Квантумрун

Кредит суреті: Квантумрун

Сандық сақтау революциясы: компьютерлердің болашағы P3

Дэвид Тал, баспагер, футуролог
@DavidTalWrites
LinkedIn

Сейсенбі, 09 - 15:2020

Мұны оқып отырған көпшілігіңіз қарапайым иілгіш дискіні есіңізде ұстауы мүмкін және оның 1.44 Мбайт дискілік кеңістігі бар. Кейбіреулеріңіз мектеп жобасы кезінде 8 Мбайт кеңістігі бар бірінші USB флэш-дискісін шығарған кезде сол бір досыңызды қызғанған боларсыз. Қазір сиқыр жоғалып кетті, ал біз шаршадық. Бір терабайт жад 2018 жұмыс үстелінің көпшілігінде стандартты болып келеді және Кингстон қазір тіпті бір терабайт USB дискісін сатады.

Сақтауға деген құмарлығымыз жылдан-жылға артып келеді, өйткені біз мектеп есебі, саяхат фотосы, топтың микстейпі немесе Whistler-де шаңғымен сырғанау туралы GoPro бейнесі болсын, көбірек цифрлық мазмұнды қолданып, жасаймыз. Дамып келе жатқан заттар интернеті сияқты басқа трендтер әлем өндіретін деректер тауын жеделдетіп, цифрлық сақтау сұранысына қосымша зымыран отын қосады.

Деректерді сақтауды дұрыс талқылау үшін біз жақында осы тарауды екіге бөлу арқылы өңдеуді шештік. Бұл жартысы деректерді сақтаудағы технологиялық инновацияларды және оның орташа цифрлық тұтынушыларға әсерін қамтиды. Сонымен қатар, келесі тарауда бұлттағы келе жатқан революция туралы айтылады.

Құбырдағы деректерді сақтау инновациялары

(TL;DR - Келесі бөлімде деректердің үлкенірек көлемін бұрынғыдан да кішірек және тиімдірек сақтау дискілеріне сақтауға мүмкіндік беретін жаңа технология сипатталған. Технологияға мән бермесеңіз, бірақ оның орнына кеңірек ақпарат туралы оқығыңыз келсе деректерді сақтау төңірегінде тенденциялар мен әсерлер, содан кейін келесі тақырыпшаға өтуді ұсынамыз.)

Сіздердің көпшілігіңіз Мур заңы туралы естідіңіздер (тығыз интегралдық схемадағы транзисторлар саны шамамен екі жыл сайын екі есе өсетінін байқау), бірақ компьютерлік бизнестің сақтау жағында бізде Крайдер заңы бар - негізінен, біздің сығу қабілетіміз кішірейтетін қатты дискілердің көбірек биттері де шамамен 18 ай сайын екі еселенеді. Бұл 1,500 жыл бұрын 5 МБ үшін 35 доллар жұмсаған адам енді 600 ТБ дискіге 6 доллар жұмсай алады дегенді білдіреді.

Бұл таң қалдыратын прогресс және ол жақын арада тоқтамайды.

Төмендегі тізім сандық жад өндірушілері біздің сақтауды қажет ететін қоғамды қанағаттандыру үшін қолданатын жақын және ұзақ мерзімді инновацияларға қысқаша шолу болып табылады.

Жақсырақ қатты дискілер. 2020 жылдардың басына дейін өндірушілер дәстүрлі қатты дискілерді (HDD) жасауды жалғастырады, біз қатты дискілерді тығызырақ жасай алмайынша, көбірек жад сыйымдылығын жинақтайды. HDD технологиясының осы соңғы онжылдығын жүргізу үшін ойлап табылған әдістерге жатады Шеңгелді магниттік жазба (SMR), одан кейін Екі өлшемді магниттік жазба (TDMR) және ықтимал Жылу көмегімен магниттік жазу (HAMR).

