Носії даних. Що нам несе 2015 рік та чого варто очікувати за його горизонтом?

Все зростаючі обсяги виконаних даних вимагають під себе все більш досконалі способи їх зберігання, в той же час технологічний прогрес дозволяє здешевлювати ціну зберігання інформації, що в свою чергу, стимулює генерацію все більшої кількості інформації. В результаті ми маємо ясну картину, подталкиваемое з різних сторін, розвиток носіїв даних неухильно йде вгору. Наукова думка працює за двома принциповими напрямками, з одного боку, це розвиток способів кодування інформації, з іншого — поліпшення апаратної складової. Найбільш широко представленими технологіями серед носіїв інформації на даний момент є HDD і SSD диски.



Жорсткі диски

Виробники класичних «вінчестерів» і далі вкладають величезні кошти в розвиток цієї технології, вичавлюючи з неї все більше і більше продуктивності. Починаючи свій шлях з самого першого жорсткого диска, вагою в тонну і об'ємом 5 МБ — IBM 350, через 60 років в масове виробництво вже готові вступати диски легко вміщаються на долоню, маючи на борту вражаючі 10 ТБ. Найбільш передова технологія Shigled Magnetic Recording (SMR), за якою і буде проводиться перший анонсований 10 ТБ жорсткий диск, має істотний потенціал зростання обсягу розміщуваних даних, що дозволить вже у найближчі роки отримати «вінчестери» обсягом до 20 ТБ.



Дана технологія досить прогресивна, її застосування дозволило більш ефективно використовувати площу самих металевих пластин, розміщених всередині жорсткого диска. Замість того щоб витрачати цінний поверхню металевих дисків під розмежовують елементи, що відокремлюють сектори запису, було прийнято рішення піти по іншому шляху формування самої пластини. Завдяки нашаруванню безлічі кульок, матеріалу який буде піддаватися перезапису, вдалося на чверть збільшити ефективність запису на диски, при цьому ціна виробництва такої «черепичним» структури зросла незначно. Але ліквідувавши межі секторів, інженери зіткнулися з проблемою суттєвого падіння швидкості обробки інформації накопичувачем, з якої ще тільки треба поборотися.



Говорячи про технології SMR, не можна не згадати про ще одну технічної хитрощі, після застосування якої вона дійсно стала комерційно успішною. Вирішити проблему з недостатньою швидкістю читання/запису «черепичним» структури поверхні дисків вдалося завдяки інший передової розробки — Two-Dimensional Magnetic Recording (TDMR). Система двомірної магнітного запису дозволила усунути проблему розмитості магнітного сигналу нанесеного на поверхню диска. Справа в тому, що раніше, усунувши чіткі межі між відведеними під запис сусідніми смугами секторів на диску, з їх частковим накладенням один на одного, голівки, що зчитує механізму необхідно було витрачати більше часу на отримання однозначного результату в аналізованому намагніченому секторі. Рішенням стало використання декількох прочитуючих головок. Розширивши область реєстрації намагніченості диска стало можливим отримати більш детальну інформацію про конкретному секторі. Після математичної обробки більш цілісного зображення знятих даних, інженери усунули «магнітний шум» від сусідніх зон і отримати однозначний результат за прийнятний час.



Третім технологічним поривом для HDD стала розробка способу запису даних з попереднім нагріванням сектора який піддається запису на носії, цей метод отримав назву — Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR). Сама техніка запису передбачає розміщення на друкарських головках нових «вінчестерів» лазера, який буде, перед безпосереднім намагнічуванням, нагрівати поверхню металу. Завдяки такому специфічному методу запису, в результаті, інженерам вдалося домогтися підвищення чіткості намагніченості, що також дозволило позбутися від зайвих шумів і збільшити концентрацію запису. Масове виробництво носіїв даних, що використовують принцип HAMR, раніше планувався компанією Seagate на 2015 році, але нещодавно ця дата була пересунута аж на 2017 рік, мабуть з технологією не все так гладко як це бачилося на початку співробітникам Seagate.



Тим часом, один з лідерів серед виробників носіїв даних — компанія Hitachi, пішла дещо іншим шляхом. Замінивши в герметичному корпусі носія звичний нам повітря на гелій, техніки змогли істотно знизити в'язкість середовища, і це дозволило розміщувати металеві диски ближче один до одного, ніж це було доступно коли небудь раніше. Результатом такого рішення стала збільшена місткість всього носія, при збережених зовнішніх габаритах.



