Quantumrun

BILDEKREDITT: Quantumrun

Den digitale lagringsrevolusjonen: Future of Computers P3

David Tal, utgiver, fremtidsforsker
@DavidTalWrites
Linkedin

tirsdag 09 - 15:2020

De fleste av dere som leser dette husker nok den ydmyke disketten og den har solide 1.44 MB diskplass. Noen av dere var sannsynligvis sjalu på den ene vennen da han pisket ut den første USB-minnepinnen, med sine monstrøse 8 MB plass, under et skoleprosjekt. Nå for tiden er magien borte, og vi har blitt slitne. Én terabyte minne er standard på de fleste stasjonære datamaskiner fra 2018 – og Kingston selger til og med én terabyte USB-stasjoner nå.

Vår besettelse av lagring vokser år for år etter hvert som vi forbruker og lager stadig mer digitalt innhold, enten det er en skolerapport, reisebilde, bandets mixtape eller en GoPro-video av deg på ski nedover Whistler. Andre trender som det fremvoksende Internet of Things vil bare akselerere fjellet av data verden produserer, og legge til ytterligere rakettdrivstoff til etterspørselen etter digital lagring

Dette er grunnen til at vi, for å diskutere datalagring på riktig måte, nylig bestemte oss for å redigere dette kapittelet ved å dele det i to. Denne halvdelen vil dekke de teknologiske innovasjonene innen datalagring og dens innvirkning på gjennomsnittlige digitale forbrukere. I mellomtiden vil neste kapittel dekke den kommende revolusjonen i skyen.

Datalagringsinnovasjoner i pipelinen

(TL;DR – Den følgende delen skisserer den nye teknologien som vil gjøre det mulig å lagre stadig større mengder data på stadig mindre og mer effektive lagringsstasjoner. Hvis du ikke bryr deg om teknologien, men i stedet ønsker å lese om den bredere trender og påvirkninger rundt datalagring, så anbefaler vi å hoppe til neste underoverskrift.)

Mange av dere har allerede hørt om Moores lov (observasjonen av at antallet transistorer i en tett integrert krets dobles omtrent hvert annet år), men på lagringssiden av databransjen har vi Kryders lov – i utgangspunktet vår evne til å klemme stadig flere biter i krympende harddisker dobles også omtrent hver 18. måned. Det betyr at personen som brukte $1,500 for 5MB for 35 år siden nå kan bruke $600 for en 6TB-stasjon.

Dette er en imponerende fremgang, og den stopper ikke med det første.

Følgende liste er et kort innblikk i de nær- og langsiktige innovasjonene som produsenter av digital lagring vil bruke for å tilfredsstille vårt lagringshungrige samfunn.

Bedre harddisker. Frem til tidlig på 2020-tallet vil produsentene fortsette å bygge tradisjonelle harddisker (HDD), og pakke inn mer minnekapasitet til vi ikke lenger kan bygge harddisker tettere. Teknikkene som ble oppfunnet for å lede dette siste tiåret med HDD-teknologi inkluderer Shingled Magnetic Recording (SMR), etterfulgt av To-dimensjonal magnetisk opptak (TDMR), og potensielt Varmeassistert magnetisk opptak (HAMR).

Solid state-harddisker. Ved å erstatte den tradisjonelle harddisken som er nevnt ovenfor, er solid state-harddisken (SATA SSD). I motsetning til HDD-er har ikke SSD-er noen spinnende disker – faktisk har de ingen bevegelige deler i det hele tatt. Dette gjør at SSD-er kan operere langt raskere, i mindre størrelser og med mer holdbarhet enn forgjengeren. SSD-er er allerede en standard på dagens bærbare datamaskiner og blir gradvis standard maskinvare på de fleste nye stasjonære modeller. Og selv om de opprinnelig var langt dyrere enn harddisker, er deres Prisen faller raskere enn harddisker, noe som betyr at salget deres kan overhale HDD-er direkte på midten av 2020-tallet.

Neste generasjons SSD-er blir også gradvis introdusert, med produsenter som går over fra SATA SSD-er til PCIe SSD-er som har minst seks ganger båndbredden til SATA-stasjoner og vokser.

Flash-minne går i 3D. Men hvis hastighet er målet, er det ingenting som slår å lagre alt i minnet.