Қатты күйдегі қатты дискілер. Жоғарыда аталған дәстүрлі қатты дискіні ауыстыру қатты күйдегі қатты диск (SATA SSD) болып табылады. Қатты дискілерден айырмашылығы, SSD дискілерінде айналмалы дискілер жоқ — іс жүзінде олардың қозғалатын бөліктері мүлдем жоқ. Бұл SSD дискілеріне бұрынғыға қарағанда әлдеқайда жылдамырақ, кішірек өлшемдерде және ұзақ мерзімділікпен жұмыс істеуге мүмкіндік береді. SSD дискілері қазіргі ноутбуктердегі стандарт болып табылады және бірте-бірте жаңа жұмыс үстелі үлгілерінің көпшілігінде стандартты жабдыққа айналады. Бастапқыда қатты дискілерден әлдеқайда қымбат болғанымен, олардың бағасы қатты дискілерге қарағанда тезірек төмендейді, яғни олардың сатылымы 2020 жылдардың ортасында HDD дискілерін басып озуы мүмкін.

Келесі буын SSD дискілері де біртіндеп енгізілуде, өндірушілер SATA SSD дискілерінен SATA дискілерінен кемінде алты есе өткізу қабілеттілігіне ие PCIe SSD дискілеріне ауысады және өсіп келеді.

Флэш жады 3D болады. Бірақ егер жылдамдық мақсат болса, барлығын жадқа сақтаудан ештеңе жетпейді.

HDD және SSD дискілерін ұзақ мерзімді жадпен салыстыруға болады, ал флэш қысқа мерзімді жадқа көбірек ұқсайды. Сіздің миыңыз сияқты, компьютер де жұмыс істеуі үшін дәстүрлі түрде сақтаудың екі түрін де қажет етеді. Әдетте жедел жад (RAM) деп аталады, дәстүрлі дербес компьютерлер әрқайсысы 4-тен 8 ГБ-қа дейінгі екі жедел жадымен келеді. Сонымен қатар, Samsung сияқты ең ауыр шабуылшылар әрқайсысы 2.5 ГБ сыйымдылығы бар 128D жад карталарын сатуда - бұл хардкор ойыншылары үшін таңғаларлық, бірақ келесі буын суперкомпьютерлері үшін тиімдірек.

Бұл жад карталарының қиындығы - олар қатты дискілер кездесетін физикалық шектеулерге ұшырайды. Сорақысы, кішірек транзисторлар ЖЖҚ ішінде болады, уақыт өте нашар жұмыс істейді — транзисторларды өшіру және дәл жазу қиынырақ болады, сайып келгенде өнімділік қабырғасына соғылады, бұл оларды жаңа жедел жад таяқшаларымен ауыстыруға мәжбүр етеді. Осыған байланысты компаниялар жад карталарының келесі буынын жасай бастайды:

3D NAND. Intel, Samsung, Micron, Hynix және Taiwan Semiconductor сияқты компаниялар кең ауқымды қабылдауға итермелейді. 3D NAND, ол транзисторларды чиптің ішінде үш өлшемге жинақтайды.
Резистивтік кездейсоқ кіру жады (Жедел Жадтау Құрылғысы). Бұл технология жадтың биттерін (0 және 1с) сақтау үшін электр зарядының орнына қарсылықты пайдаланады.
3D чиптері. Бұл келесі серия тарауында толығырақ талқыланады, бірақ қысқаша, 3D чиптері тігінен қабаттастырылған қабаттарда есептеу мен деректерді сақтауды біріктіруді мақсат етеді, осылайша өңдеу жылдамдығын жақсартады және энергияны тұтынуды азайтады.
Фазаны өзгерту жады (PCM). The PCM артындағы технология негізінен халькогенидті әйнекті қыздырады және салқындатады, оны кристалданбаған күйге ауыстырады, әрқайсысының екілік 0 және 1-ді білдіретін бірегей электрлік кедергілері бар. Жетілдірілгеннен кейін бұл технология ағымдағы ЖЖҚ нұсқаларына қарағанда әлдеқайда ұзағырақ қызмет етеді және ұшпа емес, яғни өзгермейді. ол қуат өшірілген кезде де деректерді сақтай алады (дәстүрлі жедел жадтан айырмашылығы).
Айналдыру моменті кездейсоқ қол жеткізу жады (STT-RAM). сыйымдылығын біріктіретін қуатты Франкенштейн DRAM жылдамдығымен SRAM, жақсартылған құбылмалы емес және шексіз төзімділікпен бірге.
3D XPoint. Бұл технологиямен ақпаратты сақтау үшін транзисторларға сенудің орнына, 3D Xpoint бірінің үстіне бірі орналасқан «селектормен» үйлестірілген сымдардың микроскопиялық торын пайдаланады. Жетілдірілгеннен кейін бұл салада төңкеріс жасай алады, өйткені 3D Xpoint тұрақты емес, NAND жарқылынан мың есе жылдам және DRAM-дан 10 есе тығызырақ жұмыс істейді.

