Quantumrun

BILDKREDIT: Quantumrun

Den digitala lagringsrevolutionen: Future of Computers P3

David Tal, Förläggare, Futurist
@DavidTalWrites
LinkedIn

Tis, 09 / 15 / 2020 - 15: 43

De flesta av er som läser det här kommer förmodligen ihåg den ödmjuka disketten och den har rejäla 1.44 MB diskutrymme. En del av er var förmodligen avundsjuka på den där vännen när han tog fram den första USB-minnet, med dess monstruösa 8 MB utrymme, under ett skolprojekt. Nuförtiden är magin borta och vi har blivit trötta. En terabyte minne är standard i de flesta 2018-datorer – och Kingston säljer till och med en terabyte USB-enheter nu.

Vår besatthet av lagring växer år för år när vi konsumerar och skapar allt mer digitalt innehåll, oavsett om det är en skolrapport, resefoto, ditt bands mixtape eller en GoPro-video där du åker skidor nerför Whistler. Andra trender som det framväxande Internet of Things kommer bara att påskynda berget av data som världen producerar, och lägga till ytterligare raketbränsle till efterfrågan på digital lagring

Det är därför vi, för att diskutera datalagring ordentligt, nyligen bestämde oss för att redigera detta kapitel genom att dela upp det i två. Denna halva kommer att täcka de tekniska innovationerna inom datalagring och dess inverkan på genomsnittliga digitala konsumenter. Under tiden kommer nästa kapitel att täcka den kommande revolutionen i molnet.

Datalagringsinnovationer i pipeline

(TL;DR - Följande avsnitt beskriver den nya tekniken som kommer att möjliggöra att allt större mängder data kan lagras på allt mindre och effektivare lagringsenheter. Om du inte bryr dig om tekniken, utan istället vill läsa om den bredare trender och effekter kring datalagring, då rekommenderar vi att du hoppar till nästa underrubrik.)

Många av er har redan hört talas om Moores lag (observationen att antalet transistorer i en tät integrerad krets fördubblas ungefär vartannat år), men på lagringssidan av datorbranschen har vi Kryders lag – i grunden vår förmåga att klämma allt fler bitar i krympande hårddiskar fördubblas också ungefär var 18:e månad. Det betyder att personen som spenderade $1,500 5 för 35MB för 600 år sedan nu kan spendera $6 för en XNUMXTB-enhet.

Det här är ett imponerande framsteg, och det slutar inte snart.

Följande lista är en kort inblick i de innovationer på kort och lång sikt som tillverkare av digitallagring kommer att använda för att tillfredsställa vårt lagringshungriga samhälle.

Bättre hårddiskar. Fram till början av 2020-talet kommer tillverkare att fortsätta bygga traditionella hårddiskar (HDD) och packa in mer minneskapacitet tills vi inte längre kan bygga hårddiskar tätare. Teknikerna som uppfanns för att leda detta sista decennium av HDD-teknik inkluderar Shingled Magnetic Recording (SMR), följt av Tvådimensionell magnetisk inspelning (TDMR), och eventuellt Värmeassisterad magnetisk inspelning (HAMR).

Solid State hårddiskar. Att ersätta den traditionella hårddisken som nämns ovan är solid state-hårddisken (SATA SSD). Till skillnad från hårddiskar har SSD:er inga snurrande skivor – i själva verket har de inga rörliga delar alls. Detta gör att SSD:er kan fungera mycket snabbare, i mindre storlekar och med mer hållbarhet än deras föregångare. SSD:er är redan en standard på dagens bärbara datorer och blir gradvis standardhårdvara på de flesta nya stationära modeller. Och medan ursprungligen mycket dyrare än hårddiskar, deras priset faller snabbare än hårddiskar, vilket betyder att deras försäljning kan gå om hårddiskar direkt i mitten av 2020-talet.

Nästa generations SSD-enheter introduceras också gradvis, med tillverkare som går över från SATA SSD-enheter till PCIe SSD-enheter som har minst sex gånger så stor bandbredd som SATA-enheter och växer.

Flash-minnet går i 3D. Men om hastigheten är målet är det inget som slår att lagra allt i minnet.

