lượng tử

TÍN DỤNG HÌNH ẢNH: lượng tử

Cuộc cách mạng lưu trữ kỹ thuật số: Tương lai của Máy tính P3

David Tal, Nhà xuất bản, Người theo chủ nghĩa vị lai
@DavidTalWrites
LinkedIn

Thứ Ba, 09/15/2020 - 15:43

Chắc hẳn hầu hết các bạn đang đọc bài này đều nhớ đến chiếc đĩa mềm khiêm tốn và dung lượng ổ cứng 1.44 MB. Một số bạn có lẽ đã ghen tị với một người bạn đó khi anh ấy lấy ra ổ USB đầu tiên, với dung lượng 8MB khổng lồ của nó, trong một dự án ở trường. Ngày nay, phép thuật không còn nữa, và chúng tôi trở nên mệt mỏi. Một terabyte bộ nhớ là tiêu chuẩn trong hầu hết các máy tính để bàn năm 2018 — và Kingston thậm chí còn bán một ổ USB terabyte ngay bây giờ.

Nỗi ám ảnh của chúng tôi về dung lượng lưu trữ tăng dần qua từng năm khi chúng tôi sử dụng và tạo ra nhiều nội dung kỹ thuật số hơn bao giờ hết, cho dù đó là báo cáo của trường học, ảnh du lịch, băng từ của ban nhạc hay video GoPro quay cảnh bạn trượt xuống Whistler. Các xu hướng khác như Internet of Things đang nổi lên sẽ chỉ đẩy nhanh núi dữ liệu mà thế giới sản xuất, bổ sung thêm nhiên liệu tên lửa cho nhu cầu lưu trữ kỹ thuật số

Đây là lý do tại sao để thảo luận về việc lưu trữ dữ liệu đúng cách, gần đây chúng tôi đã quyết định chỉnh sửa chương này bằng cách tách nó ra làm hai. Nửa này sẽ bao gồm những đổi mới công nghệ trong lưu trữ dữ liệu và tác động của nó đối với người tiêu dùng kỹ thuật số trung bình. Trong khi đó, chương tiếp theo sẽ đề cập đến cuộc cách mạng sắp tới trong đám mây.

Những đổi mới về lưu trữ dữ liệu trong quá trình phát triển

(TL; DR - Phần sau đây phác thảo công nghệ mới sẽ cho phép lưu trữ số lượng dữ liệu lớn hơn bao giờ hết vào các ổ lưu trữ nhỏ hơn và hiệu quả hơn. Nếu bạn không quan tâm đến công nghệ mà thay vào đó muốn đọc về rộng hơn các xu hướng và tác động xung quanh việc lưu trữ dữ liệu, thì chúng tôi khuyên bạn nên chuyển sang tiêu đề phụ tiếp theo.)

Nhiều người trong số các bạn đã nghe nói về Định luật Moore (nhận xét rằng số lượng bóng bán dẫn trong một mạch tích hợp dày đặc tăng gấp đôi khoảng hai năm một lần), nhưng về khía cạnh lưu trữ của doanh nghiệp máy tính, chúng ta có Định luật Kryder — về cơ bản, khả năng của chúng ta ngày càng nhiều bit vào ổ cứng thu nhỏ cũng tăng gấp đôi khoảng 18 tháng một lần. Điều đó có nghĩa là một người đã chi 1,500 đô la cho 5MB 35 năm trước đây có thể chi 600 đô la cho một ổ 6TB.

Đây là một tiến bộ đáng kinh ngạc và nó sẽ không sớm dừng lại.

Danh sách sau đây là một cái nhìn ngắn gọn về những đổi mới gần và lâu dài mà các nhà sản xuất lưu trữ kỹ thuật số sẽ sử dụng để đáp ứng xã hội đói lưu trữ của chúng ta.

Ổ đĩa cứng tốt hơn. Cho đến đầu những năm 2020, các nhà sản xuất sẽ tiếp tục chế tạo ổ đĩa cứng truyền thống (HDD), tích hợp nhiều dung lượng bộ nhớ hơn cho đến khi chúng ta không thể chế tạo ổ cứng dày đặc hơn nữa. Các kỹ thuật được phát minh để dẫn đầu thập kỷ cuối cùng của công nghệ HDD bao gồm Ghi âm từ Shingled (SMR), tiếp theo là Ghi từ tính hai chiều (TDMR) và có khả năng Ghi âm từ tính hỗ trợ nhiệt (HAMR).

