«Робота з мікроскопом»: Революція в області зберігання даних



/ фото grover_net CC

В одному з наших попередніх матеріалів ми писали про нову розробку у сфері зберігання даних. Нас, як IaaS-провайдера, дуже цікавлять технології, здатні змінити наше уявлення про дата-центрах. Тому ми вирішили приділити ще трохи часу сховищ даних. Дуже ємним сховищ даних.

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 компанії. Новий винахід спрощує процес створення програмних та апаратних архітектур зберігання даних, знижуючи сукупну вартість володіння (ТСО) і дозволяючи оперативно реагувати на зростаючі потреби хмарної інфраструктури систем зберігання даних.

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.

Інша розробка Seagate, суть якої полягає в черепичним технології запису (shingled magnetic recording, SMR), лягла в основу більш чотирьох мільйонів накопичувачів, які були поставлені на ринок за два роки з моменту її запуску у виробництво. Особливість технології SMR полягає в тому, що 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%. Проблема низької швидкості запису в даному випадку вирішується з допомогою спеціальних мікропрограм, які оптимізують операції послідовного запису.

Все це приводить нас до думки, що жорсткі диски залишаться з нами ще надовго, оскільки це, хоч і не позбавлена недоліків, але перевірена часом технологія, яка і донині продовжує вдосконалюватися. Однак рано чи пізно в світі з'явиться новий спосіб зберігання даних, який за всіма параметрами перевершить магнітні дискові накопичувачі. Давайте зробимо невеликий екскурс у майбутнє і поглянемо на перспективні розробки в області зберігання даних.

Сховища на основі ДНК
Однією з найбільш перспективних і багатообіцяючих технологій майбутнього є сховища на основі ДНК. Про неї ми писали в одному з наших попередніх постів. Молекула ДНК пропонує неймовірну щільність запису. ДНК-диск розміром з чайну ложку сможет вмістити всі дані, що існують в світі – кожну пісню, кожну книжку, кожну відеозапис.

Іншою перевагою ДНК-сховищ є їх довговічність. словами гарвардського вченого Джорджа Черча (George Church), ДНК-диск можна залишити де завгодно, навіть в пустелі, але дані залишаться на ньому навіть 400 000 років тому.

Для перевірки того, як довго дані можуть зберігається в ДНК, вчені закодировали 83 кілобайта даних, а саме два документа – Федеративну хартію 1291 року і палімпсест Архімеда. Вибір цих документів, на їх думку, показує не тільки потенційну придатність методу, але і його історичну важливість. Согласно ресурсу New Scientist, вартість експерименту склала $1500. За оцінками представників ETH Zurich, якщо ДНК зазнає заморожуванню, ці дані залишаться незмінними впродовж мільйона років.

На даному етапі головним перешкодами для масового впровадження нової технології зберігання інформації є время, що витрачається на вилучення даних. 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.

Звичайно, на поточному рівні розвитку технологій синтез ДНК є занадто дорогим процесом, але перспективи його застосування для довгострокового зберігання інформації очевидні.

Також варто відзначити одну із суміжних розробок, яка дозволяє зберігати дані у так званих «м'яких речовинах». Термін «м'яке речовина» може ставитися до рідин, полімерів і навіть биоматериалам. Згідно з новим дослідженням, мікроскопічні частинки в рідині можуть бути використані для кодування тих же нулів і одиниць, прямо як у сучасних жорстких дисках. В теорії кластери таких частинок одного разу зможуть зберігати до 1 ТБ даних в столовій ложці рідини.

«Атомний» накопичувач даних
«Що, якщо б ми могли розташовувати атоми в довільному порядку?» – запитав знаменитий американський фізик Річард Фейнман (Richard Feynman) під час своєї лекції «Там, внизу, ще багато місця» в 1959 році. Вчений припустив, що «маніпулятор» відповідного розміру дозволить переміщати окремі атоми. Це означало б, що інформацію, наприклад текст, можна записати за допомогою самих атомів, і тоді вся енциклопедія «Британіка» вмістилася б на кінчику шпильки. Таким чином, Фейнман заклав майбутні основи нанотехнологій.

Три десятиліття потому групі вчених з корпорації IBM вдалося зробити те, описував Фейнман. З допомогою тунельного мікроскопа вони виклали логотип компанії з 35 атомів ксенону на нікелевій поверхні, вперше продемонструвавши можливість переміщення окремих атомів.

Щоб запобігти зсув атомів і утримати їх на своїх місцях, дослідникам довелося знизити температуру до -269ºC, що всього на 4ºC вище абсолютного нуля. Експеримент виявився настільки дорогим, що писати більше, ніж три літери, не було сенсу.

В липні 2016 року команда вчених з Делфтського технологічного університету, розташованого в Нідерландах, вчинила новий прорив в області зберігання даних на атомному рівні. Замість трьох букв, їм вдалося записати цілий параграф тексту (приблизно 1 кілобайт даних).

Головним недоліком нового методу є висока вимогливість до зовнішніх умов. Щоб атоми не зміщувалися довільно, накопичувач доводиться охолоджувати до температури рідкого азоту (мінус 196 градусів за Цельсієм). Проте, такий спосіб набагато дешевше, ніж охолодження рідким гелієм, застосовуване в свій час IBM.

