Зберігання даних: Яке майбутнє нас чекає



Зовсім недавно ми розповідали про роботу служби тех. підтримки нашого хмарного сервісу 1cloud і запропонували «п'ятничний формат», дозволяє познайомитися з пристроєм сервісу Netflix та оцінками вчених щодо перспектив області ШІ.

Сьогодні ми вирішили подивитися на стан справ у сфері зберігання даних, а завтра вас чекає традиційний «п'ятничний формат» з розбором теми «хмарної робототехніки» та суміжних сфер діяльності.


Вже «на порозі»

У 2014 році компанія Seagate анонсировала свій новий дисковий накопичувач Kinetic HDD з інтерфейсом Ethernet, продуктивність якого в кілька разів перевищила продуктивність всіх існуючих на той момент продуктів.

У кожного диска Kinetic HDD є два гігабітних Ethernet-порту, кожен зі своєю IP-адресою, а платформа Kinetic Open Storage дає можливість програмам і хостам зв'язуватися один з одним безпосередньо через жорсткі диски з допомогою TCP/IP-інфраструктури дата-центрів, використовуючи відкритий API.

Подібна технологія може серйозно змінити інфраструктуру дата-центрів та ІТ-індустрію в цілому. Прямий зв'язок дисків з додатками дозволить відмовитися від контролерів, файлових систем і навіть масивів RAID. Це безумовно сприятиме поширенню розподілених баз даних на зразок Cassandra.

У тому ж 2014 році компанія HGST представила широкій публіці новий жорсткий диск Ultrastar He8 SATA Ultra. Головним технічним рішенням стало заповнення камери з обертовими дисками гелієм.

А вже у вересні 2014 року компанія Western Digital представила перший 10 ТБ жорсткий диск, виконаний за цією технологією. Оскільки замість повітря в дискової камері знаходиться гелій, то дисків набагато простіше обертатися, з-за цього менше гріються і можуть розташовуватися ближче один до одного.

На даний момент такі диски не використовуються в комерційних або професійних широкомовних видеосерверах, однак нові гелієві HDD споживають на 33% менше електроенергії. Це дозволить збільшити дискову щільність в центрах обробки даних, а також зменшити операційні витрати і займане пристроями простір.

Що стосується технологій запису, то ще однією технікою, здатної увірватися на ринок у найближчому майбутньому, є запис з перекриттям доріжок (SMR – Shingled Magnetic Recording) – це особлива техніка зберігання, коли при записі інформації на диск, доріжки накладаються один на одного. Це дозволяє збільшити кількість доріжок на кожній пластині і скоротити відстань між ними, що у свою чергу призводить до підвищення ємності диска на 25%.

Однак тут є кілька труднощів. Наприклад, щоб замінити або відновити інформацію, потрібно оновити не тільки потрібний фрагмент, але і дані на останніх доріжках, оскільки записуюча головка таких дисків ширше зчитує і захоплює захоплює дані на сусідніх доріжках. Все це призводить до низької продуктивності запису.

Розвитком технології SMR займаються Seagate, так і HGST. Що стосується HGST, то компанія випускала гелієвий диск об'ємом 10 ТБ, використовує цю технологію. Він призначався «холодного» зберігання даних.

Перспективні розробки

Протягом близько 50 років виробники магнітних накопичувачів використовували метод, іменований паралельної магнітної записом (LMR – Longitudinal Magnetic Recording), в якій вектор намагніченості для кожного біта інформації розташований паралельно до поверхні носія (плівки або диски).

У той час як в історичній ретроспективі поверхнева щільність запису подвоювалася приблизно кожен рік, в кінці кінців швидкість цього зростання сповільнилася, і за минулі десять років поздовжня магнітна запис досягла фундаментального межі щільності запису, який склав близько 100-200 гігабіт на квадратний дюйм.

Цей межа отримав назву «суперпарамагнитного межі», обумовлений температурними коливаннями в момент поляризації гранул (зміни станів) під час запису на пристрій. Ефект парамагнетизму веде до виникнення полів розсіювання та неправильної орієнтації зарядів на площині диска – «бітовим помилок».

