Rageskin
Память на 2000 эксабайт в смартфоне: чем заменят жёсткие диски и SSD ( 8 фото )
В любимую консоль помещается всё меньше игр, в смартфоне уже не хватает места для 4К-видео... Даже дата-центры стали занимать гигантские площади, чтобы вместить огромное количество данных. В скором будущем классические носители перестанут справляться с лавиной контента, и останется лишь надежда на очередной технологический прорыв. Но на что именно стоит рассчитывать?
Из аналога в цифру: хранение данных раньше и сегодня
Хранить информацию и, как следствие, передавать знания потомкам, человечество начало сотни тысяч лет назад. Сперва были рисунки на скалах, затем глиняные таблички, папирус и пергамент, бумага и холст — пока, наконец, в середине ХХ века человечество не вошло в цифровую эпоху. С этого момента количество накопленной информации стало расти экспоненциально.
Человечеству потребовалось 300 тысячелетий, чтобы создать первые 12 эксабайт информации к 2000 году, зато на вторые 12 эксабайт ушла всего пара лет
Сначала компьютеры не могли хранить информацию, а лишь обрабатывали то, что в них вводили посредством перфорированных лент или карточек из картона. Первым же действительно цифровым носителем стал дисковый комплекс IBM 350, представленный в 1956 году. Это был шкаф размером примерно полтора на два метра, в котором находились 50 магнитных дисков. Ёмкость IBM 350 составляла 3,75 МБ. Сегодня на него можно записать разве что один mp3-трек со средним битрейтом. Тем не менее это был прорыв, ведь подобный диск заменял почти 8000 перфокарт стандарта IBM.
Первый жёсткий диск — IBM 350
Единственным серьёзным открытием с того момента можно назвать разве что создание твердотельных накопителей в 1980-х годах. Да и то, революционными они оказались только по скорости чтения и записи. Ёмкость SSD сопоставима с классическими магнитными дисками, HDD, тогда как стоимость выше. Об обоснованности и тонкостях перехода с HDD на SSD можно прочитать в нашей статье.
Тем временем потребность в более ёмких, энергоэффективных и в идеале дешёвых носителях информации с каждым днём становится всё более явной. В 2017 году общий интернет-трафик превысил 1000 эксабайт или миллиард терабайт. Если записать эту информацию на компакт-диски объёмом 650 МБ и сложить их в стопку, её высота будет в четыре раза больше расстояния до Луны.
Если записать весь интернет-трафик за 2017 год на CD, стопка из дисков будет в четыре раза больше, чем расстояние до Луны.
Мы уже активно смотрим 4К-видео, а в обозримом будущем перейдём и на 8К, наслаждаемся фильмами, длительными стримами и прямыми эфирами. По данным сервиса Statista, в 2021 году общее количество данных, хранящихся в дата-центрах приблизится к 2500 эксабайт.
Объём данных в дата-центрах в мире с 2016 по 2021 годы (в эксабайтах)
Как видно на диаграмме выше, массивы дисков в дата-центрах занимают огромные площади и потребляют большое количество электроэнергии. Сейчас крупнейший китайский центр обработки данных занимает миллион квадратных метров. Скоро нагромождение гигантских ЦОД перестанет быть эффективным и рентабельным. Современные винчестеры, основанные на электро-механических приниципах морально и физически устарели. Индустрии физически потребуется гораздо более значительный прорыв, нежели переход на твердотельные накопители. Так где его можно ожидать?
Ближайшая перспектива
Магнитная память с многобитовыми ячейками.
Одна из наиболее перспективных технологий ближайшего будущего — магнитная память. Каждая её ячейка способна хранить не один бит информации, а несколько. Все современные диски построены на принципе наличия/отсутствия электрического сигнала в ячейке. То есть бит имеет два состояния — 1 или 0. В 2016 году израильские и американские физики разработали ячейку памяти в виде трёх намагниченных эллипсов, которые могут находиться в шести состояниях.
Такая ячейка может хранить три бита информации вместо одного, как в классических накопителях. При этом учёные утверждают, что кардинально менять существующую архитектуру магнитной памяти не придётся. Таким образом, в идеале ёмкость накопителей можно будет увеличить втрое с сохранением количества потребляемой энергии и физических размеров носителей. 3 ТБ в смартфоне — ну этого же должно хватить на всё! Нет? Тогда...
Сегнетоэлектрики aka ферроэлектрики aka FRAM
На этот случай учёные разрабатывают тип памяти, вмещающий в себя не в три, а в сто раз больше информации. В качестве «незначительного» бонуса — намного большее время жизни накопителя и меньшее, чем у традиционных накопителей энергопотребление.
