انقلاب ذخیره سازی دیجیتال: آینده رایانه ها P3

اکثر شما که این مطلب را می خوانید احتمالاً فلاپی دیسک ساده و 1.44 مگابایت فضای دیسک را به یاد دارید. برخی از شما احتمالاً به آن یکی از دوستان حسادت می‌کردید که او اولین درایو USB انگشت شست را با فضای هیولایی 8 مگابایت آن در طول یک پروژه مدرسه تولید کرد. این روزها جادو از بین رفته است و ما خسته شده ایم. یک ترابایت حافظه در اکثر رایانه های رومیزی 2018 به صورت استاندارد عرضه می شود و کینگستون حتی درایوهای USB یک ترابایتی را هم اکنون به فروش می رساند.

وسواس ما نسبت به فضای ذخیره‌سازی سال به سال افزایش می‌یابد، زیرا محتوای دیجیتالی بیشتری را مصرف می‌کنیم و ایجاد می‌کنیم، خواه گزارش مدرسه، عکس سفر، میکس نوار گروه شما، یا ویدیوی GoPro از شما در حال اسکی کردن روی Whistler باشد. روندهای دیگر مانند اینترنت اشیا در حال ظهور تنها به کوه داده های تولید شده در جهان سرعت می بخشد و سوخت موشکی بیشتری را به تقاضا برای ذخیره سازی دیجیتال اضافه می کند.

به همین دلیل است که برای بحث درست در مورد ذخیره سازی داده ها، اخیراً تصمیم گرفتیم این فصل را با تقسیم آن به دو قسمت ویرایش کنیم. این نیمه نوآوری های فناوری در ذخیره سازی داده ها و تأثیر آن بر مصرف کنندگان متوسط ​​دیجیتال را پوشش می دهد. در همین حال، فصل بعدی انقلاب آینده در ابر را پوشش خواهد داد.

نوآوری های ذخیره سازی داده در خط لوله

(TL;DR - بخش زیر به تشریح فناوری جدیدی می‌پردازد که به شما امکان می‌دهد تا مقادیر بیشتری از داده‌ها را در درایوهای ذخیره‌سازی کوچک‌تر و کارآمدتر ذخیره کنید. اگر به این فناوری اهمیت نمی‌دهید، اما در عوض می‌خواهید در مورد اطلاعات گسترده‌تر مطالعه کنید. روندها و تأثیرات پیرامون ذخیره سازی داده ها، پس توصیه می کنیم به زیر عنوان بعدی بروید.)

بسیاری از شما قبلاً در مورد قانون مور شنیده اید (مشاهده ای که تعداد ترانزیستورها در یک مدار مجتمع متراکم تقریباً هر دو سال یکبار دو برابر می شود) اما در بخش ذخیره سازی تجارت رایانه، ما قانون کرایدر را داریم - اساساً توانایی ما برای فشردن تعداد بیت های بیشتر در هارد دیسک های کوچک شده نیز تقریباً هر 18 ماه دو برابر می شود. این بدان معناست که شخصی که 1,500 سال پیش 5 دلار برای 35 مگابایت هزینه کرده بود، اکنون می تواند 600 دلار برای یک درایو 6 ترابایتی خرج کند.

این پیشرفت خیره کننده است و به این زودی متوقف نمی شود.

فهرست زیر نگاهی اجمالی به نوآوری های کوتاه مدت و بلندمدت است که سازندگان ذخیره سازی دیجیتال برای ارضای جامعه تشنه ذخیره سازی ما استفاده می کنند.

هارد دیسک بهتر. تا اوایل دهه 2020، سازندگان به ساخت درایوهای هارد دیسک سنتی (HDD) ادامه خواهند داد و ظرفیت حافظه بیشتری را تا زمانی که دیگر نتوانیم هارد دیسک های متراکم تر بسازیم، ادامه خواهند داد. تکنیک های ابداع شده برای رهبری این دهه آخر فناوری HDD عبارتند از ضبط مغناطیسی زونا (SMR)، به دنبال آن ضبط مغناطیسی دو بعدی (TDMR)، و به طور بالقوه ضبط مغناطیسی به کمک حرارت (HAMR).

