Quantumrun

KREDIT ZA SLIKO: Quantumrun

Revolucija digitalnega shranjevanja: Prihodnost računalnikov P3

David Tal, založnik, futurist
@DavidTalPiše
LinkedIn

Torek, 09 - 15:2020

Večina vas, ki to berete, se verjetno spomni skromne diskete in solidnih 1.44 MB prostora na disku. Nekateri od vas ste bili verjetno ljubosumni na tistega prijatelja, ko je med šolskim projektom izdelal prvi pogon USB s pošastnimi 8 MB prostora. Dandanes čarovnije ni več in postali smo utrujeni. En terabajt pomnilnika je standard v večini namiznih računalnikov 2018 – Kingston pa zdaj celo prodaja pogone USB z enim terabajtom.

Naša obsedenost s shranjevanjem raste iz leta v leto, saj porabimo in ustvarimo vedno več digitalne vsebine, pa naj gre za šolsko poročilo, fotografijo s potovanja, mešano glasbo vaše skupine ali videoposnetek GoPro, na katerem smučate po Whistlerju. Drugi trendi, kot je nastajajoči internet stvari, bodo samo pospešili goro podatkov, ki jih proizvaja svet, in dodali dodatno raketno gorivo k povpraševanju po digitalnem shranjevanju.

Zato smo se pred kratkim odločili, da uredimo to poglavje in ga razdelimo na dva dela, da bi pravilno razpravljali o shranjevanju podatkov. Ta polovica bo zajemala tehnološke inovacije v shranjevanju podatkov in njihov vpliv na povprečne digitalne uporabnike. Medtem bo naslednje poglavje obravnavalo prihajajočo revolucijo v oblaku.

Inovacije za shranjevanje podatkov v pripravi

(TL; DR – Naslednji razdelek opisuje novo tehnologijo, ki bo omogočila shranjevanje vedno večjih količin podatkov na vse manjše in učinkovitejše pomnilniške pogone. Če vam ni mar za tehnologijo, ampak želite prebrati o širšem trendov in vplivov na shranjevanje podatkov, priporočamo, da preskočite na naslednji podnaslov.)

Mnogi od vas ste že slišali za Moorov zakon (ugotovitev, da se število tranzistorjev v gostem integriranem vezju podvoji približno vsaki dve leti), toda na pomnilniški strani računalniškega poslovanja imamo Kryderjev zakon – v bistvu našo sposobnost stiskanja vedno več bitov v vse manjše trde diske se tudi podvoji približno vsakih 18 mesecev. To pomeni, da lahko oseba, ki je pred 1,500 leti porabila 5 USD za 35 MB, zdaj porabi 600 USD za pogon 6 TB.

To je osupljiv napredek in ne bo se kmalu ustavil.

Naslednji seznam je kratek vpogled v kratkoročne in dolgoročne inovacije, ki jih bodo proizvajalci digitalnih pomnilnikov uporabili, da bi zadovoljili našo shranjevanja lačno družbo.

Boljši trdi diski. Do začetka leta 2020 bodo proizvajalci še naprej izdelovali tradicionalne trde diske (HDD) in dodajali več pomnilniške zmogljivosti, dokler ne bomo več mogli izdelati trdih diskov, ki bodo gostejši. Tehnike, izumljene za vodenje tega zadnjega desetletja tehnologije HDD, vključujejo Shingled Magnetic Recording (SMR), čemur sledi Dvodimenzionalni magnetni zapis (TDMR) in potencialno Magnetno snemanje s pomočjo toplote (HAMR).

