クォンタムラン

画像クレジット: クォンタムラン

デジタルストレージ革命: コンピューターの未来 P3

David Tal、出版社、未来派
@DavidTalWrites
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火、09 / 15 / 2020 - 15：43

これを読んでいるほとんどの人は、1.44 MB のしっかりしたディスク容量を備えた小さなフロッピーディスクを覚えているでしょう。ある友人が、学校のプロジェクトで 8MB もの巨大な容量を持つ最初の USB サムドライブを取り出したとき、おそらく嫉妬した人もいるでしょう。今日、魔法はなくなり、私たちはうんざりしています。 2018 年のほとんどのデスクトップには XNUMX テラバイトのメモリが標準装備されており、Kingston は現在 XNUMX テラバイトの USB ドライブも販売しています。

学校のレポート、旅行の写真、バンドのミックステープ、ウィスラーでスキーをしている GoPro ビデオなど、ますます多くのデジタルコンテンツを消費して作成するにつれて、ストレージに対する私たちの執着は年々大きくなっています。新興のモノのインターネットなどのその他のトレンドは、世界が生成するデータの山を加速するだけであり、デジタルストレージの需要にさらなるロケット燃料を追加します。

これが、データストレージについて適切に議論する理由です。最近、この章を XNUMX つに分割して編集することにしました。この後半では、データストレージの技術革新と、平均的なデジタル消費者への影響について説明します。それまでの間、次の章では、クラウドの来るべき革命について説明します。

パイプラインにおけるデータストレージのイノベーション

(TL;DR - 次のセクションでは、これまで以上に大量のデータをより小型で効率的なストレージドライブに保存できるようにする新しい技術の概要を説明します。技術に関心がなくても、より広い範囲について読みたい場合は、データストレージに関する傾向と影響について説明している場合は、次の小見出しにスキップすることをお勧めします。)

ムーアの法則 (高密度の集積回路内のトランジスタの数が 18 年ごとに約 1,500 倍になるという観察結果) についてはすでに聞いたことがある方も多いと思いますが、コンピュータービジネスのストレージ側では、クライダーの法則があります。ハードドライブの縮小に使用されるビット数も、5 か月ごとに約 35 倍になっています。つまり、600 年前に 6MB に XNUMX ドルを費やした人は、XNUMXTB ドライブに XNUMX ドルを費やすことができるということです。

これは驚くべき進歩であり、すぐに止まるわけではありません。

次のリストは、ストレージに飢えた社会を満足させるためにデジタルストレージメーカーが使用する短期的および長期的なイノベーションを簡単に示したものです。

より良いハードディスクドライブ. 2020 年代初頭まで、メーカーは従来のハードディスクドライブ (HDD) の製造を続け、より高密度のハードディスクを製造できなくなるまで、より多くのメモリ容量を詰め込みます。 HDD 技術の最後の XNUMX 年間をリードするために発明された技術には、次のものがあります。瓦磁気記録 (SMR)、続いて二次元磁気記録 (TDMR)、潜在的に熱アシスト磁気記録 (HAMR)。

ソリッドステートハードドライブ. 上記の従来のハードディスクドライブを置き換えるのは、ソリッドステートハードドライブ (SATA SSD) です。 HDD とは異なり、SSD には回転するディスクがありません。実際、SSD には可動部品がまったくありません。これにより、SSD は以前よりもはるかに高速に動作し、サイズが小さくなり、耐久性が向上します。 SSD は、今日のラップトップではすでに標準であり、ほとんどの新しいデスクトップモデルで徐々に標準ハードウェアになりつつあります。また、もともと HDD よりもはるかに高価ですが、価格はHDDよりも速く下落していますこれは、2020 年代半ばまでにその売り上げが HDD を完全に追い越す可能性があることを意味します。

次世代 SSD も徐々に導入されており、メーカーは SATA SSD から、少なくとも SATA ドライブの XNUMX 倍の帯域幅を持つ PCIe SSD に移行し、成長しています。

