數字存儲革命：計算機的未來 P3
數字存儲革命：計算機的未來 P3
讀這篇文章的大多數人可能還記得不起眼的軟盤，它有 1.44 MB 的實心磁盤空間。 你們中的一些人可能嫉妒那個朋友，當他在學校項目中拿出第一個 USB 拇指驅動器時，它有 8MB 的巨大空間。 如今，魔法消失了，我們變得厭倦了。 2018 TB 的內存是 XNUMX 年大多數台式機的標準配置——金士頓現在甚至銷售 XNUMX TB 的 USB 驅動器。
隨著我們消費和創造越來越多的數字內容，我們對存儲的痴迷逐年增長，無論是學校報告、旅行照片、樂隊的混音帶，還是您在惠斯勒滑雪的 GoPro 視頻。 新興的物聯網等其他趨勢只會加速世界產生的海量數據，進一步推動對數字存儲的需求
這就是為什麼要正確討論數據存儲的原因，我們最近決定將本章分成兩部分來編輯這一章。 這一半將涵蓋數據存儲方面的技術創新及其對普通數字消費者的影響。 同時，下一章將介紹即將到來的雲革命。
數據存儲創新正在醞釀中
（TL；DR - 以下部分概述了新技術，該技術將使更多的數據能夠存儲到更小、更高效的存儲驅動器上。如果您不關心技術，而是想了解更廣泛的內容數據存儲的趨勢和影響，那麼我們建議跳到下一個小標題。）
你們中的許多人已經聽說過摩爾定律（觀察到密集集成電路中的晶體管數量大約每兩年翻一番），但在計算機業務的存儲方面，我們有克萊德定律——基本上，我們的擠壓能力不斷縮小的硬盤驅動器的更多位也大約每 18 個月翻一番。 這意味著 1,500 年前花費 5 美元購買 35MB 的人現在可以花費 600 美元購買 6TB 驅動器。
這是令人瞠目結舌的進步，而且不會很快停止。
以下列表簡要介紹了數字存儲製造商將用於滿足我們渴望存儲的社會的近期和長期創新。
更好的硬盤驅動器. 直到 2020 年代初，製造商將繼續製造傳統的硬盤驅動器 (HDD)，以增加內存容量，直到我們無法再製造更密集的硬盤。 為引領 HDD 技術的最後十年而發明的技術包括 鵝卵石磁記錄 （SMR），其次是 二維磁記錄 （TDMR），並可能 熱輔助磁記錄 （火腿）。
固態硬盤. 取代上述傳統硬盤驅動器的是固態硬盤驅動器（SATA SSD）。 與 HDD 不同，SSD 沒有任何旋轉磁盤——事實上，它們根本沒有任何移動部件。 這使得 SSD 比其前身運行得更快、尺寸更小、更耐用。 SSD 已成為當今筆記本電腦的標準配置，並逐漸成為大多數新台式機型號的標準硬件。 雖然最初比 HDD 貴得多，但它們的 價格下降速度比硬盤快，這意味著它們的銷量可能會在 2020 年代中期完全超過 HDD。
下一代 SSD 也在逐步推出，製造商從 SATA SSD 過渡到 PCIe SSD，其帶寬至少是 SATA 驅動器的六倍，並且還在不斷增長。
閃存變為 3D. 但是，如果速度是目標，那麼沒有什麼比將所有內容都存儲在內存中更好的了。
HDD 和 SSD 可以比作您的長期記憶，而閃存更類似於您的短期記憶。 就像您的大腦一樣，計算機傳統上需要兩種類型的存儲才能運行。 通常被稱為隨機存取存儲器 (RAM)，傳統的個人計算機往往配備兩根 4 到 8GB 的 RAM。 與此同時，像三星這樣的重量級企業現在正在銷售 2.5D 存儲卡，每個容量為 128GB——這對於鐵桿遊戲玩家來說是驚人的，但對於下一代超級計算機來說更實用。
這些存儲卡面臨的挑戰是它們遇到了硬盤所面臨的相同物理限制。 更糟糕的是，越小的晶體管進入 RAM，隨著時間的推移，它們的性能越差——晶體管變得更難以準確擦除和寫入，最終撞到性能壁壘，迫使它們更換為新的 RAM 棒。 有鑑於此，公司開始打造下一代存儲卡：
3D NAND. 英特爾、三星、美光、海力士和台積電等公司正在推動大規模採用 3D NAND，它將晶體管堆疊成芯片內的三個維度。
電阻式隨機存取存儲器（隨機存取存儲器). 該技術使用電阻而不是電荷來存儲內存位（0 和 1）。
