Quantumrun

BILLEDKREDIT: Quantumrun

Den digitale lagringsrevolution: Future of Computers P3

David Tal, udgiver, fremtidsforsker
@DavidTalWrites
LinkedIn

Tue, 09 / 15 / 2020 - 15: 43

De fleste af jer, der læser dette, husker sikkert den beskedne diskette, og den er solidt 1.44 MB diskplads. Nogle af jer var sikkert jaloux på den ene ven, da han piskede det første USB-drev, med dets uhyrlige 8 MB plads, ud under et skoleprojekt. I dag er magien væk, og vi er blevet trætte. Én terabyte hukommelse er standard i de fleste 2018-desktops – og Kingston sælger endda én terabyte USB-drev nu.

Vores besættelse af opbevaring vokser år for år, efterhånden som vi forbruger og skaber mere og mere digitalt indhold, uanset om det er en skolerapport, et rejsebillede, dit bands mixtape eller en GoPro-video af dig på ski ned ad Whistler. Andre tendenser som det nye Internet of Things vil kun accelerere bjerget af data, som verden producerer, og tilføje yderligere raketbrændstof til efterspørgslen efter digital lagring

Det er grunden til, at vi for at diskutere datalagring korrekt besluttede at redigere dette kapitel ved at dele det op i to. Denne halvdel vil dække de tekniske innovationer inden for datalagring og dens indvirkning på gennemsnitlige digitale forbrugere. I mellemtiden vil det næste kapitel dække den kommende revolution i skyen.

Datalagringsinnovationer i pipelinen

(TL;DR - Det følgende afsnit skitserer den nye teknologi, der vil gøre det muligt at lagre stadig større mængder data på stadig mindre og mere effektive lagerdrev. Hvis du er ligeglad med teknologien, men i stedet vil læse om den bredere tendenser og påvirkninger omkring datalagring, så anbefaler vi at springe til næste underoverskrift.)

Mange af jer har allerede hørt om Moores lov (den observation, at antallet af transistorer i et tæt integreret kredsløb fordobles omtrent hvert andet år), men på lagersiden af computerbranchen har vi Kryders lov – dybest set vores evne til at presse stadig flere bits i krympende harddiske fordobles også omkring hver 18. måned. Det betyder, at den person, der brugte $1,500 for 5MB for 35 år siden, nu kan bruge $600 for et 6TB-drev.

Dette er et forbløffende fremskridt, og det stopper ikke lige foreløbigt.

Følgende liste er et kort indblik i de nær- og langsigtede innovationer, som producenter af digital lagring vil bruge til at tilfredsstille vores lagringshungrende samfund.

Bedre harddiske. Indtil begyndelsen af 2020'erne vil producenterne fortsætte med at bygge traditionelle harddiske (HDD) og pakke mere hukommelseskapacitet ind, indtil vi ikke længere kan bygge harddiske tættere. Teknikkerne, der er opfundet for at lede dette sidste årti af HDD-teknologi, omfatter Shingled Magnetic Recording (SMR), efterfulgt af Todimensionel magnetisk optagelse (TDMR), og potentielt Varmeassisteret magnetisk optagelse (HAMR).

Solid state harddiske. Udskiftning af den traditionelle harddisk, der er nævnt ovenfor, er solid state-harddisken (SATA SSD). I modsætning til HDD'er har SSD'er ingen roterende diske - faktisk har de slet ingen bevægelige dele. Dette gør det muligt for SSD'er at fungere langt hurtigere, i mindre størrelser og med mere holdbarhed end deres forgænger. SSD'er er allerede en standard på nutidens bærbare computere og er efterhånden ved at blive standard hardware på de fleste nye desktop-modeller. Og selvom de oprindeligt var langt dyrere end HDD'er, er deres prisen falder hurtigere end HDD'er, hvilket betyder, at deres salg kan overhale HDD'er direkte i midten af 2020'erne.

Næste generation af SSD'er bliver også gradvist introduceret, hvor producenterne går fra SATA SSD'er til PCIe SSD'er, der har mindst seks gange så stor båndbredde som SATA-drev og vokser.

Flash-hukommelse går i 3D. Men hvis hastighed er målet, er der intet, der slår at gemme alt i hukommelsen.

