Course quantique

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La révolution du stockage numérique : l'avenir des ordinateurs P3

David Tal, éditeur, futuriste
@DavidTalWrites
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Mardi, 09 / 15 / 2020 - 15: 43

La plupart d'entre vous qui lisez ceci se souviennent probablement de l'humble disquette et de son solide 1.44 Mo d'espace disque. Certains d'entre vous étaient probablement jaloux de cet ami lorsqu'il a sorti la première clé USB, avec ses 8 Mo d'espace monstrueux, lors d'un projet scolaire. De nos jours, la magie a disparu et nous sommes devenus blasés. Un téraoctet de mémoire est livré en standard dans la plupart des ordinateurs de bureau 2018, et Kingston vend même maintenant des clés USB d'un téraoctet.

Notre obsession pour le stockage grandit d'année en année à mesure que nous consommons et créons de plus en plus de contenu numérique, qu'il s'agisse d'un bulletin scolaire, d'une photo de voyage, de la mixtape de votre groupe ou d'une vidéo GoPro de vous skiant à Whistler. D'autres tendances telles que l'émergence de l'Internet des objets ne feront qu'accélérer la montagne de données que le monde produit, ajoutant encore plus de carburant à la demande de stockage numérique.

C'est pourquoi, pour parler correctement du stockage des données, nous avons récemment décidé d'éditer ce chapitre en le divisant en deux. Cette moitié couvrira les innovations technologiques en matière de stockage de données et son impact sur les consommateurs numériques moyens. Pendant ce temps, le chapitre suivant couvrira la révolution à venir dans le cloud.

Innovations de stockage de données dans le pipeline

(TL; DR - La section suivante décrit la nouvelle technologie qui permettra de stocker des quantités de données toujours plus importantes sur des disques de stockage toujours plus petits et plus efficaces. Si vous ne vous souciez pas de la technologie, mais que vous souhaitez plutôt en savoir plus sur le tendances et impacts autour du stockage des données, nous vous recommandons de passer au sous-titre suivant.)

Beaucoup d'entre vous ont déjà entendu parler de la loi de Moore (l'observation selon laquelle le nombre de transistors dans un circuit intégré dense double environ tous les deux ans), mais du côté du stockage de l'informatique, nous avons la loi de Kryder—essentiellement, notre capacité à presser de plus en plus de bits dans des disques durs de plus en plus réduits doublent également environ tous les 18 mois. Cela signifie que la personne qui a dépensé 1,500 5 $ pour 35 Mo il y a 600 ans peut maintenant dépenser 6 $ pour un disque de XNUMX To.

C'est un progrès à couper le souffle, et il ne s'arrêtera pas de si tôt.

La liste suivante est un bref aperçu des innovations à court et à long terme que les fabricants de stockage numérique utiliseront pour satisfaire notre société avide de stockage.

De meilleurs disques durs. Jusqu'au début des années 2020, les fabricants continueront à construire des disques durs traditionnels (HDD), en emballant plus de capacité de mémoire jusqu'à ce que nous ne puissions plus construire de disques durs plus denses. Les techniques inventées pour mener cette dernière décennie de technologie HDD incluent Magnetic Recording Shingled (SMR), suivi de Enregistrement magnétique bidimensionnel (TDMR), et potentiellement Enregistrement magnétique assisté par la chaleur (HAMR).

Disques durs à semi-conducteurs. Le disque dur à semi-conducteurs (SSD SATA) remplace le disque dur traditionnel mentionné ci-dessus. Contrairement aux disques durs, les SSD n'ont pas de disques en rotation. En fait, ils n'ont aucune pièce mobile. Cela permet aux SSD de fonctionner beaucoup plus rapidement, à des tailles plus petites et avec une plus grande durabilité que leur prédécesseur. Les SSD sont déjà un standard sur les ordinateurs portables d'aujourd'hui et deviennent progressivement du matériel standard sur la plupart des nouveaux modèles de bureau. Et bien qu'à l'origine beaucoup plus chers que les disques durs, leur le prix baisse plus vite que les disques durs, ce qui signifie que leurs ventes pourraient dépasser celles des disques durs d'ici le milieu des années 2020.

Les SSD de nouvelle génération sont également introduits progressivement, les fabricants passant des SSD SATA aux SSD PCIe qui ont au moins six fois la bande passante des disques SATA et en croissance.

La mémoire flash passe à la 3D. Mais si la vitesse est l'objectif, rien ne vaut de tout stocker en mémoire.