3D芯片. 這將在下一個系列章節中更詳細地討論，但簡而言之， 3D芯片 旨在將計算和數據存儲結合在垂直堆疊的層中，從而提高處理速度並降低能耗。
相變存儲器 (PCM)。 “ PCM 背後的技術 基本上加熱和冷卻硫屬化物玻璃，將其在結晶狀態和非結晶狀態之間轉換，每個狀態都有其獨特的電阻代表二進制 0 和 1。一旦完善，這項技術將比當前的 RAM 變體持續更長時間並且是非易失性的，這意味著即使電源關閉，它也可以保存數據（與傳統 RAM 不同）。
自旋傳遞扭矩隨機存取存儲器（STT內存). 一個強大的科學怪人，結合了以下能力 DRAM 以速度 SRAM，以及改進的非易失性和近乎無限的耐力。
3D XPoint. 有了這項技術，不再依賴晶體管來存儲信息， 3D X點 使用一種微觀的金屬絲網，由相互堆疊的“選擇器”協調。 一旦完善，這可能會徹底改變行業，因為 3D Xpoint 是非易失性的，運行速度比 NAND 閃存快數千倍，密度比 DRAM 高 10 倍。
換句話說，還記得我們說過“HDD 和 SSD 可以比作你的長期記憶，而閃存更類似於你的短期記憶”嗎？ 好吧，3D Xpoint 可以同時處理這兩種情況，並且比單獨處理任何一種都好。
無論哪種選擇勝出，所有這些新形式的閃存都將提供更大的內存容量、速度、耐用性和功率效率。
長期存儲創新. 同時，對於那些速度比保存大量數據更重要的用例，目前正在開發新技術和理論技術：
磁帶機. 我們發明於 60 多年前，最初使用磁帶驅動器來存檔稅務和醫療保健文件。 今天，這項技術正在接近其理論高峰時得到完善 IBM 創紀錄 將 330 TB 的未壓縮數據（約 330 億本書）歸檔到手掌大小的盒式磁帶中。
DNA存儲. 華盛頓大學和微軟研究院的研究人員 開發了一個系統 使用 DNA 分子編碼、存儲和檢索數字數據。 一旦完善，該系統有一天可能會比當前的數據存儲技術更緊湊地歸檔信息數百萬倍。
千字節可重寫原子內存. 通過在平坦的銅片上操縱單個氯原子， 科學家寫道 每平方英寸 1 TB 的 500 KB 信息——每平方英寸的信息量大約是市場上最高效的硬盤驅動器的 100 倍。
5D數據存儲. 這種由南安普頓大學牽頭的專業存儲系統具有 360 TB/磁盤的數據容量、高達 1,000°C 的熱穩定性和在室溫下幾乎無限的使用壽命（在 13.8°C 下為 190 億年）。 換句話說，5D 數據存儲非常適合博物館和圖書館的檔案用途。
軟件定義的存儲基礎架構 (SDS). 看到創新的不僅是存儲硬件，運行它的軟件也正在經歷令人興奮的發展。 SDS 主要用於大型公司計算機網絡或云存儲服務，其中數據集中存儲並通過單獨的連接設備進行訪問。 它基本上佔用了網絡中的數據存儲總量，並將其分隔在網絡上運行的各種服務和設備中。 更好的 SDS 系統一直在被編碼，以更有效地使用現有（而不是新的）存儲硬件。
將來我們甚至需要存儲嗎？
好的，因此存儲技術將在未來幾十年內得到很大改進。 但我們必須考慮的是，這有什麼不同呢？
普通人永遠不會用完最新台式計算機型號中可用的 TB 存儲空間。 再過兩到四年，你的下一部智能手機將有足夠的存儲空間來存儲一年的圖片和視頻，而無需對你的設備進行大掃除。 當然，有少數人喜歡在他們的計算機上存儲大量數據，但對於我們其他人來說，有許多趨勢減少了我們對過多的私有磁盤存儲空間的需求。
流媒體服務. 曾幾何時，我們的音樂收藏包括收集唱片，然後是磁帶，然後是 CD。 在 90 年代，歌曲被數字化為 MP3，被成千上萬的人囤積（首先通過種子，然後越來越多地通過 iTunes 等數字商店）。 現在，無需在您的家用電腦或手機上存儲和組織音樂收藏，我們可以流式傳輸無限數量的歌曲，並通過 Spotify 和 Apple Music 等服務在任何地方收聽它們。
