Quantumrun

KREDIT OBRAZU: Quantumrun

Revoluce digitálního úložiště: Budoucnost počítačů P3

David Tal, vydavatel, futurista
@DavidTalWrites
LinkedIn

Út, 09/15/2020 - 15:43

Většina z vás, kteří to čtete, si pravděpodobně pamatuje na skromnou disketu a je to solidních 1.44 MB místa na disku. Někteří z vás pravděpodobně žárlili na toho jednoho kamaráda, když během školního projektu vytáhl první USB flash disk s monstrózními 8 MB prostoru. V dnešní době je kouzlo pryč a my jsme unavení. Jeden terabajt paměti je standardem ve většině stolních počítačů pro rok 2018 – a Kingston nyní dokonce prodává disky USB s jedním terabajtem.

Naše posedlost úložištěm rok od roku roste s tím, jak spotřebováváme a vytváříme stále více digitálního obsahu, ať už jde o školní vysvědčení, cestovní fotografii, mixtape vaší kapely nebo video GoPro, jak lyžujete ve Whistleru. Další trendy, jako je vznikající internet věcí, jen urychlí množství dat, které svět produkuje, a přidají další raketové palivo k poptávce po digitálním úložišti.

Proto jsme se nedávno rozhodli upravit tuto kapitolu tak, že ji rozdělíme na dvě části, abychom správně diskutovali o ukládání dat. Tato polovina se bude týkat technologických inovací v ukládání dat a jejich dopadu na průměrné digitální spotřebitele. Mezitím se další kapitola bude věnovat nadcházející revoluci v cloudu.

Inovace datových úložišť se chystají

(TL;DR – Následující část popisuje novou technologii, která umožní ukládat stále větší množství dat na stále menší a efektivnější úložné jednotky. Pokud vás tato technologie nezajímá, ale chcete si přečíst o širších trendy a dopady kolem ukládání dat, pak doporučujeme přeskočit na další podnadpis.)

Mnozí z vás již slyšeli o Moorově zákoně (pozorování, že počet tranzistorů v hustém integrovaném obvodu se zdvojnásobí zhruba každé dva roky), ale na straně úložiště počítačů máme Kryderův zákon – v podstatě naši schopnost zmáčknout stále více bitů do zmenšujících se pevných disků se také zdvojnásobuje zhruba každých 18 měsíců. To znamená, že člověk, který před 1,500 lety utratil 5 35 dolarů za 600 MB, může nyní utratit 6 dolarů za XNUMX TB disk.

To je ohromný pokrok a v dohledné době se nezastaví.

Následující seznam je stručným náhledem do krátkodobých a dlouhodobých inovací, které výrobci digitálních úložišť použijí k uspokojení naší společnosti hladové po úložištích.

Lepší pevné disky. Až do začátku roku 2020 budou výrobci pokračovat ve výrobě tradičních pevných disků (HDD) a budou nabalovat větší kapacitu paměti, dokud už nebudeme moci vyrábět pevné disky hustší. Mezi techniky vynalezené, aby vedly toto poslední desetiletí technologie HDD, patří Šindelová Magnetic Recording (SMR), následuje Dvourozměrný magnetický záznam (TDMR) a potenciálně Tepelně asistovaný magnetický záznam (HAMR).

Pevné disky SSD. Výše uvedený tradiční pevný disk nahrazuje pevný disk SATA (SATA SSD). Na rozdíl od HDD nemají SSD žádné rotující disky – ve skutečnosti nemají vůbec žádné pohyblivé části. To umožňuje SSD pracovat mnohem rychleji, v menších velikostech a s větší odolností než jejich předchůdci. SSD jsou již standardem dnešních notebooků a postupně se stávají standardním hardwarem většiny nových desktopových modelů. A i když původně daleko dražší než HDD, jejich cena klesá rychleji než HDD, což znamená, že jejich prodeje by mohly do poloviny roku 2020 zcela předběhnout HDD.

Postupně se zavádějí i SSD nové generace, přičemž výrobci přecházejí od SATA SSD k PCIe SSD, které mají minimálně šestinásobnou šířku pásma než SATA disky, a rostou.

Flash paměť přejde do 3D. Ale pokud je cílem rychlost, nic nepřekoná ukládání všeho do paměti.