Щоб розширити можливості HDD, була придумана перпендикулярний магнітний запис (PMR – Perpendicular Magnetic Recording), здатна забезпечити запис 1 ТБ даних на дискову пластину: біти поляризувалися «перпендикулярно площині», а не «паралельно».

Спочатку технологія PMR розглядалася як тимчасове рішення, але вона стала використовуватися повсюдно. Однак PMR має всі ті ж проблеми із стійкістю читання і запису, як у випадку з LMR.

Тому Western Digital і Seagate працюють над дисками, що використовують технологію термоассистируемой магнітного запису (HAMR – Heat Assisted Magnetic Recording), з допомогою якої можна буде створити диски формату 3,5" з ємністю до 60 ТБ.

HAMR покликана замінити PMR і використовує невеликий лазер для нагріву частини диска, на яку планується здійснити запис. Це дозволяє зменшити розміри магнітної області, що зберігає один біт інформації, і збільшити стабільність зберігання даних.

Проте всі вищеописані технології є попередниками нової багатошарової 3D-запису. Ще в кінці 2013 року дослідники з Міжнародного університету Флориди показали, що 3D-запис має колосальним потенціалом і дозволяє створювати магнітні носії величезної ємності.

В ML-3D замість одного магнітного шару використовуються відразу три, між якими прокладено ізолятор. Для запису використовується спеціальна магнітна головка. Читання здійснюється за допомогою більш слабкою магнітної головки, шляхом обчислення векторної суми наностолбцов. На малюнку нижче показано набори бітів, сформовані магнітним полем різної сили і напряму та згруповані в наноколонки.



Ще однією цікавою і перспективною технологією є пам'ять з фазовим переходом (PCM – Phase Change Memory), яка розглядається як майбутня заміна технології флеш-пам'яті NAND. PCM використовує халькогенід, матеріал, здатний при нагріванні переходити з кристалічного стану в аморфне.

Зміни стану комірки можуть бути зроблені близько мільйона разів, що значно перевищує параметри комерційно успішних NAND-осередків в SSD-вінчестерах корпоративного рівня (близько 30 000 циклів перезапису).

Проблема PCM-пам'яті у великій затримці запису, але IBM продемонструвала, що гібридний пристрій з PCM, NAND і DRAM на одному контролері здатне працювати в 275 разів швидше звичайного SSD-пристрої. За оцінками IBM, перші комерційні продукти, засновані на гібридною технологією PCM, з'являться у продажу вже в 2016 році.

Незважаючи на те, що все більша кількість компаній займається питаннями збільшення ємності жорстких дисків, існують розробки, покликані підвищити ємність оптичних дисків. Активна робота над голографічними дисками (HVD) ведеться вже як мінімум десятиліття. У 2011 році GE представила своє голографічне сховище: диски розміром з DVD, які можуть вмістити до 500 ГБ даних в крихітних голограми.

Для цього використовується два лазера: червоний і зелений, об'єднані в один промінь. Зелений лазер читає дані, закодовані у вигляді сітки з голографічного шару, близького до поверхні диска, в той час як червоний лазер використовується для читання допоміжних сигналів з звичайного шару, розташованого в глибині.

Проте останнім часом про технології HVD мало що чути, а один з головних розробників, компанія InPhase Technologies, в 2010 році збанкрутіла. Однак не хотілося б, щоб технологія так і залишилася «недореализованной», адже ці диски досить надійні і вважається, що вони можуть зберігати дані протягом 30 років.

Далеке майбутнє

У травні 2014 року IBM і Fujifilm анонсували стрічкове пристрій зберігання даних, яке може зберігати 85,9 млрд біт на квадратному дюймі магнітної стрічки. Подібна щільність дозволяє створювати картриджі з ємністю до 154 ТБ, що в 62 рази перевищує можливості картриджів LTO-6.

Для отримання такої високої щільності експерти Fujifilm розробили технологію Nanocubic, завдяки якій можна сформувати надтонкий магнітний шар. Чим тонше магнітний шар, тим більше намагнічених доменів розміщується на одиниці площі магнітної стрічки. Комерційні реалізації технології можуть з'явитися протягом найближчих 10 років.

Однак найбільш перспективною і багатообіцяючою технологією майбутнього є сховища на основі ДНК.



