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A revolução do armazenamento digital: o futuro dos computadores P3

David Tal, editor, futurista
@DavidTalWrites
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Ter, 09 / 15 / 2020 - 15: 43

A maioria de vocês que está lendo isso provavelmente se lembra do humilde disquete e são sólidos 1.44 MB de espaço em disco. Alguns de vocês provavelmente ficaram com inveja daquele amigo quando ele pegou o primeiro pen drive USB, com seus monstruosos 8 MB de espaço, durante um projeto escolar. Hoje em dia, a magia se foi, e ficamos cansados. Um terabyte de memória é padrão na maioria dos desktops de 2018 – e a Kingston até vende unidades USB de um terabyte agora.

Nossa obsessão com armazenamento cresce ano após ano à medida que consumimos e criamos cada vez mais conteúdo digital, seja um boletim escolar, uma foto de viagem, a mixtape da sua banda ou um vídeo GoPro de você esquiando em Whistler. Outras tendências, como a emergente Internet das Coisas, apenas acelerarão a montanha de dados que o mundo produz, adicionando mais combustível de foguete à demanda por armazenamento digital

É por isso que para discutir o armazenamento de dados corretamente, recentemente decidimos editar este capítulo dividindo-o em dois. Esta metade cobrirá as inovações tecnológicas no armazenamento de dados e seu impacto nos consumidores digitais médios. Enquanto isso, o próximo capítulo cobrirá a próxima revolução na nuvem.

Inovações de armazenamento de dados em andamento

(TL;DR - A seção a seguir descreve a nova tecnologia que permitirá que quantidades cada vez maiores de dados sejam armazenadas em unidades de armazenamento cada vez menores e mais eficientes. Se você não se importa com a tecnologia, mas deseja ler sobre o tendências e impactos em torno do armazenamento de dados, recomendamos pular para o próximo subtítulo.)

Muitos de vocês já ouviram falar da Lei de Moore (a observação de que o número de transistores em um circuito integrado denso dobra aproximadamente a cada dois anos), mas no lado do armazenamento do negócio de computadores, temos a Lei de Kryder - basicamente, nossa capacidade de espremer cada vez mais bits em discos rígidos cada vez menores também está dobrando a cada 18 meses. Isso significa que a pessoa que gastou US$ 1,500 por 5 MB há 35 anos agora pode gastar US$ 600 por uma unidade de 6 TB.

Este é um progresso de cair o queixo e não vai parar tão cedo.

A lista a seguir é um breve vislumbre das inovações de curto e longo prazo que os fabricantes de armazenamento digital usarão para satisfazer nossa sociedade faminta por armazenamento.

Melhores discos rígidos. Até o início da década de 2020, os fabricantes continuarão construindo discos rígidos tradicionais (HDD), acumulando mais capacidade de memória até que não possamos mais construir discos rígidos mais densos. As técnicas inventadas para liderar esta última década de tecnologia HDD incluem Magnetic Recording Shingled (SMR), seguido por Gravação Magnética Bidimensional (TDMR), e potencialmente Gravação Magnética Assistida por Calor (HAMR).

Discos rígidos de estado sólido. Substituindo a unidade de disco rígido tradicional mencionada acima é o disco rígido de estado sólido (SATA SSD). Ao contrário dos HDDs, os SSDs não possuem discos giratórios – na verdade, eles não possuem partes móveis. Isso permite que os SSDs operem muito mais rápido, em tamanhos menores e com mais durabilidade do que seu antecessor. Os SSDs já são um padrão nos laptops atuais e estão gradualmente se tornando hardware padrão na maioria dos novos modelos de desktop. E embora originalmente muito mais caro que os HDDs, seus preço está caindo mais rápido do que HDDs, o que significa que suas vendas podem ultrapassar os HDDs em meados da década de 2020.

Os SSDs de próxima geração também estão sendo introduzidos gradualmente, com os fabricantes fazendo a transição de SSDs SATA para SSDs PCIe que têm pelo menos seis vezes a largura de banda das unidades SATA e estão crescendo.

A memória flash passa a 3D. Mas se a velocidade é o objetivo, nada melhor do que armazenar tudo na memória.