Les disques durs et SSD peuvent être comparés à votre mémoire à long terme, tandis que la mémoire flash s'apparente davantage à votre mémoire à court terme. Et tout comme votre cerveau, un ordinateur a traditionnellement besoin des deux types de stockage pour fonctionner. Communément appelés mémoire vive (RAM), les ordinateurs personnels traditionnels sont généralement équipés de deux barrettes de RAM de 4 à 8 Go chacune. Pendant ce temps, les plus gros frappeurs comme Samsung vendent maintenant des cartes mémoire 2.5D qui contiennent 128 Go chacune, étonnantes pour les joueurs inconditionnels, mais plus pratiques pour les superordinateurs de nouvelle génération.

Le défi avec ces cartes mémoire est qu'elles se heurtent aux mêmes contraintes physiques auxquelles les disques durs sont confrontés. Pire encore, les transistors plus petits deviennent à l'intérieur de la RAM, plus ils fonctionnent avec le temps - les transistors deviennent plus difficiles à effacer et à écrire avec précision, atteignant finalement un mur de performances qui oblige leur remplacement par de nouvelles barrettes de RAM. À la lumière de cela, les entreprises commencent à construire la prochaine génération de cartes mémoire :

NAND 3D. Des entreprises comme Intel, Samsung, Micron, Hynix et Taiwan Semiconductor font pression pour l'adoption à grande échelle de NAND 3D, qui empile des transistors en trois dimensions à l'intérieur d'une puce.
Mémoire vive résistive (Ram). Cette technologie utilise une résistance au lieu d'une charge électrique pour stocker des bits (0 et 1) de mémoire.
Puces 3D. Ceci sera discuté plus en détail dans le prochain chapitre de la série, mais en bref, Puces 3D visent à combiner l'informatique et le stockage de données dans des couches empilées verticalement, améliorant ainsi les vitesses de traitement et réduisant la consommation d'énergie.
Mémoire à changement de phase (PCM)L’ la technologie derrière les PCM chauffe et refroidit essentiellement le verre de chalcogénure, le déplaçant entre des états cristallisés et non cristallisés, chacun avec ses résistances électriques uniques représentant le binaire 0 et 1. Une fois perfectionnée, cette technologie durera beaucoup plus longtemps que les variantes de RAM actuelles et est non volatile, ce qui signifie il peut contenir des données même lorsque l'alimentation est coupée (contrairement à la RAM traditionnelle).
Mémoire à accès aléatoire du couple de transfert de rotation (RAM STT). Un Frankenstein puissant qui combine la capacité de DRAM avec la vitesse de SRAM, ainsi qu'une non-volatilité améliorée et une endurance quasi illimitée.
3D XPoint. Avec cette technologie, au lieu de compter sur des transistors pour stocker des informations, Point X 3D utilise un maillage microscopique de fils, coordonnés par un "sélecteur" qui sont empilés les uns sur les autres. Une fois perfectionné, cela pourrait révolutionner l'industrie puisque 3D Xpoint est non volatile, fonctionnera des milliers de fois plus rapidement que le flash NAND et 10 fois plus dense que la DRAM.

En d'autres termes, vous souvenez-vous quand nous avons dit "Les disques durs et les disques SSD peuvent être comparés à votre mémoire à long terme, alors que la mémoire flash s'apparente davantage à votre mémoire à court terme" ? Eh bien, 3D Xpoint gérera les deux et le fera mieux que l'un ou l'autre séparément.

Quelle que soit l'option qui l'emporte, toutes ces nouvelles formes de mémoire flash offriront plus de capacité de mémoire, de vitesse, d'endurance et d'efficacité énergétique.

Innovations de stockage à long terme. Pendant ce temps, pour les cas d'utilisation où la vitesse importe moins que la préservation de grandes quantités de données, de nouvelles technologies théoriques sont actuellement en cours d'élaboration :