هارد دیسک های حالت جامد. جایگزین هارد دیسک سنتی که در بالا ذکر شد، هارد دیسک حالت جامد (SATA SSD) است. بر خلاف HDD ها، SSD ها هیچ دیسک چرخشی ندارند – در واقع، آنها اصلاً هیچ قطعه متحرکی ندارند. این امر به SSD ها اجازه می دهد تا بسیار سریعتر، در اندازه های کوچکتر و با دوام بیشتری نسبت به نسل قبلی خود کار کنند. SSD ها در حال حاضر در لپ تاپ های امروزی استاندارد هستند و به تدریج در اکثر مدل های دسکتاپ جدید به سخت افزار استاندارد تبدیل می شوند. و در حالی که در اصل بسیار گران تر از HDD ها هستند، اما آنها قیمت ها سریعتر از HDD ها کاهش می یابد، به این معنی که فروش آنها می تواند تا اواسط دهه 2020 کاملاً از HDD ها پیشی بگیرد.

نسل بعدی SSD ها نیز به تدریج معرفی می شوند و سازندگان از SATA SSD به SSD های PCIe که حداقل شش برابر درایوهای SATA پهنای باند دارند تغییر می کنند و در حال رشد هستند.

فلش مموری سه بعدی می شود. اما اگر سرعت هدف باشد، هیچ چیز بهتر از ذخیره کردن همه چیز در حافظه نیست.

HDD و SSD را می توان با حافظه بلند مدت شما مقایسه کرد، در حالی که فلش بیشتر شبیه حافظه کوتاه مدت شما است. و درست مانند مغز شما، یک کامپیوتر به طور سنتی برای عملکرد به هر دو نوع ذخیره سازی نیاز دارد. معمولاً به عنوان حافظه با دسترسی تصادفی (RAM) شناخته می‌شود، رایانه‌های شخصی سنتی معمولاً دارای دو حافظه رم با ظرفیت 4 تا 8 گیگابایت هستند. در همین حال، سنگین‌ترین شرکت‌هایی مانند سامسونگ اکنون کارت‌های حافظه 2.5 بعدی را می‌فروشند که هر کدام 128 گیگابایت را در خود جای می‌دهند که برای گیمرهای هاردکور شگفت‌انگیز است، اما برای ابررایانه‌های نسل بعدی کاربردی‌تر است.

چالش این کارت‌های حافظه این است که با محدودیت‌های فیزیکی مشابهی که دیسک‌های سخت با آن مواجه هستند مواجه می‌شوند. بدتر از آن، ترانزیستورهای کوچک‌تر در داخل رم قرار می‌گیرند، در طول زمان عملکرد بدتری دارند - پاک کردن و نوشتن دقیق ترانزیستورها سخت‌تر می‌شود و در نهایت به دیوار عملکردی برخورد می‌کند که مجبور می‌شود آنها را با میله‌های رم تازه جایگزین کند. با توجه به این موضوع، شرکت ها شروع به ساخت نسل بعدی کارت های حافظه می کنند:

• 3D NAND. شرکت هایی مانند اینتل، سامسونگ، میکرون، هاینیکس و نیمه هادی تایوان برای پذیرش گسترده 3D NAND، که ترانزیستورها را به صورت سه بعدی در داخل یک تراشه قرار می دهد.

• حافظه دسترسی تصادفی مقاومتی (RAM). این فناوری به جای بار الکتریکی از مقاومت برای ذخیره بیت (0 و 1 ثانیه) حافظه استفاده می کند.

• تراشه های سه بعدی. این موضوع در فصل بعدی با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت، اما به طور خلاصه، تراشه های سه بعدی هدف از ترکیب محاسبات و ذخیره سازی داده ها در لایه های عمودی انباشته شده، در نتیجه بهبود سرعت پردازش و کاهش مصرف انرژی است.