Ổ cứng trạng thái rắn. Thay thế ổ đĩa cứng truyền thống đã nêu ở trên là ổ cứng thể rắn (SSD SATA). Không giống như HDD, SSD không có bất kỳ đĩa quay nào — trên thực tế, chúng hoàn toàn không có bất kỳ bộ phận chuyển động nào. Điều này cho phép SSD hoạt động nhanh hơn nhiều, ở kích thước nhỏ hơn và có độ bền cao hơn so với phiên bản tiền nhiệm. SSD đã là một tiêu chuẩn trên máy tính xách tay ngày nay và đang dần trở thành phần cứng tiêu chuẩn trên hầu hết các mẫu máy tính để bàn mới. Và mặc dù ban đầu đắt hơn nhiều so với ổ cứng, nhưng giá giảm nhanh hơn ổ cứng, có nghĩa là doanh số của họ có thể vượt qua HDD hoàn toàn vào giữa những năm 2020.

Ổ cứng SSD thế hệ tiếp theo cũng đang dần được giới thiệu, với các nhà sản xuất chuyển từ SSD SATA sang SSD PCIe có băng thông ít nhất gấp sáu lần so với ổ SATA và ngày càng phát triển.

Bộ nhớ flash chuyển sang 3D. Nhưng nếu tốc độ là mục tiêu, không gì có thể đánh bại việc lưu trữ mọi thứ trong bộ nhớ.

HDD và SSD có thể được so sánh với bộ nhớ dài hạn của bạn, trong khi flash giống với bộ nhớ ngắn hạn của bạn hơn. Và cũng giống như bộ não của bạn, máy tính theo truyền thống cần cả hai loại bộ nhớ để hoạt động. Thường được gọi là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), máy tính cá nhân truyền thống có xu hướng đi kèm với hai thanh RAM với dung lượng 4 đến 8GB cho mỗi thanh. Trong khi đó, những công ty lớn nhất như Samsung hiện đang bán thẻ nhớ 2.5D có dung lượng 128 GB mỗi thẻ — tuyệt vời cho các game thủ hạng nặng, nhưng thực tế hơn cho các siêu máy tính thế hệ tiếp theo.

Thách thức với những thẻ nhớ này là chúng đang gặp phải những trở ngại vật lý mà đĩa cứng đang phải đối mặt. Tệ hơn nữa, các bóng bán dẫn nhỏ hơn trở nên bên trong RAM, chúng hoạt động kém hơn theo thời gian — các bóng bán dẫn khó xóa và ghi chính xác hơn, cuối cùng chạm vào một bức tường hiệu suất buộc phải thay thế chúng bằng các thanh RAM mới. Vì vậy, các công ty đang bắt đầu xây dựng thế hệ thẻ nhớ tiếp theo:

NỀN TẢNG. Các công ty như Intel, Samsung, Micron, Hynix và Taiwan Semiconductor đang thúc đẩy việc áp dụng trên diện rộng NỀN TẢNG, xếp các bóng bán dẫn thành ba chiều bên trong một con chip.
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở (RAM). Công nghệ này sử dụng điện trở thay vì điện tích để lưu trữ các bit (0 và 1) của bộ nhớ.
Chip 3D. Điều này sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong chương tiếp theo của loạt bài, nhưng tóm lại, Chip 3D nhằm mục đích kết hợp tính toán và lưu trữ dữ liệu trong các lớp xếp chồng lên nhau theo chiều dọc, do đó cải thiện tốc độ xử lý và giảm tiêu thụ năng lượng.
Bộ nhớ thay đổi pha (PCM). Các công nghệ đằng sau PCM về cơ bản làm nóng và làm nguội thủy tinh chalcogenide, chuyển nó giữa các trạng thái kết tinh sang không kết tinh, mỗi trạng thái có điện trở riêng đại diện cho hệ nhị phân 0 và 1. Sau khi hoàn thiện, công nghệ này sẽ tồn tại lâu hơn nhiều so với các biến thể RAM hiện tại và không bay hơi, nghĩa là nó có thể giữ dữ liệu ngay cả khi tắt nguồn (không giống như RAM truyền thống).
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên mô-men xoắn truyền spin (STT-RAM). Một Frankenstein mạnh mẽ kết hợp khả năng của DRAM với tốc độ của SRAM, cùng với khả năng không biến động được cải thiện và độ bền gần như không giới hạn.
3D XPoint. Với công nghệ này, thay vì dựa vào bóng bán dẫn để lưu trữ thông tin, Điểm 3D sử dụng một lưới siêu nhỏ gồm các dây, được điều phối bởi một "bộ chọn" được xếp chồng lên nhau. Sau khi được hoàn thiện, điều này có thể cách mạng hóa ngành vì 3D Xpoint không bay hơi, sẽ hoạt động nhanh hơn NAND flash hàng nghìn lần và dày đặc hơn 10 lần so với DRAM.