HDDs e SSDs podem ser comparados à sua memória de longo prazo, enquanto o flash é mais parecido com sua memória de curto prazo. E, assim como seu cérebro, um computador tradicionalmente precisa dos dois tipos de armazenamento para funcionar. Comumente referido como memória de acesso aleatório (RAM), os computadores pessoais tradicionais tendem a vir com dois pentes de RAM de 4 a 8 GB cada. Enquanto isso, os maiores pesos como a Samsung agora estão vendendo cartões de memória 2.5D com 128 GB cada – incrível para jogadores hardcore, mas mais prático para supercomputadores de próxima geração.

O desafio com esses cartões de memória é que eles estão enfrentando as mesmas restrições físicas que os discos rígidos estão enfrentando. Pior ainda, quanto menores os transistores se tornam dentro da RAM, pior o desempenho deles ao longo do tempo - os transistores ficam mais difíceis de apagar e escrever com precisão, acabando por atingir uma parede de desempenho que força sua substituição por novos pentes de RAM. À luz disso, as empresas estão começando a construir a próxima geração de cartões de memória:

3D NAND. Empresas como Intel, Samsung, Micron, Hynix e Taiwan Semiconductor estão pressionando pela adoção em larga escala de 3D NAND, que empilha transistores em três dimensões dentro de um chip.
Memória de acesso aleatório resistiva (RAM). Essa tecnologia usa resistência em vez de uma carga elétrica para armazenar bits (0s e 1s) de memória.
fichas 3D. Isso será discutido com mais detalhes no próximo capítulo da série, mas em resumo, fichas 3D visam combinar computação e armazenamento de dados em camadas empilhadas verticalmente, melhorando assim as velocidades de processamento e reduzindo o consumo de energia.
Memória de mudança de fase (PCM). O tecnologia por trás dos PCMs basicamente aquece e resfria o vidro calcogeneto, mudando-o entre estados cristalizados e não cristalizados, cada um com suas resistências elétricas únicas representando o binário 0 e 1. Uma vez aperfeiçoado, essa tecnologia durará muito mais do que as variantes atuais de RAM e não é volátil, o que significa ele pode armazenar dados mesmo quando a energia está desligada (ao contrário da RAM tradicional).
Memória de acesso aleatório de torque de transferência de rotação (STT-RAM). Um poderoso Frankenstein que combina a capacidade de DRAM com a velocidade de SRAM, juntamente com não-volatilidade melhorada e resistência quase ilimitada.
3D XPoint. Com esta tecnologia, em vez de depender de transistores para armazenar informações, Ponto X 3D utiliza uma malha microscópica de fios, coordenados por um "seletor" que são empilhados uns sobre os outros. Uma vez aperfeiçoado, isso pode revolucionar a indústria, pois o 3D Xpoint não é volátil, operará milhares de vezes mais rápido que o flash NAND e 10 vezes mais denso que o DRAM.

Em outras palavras, lembra quando dissemos “HDDs e SSDs podem ser comparados à sua memória de longo prazo, enquanto o flash é mais parecido com sua memória de curto prazo”? Bem, o 3D Xpoint lidará com ambos e o fará melhor do que qualquer um separadamente.

Independentemente de qual opção vença, todas essas novas formas de memória flash oferecerão mais capacidade de memória, velocidade, resistência e eficiência de energia.

Inovações de armazenamento de longo prazo. Enquanto isso, para os casos de uso em que a velocidade importa menos do que a preservação de grandes quantidades de dados, novas tecnologias teóricas estão atualmente em andamento:

Unidades de fita. Inventado há mais de 60 anos, originalmente usamos drives de fita para arquivar documentos fiscais e de saúde. Hoje, esta tecnologia está sendo aperfeiçoada perto de seu pico teórico com IBM estabelecendo um recorde arquivando 330 terabytes de dados não compactados (~330 milhões de livros) em um cartucho de fita do tamanho da sua mão.
Armazenamento de DNA. Pesquisadores da Universidade de Washington e Microsoft Research desenvolveu um sistema para codificar, armazenar e recuperar dados digitais usando moléculas de DNA. Uma vez aperfeiçoado, este sistema poderá um dia arquivar informações milhões de vezes mais compactamente do que as atuais tecnologias de armazenamento de dados.
Memória atômica regravável Kilobyte. Ao manipular átomos de cloro individuais em uma folha plana de cobre, cientistas escreveram uma mensagem de 1 kilobyte a 500 terabits por polegada quadrada – aproximadamente 100 vezes mais informações por polegada quadrada do que o disco rígido mais eficiente do mercado.
Armazenamento de dados 5D. Este sistema de armazenamento especializado, liderado pela Universidade de Southampton, possui capacidade de dados de 360 TB/disco, estabilidade térmica de até 1,000°C e uma vida útil quase ilimitada à temperatura ambiente (13.8 bilhões de anos a 190°C). Em outras palavras, o armazenamento de dados 5D seria ideal para usos de arquivamento em museus e bibliotecas.

Infraestrutura de armazenamento definida por software (SDS). Não é apenas o hardware de armazenamento que está vendo a inovação, mas o software que o executa também está passando por um desenvolvimento empolgante. SDS é usado principalmente em redes de computadores de grandes empresas ou serviços de armazenamento em nuvem, onde os dados são armazenados centralmente e acessados por meio de dispositivos individuais conectados. Basicamente, ele pega a quantidade total de capacidade de armazenamento de dados em uma rede e a separa entre os vários serviços e dispositivos que são executados na rede. Os melhores sistemas SDS estão sendo codificados o tempo todo para usar com mais eficiência o hardware de armazenamento existente (em vez do novo).

Precisaremos de armazenamento no futuro?

Ok, então a tecnologia de armazenamento vai melhorar muito nas próximas décadas. Mas a coisa que temos que considerar é, que diferença isso faz de qualquer maneira?

A pessoa média nunca usará o terabyte de espaço de armazenamento agora disponível nos modelos de computador desktop mais recentes. E em mais dois a quatro anos, seu próximo smartphone terá espaço de armazenamento suficiente para armazenar um ano de fotos e vídeos sem precisar limpar o dispositivo. Claro, há uma minoria de pessoas por aí que gostam de acumular grandes quantidades de dados em seus computadores, mas para o resto de nós, há uma série de tendências que reduzem nossa necessidade de espaço de armazenamento em disco privado e excessivo.

Serviços de streaming. Antigamente, nossas coleções de música envolviam colecionar discos, depois cassetes e depois CDs. Nos anos 90, as músicas foram digitalizadas em MP3s para serem armazenadas aos milhares (primeiro por meio de torrents, depois cada vez mais por meio de lojas digitais como o iTunes). Agora, em vez de ter que armazenar e organizar uma coleção de músicas em seu computador ou telefone de casa, podemos transmitir um número infinito de músicas e ouvi-las em qualquer lugar por meio de serviços como Spotify e Apple Music.

Essa progressão reduziu primeiro o espaço físico que a música ocupava em casa, depois o espaço digital em seu computador. Agora tudo pode ser substituído por um serviço externo que oferece acesso barato e conveniente, em qualquer lugar/a qualquer hora, a todas as músicas que você deseja. É claro que a maioria de vocês que está lendo isso provavelmente ainda tem alguns CDs espalhados, a maioria ainda terá uma coleção sólida de MP3s em seus computadores, mas a próxima geração de usuários de computador não perderá seu tempo enchendo seus computadores com músicas que podem acessar livremente on-line.

Obviamente, copie tudo o que acabei de dizer sobre música e aplique-o ao cinema e à televisão (alô, Netflix!) e a economia de armazenamento pessoal continua crescendo.

Redes sociais. Com música, filmes e programas de TV entupindo cada vez menos nossos computadores pessoais, a segunda maior forma de conteúdo digital são fotos e vídeos pessoais. Mais uma vez, costumávamos produzir fotos e vídeos fisicamente, em última análise, para acumular poeira em nossos sótãos. Em seguida, nossas fotos e vídeos se tornaram digitais, apenas para novamente acumular poeira nos confins de nossos computadores. E esse é o problema: raramente olhamos para a maioria das fotos e vídeos que tiramos.

