数字存储革命：计算机的未来 P3
数字存储革命：计算机的未来 P3
读这篇文章的大多数人可能还记得不起眼的软盘，它有 1.44 MB 的实心磁盘空间。 你们中的一些人可能嫉妒那个朋友，当他在学校项目中拿出第一个 USB 拇指驱动器时，它有 8MB 的巨大空间。 如今，魔法消失了，我们变得厌倦了。 2018 TB 的内存是 XNUMX 年大多数台式机的标准配置——金士顿现在甚至销售 XNUMX TB 的 USB 驱动器。
随着我们消费和创造越来越多的数字内容，我们对存储的痴迷逐年增长，无论是学校报告、旅行照片、乐队的混音带，还是您在惠斯勒滑雪的 GoPro 视频。 新兴的物联网等其他趋势只会加速世界产生的海量数据，进一步推动对数字存储的需求
这就是为什么要正确讨论数据存储的原因，我们最近决定将本章分成两部分来编辑这一章。 这一半将涵盖数据存储方面的技术创新及其对普通数字消费者的影响。 同时，下一章将介绍即将到来的云革命。
数据存储创新正在酝酿中
（TL；DR - 以下部分概述了新技术，该技术将使更多的数据能够存储到更小、更高效的存储驱动器上。如果您不关心技术，而是想了解更广泛的内容数据存储的趋势和影响，那么我们建议跳到下一个小标题。）
你们中的许多人已经听说过摩尔定律（观察到密集集成电路中的晶体管数量大约每两年翻一番），但在计算机业务的存储方面，我们有克莱德定律——基本上，我们的压缩能力不断缩小的硬盘驱动器的更多位也大约每 18 个月翻一番。 这意味着 1,500 年前花费 5 美元购买 35MB 的人现在可以花费 600 美元购买 6TB 驱动器。
这是令人瞠目结舌的进步，而且不会很快停止。
以下列表简要介绍了数字存储制造商将用于满足我们渴望存储的社会的近期和长期创新。
更好的硬盘驱动器. 直到 2020 年代初，制造商将继续制造传统的硬盘驱动器 (HDD)，以增加内存容量，直到我们无法再制造更密集的硬盘。 为引领 HDD 技术的最后十年而发明的技术包括 鹅卵石磁记录 （SMR），其次是 二维磁记录 （TDMR），并可能 热辅助磁记录 （火腿）。
固态硬盘. 取代上述传统硬盘驱动器的是固态硬盘驱动器（SATA SSD）。 与 HDD 不同，SSD 没有任何旋转磁盘——事实上，它们根本没有任何移动部件。 这使得 SSD 比其前身运行得更快、尺寸更小、更耐用。 SSD 已成为当今笔记本电脑的标准配置，并逐渐成为大多数新台式机型号的标准硬件。 虽然最初比 HDD 贵得多，但它们的 价格下降速度比硬盘快，这意味着它们的销量可能会在 2020 年代中期完全超过 HDD。
下一代 SSD 也在逐步推出，制造商从 SATA SSD 过渡到 PCIe SSD，其带宽至少是 SATA 驱动器的六倍，并且还在不断增长。
闪存变为 3D. 但是，如果速度是目标，那么没有什么比将所有内容都存储在内存中更好的了。
HDD 和 SSD 可以比作您的长期记忆，而闪存更类似于您的短期记忆。 就像您的大脑一样，计算机传统上需要两种类型的存储才能运行。 通常被称为随机存取存储器 (RAM)，传统的个人计算机往往配备两根 4 到 8GB 的 RAM。 与此同时，像三星这样的重量级企业现在正在销售 2.5D 存储卡，每个容量为 128GB——这对于铁杆游戏玩家来说是惊人的，但对于下一代超级计算机来说更实用。
这些存储卡面临的挑战是它们遇到了硬盘所面临的相同物理限制。 更糟糕的是，越小的晶体管进入 RAM，随着时间的推移，它们的性能越差——晶体管变得更难以准确擦除和写入，最终撞到性能壁垒，迫使它们更换为新的 RAM 棒。 有鉴于此，公司开始打造下一代存储卡：
3D NAND. 英特尔、三星、美光、海力士和台积电等公司正在推动大规模采用 3D NAND，它将晶体管堆叠成芯片内的三个维度。
电阻式随机存取存储器（内存). 该技术使用电阻而不是电荷来存储内存位（0 和 1）。
