Quantumrun

OBRÁZOK PRE OBRÁZOK: Quantumrun

Revolúcia digitálnych úložísk: Budúcnosť počítačov P3

David Tal, vydavateľ, futurista
@DavidTalWrites
LinkedIn

Ut, 09 - 15:2020

Väčšina z vás, ktorí to čítate, si pravdepodobne pamätáte na skromnú disketu a je to solídnych 1.44 MB miesta na disku. Niektorí z vás pravdepodobne žiarlili na jedného kamaráta, keď počas školského projektu vytiahol prvý USB kľúč s neuveriteľnými 8 MB priestoru. V súčasnosti je mágia preč a my sme unavení. Jeden terabajt pamäte je štandardom vo väčšine stolných počítačov 2018 – a Kingston teraz dokonca predáva terabajtové USB disky.

Naša posadnutosť ukladaním z roka na rok rastie, keďže spotrebúvame a vytvárame stále viac digitálneho obsahu, či už ide o školské vysvedčenie, cestovateľskú fotografiu, mixtape vašej kapely alebo video GoPro, ako ste na lyžiach vo Whistleri. Ďalšie trendy, ako napríklad vznikajúci internet vecí, len urýchlia množstvo dát, ktoré svet produkuje, a pridajú ďalšie raketové palivo k dopytu po digitálnom úložisku.

Preto sme sa nedávno rozhodli upraviť túto kapitolu tak, že ju rozdelíme na dve časti, aby sme správne diskutovali o ukladaní údajov. Táto polovica sa bude týkať technologických inovácií v oblasti ukladania údajov a ich vplyvu na priemerných digitálnych spotrebiteľov. Medzitým sa budúca kapitola bude zaoberať nadchádzajúcou revolúciou v cloude.

Inovácie ukladania údajov sa pripravujú

(TL;DR – Nasledujúca časť načrtáva novú technológiu, ktorá umožní ukladať stále väčšie množstvá údajov na stále menšie a efektívnejšie úložné jednotky. Ak vás táto technológia nezaujíma, ale chcete si prečítať o širších trendy a vplyvy v oblasti ukladania údajov, potom odporúčame preskočiť na nasledujúci podnadpis.)

Mnohí z vás už počuli o Moorovom zákone (pozorovanie, že počet tranzistorov v hustom integrovanom obvode sa zdvojnásobí zhruba každé dva roky), ale na strane úložiska v počítačovom biznise máme Kryderov zákon – v podstate našu schopnosť stlačiť stále viac bitov do zmenšujúcich sa pevných diskov sa tiež zdvojnásobuje približne každých 18 mesiacov. To znamená, že osoba, ktorá pred 1,500 rokmi minula 5 35 dolárov za 600 MB, môže teraz minúť 6 dolárov za XNUMX TB disk.

Toto je obrovský pokrok a v dohľadnej dobe sa nezastaví.

Nasledujúci zoznam je krátkym nahliadnutím do krátkodobých a dlhodobých inovácií, ktoré výrobcovia digitálnych úložísk použijú na uspokojenie našej spoločnosti hladnej po úložiskách.

Lepšie pevné disky. Až do začiatku roku 2020 budú výrobcovia pokračovať v konštrukcii tradičných pevných diskov (HDD), pričom budú nabaľovať väčšiu pamäťovú kapacitu, až kým už nebudeme môcť vyrábať pevné disky s hustotou. Techniky vynájdené na vedenie tohto posledného desaťročia technológie HDD zahŕňajú Šindelová Magnetic Recording (SMR), po ktorom nasleduje Dvojrozmerný magnetický záznam (TDMR) a potenciálne Teplom podporovaný magnetický záznam (HAMR).

Pevné disky SSD. Tradičný pevný disk uvedený vyššie je nahradený pevným diskom SATA (SATA SSD). Na rozdiel od HDD disky SSD nemajú žiadne rotujúce disky – v skutočnosti nemajú vôbec žiadne pohyblivé časti. To umožňuje SSD pracovať oveľa rýchlejšie, pri menších veľkostiach a s vyššou odolnosťou ako ich predchodca. SSD sú už štandardom na dnešných notebookoch a postupne sa stávajú štandardným hardvérom na väčšine nových desktopových modelov. A hoci boli pôvodne oveľa drahšie ako HDD, ich cena klesá rýchlejšie ako HDD, čo znamená, že ich predaj by mohol do polovice 2020 úplne predbehnúť HDD.

Postupne sa zavádzajú aj SSD novej generácie, pričom výrobcovia prechádzajú zo SATA SSD na PCIe SSD, ktoré majú aspoň šesťnásobnú šírku pásma ako SATA disky a stále rastú.

Flash pamäť prejde do 3D. Ak je však cieľom rýchlosť, nič sa nevyrovná ukladaniu všetkého do pamäte.