Басқаша айтқанда, біз «HDD және SSD дискілерін ұзақ мерзімді жадпен салыстыруға болады, ал флэш қысқа мерзімді жадқа көбірек ұқсайды» дегенді есте сақтаңыз ба? Ал, 3D Xpoint екеуін де басқарады және екеуінен де бөлек жұмыс істейді.

Қай опция жеңетініне қарамастан, флэш-жадтың осы жаңа түрлерінің барлығы жад көлемін, жылдамдығын, төзімділігін және қуат тиімділігін арттырады.

Ұзақ мерзімді сақтау инновациялары. Сонымен қатар, үлкен көлемдегі деректерді сақтаудан гөрі жылдамдық маңызды емес пайдалану жағдайлары үшін қазіргі уақытта жаңа және теориялық технологиялар жұмыс істеуде:

Таспалы дискілер. 60 жылдан астам бұрын ойлап табылған, біз бастапқыда салық және денсаулық сақтау құжаттарын мұрағаттау үшін таспалы дискілерді пайдаландық. Бүгінгі күні бұл технология өзінің теориялық шыңына жақын жетілдірілуде IBM жазбаны орнату 330 терабайт қысылмаған деректерді (~330 миллион кітап) қолыңыздың көлеміндей таспа картриджіне мұрағаттау арқылы.
ДНҚ сақтау. Вашингтон университетінің және Microsoft Research зерттеушілері жүйесін әзірледі ДНҚ молекулаларының көмегімен цифрлық деректерді кодтау, сақтау және алу. Жетілдірілгеннен кейін бұл жүйе бір күні ақпаратты қазіргі деректерді сақтау технологияларынан миллиондаған есе ықшам мұрағаттай алады.
Килобайт қайта жазылатын атомдық жады. Мыстың жалпақ парағында жеке хлор атомдарын өңдеу арқылы, ғалымдар жазды шаршы дюймге 1 терабит болатын 500 килобайттық хабарлама – нарықтағы ең тиімді қатты дискіге қарағанда шаршы дюймге шамамен 100 есе көп ақпарат.
5D деректерді сақтау. Саутгемптон университеті жетекшілік ететін бұл арнайы сақтау жүйесі 360 ТБ/диск деректер сыйымдылығымен, 1,000°C-қа дейінгі термиялық тұрақтылықпен және бөлме температурасында шексіз қызмет ету мерзімімен (13.8°C температурада 190 миллиард жыл) ерекшеленеді. Басқаша айтқанда, 5D деректерді сақтау мұражайлар мен кітапханаларда мұрағаттық пайдалану үшін өте қолайлы болар еді.

Бағдарламалық қамтамасыз етумен анықталған сақтау инфрақұрылымы (SDS). Бұл жаңашылдықты көріп отырған жад құрылғысы ғана емес, оны іске қосатын бағдарламалық жасақтама да қызықты әзірленуде. SDS негізінен ірі компанияның компьютерлік желілерінде немесе деректер орталықтандырылған түрде сақталатын және жеке қосылған құрылғылар арқылы қол жеткізілетін бұлтты сақтау қызметтерінде қолданылады. Ол негізінен желідегі деректерді сақтау сыйымдылығының жалпы көлемін алады және оны желіде жұмыс істейтін әртүрлі қызметтер мен құрылғылар арасында бөледі. Бар (жаңа орнына) сақтау жабдығын тиімдірек пайдалану үшін жақсырақ SDS жүйелері үнемі кодталады.

Болашақта бізге сақтау керек пе?

Жарайды, сондықтан сақтау технологиясы алдағы бірнеше онжылдықта айтарлықтай жақсарады. Бірақ біз ескеруіміз керек нәрсе, мұның бәрібір қандай айырмашылығы бар?