В основе сегнетоэлектриков лежит кристаллическая решётка с атомом внутри каждой ячейки. Атом может быть поляризован в одном из двух положений под точечным воздействием магнитного поля вне зависимости от окружающей среды. Очевидно, это эквивалентно одному биту информации. Причём состояние ячейки сохраняется даже без магнитного поля. То есть сегнетоэлектрическая память энергонезависима, что в потребительской электронике будет существенно экономить заряд АКБ.
Одна из главных проблем в том, что при считывании с подобных накопителей информации, её нужно перезаписывать. Несколько сглаживает ситуацию тот факт, что процесс перезаписи одного бита занимает примерно наносекунду. Соответственно, скорость чтения/записи сегнетоэлектрической памяти в разы выше, чем у самой современной флеш-памяти. Тем не менее пока проблема не решена, массовое распространение сегнетоэлектрических жёстких дисков под большим вопросом.
Голографическая или объёмная оптическая память
Оптические диски вроде CD, DVD, Blu-Ray скоро назовут антиквариатом. Но, по мнению учёных, технология таких накопителей ещё себя не исчерпала — это едва ли не самый перспективный метод записи и хранения информации. По разным версиям, сопоставимый по размерам с привычными нам «компактами» диск сможет вмещать от 1 до 10 ТБ и хранить их в течение сотен лет.
Всю коллекцию игр с вашей консоли можно прямо сейчас уместить на один голографический оптический диск.
Суть технологии в том, что вместо прямого постоянного воздействия лазера на поверхность диска, применяется луч с изменяемой интенсивностью и направленностью (поляризацией). Сам оптический носитель имеет до сотни прозрачных слоёв (что и обеспечивает «объёмность» технологии). И, в зависимости от частоты излучения и поляризации луча, одну единицу объёма можно использовать для записи разной информации. При этом считывание и запись производятся не побитово, а целыми «страницами», то есть скорость значительно выше, чем в привычных приводах.
Далёкая перспектива на грани фантастики
Атомарная память
Для записи 1 бита информации в стандартном HDD требуется примерно 100 000 атомов на магнитном диске. Но это, по мнению специалистов из IBM, слишком расточительное использование пространства. Инженеры задались целью записать 1 бит информации на один атом. В 2017 году учёным удалось создать самый маленький в мире магнит, который позволил жёстко поляризовать одиночный атом, записав и считав с него 1 бит информации.
Если удастся поставить процесс «на поток», то теоретически возможно создать крошечный накопитель весом всего 1 грамм, куда уместится 456 эксабайт данных.
Атомарный накопитель весом в 2 г сможет хранить весь интернет за 2017 год, но при этом уместится даже не в смартфон — в умные часы.
Впрочем, пока технология едва отработана даже в лабораторных условиях. К тому же для неё требуется туннельный микроскоп, который не влезет ни в смартфон, ни в игровой ПК, ни в квартиру. И это далеко не единственная проблема, которую придётся решить. Ещё инженерам надо разработать контроллеры, способные производить запись и чтение данных на атомарном уровне, не говоря уже о процессорах, производительности которых хватит на обработку таких объёмов информации.
ДНК как жёсткий диск
Нет, речь не о том, чтобы заносить информацию в ДНК живого человека — вряд ли технология поможет подготовиться ко всем экзаменам сразу, выучить кунг-фу и познать тайны вселенной. Речь о синтетической ДНК, где информация кодировалась бы не дикой природой, а человеком — искусственно.
Суть проста: бинарный машинный язык переводится в «формат ДНК», то есть кодируется в четырёх основаниях, которые попарно собираются в хорошо всем знакомую двойную спираль. Когда информацию нужно считать, ДНК секвенируют, то есть расшифровывают.
Синтез и секвенирование ДНК сегодня — стандартные и сравнительно недорогие процедуры, которые лежат в основе, например, генетического анализа. Искусственное кодирование и раскодирование информации в ДНК — тоже уже свершившийся факт. В 2016-м учёным удалось записать в 1 грамм ДНК 200 МБ информации — клип группы OK Go. А в прошлом году музыкальная группа Massive Attack в таком формате выпустилаальбом Mezzanine.
Впрочем, по сравнению с теоретическим потенциалом данной технологии музыкальный альбом и клип — мелочи. По предположению учёных, в одном грамме синтезированной ДНК теоретически можно уместить до 1000 эксабайт, а это 2/3 всего содержимого дата-центров планеты за 2018 год. Но даже не это главное преимущество технологии. Как мы знаем из опыта современной генетики, информация в ДНК сохраняется хоть в вакууме, хоть под кроватью в пыли в течение сотен тысяч лет.
ДНК — это неубиваемый носитель, способный пережить человечество.