HDD a SSD sa dajú porovnať s vašou dlhodobou pamäťou, zatiaľ čo flash je viac podobný vašej krátkodobej pamäti. A rovnako ako váš mozog, aj počítač tradične potrebuje na svoje fungovanie oba typy úložiska. Tradičné osobné počítače, bežne označované ako pamäť s náhodným prístupom (RAM), majú zvyčajne dve pamäte RAM, každá s veľkosťou 4 až 8 GB. Medzitým tí najťažší hráči ako Samsung teraz predávajú 2.5D pamäťové karty, z ktorých každá má kapacitu 128 GB – úžasné pre hardcore hráčov, ale praktickejšie pre superpočítače novej generácie.

Výzvou týchto pamäťových kariet je, že sa stretávajú s rovnakými fyzickými obmedzeniami, ktorým čelia pevné disky. Horšie je, že čím menšie tranzistory sa stanú vo vnútri RAM, tým horšie budú fungovať v priebehu času – tranzistory sa ťažšie vymazávajú a presnejšie zapisujú, čo nakoniec narazí na výkonnostnú bariéru, ktorá si vynúti ich výmenu za nové RAM. Vo svetle toho spoločnosti začínajú vytvárať ďalšiu generáciu pamäťových kariet:

3D NAND. Spoločnosti ako Intel, Samsung, Micron, Hynix a Taiwan Semiconductor presadzujú široké prijatie 3D NAND, ktorý skladá tranzistory do troch rozmerov vo vnútri čipu.
Odporová pamäť s náhodným prístupom (RAM). Táto technológia využíva odpor namiesto elektrického náboja na ukladanie bitov (0 s a 1 s) pamäte.
3D čipy. Podrobnejšie o tom budeme hovoriť v nasledujúcej kapitole série, ale v skratke 3D čipy Cieľom je skombinovať výpočtovú techniku a ukladanie dát vo vertikálne naskladaných vrstvách, čím sa zvýši rýchlosť spracovania a zníži sa spotreba energie.
Pamäť na zmenu fázy (PCM), technológie za PCM v podstate ohrieva a ochladzuje chalkogenidové sklo, posúva ho medzi kryštalizovaným a nekryštalizovaným stavom, pričom každý má svoj jedinečný elektrický odpor reprezentujúci binárnu 0 a 1. Po zdokonalení vydrží táto technológia oveľa dlhšie ako súčasné varianty RAM a je energeticky nezávislá, čo znamená dokáže uchovávať údaje aj pri vypnutom napájaní (na rozdiel od tradičnej pamäte RAM).
Pamäť s náhodným prístupom krútiaceho momentu pri otáčaní (STT-RAM). Výkonný Frankenstein, ktorý kombinuje kapacitu DRAM s rýchlosťou SRAMspolu so zlepšenou nevolatilitou a takmer neobmedzenou výdržou.
3D XPoint. S touto technológiou sa namiesto spoliehania sa na tranzistory na ukladanie informácií 3D Xpoint používa mikroskopickú sieť drôtov, koordinovaných "selektorom", ktoré sú naskladané jeden na druhom. Po zdokonalení by to mohlo spôsobiť revolúciu v tomto odvetví, pretože 3D Xpoint je energeticky nezávislý, bude fungovať tisíckrát rýchlejšie ako NAND flash a 10-krát hustejší ako DRAM.

Inými slovami, pamätáte si, keď sme povedali: „HDD a SSD sa dajú porovnať s vašou dlhodobou pamäťou, zatiaľ čo flash je viac podobný vašej krátkodobej pamäti“? No, 3D Xpoint si poradí s oboma a urobí to lepšie ako jedno alebo druhé ako každé zvlášť.

Bez ohľadu na to, ktorá možnosť zvíťazí, všetky tieto nové formy flash pamäte ponúknu väčšiu kapacitu pamäte, rýchlosť, výdrž a energetickú účinnosť.

Inovácie dlhodobého skladovania. Medzitým pre prípady použitia, kde na rýchlosti záleží menej ako na uchovaní veľkého množstva údajov, sa v súčasnosti pracuje na nových a teoretických technológiách:

Páskové mechaniky. Páskové jednotky, ktoré boli vynájdené pred viac ako 60 rokmi, sme pôvodne používali na archiváciu daňových a zdravotných dokumentov. Dnes sa táto technológia zdokonaľuje v blízkosti svojho teoretického vrcholu IBM vytvorila rekord archiváciou 330 terabajtov nekomprimovaných údajov (~ 330 miliónov kníh) do páskovej kazety veľkosti vašej ruky.
Skladovanie DNA. Výskumníci z University of Washington a Microsoft Research vyvinul systém na kódovanie, ukladanie a získavanie digitálnych údajov pomocou molekúl DNA. Po zdokonalení môže tento systém jedného dňa archivovať informácie miliónkrát kompaktnejšie ako súčasné technológie ukladania dát.
Kilobajtová prepisovateľná atómová pamäť. Manipuláciou s jednotlivými atómami chlóru na plochom plechu medi, napísali vedci 1-kilobajtovú správu s rýchlosťou 500 terabitov na štvorcový palec – zhruba 100-krát viac informácií na štvorcový palec než najefektívnejší pevný disk na trhu.
5D ukladanie dát. Tento špeciálny úložný systém, ktorý vedie University of Southampton, sa vyznačuje dátovou kapacitou 360 TB/disk, tepelnou stabilitou až do 1,000 13.8 °C a takmer neobmedzenou životnosťou pri izbovej teplote (190 miliardy rokov pri 5 °C). Inými slovami, XNUMXD ukladanie dát by bolo ideálne na archívne použitie v múzeách a knižniciach.

Softvérovo definovaná úložná infraštruktúra (SDS). Nie je to len úložný hardvér, ktorý zaznamenáva inovácie, ale aj softvér, ktorý ho prevádzkuje, prechádza vzrušujúcim vývojom. SDS sa používa najmä vo veľkých firemných počítačových sieťach alebo cloudových úložiskách, kde sú dáta uložené centrálne a sú prístupné cez jednotlivé, prepojené zariadenia. V podstate berie celkovú kapacitu dátového úložiska v sieti a rozdeľuje ju medzi rôzne služby a zariadenia, ktoré bežia v sieti. Neustále sa kódujú lepšie systémy SDS, aby sa efektívnejšie využíval existujúci (namiesto nového) úložný hardvér.

Budeme v budúcnosti vôbec potrebovať úložisko?

Dobre, takže technológia ukladania sa v priebehu niekoľkých nasledujúcich desaťročí výrazne zlepší. Ale musíme zvážiť, aký je v tom rozdiel?

Priemerný človek nikdy nespotrebuje terabajt úložného priestoru, ktorý je teraz dostupný v najnovších modeloch stolných počítačov. A o ďalšie dva až štyri roky bude mať váš ďalší smartfón dostatok úložného priestoru na hromadenie ročných obrázkov a videí bez toho, aby ste museli zariadenie rýchlo čistiť. Iste, existuje menšina ľudí, ktorí radi hromadia obrovské množstvo údajov na svojich počítačoch, ale pre nás ostatných existuje množstvo trendov, ktoré znižujú potrebu nadmerného úložného priestoru na disku v súkromnom vlastníctve.

Streamovacie služby. Kedysi naše hudobné zbierky zahŕňali zbieranie platní, potom kaziet a potom CD. V 90. rokoch sa piesne digitalizovali do MP3, aby sa hromadili tisíce (najskôr cez torrenty, potom stále viac a viac cez digitálne obchody ako iTunes). Teraz namiesto toho, aby sme museli ukladať a organizovať hudobnú zbierku na domácom počítači alebo telefóne, môžeme streamovať nekonečné množstvo skladieb a počúvať ich kdekoľvek prostredníctvom služieb ako Spotify a Apple Music.

Tento postup najprv zmenšil fyzický priestor, ktorý hudba zaberá doma, a potom digitálny priestor vo vašom počítači. Teraz to všetko môže nahradiť externá služba, ktorá vám poskytne lacný a pohodlný prístup kdekoľvek/kedykoľvek ku všetkej hudbe, ktorú by ste mohli chcieť. Samozrejme, väčšina z vás, ktorí to čítate, má pravdepodobne stále niekoľko CD, väčšina z nich bude mať vo svojom počítači stále solídnu zbierku MP3, ale ďalšia generácia používateľov počítačov nebude strácať čas naplnením svojich počítačov hudbou, ktorú môžu prístup voľne online.

Samozrejme, skopírujte všetko, čo som práve povedal o hudbe, a aplikujte to na film a televíziu (ahoj, Netflix!) a úspory na osobnom úložisku budú stále rásť.

sociálne siete. Keďže hudba, film a televízne programy zahlcujú čoraz menej našich osobných počítačov, ďalšou najväčšou formou digitálneho obsahu sú osobné obrázky a videá. Opäť sme fyzicky produkovali obrázky a videá, v konečnom dôsledku sme zbierali prach v našich povalách. Potom sa naše obrázky a videá prepracovali do digitálnej podoby, aby sa opäť pozbieral prach v podzemí našich počítačov. A to je problém: Len zriedka sa pozeráme na väčšinu obrázkov a videí, ktoré robíme.