Hårddiskar och SSD:er kan jämföras med ditt långtidsminne, medan flash är mer likt ditt korttidsminne. Och precis som din hjärna behöver en dator traditionellt båda typerna av lagring för att fungera. Vanligtvis kallad RAM-minne, traditionella persondatorer tenderar att levereras med två RAM-minnen på 4 till 8 GB vardera. Samtidigt säljer de tyngsta spelare som Samsung nu 2.5D-minneskort som rymmer 128 GB vardera – fantastiskt för hardcore-spelare, men mer praktiskt för nästa generations superdatorer.

Utmaningen med dessa minneskort är att de stöter på samma fysiska begränsningar som hårddiskar står inför. Ännu värre, ju mindre transistorer blir inuti RAM, desto sämre presterar de med tiden – transistorerna blir svårare att radera och skriva exakt, och så småningom träffar de en prestandavägg som tvingar dem att ersätta dem med nya RAM-pinnar. Mot bakgrund av detta börjar företag bygga nästa generations minneskort:

3D NAND. Företag som Intel, Samsung, Micron, Hynix och Taiwan Semiconductor pressar på för en omfattande användning av 3D NAND, som staplar transistorer i tre dimensioner inuti ett chip.
Resistivt Random Access Memory (Bagge). Den här tekniken använder motstånd istället för en elektrisk laddning för att lagra bitar (0:or och 1:or) av minne.
3D-chips. Detta kommer att diskuteras mer i detalj i nästa seriekapitel, men i korthet, 3D-chips syftar till att kombinera datorer och datalagring i vertikalt staplade lager, och därigenom förbättra bearbetningshastigheterna och minska energiförbrukningen.
Phase Change Memory (PCM). De tekniken bakom PCM värmer och kyler i princip kalkogenidglas och växlar det mellan kristalliserade till icke-kristalliserade tillstånd, var och en med sina unika elektriska resistanser som representerar de binära 0 och 1. När den väl är fulländad kommer denna teknik att hålla mycket längre än nuvarande RAM-varianter och är icke-flyktig, vilket innebär den kan lagra data även när strömmen är avstängd (till skillnad från traditionellt RAM).
Spin-Transfer Torque Random Access Memory (STT-RAM). En kraftfull Frankenstein som kombinerar kapaciteten av DRAM med hastigheten på SRAM, tillsammans med förbättrad icke-flyktighet och nästan obegränsad uthållighet.
3D XPoint. Med denna teknik, istället för att förlita sig på transistorer för att lagra information, 3D Xpoint använder ett mikroskopiskt nät av trådar, koordinerade av en "väljare" som staplas ovanpå varandra. När det väl är fulländat kan detta revolutionera branschen eftersom 3D Xpoint är icke-flyktigt, kommer att fungera tusentals gånger snabbare än NAND-blixt och 10 gånger tätare än DRAM.

Med andra ord, kom ihåg när vi sa "Hårddiskar och SSD:er kan jämföras med ditt långtidsminne, medan flash är mer likt ditt korttidsminne"? Tja, 3D Xpoint kommer att hantera båda och göra det bättre än båda än var för sig.

Oavsett vilket alternativ som vinner kommer alla dessa nya former av flashminne att erbjuda mer minneskapacitet, hastighet, uthållighet och energieffektivitet.

Långsiktiga lagringsinnovationer. Under tiden, för de användningsfall där hastigheten spelar mindre roll än bevarandet av stora mängder data, är ny och teoretisk teknik för närvarande på gång:

Bandenheter. Uppfunnet för över 60 år sedan använde vi ursprungligen bandenheter för att arkivera skatte- och sjukvårdsdokument. Idag fulländas denna teknik nära sin teoretiska topp med IBM sätter rekord genom att arkivera 330 terabyte okomprimerad data (~330 miljoner böcker) i en bandkassett ungefär lika stor som din hand.
DNA-lagring. Forskare från University of Washington och Microsoft Research utvecklat ett system att koda, lagra och hämta digital data med hjälp av DNA-molekyler. När det väl är fulländat kan det här systemet en dag arkivera information miljontals gånger mer kompakt än nuvarande datalagringsteknik.
Kilobyte omskrivbart atomminne. Genom att manipulera enskilda kloratomer på ett platt kopparark, skrev forskare ett meddelande på 1 kilobyte med 500 terabit per kvadrattum – ungefär 100 gånger mer information per kvadrattum än den mest effektiva hårddisken på marknaden.
5D datalagring. Detta speciallagringssystem, med University of Southampton i spetsen, har 360 TB/skiva datakapacitet, termisk stabilitet upp till 1,000 13.8°C och en nästan obegränsad livslängd vid rumstemperatur (190 miljarder år vid 5°C). Med andra ord skulle XNUMXD-datalagring vara idealisk för arkivering på museer och bibliotek.

Software-Defined Storage Infrastructure (SDS). Det är inte bara lagringshårdvara som ser innovation, utan mjukvaran som kör den genomgår också spännande utveckling. SDS används mest i stora företags datanätverk eller molnlagringstjänster där data lagras centralt och nås via individuella, uppkopplade enheter. Det tar i princip den totala mängden datalagringskapacitet i ett nätverk och separerar den mellan de olika tjänsterna och enheterna som körs på nätverket. Bättre SDS-system kodas hela tiden för att mer effektivt kunna använda befintlig (istället för ny) lagringshårdvara.

Kommer vi ens behöva lagring i framtiden?

Okej, så lagringstekniken kommer att förbättras mycket under de kommande decennierna. Men det vi måste tänka på är, vilken skillnad gör det ändå?

Den genomsnittliga personen kommer aldrig att använda upp den terabyte lagringsutrymme som nu finns tillgängligt i de senaste stationära datormodellerna. Och om ytterligare två till fyra år kommer din nästa smartphone att ha tillräckligt med lagringsutrymme för att samla ett års värde av bilder och videor utan att behöva vårrengöra din enhet. Visst, det finns en minoritet av människor där ute som gillar att samla enorma mängder data på sina datorer, men för resten av oss finns det ett antal trender som minskar vårt behov av överdrivet stort, privatägt disklagringsutrymme.

Streaming-tjänster. En gång i tiden handlade våra musiksamlingar om att samla på skivor, sedan kassetter och sedan cd-skivor. På 90-talet digitaliserades låtar till MP3-filer för att hamstras i tusental (först genom torrents, sedan mer och mer genom digitala butiker som iTunes). Nu, istället för att behöva lagra och organisera en musiksamling på din hemdator eller telefon, kan vi streama ett oändligt antal låtar och lyssna på dem var som helst genom tjänster som Spotify och Apple Music.

Denna utveckling minskade först det fysiska utrymmet som musik tog upp hemma, sedan det digitala utrymmet på din dator. Nu kan allt ersättas av en extern tjänst som ger dig billigt och bekvämt, var som helst/när som helst tillgång till all musik du kan önska. Naturligtvis har de flesta av er som läser detta förmodligen fortfarande några cd-skivor liggandes, de flesta kommer fortfarande att ha en solid samling MP3-filer på sin dator, men nästa generation datoranvändare kommer inte att slösa bort sin tid på att fylla sina datorer med musik de kan åtkomst fritt online.

Uppenbarligen, kopiera allt jag just sa om musik och använd det på film och tv (hej, Netflix!) och besparingarna på personlig lagring fortsätter att växa.

Sociala medier. Med musik, film och TV-program som täpper till allt mindre av våra persondatorer, är den näst största formen av digitalt innehåll personliga bilder och videor. Återigen brukade vi producera bilder och videor fysiskt, i slutändan för att samla damm på våra vindar. Sedan blev våra bilder och videor digitala, bara för att återigen samla damm i de nedre delarna av våra datorer. Och det är problemet: Vi tittar sällan på de flesta bilder och videor vi tar.

Men efter att sociala medier hände gav sajter som Flickr och Facebook oss möjligheten att dela ett oändligt antal bilder med ett nätverk av människor vi bryr oss om, samtidigt som de lagrade bilderna (gratis) i ett självorganiserande mappsystem eller tidslinje. Även om detta sociala element, i kombination med avancerade telefonkameror i miniatyr, avsevärt ökade antalet bilder och video som producerades av den genomsnittliga personen, minskade det också vår vana att lagra bilder på våra privata datorer, vilket uppmuntrade oss att lagra dem online, privat. eller offentligt.