HDD a SSD lze přirovnat k vaší dlouhodobé paměti, zatímco flash je spíše podobný vaší krátkodobé paměti. A stejně jako váš mozek, i počítač ke svému fungování tradičně potřebuje oba typy úložiště. Tradiční osobní počítače, běžně označované jako paměť s náhodným přístupem (RAM), mají obvykle dvě paměti RAM o velikosti 4 až 8 GB. Mezitím ti nejtěžší, jako je Samsung, nyní prodávají 2.5D paměťové karty, z nichž každá pojme 128 GB – úžasné pro hardcore hráče, ale praktičtější pro superpočítače nové generace.

Výzvou těchto paměťových karet je, že narážejí na stejná fyzická omezení, kterým čelí pevné disky. Horší je, že čím menší tranzistory se stávají uvnitř RAM, tím horší jsou v průběhu času – tranzistory se hůře vymazávají a přesněji zapisují, což nakonec narazí na výkonnostní stěnu, která si vynutí jejich výměnu za nové paměti RAM. Ve světle toho začínají společnosti vytvářet další generaci paměťových karet:

3D NAND. Společnosti jako Intel, Samsung, Micron, Hynix a Taiwan Semiconductor usilují o široké přijetí 3D NAND, který skládá tranzistory do tří rozměrů uvnitř čipu.
Odporová paměť s náhodným přístupem (RAM). Tato technologie používá k ukládání bitů (0s a 1s) paměti odpor místo elektrického náboje.
3D čipy. O tom bude podrobněji pojednáno v další kapitole série, ale stručně 3D čipy Cílem je spojit výpočetní techniku a ukládání dat ve vertikálně naskládaných vrstvách, a tím zvýšit rychlost zpracování a snížit spotřebu energie.
Phase Change Memory (PCM), technologie za PCM v podstatě ohřívá a ochlazuje chalkogenidové sklo a posouvá jej mezi krystalizovanými a nekrystalizovanými stavy, z nichž každý má svůj jedinečný elektrický odpor představující binární 0 a 1. Po zdokonalení vydrží tato technologie mnohem déle než současné varianty RAM a je energeticky nezávislá, což znamená dokáže uchovat data i při vypnutém napájení (na rozdíl od tradiční paměti RAM).
Paměť s náhodným přístupem pro přenos točivého momentu (STT-RAM). Výkonný Frankenstein, který kombinuje kapacitu DRAM s rychlostí SRAMspolu se zlepšenou nevolatilitou a téměř neomezenou výdrží.
3D XPoint. Díky této technologii se místo spoléhání na tranzistory při ukládání informací 3D Xpoint používá mikroskopickou síť drátů koordinovaných „selektorem“, které jsou naskládány na sebe. Po zdokonalení by to mohlo znamenat revoluci v oboru, protože 3D Xpoint je energeticky nezávislý, bude fungovat tisíckrát rychleji než flash NAND a 10krát hustší než DRAM.

Jinými slovy, pamatujete si, když jsme řekli: „HDD a SSD lze přirovnat k vaší dlouhodobé paměti, zatímco flash je více podobný vaší krátkodobé paměti“? No, 3D Xpoint si poradí s obojím a udělá to lépe než obojí, než každé zvlášť.

Bez ohledu na to, která možnost zvítězí, všechny tyto nové formy flash paměti nabídnou větší kapacitu paměti, rychlost, výdrž a energetickou účinnost.

Inovace dlouhodobého skladování. Mezitím pro případy použití, kde na rychlosti záleží méně než na uchování velkého množství dat, se v současné době pracuje na nových a teoretických technologiích:

Páskové mechaniky. Páskové jednotky, vynalezené před více než 60 lety, jsme původně používali k archivaci daňových a zdravotních dokumentů. Dnes je tato technologie zdokonalována v blízkosti svého teoretického vrcholu IBM vytvořila rekord archivací 330 terabajtů nekomprimovaných dat (~330 milionů knih) do páskové kazety o velikosti vaší ruky.
úložiště DNA. Výzkumníci z University of Washington a Microsoft Research vyvinul systém pro kódování, ukládání a získávání digitálních dat pomocí molekul DNA. Jakmile bude tento systém zdokonalen, může jednoho dne archivovat informace milionkrát kompaktněji než současné technologie ukládání dat.
Kilobajtová přepisovatelná atomová paměť. Manipulací s jednotlivými atomy chloru na plochém plechu mědi, napsali vědci 1-kilobajtová zpráva s rychlostí 500 terabitů na čtvereční palec – zhruba 100krát více informací na čtvereční palec než nejúčinnější pevný disk na trhu.
5D úložiště dat. Tento speciální úložný systém, v čele s University of Southampton, se vyznačuje datovou kapacitou 360 TB/disk, tepelnou stabilitou až do 1,000 13.8 °C a téměř neomezenou životností při pokojové teplotě (190 miliard let při 5 °C). Jinými slovy, XNUMXD ukládání dat by bylo ideální pro archivní použití v muzeích a knihovnách.