フラッシュメモリが 3D 化. しかし、速度が目標である場合、すべてをメモリに格納することに勝るものはありません。

HDD と SSD は長期記憶に例えることができますが、フラッシュは短期記憶に似ています。そして、人間の脳と同じように、コンピューターは従来、機能するために両方のタイプのストレージを必要としていました。一般にランダムアクセスメモリ (RAM) と呼ばれる従来のパーソナルコンピューターには、それぞれ 4 ～ 8 GB の RAM スティックが 2.5 つ搭載される傾向があります。一方、Samsung のような大ヒット企業は現在、それぞれ 128 GB を保持する XNUMXD メモリーカードを販売しています。ハードコアゲーマーにとっては驚くべきことですが、次世代のスーパーコンピューターにとってはより実用的です。

これらのメモリカードの課題は、ハードディスクが直面しているのと同じ物理的な制約に直面していることです。さらに悪いことに、より小さなトランジスタが RAM 内にあるほど、時間の経過とともにパフォーマンスが低下します。トランジスタは正確に消去および書き込みすることが難しくなり、最終的にパフォーマンスの壁にぶつかり、新しい RAM スティックとの交換を余儀なくされます。これに照らして、企業は次世代のメモリカードを構築し始めています。

3D NAND. Intel、Samsung、Micron、Hynix、Taiwan Semiconductor などの企業は、 3D NAND、チップ内でトランジスタを XNUMX 次元にスタックします。
抵抗性ランダムアクセスメモリ (RRAM). この技術は、電荷の代わりに抵抗を使用してメモリのビット (0 と 1) を保存します。
3Dチップ. これについては、次のシリーズの章で詳しく説明しますが、簡単に言うと、 3Dチップコンピューティングとデータストレージを垂直に積み重ねられた層に結合することを目指しており、それによって処理速度を向上させ、エネルギー消費を削減します。
相変化メモリ (PCM)を選択します。 PCM の背後にある技術基本的に、カルコゲナイドガラスを加熱および冷却し、結晶化された状態と結晶化されていない状態との間でシフトします。それぞれの固有の電気抵抗はバイナリ 0 と 1 を表します。完成すると、この技術は現在の RAM バリアントよりもはるかに長く持続し、不揮発性です。つまり、電源がオフの場合でもデータを保持できます (従来の RAM とは異なります)。
スピン転送トルクランダムアクセスメモリ (STT-RAM). 能力を兼ね備えた強力なフランケンシュタイン DRAM の速度で SRAM、改善された不揮発性とほぼ無制限の耐久性とともに。
3D XPoint. この技術により、情報を格納するためにトランジスタに頼る代わりに、 3D エクスポイント相互に積み重ねられた「セレクター」によって調整されたワイヤーの微細なメッシュを使用します。 3D Xpoint は不揮発性であり、NAND フラッシュよりも数千倍高速に動作し、DRAM よりも 10 倍高密度であるため、完成すれば業界に革命を起こす可能性があります。

言い換えれば、「HDD と SSD は長期記憶に例えることができますが、フラッシュは短期記憶に似ています」と言ったことを覚えていますか? まあ、3D Xpoint は両方を処理し、どちらかを個別に処理するよりも優れています。

どのオプションが勝つかに関係なく、これらの新しい形式のフラッシュメモリはすべて、より多くのメモリ容量、速度、耐久性、および電力効率を提供します。

長期保管のイノベーション. 一方、大量のデータの保存よりも速度が重要であるユースケースについては、現在、新しい理論上のテクノロジーが開発中です。

テープドライブ. 60 年以上前に発明された Google は、当初、テープドライブを使用して税金や医療関連の書類をアーカイブしていました。今日、この技術は理論上のピーク近くで完成されています。記録を樹立するIBM 330 テラバイトの非圧縮データ (約 330 億 XNUMX 万冊の書籍) を、手のひらサイズのテープカートリッジにアーカイブします。
DNAストレージ. ワシントン大学と Microsoft Research の研究者システムを開発した DNA 分子を使用してデジタルデータをエンコード、保存、取得します。このシステムが完成すれば、いつの日か、現在のデータストレージ技術よりも何百万倍もコンパクトに情報をアーカイブできるようになるかもしれません。
キロバイトの書き換え可能な原子メモリ. 銅の平板上で個々の塩素原子を操作することにより、科学者は書いた 1 平方インチあたり 500 テラビットの 100 キロバイトのメッセージ。これは、市場で最も効率的なハードドライブの約 XNUMX 倍の情報量です。
5Dデータストレージ. サウサンプトン大学が主導するこの特殊なストレージシステムは、360 TB/ディスクのデータ容量、最大 1,000°C の熱安定性、室温でほぼ無制限の寿命 (13.8°C で 190 億年) を備えています。つまり、5D データストレージは、博物館や図書館でのアーカイブ用途に最適です。