• حافظه تغییر فاز (PCM). فناوری پشت PCM ها اساساً شیشه کالکوژنید را گرم و سرد می کند و آن را بین حالت های متبلور به حالت های غیر متبلور تغییر می دهد که هر کدام دارای مقاومت های الکتریکی منحصر به فرد خود هستند که نشان دهنده دودویی 0 و 1 هستند. پس از تکمیل، این فناوری بسیار بیشتر از انواع RAM فعلی دوام می آورد و غیر فرار است، به این معنی. حتی زمانی که برق خاموش است (برخلاف رم سنتی) می تواند داده ها را نگه دارد.

• حافظه دسترسی تصادفی گشتاور چرخشی (STT-RAM). یک فرانکشتاین قدرتمند که ترکیبی از ظرفیت DRAM با سرعت SRAM، همراه با بهبود غیر نوسان و استقامت تقریباً نامحدود.

• 3D XPoint. با این فناوری، به جای تکیه بر ترانزیستورها برای ذخیره اطلاعات، 3D Xpoint از یک شبکه میکروسکوپی از سیم استفاده می کند که توسط یک "انتخابگر" هماهنگ شده است که روی هم قرار گرفته اند. پس از تکمیل، این می تواند صنعت را متحول کند زیرا 3D Xpoint غیر فرار است، هزاران بار سریعتر از فلش NAND و 10 برابر چگالی تر از DRAM عمل می کند.  

به عبارت دیگر، به یاد داشته باشید زمانی که گفتیم "HDD ها و SSD ها را می توان با حافظه بلند مدت شما مقایسه کرد، در حالی که فلش بیشتر به حافظه کوتاه مدت شما شبیه است"؟ خوب، 3D Xpoint هر دو را مدیریت می کند و بهتر از هرکدام به طور جداگانه انجام می دهد.

صرف نظر از اینکه کدام گزینه برنده می شود، همه این اشکال جدید حافظه فلش ظرفیت حافظه، سرعت، استقامت و کارایی بیشتری را ارائه می دهند.

نوآوری های ذخیره سازی طولانی مدت. در همین حال، برای موارد استفاده ای که سرعت کمتر از حفظ مقادیر زیاد داده مهم است، فناوری های جدید و نظری در حال حاضر در حال کار هستند:

• درایوهای نوار. بیش از 60 سال پیش اختراع شد، ما در اصل از درایوهای نوار برای بایگانی اسناد مالیاتی و مراقبت های بهداشتی استفاده می کردیم. امروزه، این فناوری نزدیک به اوج نظری خود در حال تکمیل است رکورد IBM با آرشیو کردن 330 ترابایت داده فشرده نشده (حدود 330 میلیون کتاب) در یک کارتریج نواری به اندازه دست شما.

• ذخیره سازی DNA. محققان دانشگاه واشنگتن و تحقیقات مایکروسافت یک سیستم توسعه داد برای رمزگذاری، ذخیره و بازیابی داده های دیجیتال با استفاده از مولکول های DNA. پس از تکمیل، این سیستم ممکن است روزی اطلاعات را میلیون‌ها برابر فشرده‌تر از فناوری‌های ذخیره‌سازی داده‌های کنونی بایگانی کند.

• حافظه اتمی قابل بازنویسی کیلوبایت. با دستکاری تک تک اتم های کلر روی ورقه مسطح مسی، دانشمندان نوشتند یک پیام 1 کیلوبایتی با سرعت 500 ترابیت در هر اینچ مربع - تقریباً 100 برابر اطلاعات بیشتر در هر اینچ مربع از کارآمدترین هارد دیسک موجود در بازار.  

• ذخیره سازی اطلاعات 5 بعدی. این سیستم ذخیره سازی تخصصی که توسط دانشگاه ساوتهمپتون هدایت می شود، دارای ظرفیت داده 360 ترابایت/دیسک، پایداری حرارتی تا 1,000 درجه سانتیگراد و طول عمر تقریباً نامحدود در دمای اتاق (13.8 میلیارد سال در 190 درجه سانتیگراد) است. به عبارت دیگر، ذخیره سازی داده های 5 بعدی برای استفاده های آرشیوی در موزه ها و کتابخانه ها ایده آل خواهد بود.