3D芯片. 这将在下一个系列章节中更详细地讨论，但简而言之， 3D芯片 旨在将计算和数据存储结合在垂直堆叠的层中，从而提高处理速度并降低能耗。
相变存储器 (PCM)。 该 PCM 背后的技术 基本上加热和冷却硫属化物玻璃，将其在结晶状态和非结晶状态之间转换，每个状态都有其独特的电阻代表二进制 0 和 1。一旦完善，这项技术将比当前的 RAM 变体持续更长时间并且是非易失性的，这意味着即使电源关闭，它也可以保存数据（与传统 RAM 不同）。
自旋传递扭矩随机存取存储器（STT内存). 一个强大的科学怪人，结合了以下能力 DRAM 以速度 SRAM，以及改进的非易失性和近乎无限的耐力。
3D XPoint. 有了这项技术，不再依赖晶体管来存储信息， 3D X点 使用一种微观的金属丝网，由相互堆叠的“选择器”协调。 一旦完善，这可能会彻底改变行业，因为 3D Xpoint 是非易失性的，运行速度比 NAND 闪存快数千倍，密度比 DRAM 高 10 倍。
换句话说，还记得我们说过“HDD 和 SSD 可以比作你的长期记忆，而闪存更类似于你的短期记忆”吗？ 好吧，3D Xpoint 可以同时处理这两种情况，并且比单独处理任何一种都好。
无论哪种选择胜出，所有这些新形式的闪存都将提供更大的内存容量、速度、耐用性和功率效率。
长期存储创新. 同时，对于那些速度比保存大量数据更重要的用例，目前正在开发新技术和理论技术：
磁带机. 我们发明于 60 多年前，最初使用磁带驱动器来存档税务和医疗保健文件。 今天，这项技术正在接近其理论高峰时得到完善 IBM 创纪录 将 330 TB 的未压缩数据（约 330 亿本书）归档到手掌大小的盒式磁带中。
DNA存储. 华盛顿大学和微软研究院的研究人员 开发了一个系统 使用 DNA 分子编码、存储和检索数字数据。 一旦完善，该系统有一天可能会比当前的数据存储技术更紧凑地归档信息数百万倍。
千字节可重写原子内存. 通过在平坦的铜片上操纵单个氯原子， 科学家写道 每平方英寸 1 TB 的 500 KB 信息——每平方英寸的信息量大约是市场上最高效的硬盘驱动器的 100 倍。
5D数据存储. 这种由南安普顿大学牵头的专业存储系统具有 360 TB/磁盘的数据容量、高达 1,000°C 的热稳定性和在室温下几乎无限的使用寿命（在 13.8°C 下为 190 亿年）。 换句话说，5D 数据存储非常适合博物馆和图书馆的档案用途。
软件定义的存储基础架构 (SDS). 看到创新的不仅是存储硬件，运行它的软件也正在经历令人兴奋的发展。 SDS 主要用于大型公司计算机网络或云存储服务，其中数据集中存储并通过单独的连接设备进行访问。 它基本上占用了网络中的数据存储总量，并将其分隔在网络上运行的各种服务和设备中。 更好的 SDS 系统一直在被编码，以更有效地使用现有（而不是新的）存储硬件。
将来我们甚至需要存储吗？
好的，因此存储技术将在未来几十年内得到很大改进。 但我们必须考虑的是，这有什么不同呢？
普通人永远不会用完最新台式计算机型号中可用的 TB 存储空间。 再过两到四年，你的下一部智能手机将有足够的存储空间来存储一年的图片和视频，而无需对你的设备进行大扫除。 当然，有少数人喜欢在他们的计算机上存储大量数据，但对于我们其他人来说，有许多趋势减少了我们对过多的私有磁盘存储空间的需求。
流媒体服务. 曾几何时，我们的音乐收藏包括收集唱片，然后是磁带，然后是 CD。 在 90 年代，歌曲被数字化为 MP3，被成千上万的人囤积（首先通过种子，然后越来越多地通过 iTunes 等数字商店）。 现在，无需在您的家用电脑或手机上存储和组织音乐收藏，我们可以流式传输无限数量的歌曲，并通过 Spotify 和 Apple Music 等服务在任何地方收听它们。
