 |
|
Previous: 4.7.14 Квантовые компьютеры
UP:
4.7 Прикладные сети Интернет Next: 4.7.16 Компьютерная аналитика |
|
|
|
Previous: 4.7.14 Квантовые компьютеры
UP:
4.7 Прикладные сети Интернет Next: 4.7.16 Компьютерная аналитика |
Ниже идет речь о динамике развития технологий изготовления чипов оперативной памяти, а также о компонентах SSD и жестких дисков. По мере роста емкости таких приборов размер ячейки памяти уменьшается и логической единице соответствует меньшее число электронов в выходном сигнале. А это ухудшает отношение сигнал-шум. Проблему не может решить процедуры восстановления (refresh), так как коррекция выявленных ошибок является вероятностной и при большом числе циклов ошибки будут накапливаться. Можно лишь уменьшать вероятность ошибки путем увеличения избыточности и/или усложнения алгоритма коррекции ошибок. Другим способом уменьшения частоты ошибок является понижение рабочей температуры и, таким образом, снижение уровня тепловых шумов.
До сих пор для хранения данных широко используются магнитные носители - ленты (картриджи) и жесткие диски (см. "High Density Magnetic Data Storage" (chapter 1), Huimeng Wu, Li Zhang, Yanlin Song).
Современные системы памяти используют для хранения заряды (электроны), которые заносятся в конденсатор или потенциальную яму (рис.1). V=Q./С, где V – разность потенциалов между пластинами конденсатора, а Q – заряд, внесенный в конденсатор. Конденсатором часто является паразитная емкость какого-то электрода в чипе.
Рис. 1. Потенциальная яма, как ячейка хранения данных
Если рассматривать потенциальную яму на рис. 1, то в ней может быть размешено от нуля до N электронов. Значение N задается уровнем шумов в системе чтения. Если в такой потенциальной яме находится 0 электронов, считается, что там записан логический нуль, если, например, 100 электронов, то логическая единица. Если в потенциальной яме находится 200 электронов, то можно говорить о том, что там записан код 2. Число электронов в потенциальной яме должно существенно превосходить уровень шума. В принципе, увеличивая число электронов в потенциальной яме, можно записать даже 3-битовое двоичное число.
С точки зрения классической физики электроны должны оставаться в яме вечно, если не учитывать возможность флуктуации их энергии из-за теплового движения. Вероятность “перепрыгивания” потенциального барьера электроном за счет тепловых флуктуаций весьма мала, но не равна нулю. Если учитывать квантово-механический эффект прохождения электронов под барьером (туннельный эффект) эта вероятность немного увеличится. Нужно также учесть инжекцию зарядов при прохождении через прибор космических частиц или за счет естественной радиоактивности. Через любого человека проходит до сотни высокоэнергичных космических мюонов в минуту. Эти эффекты могут приводить к искажению данных хранящихся в памяти. Можно, разумеется, использовать алгоритмы коррекции ошибок, но они исправляют ошибки с вероятностью близкой, но не равной 1. Таким образом, если речь идет о больших временных интервалах, искажения информации могут накапливаться. Если вы хотите сохранить какие-то данные многие годы, разумно задублировать эти файлы на нескольких носителях и время от времени обновлять.
Именно такой принцип использован в дисковых системах RAID (Redundant Array of Independent Disks). Кроме того, этим же целям служат облачные системы памяти. Понятно, что это лишь приближает вероятность сохранения данных к единице, но стоимость системы заметно удорожается.
| Каменные библейские скрижали были утрачены, но их тексты остались общеизвестными даже спустя 2000 лет, так как, вероятно, были скопированы или просто запомнены. Таким образом, папирус и человеческая память оказались с точки сохранности данных надежнее камня |
| Текстовые документы лучше хранить в исходном виде, так как любой текст имеет большую избыточность и многие искажения будут восприниматься читателем как опечатки, не искажающие смысла. Если применить архивный формат, порча некоторых кодов может привести к тому, что текст не будет читаться вообще |
Эти соображения касаются и программ. Лучше хранить исходный текст, а не исполняемый модуль. Языки Perl и Pyton предпочтительнее с этой точки зрения, ведь они подразумевают исполнение исходного кода. Если же там при хранении возникнет искажение, то с большой вероятностью при попытке исполнения будет выдана диагностика, указывающая на место искаженного кода.
| Не всякую информацию разумно хранить "вечно". Целесообразно разделить данные на несколько категорий, для каждой из которых выбрать определенны уровень надежности |
Потери информации неизбежны. Я не говорю о том, сколько данных мы теряем при смерти тех или иных людей.