這種進步首先減少了音樂在家裡佔用的物理空間，然後是計算機上的數字空間。 現在，一切都可以被外部服務所取代，為您提供便宜、方便、隨時隨地訪問您可能想要的所有音樂的方式。 當然，閱讀這篇文章的大多數人可能仍然有幾張 CD，大多數人的計算機上仍然會收藏大量 MP3，但下一代計算機用戶不會浪費時間在計算機上充斥著他們可以聽的音樂在線自由訪問。
顯然，複製我剛才所說的關於音樂的所有內容並將其應用於電影和電視（你好，Netflix！），個人存儲空間的節省會不斷增長。
社會化媒體. 隨著音樂、電影和電視節目越來越少地佔用我們的個人電腦，下一個最大的數字內容形式是個人圖片和視頻。 同樣，我們過去常常以物理方式製作圖片和視頻，最終在我們的閣樓中收集灰塵。 然後我們的照片和視頻變成了數字，只是再次在我們電腦的深處收集灰塵。 這就是問題所在：我們很少看我們拍攝的大多數照片和視頻。
但是在社交媒體出現之後，像 Flickr 和 Facebook 這樣的網站讓我們能夠與我們關心的人網絡分享無限數量的圖片，同時也將這些圖片（免費）存儲在一個自組織的文件夾系統或時間軸中。 雖然這種社交元素，再加上微型的高端手機攝像頭，大大增加了普通人製作的圖片和視頻的數量，但它也減少了我們在私人電腦上存儲照片的習慣，鼓勵我們將照片存儲在網上，私下或公開。
雲和協作服務. 鑑於最後兩點，只剩下不起眼的文本文檔（以及其他一些小眾數據類型）。 與我們剛剛討論的多媒體相比，這些文檔通常非常小，以至於將它們存儲在您的計算機上絕不會成為問題。
但是，在我們日益移動的世界中，對隨時隨地訪問文檔的需求不斷增長。 再一次，我們討論的音樂進展也發生在這裡——最初我們使用軟盤、CD 和 USB 傳輸文檔，現在我們使用更方便和麵向消費者的方式 雲存儲 Google Drive 和 Dropbox 等服務，它們將我們的文檔存儲在外部數據中心，以便我們安全地在線訪問。 此類服務允許我們隨時隨地在任何設備或操作系統上訪問和共享我們的文檔。
公平地說，使用流媒體服務、社交媒體和雲服務並不一定意味著我們會將所有東西都遷移到雲端——我們更願意將一些東西保持過度私密和安全——但這些服務已經削減，並將繼續削減，我們每年需要擁有的物理數據存儲空間總量。
為什麼成倍增加存儲很重要
雖然普通人可能認為對更多數字存儲的需求較少，但有很大的力量在推動克萊德定律向前發展。
首先，由於一系列科技和金融服務公司幾乎每年都會出現一系列安全漏洞——每一個都危及數百萬個人的數字信息——公眾對數據隱私的擔憂正在增長。 根據個人需求，這可能會推動公眾對更大、更便宜的個人使用數據存儲選項的需求，以避免依賴雲。 未來的個人甚至可以在家中建立私人數據存儲服務器以連接到外部，而不是依賴於大型科技公司擁有的服務器。
另一個考慮因素是，數據存儲限制目前阻礙了從生物技術到人工智能的許多領域的進展。 依賴大數據積累和處理的行業需要存儲越來越多的數據來創新新產品和服務。
接下來，到 2020 年代後期，物聯網 (IoT)、自動駕駛汽車、機器人、增強現實和其他此類下一代“邊緣技術”將刺激對存儲技術的投資。 這是因為要使這些技術發揮作用，它們需要具備計算能力和存儲容量來了解周圍環境並實時做出反應，而無需持續依賴雲。 我們進一步探索這個概念 第五章 這個系列的
最後，該 物聯網 （在我們的充分解釋 互聯網的未來 系列）將導致數十億到數万億個傳感器跟踪數十億到數万億個事物的運動或狀態。 這些無數傳感器將產生的海量數據將需要有效的存儲容量，然後才能被我們將在本系列接近尾聲時介紹的超級計算機有效處理。
總而言之，雖然普通人將越來越多地減少對個人擁有的數字存儲硬件的需求，但地球上的每個人仍將間接受益於未來數字存儲技術將提供的無限存儲容量。 當然，如前所述，存儲的未來在於雲，但在我們深入探討該主題之前，我們首先需要了解計算機業務處理（微芯片）方面發生的互補革命——下一章的主題。
計算機系列的未來
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