Software-Defined Storage Infrastructure (SDS). Není to jen úložný hardware, který je svědkem inovací, ale také software, který jej provozuje, prochází vzrušujícím vývojem. SDS se používá především ve velkých firemních počítačových sítích nebo službách cloudových úložišť, kde jsou data ukládána centrálně a je k nim přistupováno prostřednictvím jednotlivých připojených zařízení. V zásadě bere celkovou kapacitu datového úložiště v síti a rozděluje ji mezi různé služby a zařízení, která v síti běží. Neustále se kódují lepší systémy SDS, aby bylo možné efektivněji využívat stávající (namísto nového) úložného hardwaru.

Budeme v budoucnu vůbec potřebovat úložiště?

Dobře, takže technologie úložiště se během několika příštích desetiletí hodně zlepší. Ale věc, kterou musíme zvážit, je, jaký je v tom rozdíl?

Průměrný člověk nikdy nevyužije terabajt úložného prostoru, který je nyní k dispozici v nejnovějších modelech stolních počítačů. A za další dva až čtyři roky bude mít váš příští smartphone dostatek úložného prostoru na hordu obrázků a videí na rok, aniž byste museli zařízení rychle čistit. Jistě, existuje menšina lidí, kteří rádi hromadí obrovské množství dat na svých počítačích, ale pro nás ostatní existuje řada trendů, které snižují naši potřebu nadměrného úložného prostoru na disku v soukromém vlastnictví.

Streamovací služby. Kdysi naše hudební sbírky zahrnovaly sbírání desek, pak kazet a pak CD. V 90. letech se skladby digitalizovaly do formátu MP3, aby se hromadily tisíce (nejprve prostřednictvím torrentů, poté stále více prostřednictvím digitálních obchodů, jako je iTunes). Nyní, místo abychom museli ukládat a organizovat hudební sbírku na vašem domácím počítači nebo telefonu, můžeme streamovat nekonečné množství skladeb a poslouchat je kdekoli prostřednictvím služeb jako Spotify a Apple Music.

Tento postup nejprve snížil fyzický prostor, který hudba zabírá doma, a poté digitální prostor ve vašem počítači. Nyní to vše může být nahrazeno externí službou, která vám poskytne levný a pohodlný, kdekoli/kdykoli přístup k veškeré hudbě, kterou byste mohli chtít. Samozřejmě, že většina z vás, kteří to čtete, se pravděpodobně stále povaluje pár CD, většina z nich bude mít ve svém počítači stále solidní sbírku MP3, ale další generace počítačových uživatelů nebude ztrácet čas plněním svých počítačů hudbou, kterou mohou. přístup zdarma online.

Samozřejmě zkopírujte vše, co jsem právě řekl o hudbě, a aplikujte to na film a televizi (ahoj, Netflix!) a úspory na osobním úložišti stále rostou.

sociální síte. S hudbou, filmem a televizními pořady, které stále méně zanášejí naše osobní počítače, jsou další největší formou digitálního obsahu osobní obrázky a videa. Opět jsme vytvářeli obrázky a videa fyzicky, abychom nakonec sbírali prach v našich podkrovích. Pak naše obrázky a videa přešly do digitální podoby, aby se v podzemí našich počítačů opět shromáždil prach. A to je problém: Zřídka se díváme na většinu obrázků a videí, které pořizujeme.

Ale poté, co došlo k sociálním sítím, stránky jako Flickr a Facebook nám daly možnost sdílet nekonečné množství obrázků se sítí lidí, na kterých nám záleží, a zároveň tyto obrázky (zdarma) ukládat do samoorganizujícího se systému složek nebo časové osy. I když tento sociální prvek ve spojení s miniaturními fotoaparáty špičkových telefonů značně zvýšil počet obrázků a videí vytvořených průměrným člověkem, snížil také náš zvyk ukládat fotografie na našich soukromých počítačích a povzbudil nás, abychom je ukládali online, soukromě. nebo veřejně.