Резюме
Потребность в новых типах хранилищ информации становится всё более насущной. Учитывая темпы роста производимой человечеством информации, решать эту проблему придётся очень скоро. Но чем заменить традиционные носители? Пока непонятно: всё на той или иной стадии экспериментов. Хотя успехи уже есть. И, возможно, скоро мы перестанем задумываться, сколько памяти в смартфоне, а терабайты и петабайты будем измерять в граммах.
Из аналога в цифру: хранение данных раньше и сегодня
Хранить информацию и, как следствие, передавать знания потомкам, человечество начало сотни тысяч лет назад. Сперва были рисунки на скалах, затем глиняные таблички, папирус и пергамент, бумага и холст — пока, наконец, в середине ХХ века человечество не вошло в цифровую эпоху. С этого момента количество накопленной информации стало расти экспоненциально.
Человечеству потребовалось 300 тысячелетий, чтобы создать первые 12 эксабайт информации к 2000 году, зато на вторые 12 эксабайт ушла всего пара лет
Сначала компьютеры не могли хранить информацию, а лишь обрабатывали то, что в них вводили посредством перфорированных лент или карточек из картона. Первым же действительно цифровым носителем стал дисковый комплекс IBM 350, представленный в 1956 году. Это был шкаф размером примерно полтора на два метра, в котором находились 50 магнитных дисков. Ёмкость IBM 350 составляла 3,75 МБ. Сегодня на него можно записать разве что один mp3-трек со средним битрейтом. Тем не менее это был прорыв, ведь подобный диск заменял почти 8000 перфокарт стандарта IBM.
Первый жёсткий диск — IBM 350
Единственным серьёзным открытием с того момента можно назвать разве что создание твердотельных накопителей в 1980-х годах. Да и то, революционными они оказались только по скорости чтения и записи. Ёмкость SSD сопоставима с классическими магнитными дисками, HDD, тогда как стоимость выше. Об обоснованности и тонкостях перехода с HDD на SSD можно прочитать в нашей статье.
Тем временем потребность в более ёмких, энергоэффективных и в идеале дешёвых носителях информации с каждым днём становится всё более явной. В 2017 году общий интернет-трафик превысил 1000 эксабайт или миллиард терабайт. Если записать эту информацию на компакт-диски объёмом 650 МБ и сложить их в стопку, её высота будет в четыре раза больше расстояния до Луны.
Если записать весь интернет-трафик за 2017 год на CD, стопка из дисков будет в четыре раза больше, чем расстояние до Луны.
Мы уже активно смотрим 4К-видео, а в обозримом будущем перейдём и на 8К, наслаждаемся фильмами, длительными стримами и прямыми эфирами. По данным сервиса Statista, в 2021 году общее количество данных, хранящихся в дата-центрах приблизится к 2500 эксабайт.
Объём данных в дата-центрах в мире с 2016 по 2021 годы (в эксабайтах)
Как видно на диаграмме выше, массивы дисков в дата-центрах занимают огромные площади и потребляют большое количество электроэнергии. Сейчас крупнейший китайский центр обработки данных занимает миллион квадратных метров. Скоро нагромождение гигантских ЦОД перестанет быть эффективным и рентабельным. Современные винчестеры, основанные на электро-механических приниципах морально и физически устарели. Индустрии физически потребуется гораздо более значительный прорыв, нежели переход на твердотельные накопители. Так где его можно ожидать?
Ближайшая перспектива
Магнитная память с многобитовыми ячейками.
Одна из наиболее перспективных технологий ближайшего будущего — магнитная память. Каждая её ячейка способна хранить не один бит информации, а несколько. Все современные диски построены на принципе наличия/отсутствия электрического сигнала в ячейке. То есть бит имеет два состояния — 1 или 0. В 2016 году израильские и американские физики разработали ячейку памяти в виде трёх намагниченных эллипсов, которые могут находиться в шести состояниях.
Такая ячейка может хранить три бита информации вместо одного, как в классических накопителях. При этом учёные утверждают, что кардинально менять существующую архитектуру магнитной памяти не придётся. Таким образом, в идеале ёмкость накопителей можно будет увеличить втрое с сохранением количества потребляемой энергии и физических размеров носителей. 3 ТБ в смартфоне — ну этого же должно хватить на всё! Нет? Тогда...
Сегнетоэлектрики aka ферроэлектрики aka FRAM
На этот случай учёные разрабатывают тип памяти, вмещающий в себя не в три, а в сто раз больше информации. В качестве «незначительного» бонуса — намного большее время жизни накопителя и меньшее, чем у традиционных накопителей энергопотребление.
В основе сегнетоэлектриков лежит кристаллическая решётка с атомом внутри каждой ячейки. Атом может быть поляризован в одном из двух положений под точечным воздействием магнитного поля вне зависимости от окружающей среды. Очевидно, это эквивалентно одному биту информации. Причём состояние ячейки сохраняется даже без магнитного поля. То есть сегнетоэлектрическая память энергонезависима, что в потребительской электронике будет существенно экономить заряд АКБ.
