Quantumrun

КРЕДИТ ЗОБРАЖЕННЯ: Quantumrun

Революція цифрових сховищ: майбутнє комп’ютерів P3

Девід Тал, видавець, футуролог
@DavidTalWrites
LinkedIn

Вт, 09 - 15:2020

Більшість із вас, хто читає це, мабуть, пам’ятає скромну дискету, і це солідні 1.44 Мб дискового простору. Дехто з вас, мабуть, позаздрив цьому одному другові, коли під час шкільного проекту він дістав перший флеш-накопичувач USB із його жахливими 8 МБ місця. Сьогодні магія зникла, і ми змучені. Один терабайт пам’яті є стандартним для більшості настільних комп’ютерів 2018 року, а Kingston навіть зараз продає USB-накопичувачі об’ємом один терабайт.

Наша одержимість сховищем зростає з кожним роком, оскільки ми споживаємо та створюємо все більше цифрового вмісту, будь то шкільний звіт, фотографія з подорожі, мікстейп вашої групи або відео GoPro, на якому ви катаєтеся на лижах у Вістлері. Інші тенденції, як-от поява Інтернету речей, лише прискорять гору даних, що виробляє світ, додаючи ще більше ракетного палива до попиту на цифрове зберігання.

Ось чому, щоб правильно обговорити зберігання даних, ми нещодавно вирішили відредагувати цей розділ, розділивши його на дві частини. Ця половина охоплюватиме технологічні інновації у зберіганні даних та їхній вплив на пересічних цифрових споживачів. Тим часом наступний розділ розповість про майбутню революцію в хмарі.

Інновації у зберіганні даних у розробці

(TL; DR – У наступному розділі описано нову технологію, яка дозволить зберігати все більші обсяги даних на все менших і ефективніших накопичувачах. Якщо вам байдужа технологія, а натомість ви хочете прочитати про ширше тенденції та вплив на зберігання даних, тоді ми рекомендуємо перейти до наступного підзаголовку.)

Багато з вас уже чули про закон Мура (спостереження про те, що кількість транзисторів у щільній інтегральній схемі подвоюється приблизно кожні два роки), але щодо накопичувачів у комп’ютерному бізнесі ми маємо закон Крайдера — по суті, наша здатність стискати дедалі більше бітів на жорстких дисках, що зменшуються, також подвоюється приблизно кожні 18 місяців. Це означає, що людина, яка витратила 1,500 доларів на 5 МБ 35 років тому, тепер може витратити 600 доларів на накопичувач на 6 ТБ.

Це вражаючий прогрес, і він не зупиниться найближчим часом.

У наведеному нижче списку є короткий огляд найближчих і довгострокових інновацій, які використовуватимуть виробники цифрових накопичувачів, щоб задовольнити наше спрагнене до зберігання суспільство.

Кращі жорсткі диски. До початку 2020-х років виробники продовжуватимуть створювати традиційні жорсткі диски (HDD), збільшуючи обсяг пам’яті, доки ми більше не зможемо створювати жорсткі диски більшої щільності. Методи, винайдені, щоб очолити це останнє десятиліття технології жорстких дисків, включають Дранкою магнітний запис (SMR), а потім Двовимірний магнітний запис (TDMR), і потенційно Магнітний запис за допомогою нагріву (HAMR).

Твердотільні жорсткі диски. На зміну традиційному жорсткому диску, згаданому вище, приходить твердотільний жорсткий диск (SATA SSD). На відміну від жорстких дисків, твердотільні накопичувачі не мають дисків, що обертаються, фактично, вони взагалі не мають рухомих частин. Це дозволяє SSD-накопичувачам працювати набагато швидше, меншого розміру та з більшою довговічністю, ніж їхні попередники. SSD вже є стандартом для сучасних ноутбуків і поступово стають стандартним обладнанням для більшості нових моделей настільних ПК. І хоча спочатку набагато дорожче, ніж HDD, їх ціна падає швидше, ніж жорсткі диски, а це означає, що до середини 2020-х їх продажі можуть повністю перевищити обсяги продажів жорстких дисків.

Також поступово впроваджуються твердотільні накопичувачі наступного покоління, виробники переходять від твердотільних накопичувачів SATA на твердотільні накопичувачі PCIe, які мають принаймні вшість разів більшу пропускну здатність, ніж диски SATA, і зростають.