Всі останні нововведення роблять носії даних — HDD вельми конкурентним на ІТ-ринку. Але і все більш гостро піднімається проблема цією технологією. Сам первинний принцип, покладений в основу HDD — магнітна реєстрація інформації на пластини, фактично вичерпав себе цілком. Навіть «черепична» розташування перезаписуваних секторів і всі хитрощі пов'язані з ним, навряд чи зможуть через три-чотири роки також успішно протистояти все більш доступною і продуктивної технології «флеш».

Флеш

Протягом двох останніх десятиліть ми спостерігаємо набирає швидкість процес розвитку флеш пам'яті. Становлення цієї технології воістину схоже з яскравим спалахом світла. З'їжджаючись безліччю струмочків — технологій, з різних сфер технологічного прогресу, в єдине русло Solid-State Drive ( SSD ) результат на сьогоднішній став вражаючим.



Такі компанії, як Intel і Samsung передбачають великі дивіденди від вкладених в пов'язану з SSD, технологію 3D NAND. Завдяки цій розробці, інженери отримали можливість компонувати кристали флеш-пам'яті не тільки по горизонталі, але і по вертикалі, тобто формувати з напівпровідників об'ємні структури. Вже зараз існує інформація про існування тестових зразків, створених за технологією 3D NAND, у компанії Samsung, чіпи яких можуть мати до 24 шарів. Intel зі своїм партнером Micron прогнозує випуск чіпів ємністю до 48 ГБ вже в кінці 2015 — початку 2016 року. Передбачуваний чіп повинен бути створений за технологією 32-х глибинної 3D NAND з мультиклітинної системою (MLC), яка дозволяє подвоїти кількість інформації несуть одним єдиним напівпровідником. Успіхи інженерів Micron в напрямку розвитку MLC, дають можливість її співробітникам стверджувати, що дуже скоро вони зможуть налагодити випуск 1 ТБ SSD дисків, які при цьому стануть надзвичайно компактними. Крім плюсів компактності, за прогнозами дочірньої компанії Intel, також і ціна буде цілком доступною, вже до 2018 року SSD пам'ять, суперемком сегменті, вона впаде раз в 5.



Ще одна технологія, що повинна дозріти в 2015 році це 3-х рівнева структура флеш — TLC. Коли заходить мова про флеш пам'яті, комірка пам'яті зазвичай представляється як об'єкт, що має або не має электрозаряд, що в звичному розумінні прирівнюється до двійкового коду 1 / 0. Інженери-новатори поглянули на справу трохи під іншим кутом, відкинувши встановлену трактування і задалися питанням, а що якщо почати розглядати не просто наявність заряду в комірці, а вимірювати сам діапазон напруги, який вона несе? Прирівнюючи конкретне значення напругу до одиниці, а будь-який інший його діапазон до нуля, бінарної системи числення, можна також легко кодувати осередку носія даних. Правильно поставлене питання приніс свої плоди. Завдяки тому, що використовувані матеріали підтримують широкий діапазон напруг, запис осередків стало можливим робити більш грубо, при цьому зберігаючи високу читаність сигналу.



MLC — дана багато рівнева структура має чотири діапазони напруги, що відповідають бінарним кодування 00 / 01 / 10 / 11 — тим самим фактично будучи еквівалентом двох клітин першого рівня, тобто технологія MLC дозволяє збільшити щільність запису вдвічі. Згадавши про плюси технології, неможливо не згадати і про її недоліки. Створення чіпів таким чином пов'язане з різними факторами: додаткові витрати при виробництві, процес запису читання даних при такій компоновці повинен бути максимально точним. Ну і звичайно прискорена деградація комірок пам'яті, в результаті чого довговічність виробу буде йти в низ, а кількість виникаючих помилок секторів зростати.

TLC — здатна оперувати вісьмома рівнями напруги, комбінуючи на всіх трьох рівнях комбінації з 1 / 0. Дана технологія здатна дати приріст розміщеної інформації на носії на 50 % більше ніж MLC. Проблема тут криється в тому, що сама структура носія піддається більш кардинальним конструктивним змінам ніж MLC. Більш складна конструкція виробу несе в собі і істотно більшу його вартість і для того, що б таке рішення могло гідно зайняти своє місце на ринку поряд з конкурентами, має пройти оцінки фахівців, не менше п'яти років.