HDD'er og SSD'er kan sammenlignes med din langtidshukommelse, hvorimod flash er mere beslægtet med din korttidshukommelse. Og ligesom din hjerne har en computer traditionelt brug for begge typer lagring for at fungere. Normalt omtalt som RAM (Random Access Memory), traditionelle personlige computere har en tendens til at komme med to sticks RAM på 4 til 8 GB hver. I mellemtiden sælger de tungeste spillere som Samsung nu 2.5D-hukommelseskort, der rummer 128 GB hver – fantastisk for hardcore-spillere, men mere praktisk til næste generations supercomputere.

Udfordringen med disse hukommelseskort er, at de løber ind i de samme fysiske begrænsninger, som harddiske står over for. Værre er, jo mindre transistorer bliver inde i RAM, jo dårligere yder de over tid - transistorerne bliver sværere at slette og skrive præcist, og til sidst rammer de en ydeevnevæg, der tvinger deres udskiftning med friske RAM-sticks. I lyset af dette begynder virksomheder at bygge den næste generation af hukommelseskort:

3D NAND. Virksomheder som Intel, Samsung, Micron, Hynix og Taiwan Semiconductor presser på for en bred indførelse af 3D NAND, som stabler transistorer i tre dimensioner inde i en chip.
Resistiv Random Access Memory (vædder). Denne teknologi bruger modstand i stedet for en elektrisk ladning til at gemme bits (0s og 1s) af hukommelsen.
3D-chips. Dette vil blive diskuteret mere detaljeret i næste seriekapitel, men kort fortalt, 3D-chips sigter mod at kombinere databehandling og datalagring i vertikalt stablede lag og derved forbedre behandlingshastigheder og reducere energiforbruget.
Phase Change Memory (PCM). Det teknologien bag PCM'er opvarmer og afkøler dybest set chalcogenidglas, og skifter det mellem krystalliserede til ikke-krystalliserede tilstande, hver med deres unikke elektriske modstande, der repræsenterer de binære 0 og 1. Når den er perfektioneret, vil denne teknologi vare meget længere end nuværende RAM-varianter og er ikke-flygtig, hvilket betyder den kan opbevare data, selv når strømmen er slukket (i modsætning til traditionel RAM).
Spin-Transfer Torque Random Access Memory (STT-RAM). En kraftfuld Frankenstein, der kombinerer kapaciteten af DRAM med hastigheden af SRAM, sammen med forbedret ikke-volatilitet og næsten ubegrænset udholdenhed.
3D XPoint. Med denne teknologi, i stedet for at stole på transistorer til at gemme information, 3D Xpoint bruger et mikroskopisk net af ledninger, koordineret af en "vælger", der er stablet oven på hinanden. Når det er perfektioneret, kan dette revolutionere industrien, da 3D Xpoint er ikke-flygtigt, vil fungere tusindvis af gange hurtigere end NAND-flash og 10 gange tættere end DRAM.

Med andre ord, husk da vi sagde "HDD'er og SSD'er kan sammenlignes med din langtidshukommelse, hvorimod flash er mere beslægtet med din korttidshukommelse"? Nå, 3D Xpoint vil håndtere begge dele og gøre det bedre end begge dele hver for sig.

Uanset hvilken mulighed der vinder, vil alle disse nye former for flash-hukommelse tilbyde mere hukommelseskapacitet, hastighed, udholdenhed og energieffektivitet.

Langsigtede lagringsinnovationer. I mellemtiden, for de brugssager, hvor hastighed betyder mindre end bevarelsen af store mængder data, er nye og teoretiske teknologier i øjeblikket under arbejde:

Bånddrev. Opfundet for over 60 år siden brugte vi oprindeligt båndstationer til at arkivere skatte- og sundhedsdokumenter. I dag bliver denne teknologi perfektioneret nær sit teoretiske højdepunkt med IBM sætter rekord ved at arkivere 330 terabyte ukomprimerede data (~330 millioner bøger) i en båndpatron på størrelse med din hånd.
DNA opbevaring. Forskere fra University of Washington og Microsoft Research udviklet et system at indkode, lagre og hente digitale data ved hjælp af DNA-molekyler. Når det er perfektioneret, kan dette system en dag arkivere information millioner af gange mere kompakt end nuværende datalagringsteknologier.
Kilobyte omskrivbar atomhukommelse. Ved at manipulere individuelle kloratomer på en flad kobberplade, skrev videnskabsmænd en 1-kilobyte besked med 500 terabit pr. kvadrattomme - omkring 100 gange mere info pr. kvadrattomme end den mest effektive harddisk på markedet.
5D datalagring. Dette speciallagringssystem, med University of Southampton i spidsen, har 360 TB/disk datakapacitet, termisk stabilitet op til 1,000°C og en næsten ubegrænset levetid ved stuetemperatur (13.8 milliarder år ved 190°C). Med andre ord ville 5D-datalagring være ideel til arkivbrug på museer og biblioteker.

Software-Defined Storage Infrastructure (SDS). Det er ikke kun lagerhardware, der oplever innovation, men softwaren, der kører det, er også under spændende udvikling. SDS bruges mest i store virksomheders computernetværk eller cloud storage-tjenester, hvor data lagres centralt og tilgås via individuelle, tilsluttede enheder. Det tager dybest set den samlede mængde datalagerkapacitet i et netværk og adskiller det mellem de forskellige tjenester og enheder, der kører på netværket. Bedre SDS-systemer bliver hele tiden kodet for mere effektivt at bruge eksisterende (i stedet for ny) lagerhardware.

Får vi overhovedet brug for opbevaring i fremtiden?

Okay, så lagerteknologien vil forbedre sig en hel del i løbet af de næste par årtier. Men det, vi skal overveje, er, hvilken forskel gør det alligevel?

Den gennemsnitlige person vil aldrig opbruge den terabyte lagerplads, der nu er tilgængelig i de nyeste desktopcomputermodeller. Og om yderligere to til fire år vil din næste smartphone have lagerplads nok til at samle et års værdi af billeder og videoer uden at skulle forårsrengøre din enhed. Sikker på, der er et mindretal af mennesker derude, der kan lide at horde enorme mængder data på deres computere, men for resten af os er der en række tendenser, der reducerer vores behov for overdreven, privatejet disklagerplads.

Streaming tjenester. Engang handlede vores musiksamlinger om at samle plader, så kassetter og så cd'er. I 90'erne blev sange digitaliseret til MP3'er for at blive hamstret i tusindvis (først gennem torrents, derefter flere og flere gennem digitale butikker som iTunes). Nu, i stedet for at skulle gemme og organisere en musiksamling på din hjemmecomputer eller telefon, kan vi streame et uendeligt antal sange og lytte til dem hvor som helst gennem tjenester som Spotify og Apple Music.

Denne progression reducerede først det fysiske rum, som musik optog derhjemme, og derefter det digitale rum på din computer. Nu kan det hele erstattes af en ekstern tjeneste, der giver dig billig og bekvem, hvor som helst/når som helst adgang til al den musik, du kunne ønske dig. Selvfølgelig har de fleste af jer, der læser dette, sandsynligvis stadig et par cd'er liggende, de fleste vil stadig have en solid samling af MP3'er på deres computer, men den næste generation af computerbrugere vil ikke spilde deres tid på at fylde deres computere med musik, de kan fri adgang online.

Kopier selvfølgelig alt, hvad jeg lige har sagt om musik, og anvend det på film og tv (hej, Netflix!), og de personlige lagerbesparelser bliver ved med at vokse.

sociale medier. Med musik, film og tv-shows, der tilstopper mindre og mindre af vores personlige computere, er den næststørste form for digitalt indhold personlige billeder og videoer. Igen plejede vi at producere billeder og videoer fysisk, i sidste ende for at samle støv på vores loftsrum. Derefter blev vores billeder og videoer digitale, blot for igen at samle støv i de nedre dele af vores computere. Og det er problemet: Vi ser sjældent på de fleste af de billeder og videoer, vi tager.