Ale potom, čo sa stali sociálne médiá, stránky ako Flickr a Facebook nám dali možnosť zdieľať nekonečné množstvo obrázkov so sieťou ľudí, na ktorých nám záleží, a zároveň tieto obrázky (zadarmo) ukladať do systému priečinkov alebo časovej osi. Zatiaľ čo tento sociálny prvok v spojení s miniatúrnymi fotoaparátmi špičkových telefónov značne zvýšil počet obrázkov a videí vytvorených priemerným človekom, znížil aj náš zvyk ukladať fotografie do našich súkromných počítačov a povzbudil nás, aby sme ich uložili online, súkromne. alebo verejne.

Cloud a služby spolupráce. Vzhľadom na posledné dva body zostáva len skromný textový dokument (a niekoľko ďalších špecializovaných dátových typov). Tieto dokumenty sú v porovnaní s multimédiami, o ktorých sme práve hovorili, zvyčajne také malé, že ich uloženie v počítači nebude nikdy problém.

V našom čoraz mobilnejšom svete však rastie dopyt po prístupe k dokumentom na cestách. A opäť sa tu deje rovnaký vývoj, o ktorom sme diskutovali pri hudbe – tam, kde sme najprv prenášali dokumenty pomocou diskiet, CD a USB, teraz používame pohodlnejšie a orientované na spotrebiteľa Cloud Storage služby, ako sú Disk Google a Dropbox, ktoré ukladajú naše dokumenty v externom dátovom centre, aby sme k nim mali bezpečný online prístup. Takéto služby nám umožňujú pristupovať k našim dokumentom a zdieľať ich kdekoľvek, kedykoľvek a na akomkoľvek zariadení alebo operačnom systéme.

Aby sme boli spravodliví, používanie streamovacích služieb, sociálnych médií a cloudových služieb nemusí nevyhnutne znamenať, že všetko presunieme do cloudu – niektoré veci uprednostňujeme ponechať príliš súkromné a bezpečné – ale tieto služby sa obmedzili a budú naďalej znižovať, celkové množstvo fyzického priestoru na ukladanie údajov, ktorý musíme z roka na rok vlastniť.

Prečo záleží na exponenciálnom väčšom úložisku

Hoci priemerný jednotlivec môže vidieť menšiu potrebu väčšieho digitálneho úložiska, v hre sú veľké sily, ktoré poháňajú Kryderov zákon vpred.

Po prvé, kvôli takmer ročnému zoznamu narušenia bezpečnosti v celom rade spoločností poskytujúcich technické a finančné služby – z ktorých každá ohrozuje digitálne informácie miliónov jednotlivcov – medzi verejnosťou právom narastajú obavy o súkromie údajov. V závislosti od individuálnych potrieb to môže vyvolať dopyt verejnosti po väčších a lacnejších možnostiach ukladania dát na osobné použitie, aby sa predišlo závislosti od cloudu. Budúci jednotlivci si dokonca môžu zriadiť súkromné servery na ukladanie údajov vo svojich domovoch, aby sa mohli pripojiť externe, namiesto toho, aby boli závislí na serveroch vlastnených veľkými technologickými spoločnosťami.

Ďalšou úvahou je, že obmedzenia ukladania údajov v súčasnosti blokujú pokrok v mnohých sektoroch od biotechnológií po umelú inteligenciu. Sektory, ktoré sú závislé od akumulácie a spracovania veľkých dát, potrebujú uchovávať stále väčšie množstvá dát, aby mohli inovovať nové produkty a služby.

Ďalej, koncom roka 2020 internet vecí (IoT), autonómne vozidlá, roboty, rozšírená realita a ďalšie „hranové technológie“ novej generácie podporia investície do úložných technológií. Na to, aby tieto technológie fungovali, totiž budú potrebovať výpočtový výkon a úložnú kapacitu, aby pochopili svoje okolie a reagovali v reálnom čase bez neustálej závislosti od cloudu. Tento koncept ďalej skúmame piata kapitola tejto série.

A konečne, internet vecí (úplne vysvetlené v našom Budúcnosť internetu séria) bude mať za následok miliardy až bilióny senzorov sledujúcich pohyb alebo stav miliárd až biliónov vecí. Obrovské množstvo údajov, ktoré tieto nespočetné senzory vyprodukujú, si vyžiada efektívnu úložnú kapacitu predtým, ako ju budú môcť efektívne spracovať superpočítače, ktoré pokryjeme na konci tejto série.

Celkovo vzaté, zatiaľ čo priemerný človek bude čoraz viac znižovať svoju potrebu osobného digitálneho úložného hardvéru, každý na planéte bude stále nepriamo ťažiť z nekonečnej úložnej kapacity, ktorú budú ponúkať budúce technológie digitálneho ukladania. Samozrejme, ako už bolo naznačené vyššie, budúcnosť úložiska leží v cloude, ale predtým, ako sa ponoríme hlboko do tejto témy, musíme najprv pochopiť, aké bezplatné revolúcie sa dejú na strane spracovania (mikročipu) v počítačovom biznise – téma ďalšej kapitoly.