В даний момент у продажу вже представлені зразки накопичувачів створені на основі поєднання технологій NAND 3D і TLC. Характерним прикладом може послужити SSD накопичувач об'ємом 1 ТБ Samsung 850 EVO. Швидкість запису / читання носія становить близько 530 МБ/с, при цьому кількість IOPS більш ніж 90 тисяч. Поєднуючи в собі великий обсяг, продуктивність, прийнятні габарити, надійність (гарантія від виробника на виріб складає 5 років), ціна на SSD-диво сягає $500.

Експерти очікують, що в 2015 виробники носіїв даних зроблять основний упор на вдосконалення та оптимізацію технології TLC. Основними точками удосконалення TLC повинні будуть стати способи застосування чіпів і боротьба за зменшення помилок, що виникають в процесі читання/запису осередків. Один з перспективних шляхів усунення помилок може стати чіп розроблений інженерами компанії Silicon Motion, що має три логічних рівня придушення виникають неоднозначностей.

Перший рівень Low Density Parity Check (LDPC) — це спеціально розроблений метод кодування даних завдяки якому вже на самому першому етапі буде можливим усунути безліч помилок. Завдяки математичного алгоритму обробки даних, можливо буде гарантовано виявляти і усувати помилки запису без особливих втрат продуктивності. Сама логіка системи LDPC було розроблено ще в 1960-х, але в силу слабкості технічних засобів в повній мірі реалізувати її потенціал не представлялося можливим. У 1990-х, коли обсяги оброблюваних даних досягли певного критичного рівня, для LDPC настав зоряний час. Знайшовши себе в мережах WI-FI, 10 Гб мережах, цифровому телебаченні — алгоритм продовжив свою службу на благо SSD.

Крім кодування даних LDPC також може стати інструментом для відстеження та коригування напруги электрозаряда масивів пам'яті, для більш ефективного функціонування TLC. Електротехнічні властивості напівпровідників, і масивів, що формуються ними, з часом зазнають деяких змін. Зміни можуть бути як короткочасні, пов'язані з температурою, так і довготривалі, пов'язані з деградацією матеріалу. Грунтуючись на статистичній інформації, алгоритм LDPC, допомагає звести виникнення помилок, з вище наведених причин, до мінімуму.

Таке нашарування технологій дозволяє компенсувати більшість мінусів технології TLC і робить її більш рентабельною. Найбільшою не вирішеною проблемою SSD носіїв, вироблених за технологією TLC, все ще є короткий термін служби клітинок записи. Враховуючи всі за і проти, такі диски стали високо затребувані для споживачів, що застосовують такий вид пам'яті для інформації, до якої часто відбуваються обігу і не зазнає особливих змін.



Перспективи носіїв даних в осяжному майбутньому

На даний момент складно побачити потенційного конкурента зв'язці флеш пам'яті і жорстких дисків. Більш того, не видно навіть серйозних робіт націлених на пошук цього конкурента(ів). На ринку носіїв даних, існує надзвичайно велика конкуренція, що змушує виробників техніки працювати з мінімальною маржею, при цьому виділяти величезні кошти на розробку кардинально нових способів зберігання інформації недозволена розкіш. Весь науковий прогрес спрямований на більш локальні завдання — модернізацію існуючих рішень, як результат, про революції носіїв даних, в осяжному майбутньому, говорити не доводиться.

Очевидно, що прогрес технологій не стоїть на місці і звичайно ж ми доживемо до того дня, коли повсюдно будуть представлені технології зберігання даних істотно відмінні від існуючих. Буде це голографічна або полімерна пам'ять, що використовує фазовий перехід або це будуть зразки на основі FeRAM зараз не зрозуміло. Ясно одне, що це все перспектива наступного десятиліття, адже не варто забувати, що від появи навіть самої успішної розробки повинно пройти як мінімум кілька років до того, як вона тріумфально з'явиться на прилавках магазинів. Відповідно все це час ми будемо спостерігати вже звичні нам рішення.



Хоча і складно, з абсолютною достовірністю, в наш гіперактивної час стверджувати, де опиниться ціла галузь через 10 років. При цьому, ґрунтуючись на попередніх десятиліттях, дещо що можна передбачити з повною упевненістю. З революціями або без них, майбутнє носіїв даних буде рухатися в єдиному ключі: швидше, дешевше, безпечніше, ширшими, куди нас заведе цей шлях, час покаже.

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.