Lecteurs de bande. Inventé il y a plus de 60 ans, nous utilisions à l'origine des lecteurs de bande pour archiver les documents fiscaux et de santé. Aujourd'hui, cette technologie se perfectionne près de son apogée théorique avec IBM établit un record en archivant 330 téraoctets de données non compressées (~330 millions de livres) dans une cartouche de bande de la taille de votre main.
Stockage d'ADN. Des chercheurs de l'Université de Washington et de Microsoft Research développé un système pour coder, stocker et récupérer des données numériques à l'aide de molécules d'ADN. Une fois perfectionné, ce système pourrait un jour archiver des informations des millions de fois de manière plus compacte que les technologies actuelles de stockage de données.
Mémoire atomique réinscriptible d'un kilo-octet. En manipulant des atomes de chlore individuels sur une feuille plate de cuivre, les scientifiques ont écrit un message de 1 kilo-octet à 500 térabits par pouce carré, soit environ 100 fois plus d'informations par pouce carré que le disque dur le plus efficace du marché.
Stockage de données 5D. Ce système de stockage spécialisé, dirigé par l'Université de Southampton, offre une capacité de données de 360 To/disque, une stabilité thermique jusqu'à 1,000 13.8 °C et une durée de vie quasi illimitée à température ambiante (190 milliards d'années à 5 °C). En d'autres termes, le stockage de données XNUMXD serait idéal pour les archives dans les musées et les bibliothèques.

Infrastructure de stockage définie par logiciel (SDS). Ce n'est pas seulement le matériel de stockage qui fait l'objet d'innovations, mais le logiciel qui l'exécute connaît également un développement passionnant. SDS est principalement utilisé dans les réseaux informatiques des grandes entreprises ou les services de stockage en nuage où les données sont stockées de manière centralisée et accessibles via des appareils connectés individuels. Il prend essentiellement la quantité totale de capacité de stockage de données dans un réseau et la sépare entre les différents services et appareils qui s'exécutent sur le réseau. De meilleurs systèmes SDS sont codés en permanence pour utiliser plus efficacement le matériel de stockage existant (au lieu du nouveau).

Aurons-nous encore besoin de stockage à l'avenir ?

D'accord, donc la technologie de stockage va beaucoup s'améliorer au cours des prochaines décennies. Mais la chose que nous devons considérer est, quelle différence cela fait-il de toute façon ?

La personne moyenne n'utilisera jamais le téraoctet d'espace de stockage actuellement disponible dans les derniers modèles d'ordinateurs de bureau. Et dans deux à quatre ans, votre prochain smartphone disposera de suffisamment d'espace de stockage pour stocker une année de photos et de vidéos sans avoir à nettoyer votre appareil au printemps. Bien sûr, il y a une minorité de personnes qui aiment stocker d'énormes quantités de données sur leurs ordinateurs, mais pour le reste d'entre nous, il existe un certain nombre de tendances réduisant notre besoin excessif d'espace de stockage sur disque privé.

Services de diffusion. Il était une fois, nos collections musicales consistaient à collectionner des disques, puis des cassettes, puis des CD. Dans les années 90, les chansons ont été numérisées en MP3 pour être thésaurisées par milliers (d'abord via des torrents, puis de plus en plus via des magasins numériques comme iTunes). Désormais, au lieu d'avoir à stocker et à organiser une collection de musique sur votre ordinateur personnel ou votre téléphone, nous pouvons diffuser un nombre infini de chansons et les écouter n'importe où grâce à des services tels que Spotify et Apple Music.

Cette progression a d'abord réduit l'espace physique occupé par la musique à la maison, puis l'espace numérique sur votre ordinateur. Maintenant, tout peut être remplacé par un service externe qui vous offre un accès bon marché et pratique, n'importe où et n'importe quand à toute la musique que vous pourriez souhaiter. Bien sûr, la plupart d'entre vous qui lisez ceci ont probablement encore quelques CD qui traînent, la plupart auront encore une solide collection de MP3 sur leur ordinateur, mais la prochaine génération d'utilisateurs d'ordinateurs ne perdra pas son temps à remplir leurs ordinateurs de musique qu'ils peuvent accéder librement en ligne.

Évidemment, copiez tout ce que je viens de dire sur la musique et appliquez-le au cinéma et à la télévision (bonjour, Netflix !) Et les économies de stockage personnelles ne cessent de croître.

Réseaux sociaux. Avec la musique, les films et les émissions de télévision qui encombrent de moins en moins nos ordinateurs personnels, la deuxième forme la plus importante de contenu numérique est constituée d'images et de vidéos personnelles. Encore une fois, nous produisions des images et des vidéos physiquement, pour finalement ramasser la poussière dans nos greniers. Ensuite, nos photos et vidéos sont devenues numériques, pour ensuite accumuler à nouveau la poussière dans les profondeurs de nos ordinateurs. Et c'est là le problème : nous regardons rarement la plupart des photos et des vidéos que nous prenons.