这种进步首先减少了音乐在家里占用的物理空间，然后是计算机上的数字空间。 现在，一切都可以被外部服务所取代，为您提供便宜、方便、随时随地访问您可能想要的所有音乐的方式。 当然，阅读这篇文章的大多数人可能仍然有几张 CD，大多数人的计算机上仍然会收藏大量 MP3，但下一代计算机用户不会浪费时间在计算机上充斥着他们可以听的音乐在线自由访问。
显然，复制我刚才所说的关于音乐的所有内容并将其应用于电影和电视（你好，Netflix！），个人存储空间的节省会不断增长。
社交媒体. 随着音乐、电影和电视节目越来越少地占用我们的个人电脑，下一个最大的数字内容形式是个人图片和视频。 同样，我们过去常常以物理方式制作图片和视频，最终在我们的阁楼中收集灰尘。 然后我们的照片和视频变成了数字，只是再次在我们电脑的深处收集灰尘。 这就是问题所在：我们很少看我们拍摄的大多数照片和视频。
但是在社交媒体出现之后，像 Flickr 和 Facebook 这样的网站让我们能够与我们关心的人网络分享无限数量的图片，同时也将这些图片（免费）存储在一个自组织的文件夹系统或时间轴中。 虽然这种社交元素，再加上微型的高端手机摄像头，大大增加了普通人制作的图片和视频的数量，但它也减少了我们在私人电脑上存储照片的习惯，鼓励我们将照片存储在网上，私下或公开。
云和协作服务. 鉴于最后两点，只剩下不起眼的文本文档（以及其他一些小众数据类型）。 与我们刚刚讨论的多媒体相比，这些文档通常非常小，以至于将它们存储在您的计算机上绝不会成为问题。
但是，在我们日益移动的世界中，对随时随地访问文档的需求不断增长。 再一次，我们讨论的音乐进展也发生在这里——最初我们使用软盘、CD 和 USB 传输文档，现在我们使用更方便和面向消费者的方式 云存储 Google Drive 和 Dropbox 等服务，它们将我们的文档存储在外部数据中心，以便我们安全地在线访问。 此类服务允许我们随时随地在任何设备或操作系统上访问和共享我们的文档。
公平地说，使用流媒体服务、社交媒体和云服务并不一定意味着我们会将所有东西都迁移到云端——我们更愿意将一些东西保持过度私密和安全——但这些服务已经削减，并将继续削减，我们每年需要拥有的物理数据存储空间总量。
为什么成倍增加存储很重要
虽然普通人可能认为对更多数字存储的需求较少，但有很大的力量在推动克莱德定律向前发展。
首先，由于一系列科技和金融服务公司几乎每年都会出现一系列安全漏洞——每一个都危及数百万个人的数字信息——公众对数据隐私的担忧正在增长。 根据个人需求，这可能会推动公众对更大、更便宜的个人使用数据存储选项的需求，以避免依赖云。 未来的个人甚至可以在家中建立私人数据存储服务器以连接到外部，而不是依赖于大型科技公司拥有的服务器。
另一个考虑因素是，数据存储限制目前阻碍了从生物技术到人工智能的许多领域的进展。 依赖大数据积累和处理的行业需要存储越来越多的数据来创新新产品和服务。
接下来，到 2020 年代后期，物联网 (IoT)、自动驾驶汽车、机器人、增强现实和其他此类下一代“边缘技术”将刺激对存储技术的投资。 这是因为要使这些技术发挥作用，它们需要具备计算能力和存储容量来了解周围环境并实时做出反应，而无需持续依赖云。 我们进一步探索这个概念 第五章 这个系列。
最后，该 物联网 （在我们的充分解释 互联网的未来 系列）将导致数十亿到数万亿个传感器跟踪数十亿到数万亿个事物的运动或状态。 这些无数传感器将产生的海量数据需要有效的存储容量，然后才能被我们将在本系列接近尾声时介绍的超级计算机有效处理。
总而言之，虽然普通人将越来越多地减少对个人拥有的数字存储硬件的需求，但地球上的每个人仍将间接受益于未来数字存储技术将提供的无限存储容量。 当然，如前所述，存储的未来在于云，但在我们深入探讨该主题之前，我们首先需要了解计算机业务处理（微芯片）方面发生的互补革命——下一章的主题。
计算机系列的未来
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