زیرساخت ذخیره سازی تعریف شده توسط نرم افزار (SDS). این تنها سخت افزار ذخیره سازی نیست که شاهد نوآوری است، بلکه نرم افزاری که آن را اجرا می کند نیز در حال توسعه هیجان انگیز است. SDS بیشتر در شبکه‌های رایانه‌ای شرکت‌های بزرگ یا سرویس‌های ذخیره‌سازی ابری استفاده می‌شود که در آن داده‌ها به صورت مرکزی ذخیره می‌شوند و از طریق دستگاه‌های متصل و جداگانه قابل دسترسی هستند. اساساً کل ظرفیت ذخیره سازی داده در یک شبکه را می گیرد و آن را از بین سرویس ها و دستگاه های مختلفی که در شبکه اجرا می شوند جدا می کند. سیستم های SDS بهتر همیشه برای استفاده موثرتر از سخت افزار ذخیره سازی موجود (به جای جدید) کدگذاری می شوند.

آیا در آینده حتی به ذخیره سازی نیاز خواهیم داشت؟

خوب، بنابراین فناوری ذخیره سازی در چند دهه آینده بسیار بهبود خواهد یافت. اما چیزی که باید در نظر بگیریم این است که به هر حال چه تفاوتی ایجاد می کند؟

یک فرد معمولی هرگز از ترابایت فضای ذخیره سازی موجود در جدیدترین مدل های کامپیوتر رومیزی استفاده نمی کند. و در دو تا چهار سال دیگر، تلفن هوشمند بعدی شما فضای ذخیره سازی کافی برای جمع آوری تصاویر و ویدیوهای یک سال بدون نیاز به تمیز کردن دستگاه شما خواهد داشت. مطمئناً، تعداد کمی از مردم وجود دارند که دوست دارند حجم عظیمی از داده ها را بر روی رایانه های خود ذخیره کنند، اما برای بقیه ما، تعدادی روند وجود دارد که نیاز ما به فضای ذخیره سازی دیسک بیش از حد و متعلق به خصوصی را کاهش می دهد.

سرویس های جریانی. روزی روزگاری مجموعه‌های موسیقی ما شامل جمع‌آوری صفحات، سپس نوار کاست و سپس سی‌دی بود. در دهه 90، آهنگ ها به صورت دیجیتالی به MP3 تبدیل شدند تا هزاران نفر آنها را ذخیره کنند (ابتدا از طریق تورنت، سپس بیشتر و بیشتر از طریق فروشگاه های دیجیتال مانند iTunes). اکنون، به جای اینکه مجبور باشیم یک مجموعه موسیقی را در رایانه یا تلفن خانگی خود ذخیره و سازماندهی کنیم، می‌توانیم تعداد بی‌نهایتی از آهنگ‌ها را استریم کنیم و از طریق سرویس‌هایی مانند Spotify و Apple Music در هر کجا به آنها گوش دهیم.

این پیشرفت ابتدا فضای فیزیکی موسیقی در خانه را کاهش داد، سپس فضای دیجیتال را در رایانه شما کاهش داد. اکنون می توان همه آن را با یک سرویس خارجی جایگزین کرد که دسترسی ارزان و راحت را در هر مکان/هر زمان به تمام موسیقی هایی که می خواهید در اختیار شما قرار می دهد. البته، بسیاری از شما که این مطلب را می خوانید، احتمالاً هنوز چند سی دی در اطراف خود دارید، اکثر آنها همچنان مجموعه ای جامد از MP3 ها را روی رایانه خود خواهند داشت، اما نسل بعدی کاربران رایانه وقت خود را برای پر کردن رایانه های خود با موسیقی که می توانند تلف نمی کنند. به صورت آنلاین آزادانه دسترسی داشته باشید.

بدیهی است که تمام آنچه را که در مورد موسیقی گفتم کپی کنید و آن را در فیلم و تلویزیون اعمال کنید (سلام، نتفلیکس!) و صرفه جویی در ذخیره سازی شخصی همچنان در حال افزایش است.