Moln och samarbetstjänster. Med tanke på de två sista punkterna finns bara det ödmjuka textdokumentet (och några andra nischdatatyper) kvar. Dessa dokument, jämfört med de multimedia vi just diskuterade, är vanligtvis så små att det aldrig kommer att vara ett problem att lagra dem på din dator.

Men i vår allt mer mobila värld finns det en växande efterfrågan på att få tillgång till dokument när du är på språng. Och här igen, samma progression som vi diskuterade med musik sker här – där vi först transporterade dokument med hjälp av disketter, CD-skivor och USB-enheter, nu använder vi mer bekväma och konsumentinriktade Cloud Storage tjänster, som Google Drive och Dropbox, som lagrar våra dokument i ett externt datacenter så att vi kan komma åt dem på ett säkert sätt online. Tjänster som dessa tillåter oss att komma åt och dela våra dokument var som helst, när som helst, på vilken enhet eller operativsystem som helst.

För att vara rättvis, att använda streamingtjänster, sociala medier och molntjänster betyder inte nödvändigtvis att vi kommer att flytta allt till molnet – vissa saker föredrar vi att hålla alltför privata och säkra – men dessa tjänster har minskat och kommer att fortsätta minska, den totala mängden fysiskt datalagringsutrymme vi behöver äga år för år.

Varför exponentiellt mer lagring betyder något

Medan den genomsnittliga individen kan se mindre behov av mer digital lagring, finns det stora krafter på spel som driver Kryders lag framåt.

För det första, på grund av den nästan årliga listan över säkerhetsintrång i en rad tekniska och finansiella tjänsteföretag – var och en som äventyrar den digitala informationen för miljontals individer – växer oron över datasekretess med rätta bland allmänheten. Beroende på individuella behov kan detta leda till att allmänheten efterfrågar större och billigare datalagringsalternativ för personligt bruk att undvika beroende på molnet. Framtida individer kan till och med sätta upp privata datalagringsservrar i sina hem för att ansluta till externt istället för att vara beroende av servrar som ägs av de stora teknikföretagen.

En annan faktor är att datalagringsbegränsningar för närvarande blockerar framsteg inom ett antal sektorer från bioteknik till artificiell intelligens. Sektorer som är beroende av ackumulering och bearbetning av big data behöver lagra allt större mängder data för att förnya nya produkter och tjänster.

Sedan, i slutet av 2020-talet, kommer Internet of Things (IoT), autonoma fordon, robotar, förstärkt verklighet och andra sådana nästa generations "edge-teknologier" att stimulera investeringar i lagringsteknik. Detta beror på att för att dessa tekniker ska fungera måste de ha datorkraft och lagringskapacitet för att förstå sin omgivning och reagera i realtid utan ett konstant beroende av molnet. Vi utforskar detta koncept längre in kapitel fem av den här serien.

Slutligen, Sakernas Internet (förklaras fullständigt i vår Internets framtid serie) kommer att resultera i miljarder till biljoner sensorer som spårar rörelsen eller statusen för miljarder till biljoner saker. De enorma mängder data som dessa otaliga sensorer kommer att producera kommer att kräva effektiv lagringskapacitet innan den effektivt kan bearbetas av superdatorerna vi kommer att täcka mot slutet av denna serie.

Allt som allt, medan den genomsnittliga personen i allt högre grad kommer att minska sitt behov av personligt ägd, digital lagringshårdvara, kommer alla på planeten fortfarande att dra indirekt nytta av den oändliga lagringskapacitet som framtida digitala lagringstekniker kommer att erbjuda. Naturligtvis, som antytts tidigare, ligger framtiden för lagring i molnet, men innan vi kan dyka djupt in i det ämnet måste vi först förstå de kompletterande revolutionerna som sker på bearbetningssidan (mikrochip) av datorbranschen – ämne för nästa kapitel.