ソフトウェアデファインドストレージインフラストラクチャ (SDS). 技術革新が見られるのはストレージハードウェアだけではありませんが、それを実行するソフトウェアもエキサイティングな開発が行われています。 SDS 大企業のコンピュータネットワークやクラウドストレージサービスで主に使用され、データは一元的に保存され、個々の接続されたデバイスからアクセスされます。基本的に、ネットワーク内のデータストレージ容量の総量を取り、ネットワーク上で実行されるさまざまなサービスとデバイス間でそれを分離します。 (新しいものではなく) 既存のストレージハードウェアをより効率的に使用するために、より優れた SDS システムが常にコーディングされています。

将来的にはストレージも必要になるでしょうか?

さて、ストレージ技術は今後数十年で大幅に改善されるでしょう。しかし、私たちが考慮しなければならないことは、とにかくそれがどのような違いを生むのかということです.

平均的な人は、最新のデスクトップコンピューターモデルで現在利用可能なテラバイトのストレージスペースを使い果たすことはありません。そして、さらに XNUMX ～ XNUMX 年後には、次のスマートフォンに XNUMX 年分の写真やビデオを保存するのに十分なストレージスペースが搭載され、デバイスを大掃除する必要がなくなります。確かに、コンピューターに大量のデータを保存することを好む少数の人々はいますが、それ以外の人にとっては、過剰な個人所有のディスクストレージスペースの必要性を減らす傾向がいくつかあります。

ストリーミングサービス. むかしむかし、私たちの音楽コレクションは、レコード、カセット、CD の順に集めていました。 90 年代になると、曲は MP3 にデジタル化され、何千ものユーザーによって蓄えられました (最初は torrent を通じて、次に iTunes などのデジタルストアを通じてますます増えています)。現在、自宅のコンピューターや電話に音楽コレクションを保存して整理する必要はなく、無限の数の曲をストリーミングして、Spotify や Apple Music などのサービスを通じてどこでも聴くことができます。

この進歩により、まず家庭で音楽が占めていた物理的な空間が減少し、次にコンピューターのデジタル空間が減少しました。今では、必要なすべての音楽への安価で便利な場所/時間へのアクセスを提供する外部サービスにすべて置き換えることができます。もちろん、これを読んでいるほとんどの人はおそらくまだ数枚の CD を持っており、ほとんどの人はまだ自分のコンピューターに MP3 のしっかりしたコレクションを持っているでしょうが、次世代のコンピューターユーザーは、自分のコンピューターにできる限りの音楽を詰め込んで時間を無駄にすることはありません。オンラインで自由にアクセスできます。

明らかに、私が音楽について述べたことをすべてコピーして、映画やテレビ (こんにちは、Netflix!) に適用すると、個人のストレージの節約は増え続けます。

ソーシャルメディア. 音楽、映画、およびテレビ番組がパーソナルコンピューターを詰まらせることがますます少なくなっているため、デジタルコンテンツの次の最大の形式は個人の写真とビデオです。繰り返しになりますが、以前は物理的に写真やビデオを制作していましたが、最終的には屋根裏部屋にほこりを集めていました。その後、私たちの写真やビデオはデジタル化されましたが、コンピューターの奥底に再びほこりがたまりました。それが問題です。私たちは、撮影した写真やビデオのほとんどをめったに見ません。