رسانه های اجتماعی. با توجه به اینکه موسیقی، فیلم و برنامه های تلویزیونی هر روز کمتر رایانه های شخصی ما را مسدود می کنند، بزرگترین شکل بعدی محتوای دیجیتال، تصاویر و ویدیوهای شخصی است. مجدداً، ما به طور فیزیکی عکس و فیلم تولید می کردیم، در نهایت برای جمع آوری گرد و غبار در اتاق زیر شیروانی خود. سپس عکس‌ها و فیلم‌های ما دیجیتالی شدند و دوباره گرد و غبار را در قسمت‌های پایین کامپیوترهایمان جمع کردند. و مسئله این است: ما به ندرت به بیشتر عکس‌ها و ویدیوهایی که می‌گیریم نگاه می‌کنیم.

اما پس از اتفاق افتادن رسانه‌های اجتماعی، سایت‌هایی مانند فلیکر و فیس‌بوک به ما این امکان را دادند که تعداد بی‌نهایتی از عکس‌ها را با شبکه‌ای از افرادی که به آن‌ها اهمیت می‌دهیم به اشتراک بگذاریم، در حالی که آن عکس‌ها را (به صورت رایگان) در یک سیستم پوشه یا جدول زمانی خود سازماندهی ذخیره می‌کنند. در حالی که این عنصر اجتماعی، همراه با دوربین‌های گوشی‌های مینیاتوری و پیشرفته، تعداد تصاویر و ویدیوهای تولید شده توسط افراد عادی را بسیار افزایش می‌دهد، عادت ما به ذخیره‌سازی عکس‌ها در رایانه‌های شخصی‌مان را کاهش می‌دهد و ما را تشویق می‌کند تا آنها را به صورت آنلاین و خصوصی ذخیره کنیم. یا به صورت عمومی

خدمات ابری و همکاری. با توجه به دو نکته آخر، تنها سند متنی ساده (و چند نوع داده خاص دیگر) باقی مانده است. این اسناد، در مقایسه با چند رسانه‌ای که در مورد آن صحبت کردیم، معمولاً آنقدر کوچک هستند که ذخیره آنها در رایانه شما هرگز مشکلی ایجاد نمی‌کند.

با این حال، در دنیای تلفن همراه ما، تقاضای فزاینده ای برای دسترسی به اسناد در حال حرکت وجود دارد. و در اینجا دوباره، همان پیشرفتی که در مورد موسیقی بحث کردیم، در اینجا اتفاق می‌افتد - جایی که ابتدا اسناد را با استفاده از فلاپی دیسک، سی‌دی و USB منتقل می‌کردیم، اکنون از راحت‌تر و مصرف‌گراتر استفاده می‌کنیم. فضای ذخیره ابری خدماتی مانند Google Drive و Dropbox که اسناد ما را در یک مرکز داده خارجی ذخیره می‌کنند تا ما به صورت آنلاین به صورت امن به آن دسترسی داشته باشیم. خدماتی مانند این به ما امکان می‌دهند در هر مکان، هر زمان و در هر دستگاه یا سیستم عاملی به اسناد خود دسترسی داشته باشیم و به اشتراک بگذاریم.

اگر منصف باشیم، استفاده از سرویس‌های استریم، رسانه‌های اجتماعی و سرویس‌های ابری لزوماً به این معنا نیست که همه چیز را به فضای ابری منتقل می‌کنیم - برخی از چیزهایی که ترجیح می‌دهیم بیش از حد خصوصی و امن نگه داریم - اما این سرویس‌ها قطع کرده‌اند و کاهش خواهند یافت. مجموع فضای ذخیره سازی فیزیکی داده ای که باید در هر سال داشته باشیم.

چرا فضای ذخیره سازی بیشتر اهمیت دارد؟

در حالی که یک فرد معمولی ممکن است نیاز کمتری به فضای ذخیره‌سازی دیجیتال بیشتر ببیند، نیروهای بزرگی در بازی وجود دارند که قانون کرایدر را به جلو می‌برند.