Trdi diski SSD. Nadomešča tradicionalni trdi disk, omenjen zgoraj, je trdi disk SSD (SATA SSD). Za razliko od trdih diskov diski SSD nimajo vrtečih se diskov – pravzaprav sploh nimajo gibljivih delov. To omogoča SSD diskom, da delujejo veliko hitreje, pri manjših velikostih in z večjo vzdržljivostjo kot njihovi predhodniki. SSD-ji so že standard na današnjih prenosnikih in postopoma postajajo standardna strojna oprema na večini novih modelov namiznih računalnikov. In čeprav so bili prvotno veliko dražji od trdih diskov, njihovi cene padajo hitreje kot trdi diski, kar pomeni, da bi njihova prodaja do sredine 2020-ih lahko povsem prehitela trde diske.

Postopoma se uvajajo tudi SSD-ji naslednje generacije, pri čemer proizvajalci prehajajo s SSD-jev SATA na SSD-je PCIe, ki imajo vsaj šestkrat večjo pasovno širino kot pogoni SATA, in rastejo.

Flash pomnilnik postane 3D. Toda če je cilj hitrost, ni nič boljšega od shranjevanja vsega v pomnilnik.

HDD in SSD lahko primerjamo z vašim dolgoročnim spominom, medtem ko je flash bolj podoben vašemu kratkoročnemu spominu. In tako kot vaši možgani tudi računalnik za delovanje tradicionalno potrebuje obe vrsti pomnilnika. Tradicionalni osebni računalniki, ki jih običajno imenujemo pomnilnik z naključnim dostopom (RAM), so običajno opremljeni z dvema pomnilnikoma RAM od 4 do 8 GB. Medtem pa največji hiterji, kot je Samsung, zdaj prodajajo pomnilniške kartice 2.5D, ki imajo po 128 GB - neverjetno za zagrizene igralce, a bolj praktično za superračunalnike naslednje generacije.

Izziv teh pomnilniških kartic je, da se soočajo z enakimi fizičnimi omejitvami kot trdi diski. Še huje, čim manjši tranzistorji postanejo znotraj RAM-a, slabše se sčasoma obnesejo – tranzistorje je težje izbrisati in natančno zapisati, sčasoma padejo na steno zmogljivosti, ki prisili njihovo zamenjavo s svežimi pomnilniškimi ključki. V luči tega podjetja začenjajo izdelovati naslednjo generacijo pomnilniških kartic:

3D NAND. Podjetja, kot so Intel, Samsung, Micron, Hynix in Taiwan Semiconductor, si prizadevajo za široko uporabo 3D NAND, ki zlaga tranzistorje v tri dimenzije znotraj čipa.
Uporovni pomnilnik z naključnim dostopom (Oven). Ta tehnologija uporablja upor namesto električnega naboja za shranjevanje bitov (0 in 1 s) pomnilnika.
3D čipi. O tem bomo podrobneje razpravljali v naslednjem poglavju serije, a na kratko, 3D čipi Cilj je združiti računalništvo in shranjevanje podatkov v navpično zloženih plasteh, s čimer se izboljšajo hitrosti obdelave in zmanjša poraba energije.
Pomnilnik za spreminjanje faze (PCM). tehnologija za PCM v bistvu segreva in ohlaja halkogenidno steklo ter ga premika med kristaliziranimi in nekristaliziranimi stanji, od katerih ima vsako svoje edinstvene električne upore, ki predstavljajo binarno vrednost 0 in 1. Ko bo ta tehnologija enkrat izpopolnjena, bo trajala veliko dlje kot trenutne različice RAM-a in je nehlapna, kar pomeni lahko hrani podatke tudi, ko je napajanje izklopljeno (za razliko od tradicionalnega RAM-a).
Pomnilnik z naključnim dostopom s prenosom vrtilnega momenta (STT-RAM). Močan Frankenstein, ki združuje zmogljivosti DRAM s hitrostjo SRAM, skupaj z izboljšano nehlapnostjo in skoraj neomejeno vzdržljivostjo.
3D XPoint. S to tehnologijo, namesto da bi se zanašali na tranzistorje za shranjevanje informacij, 3D Xpoint uporablja mikroskopsko mrežo žic, ki jih usklajuje "izbirnik", ki so zložene ena na drugo. Ko bo to izpopolnjeno, bi to lahko revolucioniralo industrijo, saj je 3D Xpoint nehlapen, bo deloval tisočkrat hitreje kot NAND flash in 10-krat gostejši od DRAM-a.