Традиционные системы памяти большого объема базируются в основном на жестких дисках (HDD), которые могут вращаться со скоростью 15000 оборотов в минуту. Это накладывает определенные ограничения на время доступа к данным. Альтернативой им могут со временем стать твердотельные системы памяти, например, SSD (Solid State Drive). Все мы уже привыкли работать с флэшками. У этих устройств время выборки может быть в 100 раз меньше, чем у HDD. Но SSD пока обеспечивают ограниченное число циклов записи-чтения (~10000), да и удельная стоимость SSD пока выше, чем у традиционных HD. SSD уже сегодня могут обеспечить быстродействие 500000 - 1000000 IOPS (операций ввода-вывода в секунду).
Объемы данных в мире ежегодно удваиваются, а цены в расчете за мегабайт падают (см. рис. 2).
Рис. 2. Падение стоимости памяти из расчета на мегабайт (Chip 03/2016, стр. 10)
В последние годы стала быстро развиваться технология Flash-памяти, на основе которой будут разрабатываться драйвы, призванные заменить HDD. Смотри рис. 2 (Computerworld (Россия) январь 2011). Но HDD (жесткие диски) пока более безопасны, по сравнению с SSD.
Рис. 3. Тенденция развития технологии твердотельных драйвов (SSD - Solid State Drive). S-ATA - Serial Advanced Technology Attachment; SAS - Serial Attached SCSI; FC-AL - Fibre Channel Arbitrated Loop.
Традиционные системы памяти большого объема базируются в основном на жестких дисках, которые могут вращаться со скоростью 15000 оборотов в минуту. Это накладывает определенные ограничения на время доступа к данным. Альтернативой им могут со временем стать твердотельные системы памяти, например, SSD. Все мы уже привыкли работать с флэшками. У этих устройств время выборки может быть в 100 раз меньше, чем у HDD. Но SSD пока обеспечивают ограниченное число циклов записи-чтения (~10000), да и удельная стоимость SSD пока выше, чем у традиционных HD. SSD уже сегодня могут обеспечить быстродействие 500000 - 1000000 IOPS (операций ввода-вывода в секунду).
В последние годы разработано большое разнообразие различных устройств твердотельной памяти.
Выпускается три разновидности SSD:
SLC (Single-Layer Cell) обеспечивает до 100000 циклов чтения-записи.
MLC (Multi-Layer Cell) обеспечивает до 3000-10000 циклов чтения-записи.
eMLC (enterprise Multi-Layer Cell) обеспечивает до 30000 циклов чтения-записи, но относительно дешевы (дешевле чем SLC).
Эти устройства используются в фотоаппаратах, мобильных телефонах и в качестве внешних переносимых устройств памяти (вспомним USB-флэшки).
Выпускаются и модули памяти, подключаемые к базовой плате персонального компьютера. PCI Express является твердотельной памятью (PCIe-SSS), которая может непосредственно устанавливаться на PCI-шину компьютера. В таблице ниже представлена итория становления и базовые характеристики интерфейсов PCI.
| Интерфейс | Год ввода в строй | Быстродействие |
| PCIe 1.0 | 2003 | 8 -64 Гбит/c |
| PCIe 2.0 | 2007 | 16-128 Гбит/c |
| PCIe 3.0 | 2010 | 32-256 Гбит/c |
| PCIe 4.0 | 2017 | 64-512 Гбит/c |
| PCIe 5.0 | 2019 | 128-1024 Гбит/c |
| PCIe 6.0 | 2021 | 256-2048 Гбит/c |
Интерфейсы PCIe 5.0 станут массовыми лишь в 2025-26 годах
SAS или SATA SSD подобны традиционным жестким дискам, они используют тот же тип интерфейса и те же программные драйверы. Но программы для работы с SSD должны все же отличаться от традициронных. Здесь следует исключить процедуры дефрагментации и учитывать ограниченность полного числа циклов чтения-записи. Скорость чтения-записи таких устройств достигает 1.8/1.2 Гбайт/c, максимальное число циклов чтения записи составляет 10000-100000. Цена гигабайта памяти для SSD-накопителей пока заметно выше гигабайта HDD. Достигнуты емкости SSD-накопителей порядка 1Тбайт. Использование SSD может увеличить быстродйствие дисковой системы памяти в 10 раз.