Одна из главных проблем в том, что при считывании с подобных накопителей информации, её нужно перезаписывать. Несколько сглаживает ситуацию тот факт, что процесс перезаписи одного бита занимает примерно наносекунду. Соответственно, скорость чтения/записи сегнетоэлектрической памяти в разы выше, чем у самой современной флеш-памяти. Тем не менее пока проблема не решена, массовое распространение сегнетоэлектрических жёстких дисков под большим вопросом.
Голографическая или объёмная оптическая память
Оптические диски вроде CD, DVD, Blu-Ray скоро назовут антиквариатом. Но, по мнению учёных, технология таких накопителей ещё себя не исчерпала — это едва ли не самый перспективный метод записи и хранения информации. По разным версиям, сопоставимый по размерам с привычными нам «компактами» диск сможет вмещать от 1 до 10 ТБ и хранить их в течение сотен лет.
Всю коллекцию игр с вашей консоли можно прямо сейчас уместить на один голографический оптический диск.
Суть технологии в том, что вместо прямого постоянного воздействия лазера на поверхность диска, применяется луч с изменяемой интенсивностью и направленностью (поляризацией). Сам оптический носитель имеет до сотни прозрачных слоёв (что и обеспечивает «объёмность» технологии). И, в зависимости от частоты излучения и поляризации луча, одну единицу объёма можно использовать для записи разной информации. При этом считывание и запись производятся не побитово, а целыми «страницами», то есть скорость значительно выше, чем в привычных приводах.
Далёкая перспектива на грани фантастики
Атомарная память
Для записи 1 бита информации в стандартном HDD требуется примерно 100 000 атомов на магнитном диске. Но это, по мнению специалистов из IBM, слишком расточительное использование пространства. Инженеры задались целью записать 1 бит информации на один атом. В 2017 году учёным удалось создать самый маленький в мире магнит, который позволил жёстко поляризовать одиночный атом, записав и считав с него 1 бит информации.
Если удастся поставить процесс «на поток», то теоретически возможно создать крошечный накопитель весом всего 1 грамм, куда уместится 456 эксабайт данных.
Атомарный накопитель весом в 2 г сможет хранить весь интернет за 2017 год, но при этом уместится даже не в смартфон — в умные часы.
Впрочем, пока технология едва отработана даже в лабораторных условиях. К тому же для неё требуется туннельный микроскоп, который не влезет ни в смартфон, ни в игровой ПК, ни в квартиру. И это далеко не единственная проблема, которую придётся решить. Ещё инженерам надо разработать контроллеры, способные производить запись и чтение данных на атомарном уровне, не говоря уже о процессорах, производительности которых хватит на обработку таких объёмов информации.
ДНК как жёсткий диск
Нет, речь не о том, чтобы заносить информацию в ДНК живого человека — вряд ли технология поможет подготовиться ко всем экзаменам сразу, выучить кунг-фу и познать тайны вселенной. Речь о синтетической ДНК, где информация кодировалась бы не дикой природой, а человеком — искусственно.
Суть проста: бинарный машинный язык переводится в «формат ДНК», то есть кодируется в четырёх основаниях, которые попарно собираются в хорошо всем знакомую двойную спираль. Когда информацию нужно считать, ДНК секвенируют, то есть расшифровывают.
Синтез и секвенирование ДНК сегодня — стандартные и сравнительно недорогие процедуры, которые лежат в основе, например, генетического анализа. Искусственное кодирование и раскодирование информации в ДНК — тоже уже свершившийся факт. В 2016-м учёным удалось записать в 1 грамм ДНК 200 МБ информации — клип группы OK Go. А в прошлом году музыкальная группа Massive Attack в таком формате выпустилаальбом Mezzanine.
Впрочем, по сравнению с теоретическим потенциалом данной технологии музыкальный альбом и клип — мелочи. По предположению учёных, в одном грамме синтезированной ДНК теоретически можно уместить до 1000 эксабайт, а это 2/3 всего содержимого дата-центров планеты за 2018 год. Но даже не это главное преимущество технологии. Как мы знаем из опыта современной генетики, информация в ДНК сохраняется хоть в вакууме, хоть под кроватью в пыли в течение сотен тысяч лет.
ДНК — это неубиваемый носитель, способный пережить человечество.
Резюме
Потребность в новых типах хранилищ информации становится всё более насущной. Учитывая темпы роста производимой человечеством информации, решать эту проблему придётся очень скоро. Но чем заменить традиционные носители? Пока непонятно: всё на той или иной стадии экспериментов. Хотя успехи уже есть. И, возможно, скоро мы перестанем задумываться, сколько памяти в смартфоне, а терабайты и петабайты будем измерять в граммах.
Взято: Тут
0