Z drugimi besedami, se spomnite, ko smo rekli, da "HDD in SSD lahko primerjamo z vašim dolgoročnim spominom, medtem ko je flash bolj podoben vašemu kratkoročnemu spominu"? No, 3D Xpoint bo obravnaval oboje in to bolje kot kateri koli od obeh posebej.

Ne glede na to, katera možnost bo zmagala, bodo vse te nove oblike bliskovnega pomnilnika nudile večjo zmogljivost pomnilnika, hitrost, vzdržljivost in energetsko učinkovitost.

Inovacije za dolgoročno shranjevanje. Za tiste primere uporabe, kjer je hitrost manj pomembna kot ohranitev velikih količin podatkov, so trenutno v pripravi nove in teoretične tehnologije:

Tračni pogoni. Tračne enote, ki smo jih izumili pred več kot 60 leti, smo prvotno uporabljali za arhiviranje davčnih in zdravstvenih dokumentov. Danes se ta tehnologija izpopolnjuje blizu teoretičnega vrhunca IBM postavlja rekord z arhiviranjem 330 terabajtov nestisnjenih podatkov (približno 330 milijonov knjig) v kaseto s trakom velikosti vaše roke.
Shranjevanje DNK. Raziskovalci z Univerze v Washingtonu in Microsoft Research razvil sistem za kodiranje, shranjevanje in pridobivanje digitalnih podatkov z uporabo molekul DNK. Ko bo ta sistem enkrat izpopolnjen, bo lahko nekega dne arhiviral informacije milijonkrat bolj kompaktno kot trenutne tehnologije za shranjevanje podatkov.
Kilobajtni prepisljivi atomski pomnilnik. Z manipulacijo posameznih atomov klora na ravni plošči bakra, zapisali znanstveniki 1-kilobajtno sporočilo pri 500 terabitih na kvadratni palec – približno 100-krat več informacij na kvadratni palec kot najučinkovitejši trdi disk na trgu.
5D shranjevanje podatkov. Ta poseben sistem za shranjevanje, ki ga je vodila Univerza v Southamptonu, ima kapaciteto podatkov 360 TB/disk, toplotno stabilnost do 1,000 °C in skoraj neomejeno življenjsko dobo pri sobni temperaturi (13.8 milijarde let pri 190 °C). Z drugimi besedami, 5D shranjevanje podatkov bi bilo idealno za uporabo v arhivih v muzejih in knjižnicah.

Programsko definirana infrastruktura za shranjevanje (SDS). Ni samo strojna oprema za shranjevanje, ki je deležna inovacij, ampak tudi programska oprema, ki jo poganja, je v vznemirljivem razvoju. SDS se večinoma uporablja v računalniških omrežjih velikih podjetij ali storitvah za shranjevanje v oblaku, kjer so podatki shranjeni centralno in dostopni prek posameznih povezanih naprav. V bistvu vzame skupno količino zmogljivosti za shranjevanje podatkov v omrežju in jo loči med različnimi storitvami in napravami, ki delujejo v omrežju. Boljši sistemi SDS se ves čas kodirajo za učinkovitejšo uporabo obstoječe (namesto nove) strojne opreme za shranjevanje.

Bomo v prihodnosti sploh potrebovali shranjevanje?

V redu, tehnologija shranjevanja se bo v naslednjih nekaj desetletjih zelo izboljšala. Toda stvar, ki jo moramo upoštevati, je, kakšna je razlika?