Орташа адам ешқашан жұмыс үстелі компьютерлерінің соңғы үлгілерінде қол жетімді терабайт сақтау орнын пайдаланбайды. Ал тағы екі-төрт жылдан кейін келесі смартфоныңызда құрылғыңызды көктемгі тазалауды қажет етпей-ақ бір жылдық суреттер мен бейнелерді жинауға жеткілікті сақтау орны болады. Әрине, компьютерлерінде деректердің үлкен көлемін жинауды ұнататын адамдардың аз бөлігі бар, бірақ бізде қалғандар үшін шамадан тыс, жеке меншік дискілік жадқа қажеттілігімізді азайтатын бірқатар тенденциялар бар.

Ағындық қызметтер. Бір кездері біздің музыкалық жинақтарымыз пластинкаларды, одан кейін кассеталарды, одан кейін компакт-дискілерді жинаумен айналысатын. 90-жылдары әндер мыңдаған адамдар жинайтын MP3 форматына цифрландырылды (алдымен торрент арқылы, содан кейін iTunes сияқты сандық дүкендер арқылы көбірек). Енді үйдегі компьютерде немесе телефонда музыкалық топтаманы сақтаудың және ұйымдастырудың орнына, біз Spotify және Apple Music сияқты қызметтер арқылы әндердің шексіз санын ағынмен ағынмен және оларды кез келген жерде тыңдай аламыз.

Бұл прогресс алдымен үйдегі музыканың физикалық кеңістігін, содан кейін компьютердегі цифрлық кеңістікті азайтты. Енді оның барлығын сізге арзан және ыңғайлы, кез келген жерде/кез келген уақытта қалаған барлық музыкаға қол жеткізуді ұсынатын сыртқы қызметпен ауыстыруға болады. Әрине, мұны оқып жатқан көпшілігіңізде әлі де бірнеше ықшам дискілер болуы мүмкін, көпшілігінің компьютерінде MP3 файлдарының толық жинағы болады, бірақ компьютер пайдаланушыларының келесі ұрпағы компьютерлерін музыкамен толтыруға уақыттарын жоғалтпайды. онлайн режимінде еркін қол жеткізу.

Әлбетте, менің музыка туралы айтқанымның бәрін көшіріп алып, оны фильмге және теледидарға қолданыңыз (сәлеметсіз бе, Netflix!) және жеке жадты үнемдеу өсуде.

әлеуметтік медиа. Музыка, фильм және телешоулар біздің дербес компьютерлерімізді азайып бара жатқандықтан, сандық мазмұнның келесі ең үлкен түрі - жеке суреттер мен бейнелер. Тағы да біз суреттер мен бейнелерді физикалық түрде шығаратынбыз, сайып келгенде шатырларымызға шаң жинадық. Содан кейін біздің суреттеріміз бен бейнелеріміз сандық сипатқа ие болды, тек компьютерлеріміздің төменгі жағында қайтадан шаң жинады. Бұл мәселе: біз түсіретін суреттер мен бейнелердің көпшілігін сирек қараймыз.

Бірақ әлеуметтік медиа пайда болғаннан кейін, Flickr және Facebook сияқты сайттар бізге суреттерді шексіз көп көңіл бөлетін адамдар желісімен бөлісу мүмкіндігін берді, сонымен бірге бұл суреттерді (тегін) өздігінен реттелетін қалта жүйесінде немесе уақыт шкаласында сақтайды. Бұл әлеуметтік элемент миниатюралық, жоғары сапалы телефон камераларымен бірге қарапайым адам шығаратын суреттер мен бейнелердің санын айтарлықтай арттырғанымен, бұл біздің жеке компьютерлерімізде фотосуреттерді сақтау әдетімізді азайтып, оларды онлайн, жеке сақтауға шақырды. немесе жалпыға ортақ.

Бұлтты және бірлесіп жұмыс істеу қызметтері. Соңғы екі тармақты ескере отырып, тек қарапайым мәтіндік құжат (және бірнеше басқа тауаша деректер түрлері) қалады. Бұл құжаттар, біз талқылаған мультимедиамен салыстырғанда, әдетте соншалықты кішкентай, оларды компьютерде сақтау ешқашан қиындық тудырмайды.

