров. А еще через два-четыре года на вашем следующем смартфоне будет достаточно места для хранения фотографий и видео за год без необходимости генеральной очистки вашего устройства. Конечно, есть меньшинство людей, которым нравится хранить огромные объемы данных на своих компьютерах, но для остальных из нас существует ряд тенденций, уменьшающих нашу потребность в чрезмерном частном дисковом пространстве для хранения.

Потоковые сервисы. Когда-то наши музыкальные коллекции включали в себя сбор пластинок, потом кассет, потом компакт-дисков. В 90-х песни стали оцифровывать в MP3, чтобы копить их тысячами (сначала через торренты, а затем все больше и больше через цифровые магазины, такие как iTunes). Теперь вместо того, чтобы хранить и систематизировать музыкальную коллекцию на домашнем компьютере или телефоне, мы можем транслировать бесконечное количество песен и слушать их где угодно с помощью таких сервисов, как Spotify и Apple Music.

Эта прогрессия сначала уменьшила физическое пространство, занимаемое музыкой дома, а затем и цифровое пространство на вашем компьютере. Теперь все это может быть заменено внешним сервисом, который предоставляет вам дешевый и удобный доступ в любом месте и в любое время ко всей музыке, которую вы захотите. Конечно, у большинства из вас, читающих это, вероятно, все еще есть несколько компакт-дисков, у большинства все еще есть солидная коллекция MP3-файлов на их компьютерах, но следующее поколение пользователей компьютеров не будет тратить свое время на то, чтобы заполнить свои компьютеры музыкой, которую они могут свободный доступ в Интернете.

Очевидно, скопируйте все, что я только что сказал о музыке, и примените это к фильмам и телевидению (привет, Netflix!), и экономия на личном хранилище будет расти.

Социальные Сети. Поскольку музыка, фильмы и телепередачи все меньше и меньше засоряют наши персональные компьютеры, следующей по величине формой цифрового контента являются личные фотографии и видео. Опять же, раньше мы физически производили фотографии и видео, в конечном итоге собирая пыль на наших чердаках. Затем наши фотографии и видео стали цифровыми, только для того, чтобы снова пылиться в глубинах наших компьютеров. И в этом проблема: мы редко просматриваем большинство фотографий и видео, которые делаем.

Но после того, как появились социальные сети, такие сайты, как Flickr и Facebook, дали нам возможность делиться бесконечным количеством изображений с сетью людей, которые нам небезразличны, а также хранить эти изображения (бесплатно) в самоорганизующейся системе папок или временной шкале. Хотя этот социальный элемент в сочетании с миниатюрными телефонными камерами высокого класса значительно увеличил количество фотографий и видео, производимых средним человеком, он также уменьшил нашу привычку хранить фотографии на наших личных компьютерах, побуждая нас хранить их в Интернете, в частном порядке. или публично.

Облачные сервисы и сервисы для совместной работы. Учитывая последние два пункта, остается только скромный текстовый документ (и несколько других нишевых типов данных). Эти документы, по сравнению с мультимедиа, которые мы только что обсуждали, обычно настолько малы, что их хранение на вашем компьютере никогда не будет проблемой.

Однако в нашем все более мобильном мире растет потребность в доступе к документам на ходу. И здесь снова происходит тот же прогресс, который мы обсуждали с музыкой: сначала мы переносили документы с помощью гибких дисков, компакт-дисков и USB-накопителей, а теперь мы используем более удобные и ориентированные на потребителя облачного хранения сервисы, такие как Google Drive и Dropbox, которые хранят наши документы во внешнем центре обработки данных для безопасного доступа в Интернете. Подобные сервисы позволяют нам получать доступ к нашим документам и делиться ими в любом месте, в любое время, на любом устройстве или в любой операционной системе.

Справедливости ради следует отметить, что использование потоковых сервисов, социальных сетей и облачных сервисов не обязательно означает, что мы перенесем все в облако — некоторые вещи мы предпочитаем хранить в конфиденциальности и безопасности, — но эти сервисы сокращали и будут продолжать сокращать, общий объем физического пространства для хранения данных, которым нам необходимо владеть из года в год.

Почему экспоненциально больше места для хранения имеет значение

В то время как средний человек может видеть меньшую потребность в большем количестве цифрового хранилища, в игре есть большие силы, которые продвигают закон Крайдера вперед.

Во-первых, из-за почти ежегодного списка нарушений безопасности в ряде технологических и финансовых компаний, каждое из которых ставит под угрозу цифровую информацию миллионов людей, обеспокоенность по поводу конфиденциальности данных среди общественности по праву растет. В зависимости от индивидуальных потребностей это может стимулировать общественный спрос на более крупные и дешевые варианты хранения данных для личного использования, чтобы избежать зависимости от облака. Будущие люди могут даже настроить частные серверы хранения данных в своих домах для внешнего подключения, вместо того, чтобы зависеть от серверов, принадлежащих крупным технологическим компаниям.

Еще одно соображение заключается в том, что ограничения хранения данных в настоящее время блокируют прогресс в ряде секторов, от биотехнологий до искусственного интеллекта. Отрасли, зависящие от накопления и обработки больших данных, должны хранить все большие объемы данных для создания инновационных продуктов и услуг.

Затем, к концу 2020-х годов, Интернет вещей (IoT), автономные транспортные средства, роботы, дополненная реальность и другие подобные «пограничные технологии» следующего поколения будут стимулировать инвестиции в технологии хранения. Это связано с тем, что для работы этих технологий им потребуется вычислительная мощность и емкость хранилища, чтобы понимать свое окружение и реагировать в режиме реального времени без постоянной зависимости от облака. Мы исследуем эту концепцию далее в глава пятая из этой серии.

Наконец, Интернет вещей (полностью объясняется в нашем Будущее Интернета серия) приведет к появлению от миллиардов до триллионов датчиков, отслеживающих движение или состояние от миллиардов до триллионов вещей. Огромные объемы данных, которые будут производить эти бесчисленные датчики, потребуют эффективной емкости хранилища, прежде чем они смогут эффективно обрабатываться суперкомпьютерами, о которых мы поговорим ближе к концу этой серии статей.

В целом, в то время как средний человек будет все больше сокращать свою потребность в личном цифровом оборудовании для хранения данных, каждый на планете по-прежнему будет косвенно извлекать выгоду из бесконечной емкости хранения, которую предложат будущие цифровые технологии хранения. Конечно, как уже упоминалось ранее, будущее хранения данных лежит в облаке, но прежде чем мы сможем углубиться в эту тему, нам сначала нужно понять взаимодополняющие революции, происходящие на стороне обработки (микрочипов) компьютерного бизнеса — тему следующей главы.