Nói cách khác, hãy nhớ khi chúng tôi đã nói “HDD và SSD có thể được so sánh với bộ nhớ dài hạn của bạn, trong khi flash giống với bộ nhớ ngắn hạn của bạn hơn”? Chà, 3D Xpoint sẽ xử lý cả hai và làm như vậy tốt hơn so với một trong hai.

Bất kể tùy chọn nào chiến thắng, tất cả các dạng bộ nhớ flash mới này sẽ cung cấp thêm dung lượng bộ nhớ, tốc độ, độ bền và hiệu quả sử dụng năng lượng.

Đổi mới lưu trữ dài hạn. Trong khi đó, đối với những trường hợp sử dụng mà tốc độ không quan trọng hơn việc lưu giữ một lượng lớn dữ liệu, các công nghệ mới và lý thuyết hiện đang được thực hiện:

Ổ băng. Được phát minh cách đây hơn 60 năm, ban đầu chúng tôi sử dụng ổ băng để lưu trữ các tài liệu về thuế và chăm sóc sức khỏe. Ngày nay, công nghệ này đang được hoàn thiện gần đỉnh lý thuyết của nó với IBM lập kỷ lục bằng cách lưu trữ 330 terabyte dữ liệu không nén (~ 330 triệu cuốn sách) vào một hộp băng có kích thước vừa bằng bàn tay của bạn.
Lưu trữ DNA. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Washington và Nghiên cứu của Microsoft phát triển một hệ thống để mã hóa, lưu trữ và truy xuất dữ liệu kỹ thuật số bằng cách sử dụng các phân tử DNA. Sau khi hoàn thiện, một ngày nào đó hệ thống này có thể lưu trữ thông tin nhỏ gọn hơn hàng triệu lần so với các công nghệ lưu trữ dữ liệu hiện tại.
Bộ nhớ nguyên tử có thể ghi lại Kilobyte. Bằng cách điều khiển các nguyên tử clo riêng lẻ trên một tấm đồng phẳng, các nhà khoa học đã viết một tin nhắn 1 kilobyte ở 500 terabit trên inch vuông — nhiều hơn khoảng 100 lần thông tin trên mỗi inch vuông so với ổ cứng hiệu quả nhất trên thị trường.
Lưu trữ dữ liệu 5D. Hệ thống lưu trữ đặc biệt này, do Đại học Southampton dẫn đầu, có dung lượng dữ liệu 360 TB / đĩa, độ ổn định nhiệt lên đến 1,000 ° C và tuổi thọ gần như không giới hạn ở nhiệt độ phòng (13.8 tỷ năm ở 190 ° C). Nói cách khác, lưu trữ dữ liệu 5D sẽ lý tưởng cho việc sử dụng lưu trữ tại các viện bảo tàng và thư viện.

Cơ sở hạ tầng lưu trữ do phần mềm xác định (SDS). Không chỉ phần cứng lưu trữ được đổi mới mà phần mềm chạy nó cũng đang trải qua quá trình phát triển thú vị. SDS được sử dụng hầu hết trong các mạng máy tính của công ty lớn hoặc các dịch vụ lưu trữ đám mây, nơi dữ liệu được lưu trữ tập trung và được truy cập thông qua các thiết bị cá nhân được kết nối. Về cơ bản, nó lấy tổng dung lượng lưu trữ dữ liệu trong mạng và phân tách nó giữa các dịch vụ và thiết bị khác nhau chạy trên mạng. Các hệ thống SDS tốt hơn luôn được mã hóa để sử dụng hiệu quả hơn phần cứng lưu trữ hiện có (thay vì mới).

Chúng ta thậm chí sẽ cần bộ nhớ trong tương lai?

Được rồi, vì vậy công nghệ lưu trữ sẽ được cải thiện rất nhiều trong vài thập kỷ tới. Nhưng điều chúng ta phải xem xét là, điều đó tạo nên sự khác biệt nào?

Người bình thường sẽ không bao giờ sử dụng hết terabyte dung lượng lưu trữ hiện có trong các mẫu máy tính để bàn mới nhất. Và trong hai đến bốn năm nữa, điện thoại thông minh tiếp theo của bạn sẽ có đủ dung lượng lưu trữ để chứa nhiều hình ảnh và video đáng giá của một năm mà không cần phải dọn dẹp thiết bị của bạn vào mùa xuân. Chắc chắn, có một số ít người ngoài kia thích chứa một lượng lớn dữ liệu trên máy tính của họ, nhưng đối với phần còn lại của chúng ta, có một số xu hướng làm giảm nhu cầu sử dụng quá nhiều không gian lưu trữ đĩa thuộc sở hữu tư nhân.