Дегенмен, барған сайын мобильді әлемімізде құжаттарға жолда қол жеткізуге сұраныс артып келеді. Мұнда тағы да, біз музыкамен талқылаған дәл сол прогресс орын алуда - мұнда біз алдымен иілгіш дискілерді, компакт-дискілерді және USB дискілерін пайдаланып құжаттарды тасымалдаған едік, енді біз ыңғайлырақ және тұтынушыға бағытталған. бұлтты сақтау Google Drive және Dropbox сияқты қызметтер, олар біздің құжаттарымызды сыртқы деректер орталығында сақтайды, олар бізге қауіпсіз онлайн режимінде қол жеткізуге мүмкіндік береді. Осы сияқты қызметтер құжаттарымызға кез келген жерде, кез келген уақытта, кез келген құрылғыда немесе операциялық жүйеде қол жеткізуге және ортақ пайдалануға мүмкіндік береді.

Әділ болу үшін, ағындық қызметтерді, әлеуметтік медианы және бұлттық қызметтерді пайдалану міндетті түрде бұлтқа көшіретінімізді білдірмейді — кейбір нәрселерді біз тым жеке және қауіпсіз сақтауды қалаймыз — бірақ бұл қызметтер қысқарды және қысқартуды жалғастырады, біз жыл сайын иеленуіміз керек физикалық деректерді сақтау кеңістігінің жалпы көлемі.

Неліктен экспоненциалды түрде көбірек сақтау маңызды

Орташа адам сандық жадты көбірек қажет етпейтін болса да, Крайдер заңын алға жылжытатын үлкен күштер бар.

Біріншіден, әртүрлі технологиялық және қаржылық қызметтер компанияларындағы қауіпсіздікті бұзудың жыл сайынғы тізімінің арқасында (әрқайсысы миллиондаған адамдардың цифрлық ақпаратына қауіп төндіреді) деректердің құпиялылығына қатысты алаңдаушылық қоғам арасында заңды түрде өсуде. Жеке қажеттіліктерге байланысты бұл бұлтқа байланысты болдырмау үшін жеке пайдалануға арналған үлкенірек және арзанырақ деректерді сақтау опцияларына қоғамдық сұранысты тудыруы мүмкін. Болашақ адамдар тіпті ірі технологиялық компанияларға тиесілі серверлерге тәуелді емес, сырттан қосылу үшін үйлерінің ішінде жеке деректерді сақтау серверлерін орнатуы мүмкін.

Тағы бір ескеретін жайт, деректерді сақтау шектеулері қазіргі уақытта биотехнологиядан жасанды интеллектке дейінгі бірқатар секторлардағы ілгерілеуді тежеп отыр. Үлкен деректерді жинақтау мен өңдеуге тәуелді секторлар жаңа өнімдер мен қызметтерді енгізу үшін деректердің көбірек көлемін сақтауы керек.

Әрі қарай, 2020 жылдардың соңына қарай заттар интернеті (IoT), автономды көліктер, роботтар, толықтырылған шындық және басқа да келесі буынның «үздік технологиялары» сақтау технологиясына инвестицияны ынталандырады. Себебі, бұл технологиялар жұмыс істеуі үшін олардың айналасын түсіну және бұлтқа тұрақты тәуелділіксіз нақты уақытта әрекет ету үшін есептеу қуаты мен сақтау сыйымдылығы болуы керек. Біз бұл тұжырымдаманы әрі қарай зерттейміз бесінші тарау осы сериялы.

Ақырында, Things интернет (бізде толық түсіндірілді Интернеттің болашағы сериясы) миллиардтан триллионға дейінгі заттардың қозғалысын немесе күйін бақылайтын миллиардтан триллионға дейін сенсорларға әкеледі. Бұл сансыз сенсорлар шығаратын деректердің үлкен көлемі, біз осы серияның соңына таман қарастыратын суперкомпьютерлер тиімді өңдеуге дейін тиімді сақтау сыйымдылығын қажет етеді.

Тұтастай алғанда, қарапайым адам өзінің жеке меншігіндегі сандық сақтау жабдығына қажеттілігін төмендетсе де, планетадағы әрбір адам болашақ сандық сақтау технологиялары ұсынатын шексіз сақтау сыйымдылығынан жанама түрде пайда көреді. Әрине, жоғарыда айтылғандай, сақтаудың болашағы бұлтта жатыр, бірақ біз бұл тақырыпқа тереңірек үңілмес бұрын, алдымен компьютерлік бизнестің өңдеу (микрочип) жағында болып жатқан қосымша революцияларды түсінуіміз керек. келесі тараудың тақырыбы.