Флеш-пам'ять стає 3D. Але якщо мета — швидкість, ніщо не зрівняється зі збереженням усього в пам’яті.

Жорсткі диски та SSD можна порівняти з вашою довгостроковою пам’яттю, тоді як флеш-пам’ять більше схожа на вашу короткочасну пам’ять. І як і вашому мозку, комп’ютер традиційно потребує обох типів пам’яті для функціонування. Традиційні персональні комп’ютери, які зазвичай називають оперативною пам’яттю (ОЗП), зазвичай постачаються з двома модулями оперативної пам’яті від 4 до 8 ГБ кожна. Тим часом такі найбільші гравці, як Samsung, тепер продають карти пам’яті 2.5D, які вміщують 128 ГБ кожна — дивовижно для запеклих геймерів, але більш практично для суперкомп’ютерів нового покоління.

Проблема з цими картами пам’яті полягає в тому, що вони стикаються з тими ж фізичними обмеженнями, що й жорсткі диски. Гірше того, чим менше транзисторів стає всередині оперативної пам’яті, тим гірше вони працюють з часом — транзистори стає важче стерти й точно записати, що зрештою наражається на продуктивність, що змушує їх замінювати новими флеш-пам’яттю. У світлі цього компанії починають створювати наступне покоління карт пам’яті:

3D NAND. Такі компанії, як Intel, Samsung, Micron, Hynix і Taiwan Semiconductor, наполягають на широкому впровадженні 3D NAND, який поєднує транзистори в трьох вимірах всередині мікросхеми.
Резистивна оперативна пам'ять (ОЗУ). Ця технологія використовує опір замість електричного заряду для зберігання бітів (0 і 1 с) пам’яті.
3D фішки. Це буде обговорено більш детально в наступному розділі серії, але коротко, 3D фішки спрямовані на поєднання обчислень і зберігання даних у вертикально розташованих шарах, тим самим підвищуючи швидкість обробки та зменшуючи споживання енергії.
Пам'ять зміни фази (PCM), техніка, що стоїть за PCM в основному нагріває та охолоджує халькогенідне скло, переводячи його між кристалізованим і некристалізованим станами, кожен з яких має свій унікальний електричний опір, що представляє двійкові 0 і 1. Після вдосконалення ця технологія прослужить набагато довше, ніж поточні варіанти RAM, і є енергонезалежною, тобто він може зберігати дані, навіть коли живлення вимкнено (на відміну від традиційної оперативної пам’яті).
Пам'ять з довільним доступом із перенесенням крутного моменту (STT-RAM). Потужний Франкенштейн, який поєднує в собі потенціал Динамічне ОЗУ зі швидкістю SRAM, а також покращену енергонезалежність і майже необмежену витривалість.
3D XPoint. За допомогою цієї технології замість того, щоб покладатися на транзистори для зберігання інформації, 3D Xpoint використовує мікроскопічну сітку дротів, скоординованих «селектором», які покладені один на одного. Після вдосконалення це може зробити революцію в галузі, оскільки 3D Xpoint є енергонезалежним, працюватиме в тисячі разів швидше, ніж флеш-пам’ять NAND, і в 10 разів щільніше, ніж DRAM.

Іншими словами, пам’ятаєте, коли ми казали: «Жорсткі диски та SSD можна порівняти з вашою довготривалою пам’яттю, тоді як флеш-пам’ять більше схожа на вашу короткочасну пам’ять»? Що ж, 3D Xpoint впорається з обома і зробить це краще, ніж кожен окремо.

Незалежно від того, який варіант переможе, усі ці нові форми флеш-пам’яті запропонують більший об’єм пам’яті, швидкість, витривалість та енергоефективність.

Інновації довгострокового зберігання. Тим часом, для тих випадків використання, де швидкість має значення менше, ніж збереження великих обсягів даних, наразі працюють нові теоретичні технології:

Стрічкові накопичувачі. Винайдені понад 60 років тому, ми спочатку використовували стрічкові накопичувачі для архівування податкових та медичних документів. Сьогодні ця технологія вдосконалюється майже на своєму теоретичному піку IBM встановлює рекорд заархівувавши 330 терабайт нестиснених даних (~330 мільйонів книг) у стрічковий картридж розміром із вашу руку.
Зберігання ДНК. Дослідники з Університету Вашингтона та Microsoft Research розробив систему для кодування, зберігання та отримання цифрових даних за допомогою молекул ДНК. Після вдосконалення ця система може одного дня архівувати інформацію в мільйони разів компактніше, ніж поточні технології зберігання даних.
Кілобайтна перезаписувана атомна пам'ять. Маніпулюючи окремими атомами хлору на плоскому листі міді, писали вчені повідомлення розміром 1 кілобайт із 500 терабітами на квадратний дюйм — приблизно в 100 разів більше інформації на квадратний дюйм, ніж найефективніший жорсткий диск на ринку.
5D зберігання даних. Ця спеціальна система зберігання даних, розроблена Університетом Саутгемптона, має ємність даних 360 ТБ/диск, термостабільність до 1,000°C і майже необмежений термін служби при кімнатній температурі (13.8 мільярдів років при 190°C). Іншими словами, 5D-сховище даних було б ідеальним для архівного використання в музеях і бібліотеках.

Програмно-визначена інфраструктура зберігання (SDS). Це не лише апаратне забезпечення для зберігання даних, яке зазнає інновацій, але й програмне забезпечення, яке його запускає, також переживає захоплюючий розвиток. SDS використовується в основному в комп’ютерних мережах великих компаній або хмарних службах зберігання даних, де дані зберігаються централізовано та доступ до них здійснюється через окремі підключені пристрої. По суті, він бере загальну ємність для зберігання даних у мережі та розділяє її між різними службами та пристроями, які працюють у мережі. Кращі системи SDS постійно кодуються для більш ефективного використання наявного (замість нового) обладнання для зберігання даних.

Чи знадобиться нам сховище в майбутньому?

Гаразд, технологія зберігання значно покращиться протягом наступних кількох десятиліть. Але те, що ми повинні розглянути, полягає в тому, яка різниця це має?

Звичайна людина ніколи не використає терабайт пам’яті, доступний зараз в останніх моделях настільних комп’ютерів. А ще через два-чотири роки у вашому наступному смартфоні буде достатньо місця для зберігання фотографій і відео протягом року без необхідності весняного чищення пристрою. Звичайно, є меншість людей, які люблять накопичувати величезні обсяги даних на своїх комп’ютерах, але для решти з нас існує ряд тенденцій, які зменшують нашу потребу у надмірному приватному дисковому просторі.

Потокові послуги. Колись у наші музичні колекції збирали платівки, потім касети, потім диски. У 90-х роках пісні оцифрували у форматі MP3, щоб їх накопичували тисячі (спочатку через торренти, потім усе більше й більше через цифрові магазини, такі як iTunes). Тепер замість того, щоб зберігати та впорядковувати музичну колекцію на домашньому комп’ютері чи телефоні, ми можемо транслювати нескінченну кількість пісень і слухати їх де завгодно через такі сервіси, як Spotify та Apple Music.

Цей прогрес спочатку зменшив фізичний простір, який займала музика вдома, а потім цифровий простір на комп’ютері. Тепер це все можна замінити зовнішньою службою, яка надає вам дешевий і зручний будь-де/будь-коли доступ до всієї музики, яку ви можете забажати. Звичайно, у більшості з вас, хто читає це, ймовірно, все ще валяється кілька компакт-дисків, більшість все ще матиме солідну колекцію MP3 на своєму комп’ютері, але наступне покоління користувачів комп’ютерів не витрачатиме час на заповнення комп’ютерів музикою, яку вони зможуть отримати вільний доступ онлайн.

Очевидно, скопіюйте все, що я щойно сказав про музику, і застосуйте це до кіно та телебачення (привіт, Netflix!), і економія особистої пам’яті продовжуватиме зростати.

соціальні медіа. Музика, фільми та телевізійні шоу все менше і менше забивають наші персональні комп’ютери, наступною найбільшою формою цифрового вмісту є особисті фотографії та відео. Знову ж таки, ми звикли створювати фотографії та відео фізично, щоб зрештою збирати пил на наших горищах. Потім наші фотографії та відео стали цифровими, щоб знову припадати пилом у піддонах наших комп’ютерів. І в цьому проблема: ми рідко переглядаємо більшість фотографій і відео, які робимо.