Dịch vụ trực tuyến. Ngày xửa ngày xưa, các bộ sưu tập âm nhạc của chúng tôi liên quan đến việc thu thập các bản ghi, sau đó là băng cassette, sau đó là đĩa CD. Vào những năm 90, các bài hát đã được số hóa thành MP3 và được hàng nghìn người tích trữ (đầu tiên là thông qua torrent, sau đó ngày càng nhiều hơn thông qua các cửa hàng kỹ thuật số như iTunes). Giờ đây, thay vì phải lưu trữ và sắp xếp bộ sưu tập nhạc trên máy tính hoặc điện thoại ở nhà, chúng ta có thể phát trực tuyến vô số bài hát và nghe chúng ở bất cứ đâu thông qua các dịch vụ như Spotify và Apple Music.

Sự phát triển này trước tiên làm giảm âm nhạc không gian vật lý ở nhà, sau đó là không gian kỹ thuật số trên máy tính của bạn. Giờ đây, tất cả có thể được thay thế bằng một dịch vụ bên ngoài cung cấp cho bạn khả năng truy cập rẻ và tiện lợi, mọi lúc, mọi nơi vào tất cả các bản nhạc mà bạn có thể muốn. Tất nhiên, hầu hết các bạn đang đọc cuốn sách này có lẽ vẫn còn một vài đĩa CD nằm xung quanh, hầu hết vẫn sẽ có một bộ sưu tập MP3 vững chắc trên máy tính của họ, nhưng thế hệ người dùng máy tính tiếp theo sẽ không lãng phí thời gian của họ để lấp đầy máy tính của họ bằng âm nhạc mà họ có thể. truy cập tự do trực tuyến.

Rõ ràng, hãy sao chép mọi thứ tôi vừa nói về âm nhạc và áp dụng nó vào phim và truyền hình (xin chào, Netflix!) Và khoản tiết kiệm dung lượng cá nhân tiếp tục tăng lên.

MẠNG XÃ HỘI. Với âm nhạc, phim ảnh và chương trình truyền hình ngày càng ít sử dụng máy tính cá nhân của chúng ta, dạng nội dung kỹ thuật số lớn nhất tiếp theo là hình ảnh và video cá nhân. Một lần nữa, chúng tôi đã từng sản xuất hình ảnh và video về mặt vật lý, cuối cùng là để thu thập bụi trên gác mái của chúng tôi. Sau đó, hình ảnh và video của chúng tôi được chuyển sang kỹ thuật số, chỉ để một lần nữa thu thập bụi trong phạm vi tiếp cận máy tính của chúng tôi. Và đó là vấn đề: Chúng tôi hiếm khi xem hầu hết các hình ảnh và video chúng tôi quay.

Nhưng sau khi mạng xã hội xảy ra, các trang web như Flickr và Facebook đã cho chúng tôi khả năng chia sẻ vô số hình ảnh với mạng lưới những người mà chúng tôi quan tâm, đồng thời lưu trữ những hình ảnh đó (miễn phí) trong một hệ thống thư mục hoặc dòng thời gian tự sắp xếp. Mặc dù yếu tố xã hội này, cùng với máy ảnh điện thoại cao cấp thu nhỏ, làm tăng đáng kể số lượng hình ảnh và video do người bình thường tạo ra, nó cũng làm giảm thói quen lưu trữ ảnh trên máy tính cá nhân của chúng ta, khuyến khích chúng ta lưu trữ chúng trực tuyến, riêng tư hoặc công khai.

Dịch vụ cộng tác và đám mây. Với hai điểm cuối cùng, chỉ còn lại tài liệu văn bản khiêm tốn (và một vài kiểu dữ liệu thích hợp khác). Những tài liệu này, so với đa phương tiện mà chúng ta vừa thảo luận, thường rất nhỏ nên việc lưu trữ chúng trên máy tính của bạn sẽ không bao giờ là vấn đề.

Tuy nhiên, trong thế giới ngày càng di động của chúng ta, nhu cầu truy cập tài liệu khi đang di chuyển ngày càng tăng. Và đây một lần nữa, tiến trình tương tự mà chúng ta đã thảo luận với âm nhạc cũng đang diễn ra ở đây — nơi đầu tiên chúng tôi vận chuyển tài liệu bằng đĩa mềm, CD và USB, bây giờ chúng tôi sử dụng thuận tiện hơn và hướng đến người tiêu dùng Đám mây lưu trữ các dịch vụ, như Google Drive và Dropbox, lưu trữ tài liệu của chúng tôi tại trung tâm dữ liệu bên ngoài để chúng tôi truy cập trực tuyến một cách an toàn. Các dịch vụ như thế này cho phép chúng tôi truy cập và chia sẻ tài liệu của mình ở bất kỳ đâu, bất kỳ lúc nào, trên bất kỳ thiết bị hoặc hệ điều hành nào.