Povprečen človek ne bo nikoli porabil terabajta prostora za shranjevanje, ki je zdaj na voljo v najnovejših modelih namiznih računalnikov. V naslednjih dveh do štirih letih bo imel vaš naslednji pametni telefon dovolj prostora za enoletno shranjevanje slik in videoposnetkov, ne da bi vam bilo treba spomladansko očistiti napravo. Seveda obstaja manjšina ljudi, ki radi nabirajo ogromne količine podatkov na svojih računalnikih, toda za nas ostale obstajajo številni trendi, ki zmanjšujejo našo potrebo po pretiranem prostoru za shranjevanje v zasebni lasti.

Pretočne storitve. Nekoč so naše glasbene zbirke zajemale zbiranje plošč, nato kaset, nato cedejev. V 90. letih prejšnjega stoletja so se pesmi digitalizirale v MP3, da bi jih kopičilo na tisoče (najprej prek torrentov, nato vse več prek digitalnih trgovin, kot je iTunes). Zdaj, namesto da bi morali shranjevati in organizirati glasbeno zbirko na vašem domačem računalniku ali telefonu, lahko pretakamo neskončno število pesmi in jih poslušamo kjer koli prek storitev, kot sta Spotify in Apple Music.

Ta napredek je najprej zmanjšal fizični prostor, ki ga glasba zaseda doma, nato pa še digitalni prostor v vašem računalniku. Zdaj lahko vse to nadomestite z zunanjo storitvijo, ki vam nudi poceni in priročen dostop kjerkoli/kadar koli do vse glasbe, ki bi jo lahko želeli. Seveda ima večina od vas, ki to berete, verjetno še vedno nekaj CD-jev, večina bo še vedno imela solidno zbirko MP3-jev v svojem računalniku, vendar naslednja generacija uporabnikov računalnikov ne bo izgubljala časa s polnjenjem svojih računalnikov z glasbo, ki jo lahko prost dostop prek spleta.

Očitno kopirajte vse, kar sem pravkar rekel o glasbi, in to uporabite za film in televizijo (pozdravljeni, Netflix!) in prihranek osebnega prostora za shranjevanje bo še naprej naraščal.

družbeni mediji. Z glasbo, filmi in televizijskimi oddajami, ki vse manj zasedajo naše osebne računalnike, so naslednja največja oblika digitalne vsebine osebne slike in videi. Spet smo fizično izdelovali slike in videoposnetke, da bi nazadnje nabirali prah na naših podstrešjih. Nato so naše slike in videoposnetki šli v digitalno obliko, da bi spet nabirali prah v spodnjem delu naših računalnikov. In to je težava: večino slik in videoposnetkov, ki jih posnamemo, redko pogledamo.

Ko pa so se pojavili družbeni mediji, so nam spletna mesta, kot sta Flickr in Facebook, dala možnost, da delimo neskončno število slik z mrežo ljudi, za katere nam je mar, hkrati pa te slike (brezplačno) shranimo v samoorganizirajočem sistemu map ali časovnici. Medtem ko je ta socialni element, skupaj z miniaturnimi telefonskimi kamerami višjega cenovnega razreda, močno povečal število slik in videoposnetkov, ki jih ustvari povprečen človek, je tudi zmanjšal našo navado shranjevanja fotografij na naših zasebnih računalnikih, kar nas je spodbudilo k zasebnemu shranjevanju na spletu. ali javno.

Storitve v oblaku in sodelovanju. Glede na zadnji dve točki ostane le skromen besedilni dokument (in nekaj drugih nišnih vrst podatkov). Ti dokumenti so v primerjavi z večpredstavnostnimi dokumenti, o katerih smo pravkar razpravljali, običajno tako majhni, da njihovo shranjevanje v računalnik ne bo nikoli problem.