HDD-er og SSD-er kan sammenlignes med langtidsminnet ditt, mens flash er mer beslektet med korttidsminnet ditt. Og akkurat som hjernen din, trenger en datamaskin tradisjonelt begge typer lagring for å fungere. Vanligvis referert til som RAM (Random Access Memory), tradisjonelle personlige datamaskiner har en tendens til å komme med to RAM-pinner på 4 til 8 GB hver. I mellomtiden selger de tyngste spillerne som Samsung nå 2.5D-minnekort som har 128 GB hver – utrolig for hardcore-spillere, men mer praktisk for neste generasjons superdatamaskiner.

Utfordringen med disse minnekortene er at de har de samme fysiske begrensningene som harddiskene står overfor. Enda verre, jo mindre transistorer blir inne i RAM, jo dårligere presterer de over tid – transistorene blir vanskeligere å slette og skrive nøyaktig, og til slutt treffer de en ytelsesvegg som tvinger dem ut med nye RAM-pinner. I lys av dette begynner selskaper å bygge neste generasjon minnekort:

3D NAND. Selskaper som Intel, Samsung, Micron, Hynix og Taiwan Semiconductor presser på for en omfattende bruk av 3D NAND, som stabler transistorer i tre dimensjoner inne i en brikke.
Resistivt tilfeldig tilgangsminne (RAM). Denne teknologien bruker motstand i stedet for en elektrisk ladning for å lagre biter (0s og 1s) av minne.
3D-brikker. Dette vil bli diskutert mer detaljert i neste seriekapittel, men kort fortalt, 3D-brikker har som mål å kombinere databehandling og datalagring i vertikalt stablede lag, og dermed forbedre prosesseringshastigheter og redusere energiforbruket.
Phase Change Memory (PCM). De teknologien bak PCM-er varmer og avkjøler i utgangspunktet kalkogenidglass, og skifter det mellom krystalliserte til ikke-krystalliserte tilstander, hver med sine unike elektriske motstander som representerer den binære 0 og 1. Når den er perfeksjonert, vil denne teknologien vare mye lenger enn nåværende RAM-varianter og er ikke-flyktig, noe som betyr den kan holde data selv når strømmen er av (i motsetning til tradisjonell RAM).
Spin-Transfer Torque Random Access Memory (STT-RAM). En kraftig Frankenstein som kombinerer kapasiteten til DRAM med hastigheten på SRAM, sammen med forbedret ikke-flyktighet og nesten ubegrenset utholdenhet.
3D XPoint. Med denne teknologien, i stedet for å stole på transistorer for å lagre informasjon, 3D Xpoint bruker et mikroskopisk nett av ledninger, koordinert av en "velger" som er stablet oppå hverandre. Når det er perfeksjonert, kan dette revolusjonere industrien siden 3D Xpoint er ikke-flyktig, vil operere tusenvis av ganger raskere enn NAND-blits og 10 ganger tettere enn DRAM.

Med andre ord, husk da vi sa "HDD-er og SSD-er kan sammenlignes med langtidsminnet ditt, mens flash er mer beslektet med korttidsminnet ditt"? Vel, 3D Xpoint vil håndtere begge og gjøre det bedre enn begge hver for seg.

Uansett hvilket alternativ som vinner, vil alle disse nye formene for flash-minne tilby mer minnekapasitet, hastighet, utholdenhet og strømeffektivitet.

Langsiktige lagringsinnovasjoner. I mellomtiden, for de brukstilfellene der hastighet betyr mindre enn bevaring av store datamengder, er nye og teoretiske teknologier for tiden under arbeid:

Båndstasjoner. Oppfunnet for over 60 år siden, brukte vi opprinnelig båndstasjoner til å arkivere skatte- og helsedokumenter. I dag blir denne teknologien perfeksjonert nær sin teoretiske topp med IBM setter rekord ved å arkivere 330 terabyte med ukomprimerte data (~330 millioner bøker) i en tapekassett rundt størrelsen på hånden din.
DNA-lagring. Forskere fra University of Washington og Microsoft Research utviklet et system å kode, lagre og hente digitale data ved hjelp av DNA-molekyler. Når det er perfeksjonert, kan dette systemet en dag arkivere informasjon millioner av ganger mer kompakt enn dagens datalagringsteknologier.
Kilobyte omskrivbart atomminne. Ved å manipulere individuelle kloratomer på et flatt ark av kobber, skrev forskere en 1-kilobyte melding med 500 terabit per kvadrattomme – omtrent 100 ganger mer informasjon per kvadrattomme enn den mest effektive harddisken på markedet.
5D datalagring. Dette spesiallagringssystemet, ledet av University of Southampton, har 360 TB/plate datakapasitet, termisk stabilitet opptil 1,000 °C og en nesten ubegrenset levetid ved romtemperatur (13.8 milliarder år ved 190 °C). Med andre ord vil 5D-datalagring være ideell for arkivbruk på museer og biblioteker.

Software-Defined Storage Infrastructure (SDS). Det er ikke bare lagringsmaskinvare som ser innovasjon, men programvaren som kjører den er også under spennende utvikling. SDS brukes mest i store bedrifters datanettverk eller skylagringstjenester der data lagres sentralt og få tilgang til via individuelle, tilkoblede enheter. Den tar i utgangspunktet den totale mengden datalagringskapasitet i et nettverk og skiller den mellom de ulike tjenestene og enhetene som kjører på nettverket. Bedre SDS-systemer blir kodet hele tiden for å bruke eksisterende (i stedet for ny) lagringsmaskinvare mer effektivt.

Vil vi til og med trenge lagring i fremtiden?

Ok, så lagringsteknologi kommer til å forbedre seg mye i løpet av de neste tiårene. Men det vi må vurdere er, hvilken forskjell gjør det uansett?

Den gjennomsnittlige personen vil aldri bruke opp terabyten med lagringsplass som nå er tilgjengelig i de nyeste stasjonære datamaskinmodellene. Og om ytterligere to til fire år vil din neste smarttelefon ha nok lagringsplass til å samle et års verdi med bilder og videoer uten å måtte vårrengjøre enheten. Jada, det er et mindretall av mennesker der ute som liker å samle enorme mengder data på datamaskinene sine, men for resten av oss er det en rekke trender som reduserer behovet vårt for overdreven, privateid disklagringsplass.

Streamingtjenester. En gang i tiden innebar musikksamlingene våre å samle plater, så kassetter, så CD-er. På 90-tallet ble sanger digitalisert til MP3-er for å bli hamstret i tusenvis (først gjennom torrenter, så mer og mer gjennom digitale butikker som iTunes). Nå, i stedet for å måtte lagre og organisere en musikksamling på hjemmedatamaskinen eller telefonen, kan vi streame et uendelig antall sanger og lytte til dem hvor som helst gjennom tjenester som Spotify og Apple Music.

Denne progresjonen reduserte først den fysiske plassen musikk tok opp hjemme, deretter den digitale plassen på datamaskinen din. Nå kan det hele erstattes av en ekstern tjeneste som gir deg billig og praktisk, hvor som helst/når som helst tilgang til all musikken du måtte ønske. Selvfølgelig har de fleste av dere som leser dette fortsatt noen få CD-er liggende, de fleste vil fortsatt ha en solid samling MP3-er på datamaskinen, men neste generasjon databrukere vil ikke kaste bort tiden på å fylle datamaskinene med musikk de kan tilgang fritt på nett.

Åpenbart, kopier alt jeg nettopp sa om musikk og bruk det på film og TV (hei, Netflix!), og besparelsene på personlig lagring fortsetter å vokse.

sosiale medier. Med musikk, film og TV-programmer som tetter stadig mindre av våre personlige datamaskiner, er den nest største formen for digitalt innhold personlige bilder og videoer. Igjen pleide vi å produsere bilder og videoer fysisk, til slutt for å samle støv på loftene våre. Så ble bildene og videoene våre digitale, bare for igjen å samle støv i de nedre delene av datamaskinene våre. Og det er problemet: Vi ser sjelden på de fleste bildene og videoene vi tar.

Men etter at sosiale medier skjedde, ga nettsteder som Flickr og Facebook oss muligheten til å dele et uendelig antall bilder med et nettverk av mennesker vi bryr oss om, samtidig som de lagret bildene (gratis) i et selvorganiserende mappesystem eller tidslinje. Selv om dette sosiale elementet, kombinert med miniatyr, avanserte telefonkameraer, i stor grad økte antallet bilder og videoer produsert av den gjennomsnittlige personen, reduserte det også vår vane med å lagre bilder på våre private datamaskiner, og oppmuntret oss til å lagre dem på nettet, privat. eller offentlig.