Công bằng mà nói, việc sử dụng các dịch vụ phát trực tuyến, mạng xã hội và dịch vụ đám mây không nhất thiết có nghĩa là chúng tôi sẽ chuyển mọi thứ lên đám mây — một số thứ chúng tôi muốn giữ quá riêng tư và an toàn — nhưng các dịch vụ này đã cắt giảm và sẽ tiếp tục cắt giảm, tổng dung lượng lưu trữ dữ liệu vật lý mà chúng tôi cần sở hữu hàng năm.

Tại sao việc lưu trữ nhiều hơn theo cấp số nhân lại quan trọng

Mặc dù những người bình thường có thể thấy ít nhu cầu về bộ nhớ kỹ thuật số hơn, nhưng có những động lực lớn đang thúc đẩy Định luật Kryder về phía trước.

Trước hết, do danh sách vi phạm bảo mật gần như hàng năm trên một loạt các công ty dịch vụ tài chính và công nghệ — mỗi công ty đều gây nguy hiểm cho thông tin kỹ thuật số của hàng triệu cá nhân — mối quan tâm về quyền riêng tư dữ liệu đang gia tăng một cách hợp pháp trong công chúng. Tùy thuộc vào nhu cầu cá nhân, điều này có thể thúc đẩy nhu cầu của công chúng về các tùy chọn lưu trữ dữ liệu lớn hơn và rẻ hơn cho mục đích sử dụng cá nhân để tránh phụ thuộc vào đám mây. Các cá nhân trong tương lai thậm chí có thể thiết lập các máy chủ lưu trữ dữ liệu riêng bên trong nhà của họ để kết nối với bên ngoài thay vì phụ thuộc vào các máy chủ thuộc sở hữu của các công ty công nghệ lớn.

Một xem xét khác là các hạn chế về lưu trữ dữ liệu hiện đang cản trở sự tiến bộ trong một số lĩnh vực từ công nghệ sinh học đến trí tuệ nhân tạo. Các lĩnh vực phụ thuộc vào việc tích lũy và xử lý dữ liệu lớn cần lưu trữ lượng dữ liệu lớn hơn bao giờ hết để đổi mới sản phẩm và dịch vụ mới.

Tiếp theo, vào cuối những năm 2020, Internet of Things (IoT), xe tự hành, robot, thực tế tăng cường và các 'công nghệ tiên tiến' thế hệ tiếp theo khác sẽ thúc đẩy đầu tư vào công nghệ lưu trữ. Điều này là do để các công nghệ này hoạt động, chúng sẽ cần có sức mạnh tính toán và khả năng lưu trữ để hiểu môi trường xung quanh và phản ứng trong thời gian thực mà không phụ thuộc liên tục vào đám mây. Chúng tôi khám phá thêm khái niệm này trong chương năm của loạt bài này.

Cuối cùng, Internet of Things (được giải thích đầy đủ trong Tương lai của Internet sê-ri) sẽ tạo ra hàng tỷ đến nghìn tỷ cảm biến theo dõi chuyển động hoặc trạng thái của hàng tỷ đến nghìn tỷ thứ. Lượng dữ liệu khổng lồ mà vô số cảm biến này tạo ra sẽ đòi hỏi dung lượng lưu trữ hiệu quả trước khi nó có thể được xử lý hiệu quả bởi các siêu máy tính mà chúng tôi sẽ đề cập ở gần cuối loạt bài này.

Nói chung, trong khi người bình thường ngày càng giảm nhu cầu về phần cứng lưu trữ kỹ thuật số thuộc sở hữu cá nhân, thì mọi người trên hành tinh vẫn sẽ được hưởng lợi gián tiếp từ khả năng lưu trữ vô hạn mà các công nghệ lưu trữ kỹ thuật số trong tương lai sẽ cung cấp. Tất nhiên, như đã gợi ý trước đó, tương lai của lưu trữ nằm trong đám mây, nhưng trước khi chúng ta có thể đi sâu vào chủ đề đó, trước tiên chúng ta cần hiểu các cuộc cách mạng miễn phí đang xảy ra ở phía xử lý (vi mạch) của doanh nghiệp máy tính — chủ đề của chương tiếp theo.