كوانتمرون

رصيد الصورة: كوانتمرون

ثورة التخزين الرقمي: مستقبل أجهزة الكمبيوتر P3

ديفيد تال ، ناشر ، مستقبلي
تضمين التغريدة
لينكدين:

الثلاثاء ، 09/15/2020 - 15:43

ربما يتذكر معظمكم الذين يقرؤون هذا القرص المرن المتواضع ومساحة القرص الصلبة 1.44 ميجابايت. ربما شعر بعضكم بالغيرة من ذلك الصديق عندما قام بجلد أول محرك أقراص USB صغير ، بمساحة هائلة تبلغ 8 ميجابايت ، أثناء مشروع مدرسي. في الوقت الحاضر ، ذهب السحر وأصبحنا منهكين. يأتي واحد تيرابايت من الذاكرة بشكل قياسي في معظم أجهزة الكمبيوتر المكتبية لعام 2018 - وتبيع Kingston الآن محركات أقراص USB بسعة XNUMX تيرابايت.

ينمو هوسنا بالتخزين عامًا بعد عام حيث نستهلك وننشئ المزيد من المحتوى الرقمي ، سواء كان تقريرًا مدرسيًا أو صورة سفر أو شريط مزيج الأغاني لفرقتك الموسيقية أو مقطع فيديو من GoPro لك أثناء التزلج في Whistler. ستؤدي الاتجاهات الأخرى مثل إنترنت الأشياء الناشئ إلى تسريع جبل البيانات التي ينتجها العالم فقط ، مما يضيف المزيد من وقود الصواريخ إلى الطلب على التخزين الرقمي

لهذا السبب لمناقشة تخزين البيانات بشكل صحيح ، قررنا مؤخرًا تحرير هذا الفصل بتقسيمه إلى قسمين. سيغطي هذا النصف الابتكارات التقنية في تخزين البيانات وتأثيرها على متوسط المستهلكين الرقميين. في غضون ذلك ، سيغطي الفصل التالي الثورة القادمة في السحابة.

ابتكارات تخزين البيانات في طور الإعداد

(TL؛ DR - يوضح القسم التالي التكنولوجيا الجديدة التي ستتيح تخزين كميات أكبر من البيانات على محركات أقراص تخزين أصغر حجمًا وأكثر كفاءة. إذا كنت لا تهتم بالتكنولوجيا ، ولكنك تريد بدلاً من ذلك قراءة المزيد الاتجاهات والتأثيرات حول تخزين البيانات ، ثم نوصي بالتخطي إلى العنوان الفرعي التالي.)

لقد سمع الكثير منكم بالفعل عن قانون مور (ملاحظة أن عدد الترانزستورات في دائرة متكاملة كثيفة يتضاعف تقريبًا كل عامين) ، ولكن على جانب التخزين في أعمال الكمبيوتر ، لدينا قانون Kryder - في الأساس ، قدرتنا على الضغط أكثر من أي وقت مضى في تقلص محركات الأقراص الثابتة يتضاعف أيضًا كل 18 شهرًا تقريبًا. هذا يعني أن الشخص الذي أنفق 1,500 دولارًا مقابل 5 ميجابايت قبل 35 عامًا يمكنه الآن إنفاق 600 دولار لمحرك أقراص بحجم 6 تيرابايت.

هذا تقدم مذهل ، ولن يتوقف في أي وقت قريب.

القائمة التالية هي لمحة موجزة عن الابتكارات القريبة والطويلة الأجل التي سيستخدمها مصنعو التخزين الرقمي لإرضاء مجتمعنا المتعطش للتخزين.

محركات أقراص صلبة أفضل. حتى أوائل عام 2020 ، ستستمر الشركات المصنعة في بناء محركات الأقراص الثابتة التقليدية (HDD) ، وتعبئة المزيد من سعة الذاكرة حتى لا نتمكن من بناء أقراص صلبة أكثر كثافة. تشمل التقنيات التي تم اختراعها لقيادة هذا العقد الأخير من تقنية الأقراص الصلبة تسجيل المغناطيسي مسقف (SMR) ، متبوعًا بـ التسجيل المغناطيسي ثنائي الأبعاد (TDMR) ، وربما التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة (حمر).