しかし、ソーシャルメディアが登場した後、Flickr や Facebook などのサイトにより、関心のある人々のネットワークと無数の写真を共有できるようになり、それらの写真を (無料で) 自己組織化フォルダーシステムまたはタイムラインに保存することもできました。この社会的要素は、小型のハイエンド携帯電話カメラと相まって、平均的な人が作成する写真やビデオの数を大幅に増加させましたが、個人のコンピューターに写真を保存する習慣も減り、写真をオンラインで個人的に保存するようになりました。または公に。

クラウドおよびコラボレーションサービス. 最後の XNUMX つのポイントを考えると、質素なテキストドキュメント (および他のいくつかのニッチなデータ型) だけが残ります。これらのドキュメントは、今説明したマルチメディアと比較すると、通常は非常に小さいため、コンピューターに保存するのに問題はありません。

しかし、ますますモバイル化が進む世界では、外出先でドキュメントにアクセスしたいという需要が高まっています。ここでもまた、音楽について説明したのと同じ進歩がここで起こっています。最初はフロッピーディスク、CD、および USB を使用してドキュメントを転送しましたが、現在はより便利で消費者向けの方法を使用しています。 Google ドライブや Dropbox などのサービスは、ドキュメントを外部のデータセンターに保存して、オンラインで安全にアクセスできるようにします。このようなサービスにより、いつでもどこでも、どのデバイスやオペレーティングシステムでもドキュメントにアクセスして共有できます。

公平を期すために言うと、ストリーミングサービス、ソーシャルメディア、クラウドサービスを使用するからといって、必ずしもすべてをクラウドに移行するというわけではありません。毎年所有する必要がある物理データストレージスペースの総量。

指数関数的に多くのストレージが重要な理由

平均的な個人は、より多くのデジタルストレージの必要性を感じていないかもしれませんが、Kryder の法則を前進させる大きな力が働いています。

まず第一に、さまざまなテクノロジー企業や金融サービス企業でほぼ毎年発生しているセキュリティ侵害のリストにより、それぞれが何百万人もの個人のデジタル情報を危険にさらしているため、データのプライバシーに関する懸念が一般の人々の間で当然のことながら高まっています。個人のニーズによっては、クラウドへの依存を避けるために、個人使用のための大容量で安価なデータストレージオプションに対する一般の需要が高まる可能性があります。未来の個人は、大規模なテクノロジー企業が所有するサーバーに依存するのではなく、外部に接続するために自宅内にプライベートデータストレージサーバーをセットアップすることさえあるかもしれません。

もうXNUMXつの考慮事項は、データストレージの制限が現在、バイオテクノロジーから人工知能までの多くの分野での進歩を妨げていることです. ビッグデータの蓄積と処理に依存するセクターは、新しい製品やサービスを革新するために、これまで以上に大量のデータを保存する必要があります。

次に、2020 年代後半までに、モノのインターネット (IoT)、自動運転車、ロボット、拡張現実、およびその他の次世代の「エッジテクノロジー」が、ストレージテクノロジーへの投資に拍車をかけるでしょう。これは、これらのテクノロジーが機能するためには、周囲を理解し、クラウドに常に依存することなくリアルタイムで反応するためのコンピューティングパワーとストレージ容量が必要になるためです。この概念については、次のセクションでさらに詳しく説明します。第5章このシリーズの。

最後に、モノのインターネット (当社で完全に説明されていますインターネットの未来シリーズ) は、何十億から何兆ものモノの動きや状態を追跡する何十億から何兆ものセンサーをもたらすでしょう。これらの無数のセンサーが生成する膨大な量のデータは、このシリーズの終わり近くで取り上げるスーパーコンピューターによって効果的に処理される前に、効果的なストレージ容量を必要とします。

全体として、平均的な人が個人所有のデジタルストレージハードウェアの必要性をますます減らす一方で、地球上のすべての人は、将来のデジタルストレージテクノロジーが提供する無限のストレージ容量から間接的に恩恵を受けることになります。もちろん、前に示唆したように、ストレージの未来はクラウドにありますが、その話題に深く入り込む前に、まずコンピュータビジネスの処理 (マイクロチップ) 側で起こっている補完的な革命について理解する必要があります。次の章のトピック。