اول از همه، به دلیل فهرست تقریباً سالانه نقض‌های امنیتی در طیفی از شرکت‌های خدمات مالی و فناوری - که هر کدام اطلاعات دیجیتال میلیون‌ها نفر را به خطر می‌اندازد - نگرانی‌ها در مورد حفظ حریم خصوصی داده‌ها به درستی در بین عموم افزایش می‌یابد. بسته به نیازهای فردی، ممکن است تقاضای عمومی برای گزینه‌های ذخیره‌سازی داده‌های بزرگتر و ارزان‌تر برای استفاده شخصی برای اجتناب از بسته به فضای ابری ایجاد شود. افراد آینده حتی ممکن است سرورهای ذخیره سازی داده های خصوصی را در داخل خانه خود راه اندازی کنند تا به جای وابستگی به سرورهای متعلق به شرکت های بزرگ فناوری، به آن ها متصل شوند.

ملاحظات دیگر این است که محدودیت های ذخیره سازی داده ها در حال حاضر مانع از پیشرفت در تعدادی از بخش ها از بیوتکنولوژی تا هوش مصنوعی شده است. بخش‌هایی که به انباشت و پردازش کلان داده‌ها وابسته هستند، برای نوآوری محصولات و خدمات جدید، نیاز به ذخیره مقادیر بیشتری از داده‌ها دارند.

در مرحله بعد، تا اواخر دهه 2020، اینترنت اشیا (IoT)، وسایل نقلیه خودران، ربات‌ها، واقعیت افزوده، و دیگر فناوری‌های پیشرفته نسل بعدی، سرمایه‌گذاری در فناوری ذخیره‌سازی را تشویق خواهند کرد. این به این دلیل است که برای کارکرد این فناوری‌ها، آن‌ها باید قدرت محاسباتی و ظرفیت ذخیره‌سازی برای درک محیط اطراف خود و واکنش در زمان واقعی بدون وابستگی دائمی به ابر داشته باشند. ما این مفهوم را در ادامه بررسی می کنیم فصل پنجم از این سری

در نهایت، اینترنت از چیزهایی (به طور کامل در ما توضیح داده شده است آینده اینترنت سری) به میلیاردها تا تریلیون‌ها حسگر منجر می‌شود که حرکت یا وضعیت میلیاردها تا تریلیون چیز را ردیابی می‌کنند. حجم عظیمی از داده‌هایی که این حسگرهای بی‌شمار تولید می‌کنند، قبل از اینکه بتوانند به‌طور مؤثر توسط ابررایانه‌هایی که در پایان این سری به آنها خواهیم پرداخت، پردازش شوند، نیاز به ظرفیت ذخیره‌سازی مؤثر دارند.

در مجموع، در حالی که یک فرد معمولی به طور فزاینده‌ای نیاز خود را به سخت‌افزار ذخیره‌سازی دیجیتال شخصی و شخصی کاهش می‌دهد، همه افراد روی این سیاره همچنان به طور غیرمستقیم از ظرفیت ذخیره‌سازی نامحدودی که فناوری‌های ذخیره‌سازی دیجیتال آینده ارائه خواهند کرد، بهره‌مند خواهند شد. البته، همانطور که قبلاً اشاره شد، آینده ذخیره سازی در فضای ابری نهفته است، اما قبل از اینکه بتوانیم عمیقاً در این موضوع غوطه ور شویم، ابتدا باید انقلاب های تکمیلی در بخش پردازش (ریزتراشه) تجارت رایانه را درک کنیم. موضوع فصل بعد

سری آینده کامپیوترها

رابط های کاربری در حال ظهور برای تعریف مجدد بشریت: آینده رایانه ها P1

آینده توسعه نرم افزار: آینده کامپیوترها P2

قانون مور در حال محو شدن برای جرقه تجدید نظر اساسی در مورد ریزتراشه ها: آینده رایانه ها P4

رایانش ابری غیرمتمرکز می شود: آینده رایانه ها P5

چرا کشورها برای ساخت بزرگترین ابررایانه ها با هم رقابت می کنند؟ آینده کامپیوترها P6

چگونه کامپیوترهای کوانتومی جهان را تغییر خواهند داد: آینده کامپیوترها P7