محركات الأقراص الصلبة ذات الحالة الصلبة. استبدال محرك القرص الصلب التقليدي المذكور أعلاه هو محرك الأقراص الصلبة الحالة الصلبة (SATA SSD). على عكس محركات الأقراص الثابتة ، لا تحتوي محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة على أي أقراص دوارة - في الواقع ، لا تحتوي على أي أجزاء متحركة على الإطلاق. يسمح هذا لمحركات أقراص الحالة الثابتة بالعمل بشكل أسرع بكثير وبأحجام أصغر ومتانة أكبر من سابقتها. تعد محركات أقراص الحالة الثابتة SSD بالفعل معيارًا على أجهزة الكمبيوتر المحمولة اليوم وأصبحت تدريجيًا أجهزة قياسية في معظم طرز سطح المكتب الجديدة. وبينما كانت في الأصل أغلى بكثير من محركات الأقراص الصلبة ، إلا أنها السعر ينخفض بشكل أسرع من محركات الأقراص الصلبة، مما يعني أن مبيعاتهم قد تتجاوز محركات الأقراص الثابتة تمامًا بحلول منتصف عام 2020.

يتم تقديم محركات أقراص الحالة الصلبة من الجيل التالي بشكل تدريجي أيضًا ، مع انتقال الشركات المصنعة من محركات أقراص الحالة الصلبة SATA إلى محركات أقراص الحالة الصلبة PCIe التي لديها عرض نطاق ترددي لا يقل عن ستة أضعاف محركات أقراص SATA وتتزايد.

ذاكرة فلاش تتحول إلى ثلاثية الأبعاد. ولكن إذا كانت السرعة هي الهدف ، فلا شيء يضاهي تخزين كل شيء في الذاكرة.

يمكن مقارنة محركات الأقراص الثابتة ومحركات الأقراص ذات الحالة الثابتة بذاكرة طويلة المدى ، في حين أن الفلاش أقرب إلى ذاكرتك قصيرة المدى. ومثل عقلك ، يحتاج الكمبيوتر تقليديًا إلى كلا النوعين من التخزين ليعمل. يشار إليها عمومًا باسم ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ، تميل أجهزة الكمبيوتر الشخصية التقليدية إلى أن تأتي بعصي من ذاكرة الوصول العشوائي بسعة 4 إلى 8 جيجابايت لكل منهما. وفي الوقت نفسه ، فإن أضخم الضاربين مثل Samsung يبيعون الآن بطاقات ذاكرة 2.5D بسعة 128 جيجابايت لكل منها - مذهلة للاعبين المحترفين ، ولكنها أكثر عملية بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر العملاقة من الجيل التالي.

التحدي مع بطاقات الذاكرة هذه هو أنها تواجه نفس القيود المادية التي تواجهها الأقراص الصلبة. والأسوأ من ذلك ، أن الترانزستورات الأصغر تصبح داخل ذاكرة الوصول العشوائي ، وكلما كان أداؤها سيئًا بمرور الوقت - يصبح من الصعب محو الترانزستورات وكتابتها بدقة ، وفي النهاية تصطدم بجدار الأداء الذي يفرض استبدالها بعصي RAM جديدة. في ضوء ذلك ، بدأت الشركات ببناء الجيل التالي من بطاقات الذاكرة:

3D NAND. تسعى شركات مثل Intel و Samsung و Micron و Hynix و Taiwan Semiconductor إلى تبني 3D NAND، والتي تكدس الترانزستورات في ثلاثة أبعاد داخل رقاقة.
ذاكرة الوصول العشوائي المقاومة (RRAM). تستخدم هذه التقنية المقاومة بدلاً من الشحن الكهربائي لتخزين وحدات بت (0 و 1) من الذاكرة.
رقائق ثلاثية الأبعاد. سيتم مناقشة هذا بمزيد من التفصيل في الفصل التالي من السلسلة ، ولكن باختصار ، رقائق ثلاثية الأبعاد تهدف إلى الجمع بين الحوسبة وتخزين البيانات في طبقات مكدسة رأسياً ، وبالتالي تحسين سرعات المعالجة وتقليل استهلاك الطاقة.
ذاكرة تغيير الطور (PCM). التكنولوجيا وراء PCMs يسخن ويبرد زجاج الكالكوجينيد بشكل أساسي ، ويحوله بين الحالات المتبلورة إلى غير المتبلورة ، ولكل منها مقاوماتها الكهربائية الفريدة التي تمثل ثنائي 0 و 1. بمجرد إتقانها ، ستستمر هذه التقنية لفترة أطول بكثير من متغيرات ذاكرة الوصول العشوائي الحالية وهي غير متطايرة ، مما يعني يمكنه الاحتفاظ بالبيانات حتى عند انقطاع التيار الكهربائي (على عكس ذاكرة الوصول العشوائي التقليدية).
ذاكرة الوصول العشوائي لعزم الدوران (ست-رام). فرانكشتاين قوي يجمع بين قدرة DRAM بسرعة SRAM، جنبًا إلى جنب مع عدم التقلب المحسن والقدرة على التحمل غير المحدودة تقريبًا.
3D XPoint. بهذه التقنية ، بدلاً من الاعتماد على الترانزستورات لتخزين المعلومات ، 3D اكس بوينت يستخدم شبكة مجهرية من الأسلاك ، منسقة بواسطة "محدد" مكدس فوق بعضها البعض. بمجرد إتقانها ، يمكن أن يحدث ثورة في الصناعة نظرًا لأن 3D Xpoint غير متقلب ، وسيعمل أسرع بآلاف المرات من NAND flash ، وأكثف 10 مرات من DRAM.

بمعنى آخر ، تذكر عندما قلنا "يمكن مقارنة محركات الأقراص الثابتة ومحركات الأقراص ذات الحالة الثابتة بذاكرتك طويلة المدى ، في حين أن الفلاش أقرب إلى ذاكرتك قصيرة المدى"؟ حسنًا ، ستتعامل 3D Xpoint مع كليهما وتقوم بذلك بشكل أفضل من أي منهما على حدة.

بغض النظر عن الخيار الذي سيفوز به ، ستوفر كل هذه الأشكال الجديدة من ذاكرة الفلاش مزيدًا من سعة الذاكرة والسرعة والقدرة على التحمل وكفاءة الطاقة.

ابتكارات التخزين طويلة المدى. وفي الوقت نفسه ، بالنسبة لحالات الاستخدام التي تكون فيها السرعة أقل أهمية من الحفاظ على كميات كبيرة من البيانات ، يتم العمل حاليًا على تقنيات جديدة ونظرية:

محركات أقراص الشريط. اخترعنا منذ أكثر من 60 عامًا ، واستخدمنا في الأصل محركات الأشرطة لأرشفة مستندات الضرائب والرعاية الصحية. اليوم ، يتم إتقان هذه التقنية بالقرب من ذروتها النظرية شركة IBM تضع رقما قياسيا من خلال أرشفة 330 تيرابايت من البيانات غير المضغوطة (حوالي 330 مليون كتاب) في خرطوشة شريط بحجم يدك.
تخزين الحمض النووي. باحثون من جامعة واشنطن ومايكروسوفت للأبحاث طور نظام لتشفير وتخزين واسترجاع البيانات الرقمية باستخدام جزيئات الحمض النووي. بمجرد اكتماله ، قد يقوم هذا النظام يومًا ما بأرشفة المعلومات بملايين المرات بشكل مضغوط أكثر من تقنيات تخزين البيانات الحالية.
ذاكرة ذرية قابلة لإعادة الكتابة بالكيلو بايت. عن طريق التلاعب بذرات الكلور الفردية على صفيحة نحاسية مسطحة ، كتب العلماء رسالة حجمها 1 كيلوبايت بمعدل 500 تيرابايت لكل بوصة مربعة - تزيد المعلومات بمقدار 100 مرة تقريبًا لكل بوصة مربعة عن محرك الأقراص الثابتة الأكثر كفاءة في السوق.
5D تخزين البيانات. يتميز نظام التخزين المتخصص هذا ، بقيادة جامعة ساوثهامبتون ، بسعة بيانات تبلغ 360 تيرابايت / قرص ، واستقرار حراري يصل إلى 1,000 درجة مئوية وعمر غير محدود تقريبًا في درجة حرارة الغرفة (13.8 مليار سنة عند 190 درجة مئوية). بمعنى آخر ، سيكون تخزين البيانات خماسية الأبعاد مثاليًا للاستخدامات الأرشيفية في المتاحف والمكتبات.

البنية التحتية للتخزين المعرفة بالبرمجيات (SDS). لا يقتصر الابتكار على أجهزة التخزين فحسب ، بل يخضع البرنامج الذي يتم تشغيله أيضًا لعملية تطوير مثيرة. SDS يتم استخدامه في الغالب في شبكات الكمبيوتر للشركات الكبيرة أو خدمات التخزين السحابية حيث يتم تخزين البيانات مركزيًا والوصول إليها من خلال أجهزة فردية متصلة. يأخذ بشكل أساسي المقدار الإجمالي لسعة تخزين البيانات في الشبكة ويفصلها بين الخدمات والأجهزة المختلفة التي تعمل على الشبكة. يتم ترميز أنظمة SDS الأفضل طوال الوقت لاستخدام أجهزة التخزين الموجودة (بدلاً من الجديدة) بكفاءة أكبر.

هل سنحتاج حتى إلى التخزين في المستقبل؟

حسنًا ، ستتحسن تقنية التخزين كثيرًا خلال العقود القليلة القادمة. لكن الشيء الذي يتعين علينا مراعاته هو ، ما الفرق الذي يحدثه ذلك على أي حال؟

لن يستهلك الشخص العادي أبدًا مساحة التخزين المتوفرة الآن في أحدث طرازات أجهزة كمبيوتر سطح المكتب التي تيرابايت. وفي غضون عامين إلى أربعة أعوام أخرى ، سيحصل هاتفك الذكي التالي على مساحة تخزين كافية لتجميع ما يكفي من الصور ومقاطع الفيديو لمدة عام دون الحاجة إلى تنظيف جهازك. بالتأكيد ، هناك أقلية من الأشخاص الذين يرغبون في تجميع كميات هائلة من البيانات على أجهزة الكمبيوتر الخاصة بهم ، ولكن بالنسبة لبقيتنا ، هناك عدد من الاتجاهات التي تقلل حاجتنا إلى مساحة تخزين قرصية زائدة مملوكة للقطاع الخاص.

خدمات التدفق. ذات مرة ، تضمنت مجموعاتنا الموسيقية جمع التسجيلات ، ثم الكاسيتات ، ثم الأقراص المدمجة. في التسعينيات ، تم تحويل الأغاني إلى ملفات MP90 رقميًا ليتم تخزينها بالآلاف (أولاً من خلال السيول ، ثم المزيد والمزيد من خلال المتاجر الرقمية مثل iTunes). الآن ، بدلاً من الاضطرار إلى تخزين وتنظيم مجموعة موسيقية على الكمبيوتر أو الهاتف في المنزل ، يمكننا دفق عدد لا حصر له من الأغاني والاستماع إليها في أي مكان من خلال خدمات مثل Spotify و Apple Music.