Але після появи соціальних медіа такі сайти, як Flickr і Facebook, дали нам можливість ділитися нескінченною кількістю фотографій із мережею людей, які нам не байдужі, а також зберігати ці фотографії (безкоштовно) у самоорганізованій системі папок або часовій шкалі. Хоча цей соціальний елемент у поєднанні з мініатюрними камерами телефонів високого класу значно збільшив кількість фотографій і відео, створених звичайною людиною, він також зменшив нашу звичку зберігати фотографії на наших приватних комп’ютерах, спонукаючи нас зберігати їх онлайн, приватно. або публічно.

Хмарні сервіси та служби співпраці. Враховуючи останні два пункти, залишається лише скромний текстовий документ (і кілька інших спеціальних типів даних). Ці документи, порівняно з мультимедіа, які ми щойно обговорювали, зазвичай настільки малі, що зберігати їх на комп’ютері ніколи не буде проблемою.

Однак у нашому все більш мобільному світі зростає попит на доступ до документів у дорозі. І тут знову відбувається той самий прогрес, який ми обговорювали з музикою — коли спочатку ми транспортували документи за допомогою дискет, компакт-дисків і USB, тепер ми використовуємо більш зручні та орієнтовані на споживача Cloud Storage такі служби, як Google Drive і Dropbox, які зберігають наші документи у зовнішньому центрі обробки даних, щоб ми могли безпечно отримувати доступ в Інтернеті. Такі служби дозволяють нам отримувати доступ до документів і ділитися ними будь-де, будь-коли, на будь-якому пристрої чи операційній системі.

Чесно кажучи, використання потокових служб, соціальних медіа та хмарних служб не обов’язково означає, що ми перенесемо все в хмару — деякі речі ми вважаємо за краще залишати занадто конфіденційними та безпечними, — але ці служби скоротили, і продовжуватимуть скорочувати, загальний обсяг фізичного простору для зберігання даних, який нам потрібно мати з року в рік.

Чому експоненціально більше місця для зберігання має значення

Хоча пересічній людині може бути менше потрібно більше цифрового сховища, діють великі сили, які просувають закон Крайдера.

По-перше, через майже щорічний список порушень безпеки в ряді компаній, що надають технічні та фінансові послуги, кожна з яких ставить під загрозу цифрову інформацію мільйонів людей, стурбованість щодо конфіденційності даних справедливо зростає серед громадськості. Залежно від індивідуальних потреб це може стимулювати громадський попит на більші та дешевші варіанти зберігання даних для особистого використання, щоб уникнути залежності від хмари. Майбутні люди можуть навіть створити приватні сервери зберігання даних у своїх домівках, щоб підключитися до них іззовні, а не залежати від серверів, що належать великим технологічним компаніям.

Ще одна міркування полягає в тому, що обмеження щодо зберігання даних наразі блокують прогрес у низці секторів від біотехнологій до штучного інтелекту. Сектори, які залежать від накопичення та обробки великих даних, потребують зберігання все більших обсягів даних для інноваційних продуктів і послуг.

Далі, до кінця 2020-х років, Інтернет речей (IoT), автономні транспортні засоби, роботи, доповнена реальність та інші подібні «передові технології» нового покоління стимулюватимуть інвестиції в технології зберігання. Це пояснюється тим, що для того, щоб ці технології працювали, їм знадобиться обчислювальна потужність і ємність для зберігання, щоб розуміти оточення та реагувати в реальному часі без постійної залежності від хмари. Ми досліджуємо цю концепцію далі розділ п'ятий цієї серії.

Нарешті, Інтернет речей (повне пояснення в нашому Майбутнє Інтернету серія) призведе до появи від мільярдів до трильйонів датчиків, які відстежуватимуть рух або стан від мільярдів до трильйонів речей. Величезні обсяги даних, які вироблятимуть ці незліченні датчики, вимагатимуть ефективної ємності для зберігання, перш ніж їх зможуть ефективно обробити суперкомп’ютери, про які ми розповімо в кінці цієї серії.

Загалом, незважаючи на те, що пересічна людина дедалі більше зменшуватиме потребу в особистому цифровому сховищі, усі на планеті все одно матимуть непряму вигоду від нескінченної ємності, яку запропонують майбутні технології цифрового зберігання. Звичайно, як натякалося раніше, майбутнє зберігання даних — за хмарою, але перш ніж ми зможемо глибоко зануритися в цю тему, нам спочатку потрібно зрозуміти безкоштовні революції, які відбуваються на стороні обробки (мікрочіпів) комп’ютерного бізнесу — тема наступного розділу.