Основным недостатком SSD на сегодня является ограниченный срок жизни. Эти устройства хорошо работают при чтении, но быстро деградируют при частых циклах записи. По этой причине нежелательно использовать SSD в режиме произвольного доступа. SSD дают хороший эффект в качестве кэша, например, в системах NAS (Network Attached Storage). Кэш на базе SSD может существенно улучшить рабочие параметры системы памяти.
Не следует использовать SSD общего назначения в высоко виртуализованной среде. SSD хорош для стартовой загрузки системы. SSD неэффективен на сервере для облегчения входных/выходных узких мест. Вообще SSD эффективен, если отношение чтение/запись составляет 9/1, если же это отношение равно 1/1, применение SSD нежелательно.
Компания Samsung начала поставку SSD (PM1633) емкостью до 15ТБ (2015г). Для производства использована 48-слойная технология 3D Vertical NAND (V-NAND). Быстродействие устройства составляет 160,000 и 18,000 in/out операций в сек при скоростях чтения/записи 1100Mбит/c и 1000Mбит/c, соответственно. В 2016 году компания Samsung предложила переносные миниатюрные (2,9"x2,3") устройства памяти емкостью 2 TB Т3 (см. "Review: Samsung's business card-sized, 2TB SSD nears internal drive speeds", Lucas Mearian, Computerworld, Feb 24, 2016). См. рис. 4. Устройство рассчитано на работу с интерфейсом USB 3.1. Прибор работает с интерфейсами SATA на скорости не менее 100 Мбит/c.
Рис. 4. Переносное устройство памяти (Samsung) с емкостью 2 TB
Плотность записи для магнитных носителей на квадратный дюйм растет почти экспоненциально, что можно видеть на рис. 5 (масштаб по вертикали логарифмический). За 57 лет плотность записи увеличилась в 500 млн. раз. Cтоимость гигабайта памяти падает на 28-48% в год. В 2016 году SSD позволили получить скорость передачи данных 1700МБ/сек при емкости 4 Тбайт. (См. "Data storage comes into its own").
Рис. 5. Рост плотности записи в битах на квадратный дюйм по годам
Исследователи Орегонского университета обнаружили, что с помощью высокочастотных звуковых волн можно поднять плотность магнитной записи. Анализ показал, что при временном нагревании магнитного материала, он становится менее жестким и на единицу площади можно записать больший объем данных. Но нагрев распространяется за пределы нужной области. Ультразвуковое воздействие решает эту проблему. Предлагаемая технология позволяет при этом экономить также энергию.
Группа исследователей из университета Айовы выяснили, что ультракороткие лазерные импульсы (фемптосекундного диапазона) и использование специальных материалов, обладающих колоссальным магнетосопротивлением - CMR), позволяют переключать намагниченность в 1000 раз быстрее, чем в современных устройствах памяти. В перспективе эта технология может позволить создать устройства памяти с временем переключения в терагерцном диапазоне.
В Network World появилась заметка "Ferromagnetics breakthrough could change storage as we know it", by Jon Gold, . Сообщение базируется на статье в журнале Nature Materials "Current-driven dynamics of chiral ferromagnetic domain walls", Satoru Emori, Uwe Bauer, Sung-Min Ahn, Eduardo Martinez & Geoffrey S. D. Beach. Автор утверждает, что эта работа полностью изменит принципы построения внешних магнитных запоминающих устройств. Показано, что создана среда, где для переключения из одного состояния в другое достаточно энергии в 100 раз меньше, чем в существующих приборах.