أدى هذا التقدم أولاً إلى تقليل الموسيقى الفضائية الفعلية التي يتم تناولها في المنزل ، ثم المساحة الرقمية على جهاز الكمبيوتر الخاص بك. الآن يمكن استبدالها جميعًا بخدمة خارجية توفر لك وصولاً رخيصًا ومريحًا في أي مكان / في أي وقت إلى جميع الموسيقى التي قد ترغب فيها. بالطبع ، ربما لا يزال لدى معظمكم الذين يقرؤون هذا عددًا قليلاً من الأقراص المضغوطة ، سيظل لدى معظمكم مجموعة صلبة من ملفات MP3 على أجهزة الكمبيوتر الخاصة بهم ، لكن الجيل التالي من مستخدمي الكمبيوتر لن يضيعوا وقتهم في ملء أجهزة الكمبيوتر الخاصة بهم بالموسيقى التي يمكنهم استخدامها الوصول بحرية عبر الإنترنت.

من الواضح ، انسخ كل ما قلته للتو عن الموسيقى وقم بتطبيقه على الأفلام والتلفزيون (مرحبًا ، Netflix!) وستستمر مدخرات التخزين الشخصية في النمو.

وسائل الاعلام الاجتماعية. مع انسداد الموسيقى والأفلام والبرامج التلفزيونية بشكل أقل فأقل من أجهزة الكمبيوتر الشخصية لدينا ، فإن الشكل التالي الأكبر من المحتوى الرقمي هو الصور ومقاطع الفيديو الشخصية. مرة أخرى ، اعتدنا على إنتاج الصور ومقاطع الفيديو جسديًا ، في النهاية لجمع الغبار في السندرات لدينا. ثم أصبحت صورنا ومقاطع الفيديو رقمية ، فقط لتجمع الغبار مرة أخرى في الروافد السفلية لأجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا. وهذه هي المشكلة: نادرًا ما ننظر إلى معظم الصور ومقاطع الفيديو التي نلتقطها.

ولكن بعد حدوث الوسائط الاجتماعية ، أعطتنا مواقع مثل Flickr و Facebook القدرة على مشاركة عدد لا حصر له من الصور مع شبكة من الأشخاص الذين نهتم بهم ، مع تخزين هذه الصور (مجانًا) في نظام مجلد ذاتي التنظيم أو جدول زمني. في حين أن هذا العنصر الاجتماعي ، إلى جانب كاميرات الهاتف المصغرة عالية الجودة ، أدى إلى زيادة كبيرة في عدد الصور ومقاطع الفيديو التي ينتجها الشخص العادي ، إلا أنه قلل أيضًا من عادتنا في تخزين الصور على أجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا ، مما شجعنا على تخزينها عبر الإنترنت ، بشكل خاص. أو علنًا.

الخدمات السحابية والتعاون. بالنظر إلى النقطتين الأخيرتين ، يبقى المستند النصي المتواضع (وعدد قليل من أنواع البيانات المتخصصة الأخرى). عادةً ما تكون هذه المستندات ، مقارنةً بالوسائط المتعددة التي ناقشناها للتو ، صغيرة جدًا لدرجة أن تخزينها على جهاز الكمبيوتر الخاص بك لن يمثل مشكلة أبدًا.

ومع ذلك ، في عالمنا المتنقل بشكل متزايد ، هناك طلب متزايد للوصول إلى المستندات أثناء التنقل. وهنا مرة أخرى ، يحدث نفس التقدم الذي ناقشناه مع الموسيقى هنا - حيث قمنا أولاً بنقل المستندات باستخدام الأقراص المرنة والأقراص المضغوطة و USB ، والآن نستخدم أكثر ملاءمة وتوجهًا نحو المستهلك سحابة التخزين خدمات ، مثل Google Drive و Dropbox ، التي تخزن مستنداتنا في مركز بيانات خارجي حتى نتمكن من الوصول إليها بأمان عبر الإنترنت. تتيح لنا مثل هذه الخدمات الوصول إلى مستنداتنا ومشاركتها في أي مكان وفي أي وقت وعلى أي جهاز أو نظام تشغيل.