Cloud a služby spolupráce. Vzhledem k posledním dvěma bodům zbývá pouze skromný textový dokument (a několik dalších specializovaných datových typů). Tyto dokumenty jsou ve srovnání s multimédii, o kterých jsme právě hovořili, obvykle tak malé, že jejich uložení na vašem počítači nebude nikdy problém.

V našem stále mobilnějším světě však roste poptávka po přístupu k dokumentům na cestách. A opět zde dochází ke stejnému vývoji, o kterém jsme hovořili u hudby – tam, kde jsme nejprve přenášeli dokumenty pomocí disket, CD a USB, nyní používáme pohodlnější a spotřebitelsky orientované cloud skladování služby, jako je Disk Google a Dropbox, které ukládají naše dokumenty v externím datovém centru, abychom k nim měli bezpečný online přístup. Služby, jako jsou tyto, nám umožňují přistupovat k našim dokumentům a sdílet je kdekoli, kdykoli a na jakémkoli zařízení nebo operačním systému.

Abychom byli spravedliví, používání streamovacích služeb, sociálních médií a cloudových služeb nutně neznamená, že vše přesuneme do cloudu – některé věci raději ponecháme příliš soukromé a zabezpečené – ale tyto služby se omezily a budou nadále omezovat, celkové množství fyzického úložného prostoru pro data, který musíme každý rok vlastnit.

Proč záleží na exponenciálně větším úložném prostoru

Zatímco průměrný jedinec může vidět menší potřebu většího digitálního úložiště, ve hře jsou velké síly, které ženou Kryderův zákon kupředu.

Za prvé, kvůli téměř každoročnímu seznamu narušení bezpečnosti v celé řadě společností v oblasti technologických a finančních služeb – z nichž každá ohrožuje digitální informace milionů jednotlivců – mezi veřejností oprávněně rostou obavy o soukromí dat. V závislosti na individuálních potřebách to může vést k veřejné poptávce po větších a levnějších možnostech ukládání dat pro osobní použití, aby se zabránilo závislosti na cloudu. Budoucí jednotlivci si dokonce mohou nastavit soukromé servery pro ukládání dat uvnitř svých domovů, aby se k nim připojili externě, místo aby byli závislí na serverech vlastněných velkými technologickými společnostmi.

Další úvahou je, že omezení ukládání dat v současnosti blokují pokrok v řadě sektorů od biotechnologií po umělou inteligenci. Sektory, které jsou závislé na akumulaci a zpracování velkých dat, potřebují ukládat stále větší množství dat, aby mohly inovovat nové produkty a služby.

Další, koncem roku 2020, internet věcí (IoT), autonomní vozidla, roboti, rozšířená realita a další takové „okrajové technologie“ nové generace podnítí investice do úložných technologií. Aby totiž tyto technologie fungovaly, budou potřebovat výpočetní výkon a kapacitu úložiště, aby porozuměly svému okolí a reagovaly v reálném čase bez neustálé závislosti na cloudu. Tento koncept dále prozkoumáme kapitola pět této série.

Konečně, Internet věcí (úplně vysvětleno v našem Budoucnost internetu série) bude mít za následek miliardy až biliony senzorů sledujících pohyb nebo stav miliard až bilionů věcí. Obrovské množství dat, které tyto nespočetné senzory produkují, bude vyžadovat efektivní úložnou kapacitu, než je budou moci efektivně zpracovat superpočítače, kterými se budeme zabývat na konci této série.

Celkově vzato, zatímco průměrný člověk bude stále více snižovat svou potřebu hardwaru pro digitální úložiště v osobním vlastnictví, každý na této planetě bude stále nepřímo těžit z nekonečné úložné kapacity, kterou budoucí technologie digitálního úložiště nabídnou. Samozřejmě, jak již bylo naznačeno dříve, budoucnost úložiště spočívá v cloudu, ale než se do tohoto tématu ponoříme hluboko, musíme nejprve porozumět doplňkovým revolucím, které se odehrávají na straně zpracování (mikročipu) v počítačovém byznysu – téma další kapitoly.