Vendar pa v našem vse bolj mobilnem svetu obstaja vse večja potreba po dostopu do dokumentov na poti. In tukaj se spet dogaja isti napredek, o katerem smo razpravljali pri glasbi – kjer smo dokumente najprej prevažali z uporabo disket, CD-jev in USB-jev, zdaj pa uporabljamo bolj priročno in potrošniško usmerjeno Cloud Storage storitve, kot sta Google Drive in Dropbox, ki shranjujejo naše dokumente v zunanjem podatkovnem centru, do katerega lahko varno dostopamo prek spleta. Storitve, kot so te, nam omogočajo dostop do naših dokumentov in njihovo skupno rabo kjer koli, kadar koli, v kateri koli napravi ali operacijskem sistemu.

Če smo pošteni, uporaba pretočnih storitev, družbenih medijev in storitev v oblaku ne pomeni nujno, da bomo vse preselili v oblak – nekatere stvari raje pustimo preveč zasebne in varne – vendar so te storitve zmanjšale in bodo še naprej zmanjšale, skupno količino fizičnega prostora za shranjevanje podatkov, ki ga potrebujemo iz leta v leto.

Zakaj je eksponentno več prostora za shranjevanje pomembno

Medtem ko povprečen posameznik vidi manjšo potrebo po več digitalnem pomnilniku, so v igri velike sile, ki ženejo Kryderjev zakon naprej.

Prvič, zaradi skoraj vsakoletnega seznama kršitev varnosti v številnih podjetjih za tehnološke in finančne storitve – od katerih vsaka ogroža digitalne podatke milijonov posameznikov – v javnosti upravičeno narašča zaskrbljenost glede zasebnosti podatkov. Odvisno od potreb posameznika lahko to spodbudi javno povpraševanje po večjih in cenejših možnostih shranjevanja podatkov za osebno uporabo, da bi se izognili odvisnosti od oblaka. Prihodnji posamezniki bodo morda celo vzpostavili zasebne strežnike za shranjevanje podatkov znotraj svojih domov, da se bodo povezali z zunanjimi, namesto da bi bili odvisni od strežnikov v lasti velikih tehnoloških podjetij.

Drug razlog je, da omejitve shranjevanja podatkov trenutno ovirajo napredek v številnih sektorjih od biotehnologije do umetne inteligence. Sektorji, ki so odvisni od kopičenja in obdelave velikih podatkov, morajo shranjevati vedno večje količine podatkov za inoviranje novih izdelkov in storitev.

Nato bodo do poznih 2020-ih internet stvari (IoT), avtonomna vozila, roboti, obogatena resničnost in druge tovrstne 'najboljše tehnologije' naslednje generacije spodbudile naložbe v tehnologijo za shranjevanje. Da bi te tehnologije delovale, bodo namreč morale imeti računalniško moč in zmogljivost shranjevanja, da bodo razumele svojo okolico in se odzvale v realnem času brez stalne odvisnosti od oblaka. Ta koncept podrobneje raziskujemo peto poglavje te serije.

Na koncu Internet stvari (popolnoma razloženo v našem Prihodnost interneta serije) bodo povzročile milijarde do trilijonov senzorjev, ki bodo sledili gibanju ali statusu milijard do trilijonov stvari. Ogromne količine podatkov, ki jih bodo proizvedli ti nešteti senzorji, bodo zahtevale učinkovito shranjevanje, preden jih bodo lahko učinkovito obdelali superračunalniki, ki jih bomo obravnavali ob koncu te serije.

Skratka, medtem ko bo povprečen človek čedalje bolj zmanjševal svojo potrebo po lastni strojni opremi za digitalno shranjevanje, bodo vsi na planetu še vedno imeli posredne koristi od neskončne zmogljivosti za shranjevanje, ki jo bodo ponujale tehnologije za digitalno shranjevanje v prihodnosti. Seveda, kot je bilo že omenjeno, je prihodnost shranjevanja v oblaku, a preden se lahko poglobimo v to temo, moramo najprej razumeti brezplačne revolucije, ki se dogajajo na strani obdelave (mikročipov) v računalniškem poslu – tema naslednjega poglavja.