Можливо це одна із самих дивних технологій майбутнього. У 2012 році дослідники з Гарварду змогли закодувати в ДНК книгу з 53 400 слів, одинадцять JPEG-зображень і одну програму на JavaScript.

ДНК пропонує неймовірну щільність запису – 2,2 петабайта на грам. Це означає, що ДНК-диск розміром з чайну ложку сможет вмістити всі дані, що існують в світі – кожну пісню, кожну книгу, кожне відео. Крім невеликих розмірів, ще одним достоїнством ДНК-сховищ є довговічність. словами Джорджа Черча (George Church) з Гарварду, ви можете залишити ДНК-диск де завгодно, хоч в пустелі, але дані залишаться на ньому навіть 400 000 років тому.

Процес синтезу послідовності ДНК схожий на нанизування на нитку перлів. У цьому випадку інформація кодується у вигляді традиційних нулів і одиниць. Ці значення присвоюються певним хімічним компонентам, мономерам, які за допомогою хімічних методів з'єднуються в один ланцюг, утворюючи полімери. Щоб прочитати записану інформацію, достатньо скористатися мас-спектрометром – пристроєм для зчитування ДНК-послідовності.

Для перевірки того, як довго дані можуть зберігається в ДНК, вчені закодировали 83 кілобайта даних (данным New Scientist, вартість кодування 83 кілобайт склала $1500). Матеріалом послужили Швейцарський Федеральний втомившись від 1291 року і палімпсест Архімеда. Вибір цих документів, на думку вчених, показує не тільки потенційну придатність методу, але і його історичну важливість. За оцінками представників ETH Zurich, ці дані залишаться незмінними впродовж мільйона років (якщо ДНК зазнає заморожування).

Найбільшою перешкодою, яка поки що не дозволяє використовувати ДНК для зберігання інформації на практиці, є время. Навіть з використанням сучасних технологій розшифровки, читання молекули ДНК займає багато годин – на кілька порядків більше, ніж читання звичайного файлу на комп'ютері. Тому цей тип сховищ не підходить для часто використовуваних даних. Більше того, вчені до цих пір заносять інформацію в штучну ДНК і лише після цього поміщають її в бактерію.

Як відомо, не всі технології починають використовуватися повсюдно і стають широкодоступны. Але команда дослідників із США нещодавно здійснила прорив, в якому показала, що можна зберігати дані у так званих «м'яких речовини».

Згідно з новим дослідженням, мікроскопічні частинки в рідині можуть бути використані, щоб кодувати ті ж нулі і одиниці, прямо як у сучасних жорстких дисках. В теорії кластери таких частинок одного разу зможуть зберігати до 1 ТБ даних в столовій ложці рідини.

Термін «м'яке речовина» може ставитися до рідин, полімерів і навіть биоматериалам. Всі ці речовини мають передбачуваним поведінкою під впливом різних температур – змінюють форму на молекулярному рівні. Команда, відповідальна за дослідження, використовувала певний тип колоїдної суспензії зі спеціальними наночастинками, що зберігають свої властивості.

Такі частинки при нагріванні організовуються в групи. В даному конкретному випадку наночастинки збиралися в групи з чотирьох і більше штук, у той час як одна з них була центром. Розміри зв'язок ледь перевищували 5 мікрометрів в діаметрі, але команда вчених змогла візуально відзначити зміни, що відбуваються.

Кластери з чотирьох часток можуть перебувати лише в двох станах, які можна закодувати як нуль і одиницю. Однак це лише перший крок в сторону «рідких сховищ». Зараз необхідно знайти надійний спосіб формувати кластери у великих об'ємах рідини і швидко зчитувати записані дані.

Але, ймовірно, самою передовою технологією майбутнього можуть стати квантові сховища. Сьогодні вчені вивчають способи зберігання даних з застосуванням законів квантової фізики – тобто намагаються закодувати інформацію за допомогою керованої орієнтації спина електрона.

На даний момент таким способом можна зберегти невелику кількість даних на дуже нетривалий час (менше дня), але якщо все вийде, то, можливо, завдяки квантової заплутаності ми отримаємо можливість миттєво синхронізувати дані між двома точками.

P. S. Ми в 1cloud розглядаємо різні теми в нашому блозі на Хабре – пара прикладів:

І розповідаємо про власному хмарному сервісі:



Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.