Men efter sociale medier skete, gav sider som Flickr og Facebook os muligheden for at dele et uendeligt antal billeder med et netværk af mennesker, vi holder af, samtidig med at de gemte billederne (gratis) i et selvorganiserende mappesystem eller tidslinje. Selvom dette sociale element, kombineret med miniature, avancerede telefonkameraer, i høj grad øgede antallet af billeder og video produceret af den gennemsnitlige person, reducerede det også vores vane med at gemme billeder på vores private computere, hvilket tilskyndede os til at gemme dem online, privat eller offentligt.

Cloud- og samarbejdstjenester. I betragtning af de sidste to punkter er kun det ydmyge tekstdokument (og et par andre nichedatatyper) tilbage. Disse dokumenter, sammenlignet med de multimedier, vi lige har diskuteret, er normalt så små, at det aldrig vil være et problem at gemme dem på din computer.

Men i vores stadig mere mobile verden er der en stigende efterspørgsel efter at få adgang til dokumenter på farten. Og her igen sker den samme progression, som vi diskuterede med musik her - hvor vi først transporterede dokumenter ved hjælp af disketter, cd'er og USB'er, nu bruger vi mere bekvemme og forbrugerorienterede Cloud Storage tjenester, som Google Drev og Dropbox, som gemmer vores dokumenter i et eksternt datacenter, så vi kan få sikker adgang online. Tjenester som disse giver os mulighed for at få adgang til og dele vores dokumenter hvor som helst, når som helst, på enhver enhed eller operativsystem.

For at være retfærdig betyder brug af streamingtjenester, sociale medier og cloudtjenester ikke nødvendigvis, at vi flytter alt til skyen – nogle ting foretrækker vi at holde alt for private og sikre – men disse tjenester har skåret ned og vil fortsætte med at skære ned, den samlede mængde fysisk datalagerplads, vi skal eje år for år.

Hvorfor eksponentielt mere lagerplads betyder noget

Mens den gennemsnitlige person kan se mindre behov for mere digital lagring, er der store kræfter på spil, der driver Kryders lov fremad.

For det første, på grund af den næsten årlige liste over sikkerhedsbrud på tværs af en række teknologiske og finansielle servicevirksomheder - som hver bringer den digitale information fra millioner af individer i fare - vokser bekymringer over databeskyttelse med rette blandt offentligheden. Afhængigt af individuelle behov kan dette skabe offentlig efterspørgsel efter større og billigere datalagringsmuligheder til personlig brug for at undgå afhængigt af skyen. Fremtidige personer kan endda opsætte private datalagringsservere inde i deres hjem for at oprette forbindelse til eksternt i stedet for at være afhængige af servere ejet af de store teknologivirksomheder.

En anden overvejelse er, at datalagringsbegrænsninger i øjeblikket blokerer for fremskridt i en række sektorer fra bioteknologi til kunstig intelligens. Sektorer, der er afhængige af akkumulering og behandling af big data, er nødt til at lagre stadig større mængder data for at innovere nye produkter og tjenester.

I slutningen af 2020'erne vil Internet of Things (IoT), autonome køretøjer, robotter, augmented reality og andre sådanne næste generations 'edge-teknologier' anspore til investeringer i lagerteknologi. Dette skyldes, at for at disse teknologier skal fungere, skal de have computerkraft og lagerkapacitet til at forstå deres omgivelser og reagere i realtid uden konstant afhængighed af skyen. Vi undersøger dette koncept længere ind kapitel fem af denne serie.

Endelig Tingenes internet (udførligt forklaret i vores Internettets fremtid serie) vil resultere i milliarder-til-billioner af sensorer, der sporer bevægelsen eller status for milliarder-til-billioner af ting. De enorme mængder data, som disse utallige sensorer vil producere, vil kræve effektiv lagerkapacitet, før de effektivt kan behandles af de supercomputere, vi vil dække i slutningen af denne serie.

Alt i alt, mens den gennemsnitlige person i stigende grad vil reducere deres behov for personligt ejet, digital lagringshardware, vil alle på planeten stadig drage indirekte fordel af den uendelige lagringskapacitet, fremtidige digitale lagringsteknologier vil tilbyde. Naturligvis, som tidligere antydet, ligger fremtiden for storage i skyen, men før vi kan dykke dybt ind i det emne, skal vi først forstå de gratis revolutioner, der sker på behandlingssiden (mikrochip) af computerbranchen – emnet for næste kapitel.