Mas depois que as mídias sociais aconteceram, sites como Flickr e Facebook nos deram a capacidade de compartilhar um número infinito de fotos com uma rede de pessoas de quem gostamos, enquanto também armazenava essas fotos (de graça) em um sistema de pastas auto-organizado ou linha do tempo. Embora esse elemento social, juntamente com câmeras de telefone em miniatura de última geração, aumentasse muito o número de fotos e vídeos produzidos pela pessoa média, também reduziu nosso hábito de armazenar fotos em nossos computadores particulares, incentivando-nos a armazená-las online, de forma privada. ou publicamente.

Serviços de nuvem e colaboração. Dados os dois últimos pontos, apenas o documento de texto humilde (e alguns outros tipos de dados de nicho) permanece. Esses documentos, em comparação com a multimídia que acabamos de discutir, geralmente são tão pequenos que armazená-los em seu computador nunca será um problema.

No entanto, em nosso mundo cada vez mais móvel, há uma demanda crescente para acessar documentos em trânsito. E aqui novamente, a mesma progressão que discutimos com a música está acontecendo aqui - onde primeiro transportamos documentos usando disquetes, CDs e USBs, agora usamos armazenamento em nuvem serviços, como Google Drive e Dropbox, que armazenam nossos documentos em um data center externo para que possamos acessar online com segurança. Serviços como esses nos permitem acessar e compartilhar nossos documentos em qualquer lugar, a qualquer hora, em qualquer dispositivo ou sistema operacional.

Para ser justo, usar serviços de streaming, mídia social e serviços em nuvem não significa necessariamente que vamos migrar tudo para a nuvem - algumas coisas que preferimos manter excessivamente privadas e seguras - mas esses serviços cortaram e continuarão a cortar, a quantidade total de espaço físico de armazenamento de dados que precisamos possuir ano após ano.

Por que exponencialmente mais armazenamento é importante

Embora o indivíduo médio possa ver menos necessidade de mais armazenamento digital, há grandes forças em jogo que estão impulsionando a Lei de Kryder.

Em primeiro lugar, devido à lista quase anual de violações de segurança em várias empresas de tecnologia e serviços financeiros – cada uma colocando em risco as informações digitais de milhões de indivíduos – as preocupações com a privacidade dos dados estão crescendo legitimamente entre o público. Dependendo das necessidades individuais, isso pode impulsionar a demanda pública por opções de armazenamento de dados maiores e mais baratas para uso pessoal, para evitar depender da nuvem. Os futuros indivíduos podem até configurar servidores de armazenamento de dados privados dentro de suas casas para se conectarem externamente, em vez de depender de servidores de propriedade das grandes empresas de tecnologia.

Outra consideração é que as limitações de armazenamento de dados estão atualmente bloqueando o progresso em vários setores, da biotecnologia à inteligência artificial. Setores que dependem do acúmulo e processamento de big data precisam armazenar quantidades cada vez maiores de dados para inovar novos produtos e serviços.

Em seguida, no final da década de 2020, a Internet das Coisas (IoT), veículos autônomos, robôs, realidade aumentada e outras 'tecnologias de ponta' de última geração estimularão o investimento em tecnologia de armazenamento. Isso porque, para que essas tecnologias funcionem, elas precisarão ter poder computacional e capacidade de armazenamento para entender seu entorno e reagir em tempo real sem uma dependência constante da nuvem. Exploramos mais esse conceito em capítulo cinco desta série.

Finalmente, o Internet das Coisas (explicado totalmente em nosso Futuro da Internet series) resultará em bilhões a trilhões de sensores rastreando o movimento ou status de bilhões a trilhões de coisas. As imensas quantidades de dados que esses incontáveis sensores produzirão exigirão capacidade de armazenamento efetiva antes que possam ser efetivamente processadas pelos supercomputadores que abordaremos no final desta série.

Em suma, enquanto a pessoa média reduzirá cada vez mais sua necessidade de hardware de armazenamento digital de propriedade pessoal, todos no planeta ainda se beneficiarão indiretamente da capacidade de armazenamento infinita que as futuras tecnologias de armazenamento digital oferecerão. É claro que, como sugerido anteriormente, o futuro do armazenamento está na nuvem, mas antes que possamos mergulhar fundo nesse tópico, primeiro precisamos entender as revoluções complementares que acontecem no lado do processamento (microchip) do negócio de computadores - o tema do próximo capítulo.