На відміну від дослідників компанії IBM, голландські вчені зберегли інформацію не в буквах, а в бінарному коді. Суть технології полягає в розміщенні атомів хлору на мідній пластині, де вони природним чином формують сітку з квадратними осередками. Чергуючи атоми з порожніми просторами між ними, а також переміщаючи атоми по пластині на порожні місця, вчені отримують «візерунки», які можуть бути зчитані – подібно до того, як зчитуються QR-коди.

«Уявіть собі п'ятнашки. Кожен біт складається з двох позицій на поверхні з атомів міді і одного атома хлору, який ми можемо переміщати між цими позиціями. Якщо хлор розташовується у верхній позиції, а «дірка» – під ним, то це означає одиницю. Зворотне розташування – нуль», – розповів керівник проекту Сандер Отто (Sander Otte). Атоми хлору розташовані досить щільно, завдяки чому досягається велика стабільність в кодуванні даних, ніж в експерименті IBM.

Решітка була настільки стійкою, що вчені змогли вибудувати 1 016 атомів на ділянці розміром 96 на 126 нанометрів (для порівняння, вірус імунодефіциту людини займає 120 нм). Така щільність зберігання інформації дозволяє вмістити 78 трильйонів біт на одному квадратному сантиметрі – це в сотні разів перевищує можливості сучасних жорстких дисків.

Така висока щільність дозволить у перспективі розширити ємність пам'яті телефонів, комп'ютерів і дата-центрів. Але перш вченим необхідно адаптувати технологію до роботи при кімнатній температурі. Крім того, швидкість перезапису поки що невисока – всього 64 біта за 1-2 хвилини. Доктор Отто вважає, що міг би збільшити її до мільйона біт в секунду, але це все одно у тисячі разів повільніше, ніж у сучасних HDD.

Як би там не було, ідея створення такого накопичувача дуже перспективна, якщо розвивати її в правильному напрямку. Примітно, що на свій атомний накопичувач доктор Отто вирішив записати перші 160 слів зі знаменитої лекції Фрейнмана. Виявляється, той був правий: ми дійсно можемо розташовувати атоми, як нам завгодно.

Квантове сховище даних
Квантове шифрування вже давно розглядається як перспектива розвитку супербыстрых комп'ютерів, в основі яких лежать кубіти (quantum bit), а не традиційні бінарні дані. Справа в тому, що в силу своєї природи інформаційна ємність кубіта вище, ніж звичного біта двійкової логіки, однак найбільший інтерес тут представляє навіть не щільність зберігання даних, а їх захищеність.

Дослідники з німецького Інституту квантової оптики імені Макса Планка представили свою нову розробку, яка претендує на звання сховища квантової пам'яті майбутнього. Вперше їм вдалося зберегти стан квантового біта в кристалі штучного алмазу при кімнатній температурі довше, ніж на одну секунду. Це відкриття дозволяє подолати основні перешкоди на шляху до створення надшвидкісних квантових комп'ютерів.

Зазначимо, що попередній рекорд зберігання квантової інформації при кімнатній температурі становив лише кілька мілісекунд. При досягненні екстремально низьких температур цей показник можна значно збільшити, але подібний підхід є непрактичним у разі необхідності створення обчислювальних пристроїв для звичайних споживачів.

Роль кубіта в «алмазної» пам'яті виконує атом вуглецю, точніше атома ізотопу вуглецю 13. Ядро ізотопу володіє так званим ядерних спіном, генеруючим магнітний момент, завдяки якому вона веде себе як магніт, орієнтований паралельно (тоді значення кубіта одно умовної «одиниці») або перпендикулярно (тоді його значення дорівнює умовного «нуля») магнітного поля, що додається ззовні.

Завдяки ефекту квантової суперпозиції ядро може знаходитися в двох станах одночасно – «паралельному» і «перпендикулярному», що і дозволяє записати в набір таких кубітів більше інформації, ніж класичний бінарний регістр.

Однак всі операції по обміну інформацією з такими кубітами відбуваються не безпосередньо, а за допомогою так званого азот-вакантного центру, який, власне, і є головним винаходом дослідників, що дозволило подовжити час життя кубіта до однієї секунди.

За заявами дослідників, в перспективі квантові системи зберігання даних можуть забезпечити максимально захищені від підробок і шахрайства засоби аутентифікації (паспорта, посвідчення) і безпечних платежів (кредитні карти). Адже якщо інформація записана в квантовому стані, то її неможливо коректно вважати, не знаючи вихідних параметрів запису (наприклад, напрямки поляризації світла).

Будь-яка спроба дізнатися стан квантової системи змінює її, а клонування наосліп принципово неможливо. З цих причин популярні атаки методом перебору щодо квантових систем марні.

Поки що не варто поспішати з висновками і заявляти, що якась з описаних технологій зможе вийти на ринок. Проте ці розробки точно посприяють розвитку пристроїв зберігання. А поки що нам залишається стежити за технологічним прогресом і зберігати дані на жорстких дисках. Згідно з прогнозами міжнародного консорціуму ASTC (Advanced Storage Technology Consortium), ємність HDD зросте до 100 терабайт до 2025 року. Думається, що цього на якийсь час вистачить.

P. S. Цікаві матеріали по темі нашого блогу на Хабре:

P. P. S. Додатково ми підготували посилання на практичні керівництва якщо у вас буде час познайомитися з нашим IaaS-провайдером 1cloud і вивчити його можливості:

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.