Sky- og samarbeidstjenester. Gitt de to siste punktene, gjenstår bare det ydmyke tekstdokumentet (og noen få andre nisjedatatyper). Disse dokumentene, sammenlignet med multimediene vi nettopp diskuterte, er vanligvis så små at det aldri vil være noe problem å lagre dem på datamaskinen.

I vår stadig mer mobile verden er det imidlertid en økende etterspørsel etter å få tilgang til dokumenter mens du er på farten. Og her igjen, den samme progresjonen vi diskuterte med musikk skjer her – hvor vi først transporterte dokumenter ved hjelp av disketter, CD-er og USB-er, nå bruker vi mer praktiske og forbrukerorienterte sky lagring tjenester, som Google Drive og Dropbox, som lagrer dokumentene våre i et eksternt datasenter slik at vi kan få tilgang til dem på sikker måte på nettet. Tjenester som disse lar oss få tilgang til og dele dokumentene våre hvor som helst, når som helst, på hvilken som helst enhet eller operativsystem.

For å være rettferdig, bruk av strømmetjenester, sosiale medier og skytjenester betyr ikke nødvendigvis at vi vil flytte alt til skyen – noen ting foretrekker vi å holde altfor private og sikre – men disse tjenestene har kuttet, og vil fortsette å kutte, den totale mengden fysisk datalagringsplass vi trenger å eie år for år.

Hvorfor eksponentielt mer lagring er viktig

Mens gjennomsnittsindividen kan se mindre behov for mer digital lagring, er det store krefter som driver Kryders lov fremover.

For det første, på grunn av den nesten årlige listen over sikkerhetsbrudd på tvers av en rekke teknologiske og finansielle tjenesteselskaper – som hver setter den digitale informasjonen til millioner av individer i fare – øker bekymringene for personvernet med rette blant publikum. Avhengig av individuelle behov, kan dette øke offentlig etterspørsel etter større og billigere datalagringsalternativer for personlig bruk for å unngå avhengig av skyen. Fremtidige individer kan til og med sette opp private datalagringsservere inne i hjemmene deres for å koble til eksternt i stedet for å være avhengig av servere som eies av de store teknologiselskapene.

En annen vurdering er at datalagringsbegrensninger for tiden blokkerer fremgang i en rekke sektorer fra bioteknologi til kunstig intelligens. Sektorer som er avhengige av akkumulering og behandling av big data, må lagre stadig større mengder data for å innovere nye produkter og tjenester.

Deretter, på slutten av 2020-tallet, vil tingenes internett (IoT), autonome kjøretøy, roboter, utvidet virkelighet og andre slike neste generasjons 'edge-teknologier' stimulere til investeringer i lagringsteknologi. Dette er fordi for at disse teknologiene skal fungere, må de ha datakraft og lagringskapasitet for å forstå omgivelsene og reagere i sanntid uten en konstant avhengighet av skyen. Vi utforsker dette konseptet lenger inn kapittel fem av denne serien.

Endelig Tingenes Internett (fullstendig forklart i vår Internetts fremtid serie) vil resultere i milliarder-til-billioner av sensorer som sporer bevegelsen eller statusen til milliarder-til-billioner av ting. De enorme datamengdene disse utallige sensorene vil produsere vil kreve effektiv lagringskapasitet før den effektivt kan behandles av superdatamaskinene vi skal dekke mot slutten av denne serien.

Alt i alt, mens den gjennomsnittlige personen i økende grad vil redusere behovet for personlig eid, digital lagringsmaskinvare, vil alle på planeten fortsatt dra indirekte nytte av den uendelige lagringskapasiteten fremtidige digitale lagringsteknologier vil tilby. Selvfølgelig, som antydet tidligere, ligger fremtiden for lagring i skyen, men før vi kan dykke dypt inn i dette emnet, må vi først forstå de gratis revolusjonene som skjer på prosesseringssiden (mikrobrikke) av databransjen – tema for neste kapittel.