Mais après l'apparition des médias sociaux, des sites comme Flickr et Facebook nous ont donné la possibilité de partager un nombre infini d'images avec un réseau de personnes qui nous sont chères, tout en stockant ces images (gratuitement) dans un système de dossiers ou une chronologie auto-organisée. Bien que cet élément social, associé à des caméras de téléphone miniatures haut de gamme, ait considérablement augmenté le nombre de photos et de vidéos produites par la personne moyenne, il a également réduit notre habitude de stocker des photos sur nos ordinateurs privés, nous encourageant à les stocker en ligne, en privé. ou publiquement.

Services infonuagiques et collaboratifs. Compte tenu des deux derniers points, il ne reste que l'humble document texte (et quelques autres types de données de niche). Ces documents, comparés au multimédia dont nous venons de parler, sont généralement si petits que les stocker sur votre ordinateur ne sera jamais un problème.

Cependant, dans notre monde de plus en plus mobile, il y a une demande croissante pour accéder aux documents en déplacement. Et là encore, la même progression dont nous avons discuté avec la musique se produit ici - où nous avons d'abord transporté des documents à l'aide de disquettes, de CD et de clés USB, maintenant nous utilisons des documents plus pratiques et orientés vers le consommateur stockage cloud services, comme Google Drive et Dropbox, qui stockent nos documents dans un centre de données externe pour que nous puissions y accéder en toute sécurité en ligne. Des services comme ceux-ci nous permettent d'accéder à nos documents et de les partager n'importe où, n'importe quand, sur n'importe quel appareil ou système d'exploitation.

Pour être juste, l'utilisation des services de streaming, des médias sociaux et des services cloud ne signifie pas nécessairement que nous allons tout déplacer vers le cloud - certaines choses que nous préférons garder trop privées et sécurisées - mais ces services ont coupé et continueront de couper, la quantité totale d'espace physique de stockage de données dont nous avons besoin chaque année.

Pourquoi l'augmentation exponentielle de l'espace de stockage est-elle importante ?

Alors que l'individu moyen peut voir moins besoin de plus de stockage numérique, il y a de grandes forces en jeu qui font avancer la loi de Kryder.

Tout d'abord, en raison de la liste quasi annuelle des failles de sécurité dans une gamme de sociétés de services technologiques et financiers - chacune mettant en danger les informations numériques de millions d'individus - les inquiétudes concernant la confidentialité des données augmentent à juste titre parmi le public. En fonction des besoins individuels, cela peut entraîner une demande publique pour des options de stockage de données plus importantes et moins chères pour un usage personnel afin d'éviter de dépendre du cloud. Les futurs individus peuvent même configurer des serveurs de stockage de données privés à l'intérieur de leur domicile pour se connecter à l'extérieur au lieu de dépendre de serveurs appartenant aux grandes entreprises technologiques.

Une autre considération est que les limitations de stockage des données bloquent actuellement les progrès dans un certain nombre de secteurs, de la biotechnologie à l'intelligence artificielle. Les secteurs qui dépendent de l'accumulation et du traitement des mégadonnées doivent stocker des quantités toujours plus importantes de données pour innover de nouveaux produits et services.

Ensuite, d'ici la fin des années 2020, l'Internet des objets (IoT), les véhicules autonomes, les robots, la réalité augmentée et d'autres « technologies de pointe » de nouvelle génération stimuleront les investissements dans les technologies de stockage. En effet, pour que ces technologies fonctionnent, elles devront disposer de la puissance de calcul et de la capacité de stockage nécessaires pour comprendre leur environnement et réagir en temps réel sans dépendre constamment du cloud. Nous approfondissons ce concept dans chapitre cinq de cette série.

Enfin, la Internet des Objets (IoT) (expliqué en détail dans notre L'avenir d'Internet série) se traduira par des milliards à des milliards de capteurs qui suivront le mouvement ou l'état de milliards à des milliards de choses. Les immenses quantités de données que ces innombrables capteurs produiront exigeront une capacité de stockage efficace avant de pouvoir être traitées efficacement par les supercalculateurs que nous aborderons vers la fin de cette série.

Dans l'ensemble, alors que la personne moyenne réduira de plus en plus son besoin de matériel de stockage numérique personnel, tout le monde sur la planète bénéficiera toujours indirectement de la capacité de stockage infinie que les futures technologies de stockage numérique offriront. Bien sûr, comme indiqué précédemment, l'avenir du stockage réside dans le cloud, mais avant de pouvoir plonger dans ce sujet, nous devons d'abord comprendre les révolutions complémentaires qui se produisent du côté du traitement (micropuce) de l'activité informatique - le sujet du chapitre suivant.