لكي نكون منصفين ، فإن استخدام خدمات البث والوسائط الاجتماعية والخدمات السحابية لا يعني بالضرورة أننا سننقل كل شيء إلى السحابة - بعض الأشياء التي نفضل الاحتفاظ بها بشكل خاص وآمن - ولكن هذه الخدمات قد توقفت وستستمر في قطعها ، المقدار الإجمالي لمساحة تخزين البيانات المادية التي نحتاج إلى امتلاكها عامًا بعد عام.

لماذا يهم المزيد من التخزين بشكل كبير

في حين أن الفرد العادي قد يرى حاجة أقل لمزيد من التخزين الرقمي ، إلا أن هناك قوى كبيرة تلعب دورًا في دفع قانون Kryder إلى الأمام.

أولاً ، بسبب القائمة شبه السنوية للانتهاكات الأمنية عبر مجموعة من شركات الخدمات التقنية والمالية - كل منها يهدد المعلومات الرقمية لملايين الأفراد - تتزايد المخاوف بشأن خصوصية البيانات بين الجمهور. اعتمادًا على الاحتياجات الفردية ، قد يؤدي ذلك إلى زيادة الطلب العام على خيارات تخزين بيانات أكبر وأرخص للاستخدام الشخصي لتجنب الاعتماد على السحابة. قد يقوم أفراد المستقبل بإعداد خوادم خاصة لتخزين البيانات داخل منازلهم للاتصال بها خارجيًا بدلاً من الاعتماد على الخوادم المملوكة لشركات التكنولوجيا الكبيرة.

هناك اعتبار آخر وهو أن قيود تخزين البيانات تمنع حاليًا التقدم في عدد من القطاعات من التكنولوجيا الحيوية إلى الذكاء الاصطناعي. تحتاج القطاعات التي تعتمد على تراكم ومعالجة البيانات الضخمة إلى تخزين كميات أكبر من البيانات لابتكار منتجات وخدمات جديدة.

بعد ذلك ، بحلول أواخر عام 2020 ، ستحفز إنترنت الأشياء (IoT) ، والمركبات المستقلة ، والروبوتات ، والواقع المعزز ، وغيرها من "التقنيات المتطورة" من الجيل التالي الاستثمار في تكنولوجيا التخزين. هذا لأنه لكي تعمل هذه التقنيات ، سيحتاجون إلى امتلاك قوة الحوسبة وسعة التخزين لفهم محيطهم والتفاعل في الوقت الفعلي دون الاعتماد المستمر على السحابة. نستكشف هذا المفهوم بشكل أكبر في الفصل الخامس من هذه السلسلة.

وأخيرا، إنترنت الأشياء (موضح بشكل كامل في موقعنا مستقبل الإنترنت سلسلة) ستؤدي إلى مليارات إلى تريليونات من أجهزة الاستشعار التي تتعقب حركة أو حالة مليارات إلى تريليونات من الأشياء. سوف تتطلب الكميات الهائلة من البيانات التي ستنتجها هذه المستشعرات التي لا تعد ولا تحصى سعة تخزين فعالة قبل أن تتم معالجتها بفعالية بواسطة أجهزة الكمبيوتر العملاقة التي سنغطيها قرب نهاية هذه السلسلة.

الكل في الكل ، بينما سيقلل الشخص العادي بشكل متزايد من حاجته إلى أجهزة التخزين الرقمية المملوكة شخصيًا ، سيستفيد كل شخص على هذا الكوكب بشكل غير مباشر من سعة التخزين اللانهائية التي ستوفرها تقنيات التخزين الرقمي المستقبلية. بالطبع ، كما تم التلميح سابقًا ، يكمن مستقبل التخزين في السحابة ، ولكن قبل أن نتمكن من التعمق في هذا الموضوع ، نحتاج أولاً إلى فهم الثورات التكميلية التي تحدث في جانب المعالجة (الرقاقة الدقيقة) من أعمال الكمبيوتر - موضوع الفصل التالي.