Группа исследователей из университета Саутхамптона (Великобритания) разработала технологию цифровой записи 300-кбайтных текстовых файлов в наноструктурированном стекле с помощью импульсного фемтосекундного лазера. Файл пишется в три слоя в виде точек, отстоящих друг от друга на расстояние 5 мкм. Объем записи может достигать 360 Тбайт, время хранения данных не ограничено. Разработчики назвали эту память кристаллом Супермена. См. "'Superman' crystals could store 360TB of data forever", by Lucas Mearian, July 12, 2013.
Компания Sony разработала магнитный материал, который позволит создать картриджи с емкостью 185 Тбайт (см. "Sony magnetic tape tech could create 185TB cartridges", Tim Hornyak, April 30, 2014). Будет достигнуто увеличение плотности записи в 74 раза по сравнению с существующими магнитными лентами (148 гигабит/кв.дюйм). Пространственное разрешение технологии составляет 7,7 нм.
Компания Crossbar анонсировала новый вид памяти - RRAM (Resistive Random-Access Memory), которая может стать приемником флэш-памяти или DRAM. Память относится к неразрушаемому типу. Ожидается, что память будет миниатюрнее, быстрее и энергетически эффективнее по сравнению с NAND-флэш и RAM. Она может найти применение в смартфонах и планшетах. Эта память имеет в 20 раз большее быстродействие, в 20 раз меньше энергопотребление и в 10 раз больший срок жизни по сравнению с NAND-флэш. 1-Тбайтный модуль памяти будет в два раза меньше модуля NAND-блэш той же емкости.
Ячейка RRAM имеет три слоя с ключом посередине, что позволяет определить, в каком состоянии находится ячейка (1 или 0). Верхний слой имеет металлический электрод, в то время как нижний слой имеет неметаллический электрод. Верхний слой передает ионы металла в переключающую область и в нижний слой, который формирует тонкий проводник для обеспечения соединения электродов. Приложение отрицательного заряда разрывает этот проводник и оставляет зазор между электродами, что ликвидирует сопротивление и меняет состояние ячейки. Ячейки памяти не содержат транзисторов. Данная технология напоминает технику мемристоров.
Компания Diablo Technologies совместно с Smart Storage разработали флэш память, которую можно вставлять в разъемы DDR3 (см. "Smart and Diablo launch Ulltra DIMM memory channel storage", Antony Adshead, ComputerWeekly). На одной карте может размещаться 200 или даже 400 Гбайт.
Компания Seagate разработала новую технологию записи на жесткий диск с привлечением разогрева (см. "Seagate, TDK show off HAMR to jam more data into hard drives", Stephen Lawson, September 30, 2013). Технология HAMR (Heat-assisted magnetic recording использует при записи на жесткий диск тепло от лазера. Это позволяет осуществить более плотную запись. Плотность записи там будет достигнута на уровне 1 Тбита на квадратный дюйм. Сегодня достижима плотность 750 Гбит/кв.дюйм. К 2020 году компания предполагает достичь плотности 5 Тбит на кв. дюйм. Тогда жесткий диск будет иметь емкость до 20 Тбайт. Увеличению плотности записи будет способствовать использование технологии нанотрубок, которая позволит уменьшить зазор между записывающей головкой и поверхностью диска. Другими технологиями, которые планируется применить для наращивания плотности записи, являются BPM (Bit Patterned Recoding) и SMR - Shingled Magnetic Recording;.
Ожидается, что к 2025 году технология HAMR позволит получить плотность записи 10 Тбит на кв. дюйм. Из этого следует, что 3,5-дюймовый HDD сможет иметь емкость 100 Тбайт
Разработан новый тип автономной памяти Nano-RAM (NRAM) (см. "Nantero's carbon-nanotube memory could replace SSDs and DRAM", Agam Shah, IDG News Service, June 2, 2015). В микросхеме использована технология углеродных нанотрубок с разрешением 15 нм (в перспективе может быть достигнут предел в 5 нм). Устройство допускает 1012 циклов записи и 1015 циклов чтения, скорость обмена может составлять 2400 Мбит/c. Эти приборы памяти могут работать при температурах вплоть до 300 градусов Цельсия. В перспективе они смогут заменить современные SSD.
В современных драйвах плотность записи составляет 500000 дорожек на дюйм, что ограничивается турбулентной нестабильностью позиционирования головок.
В литературе отмечается, что новые диcки типа Blu-ray могут иметь время жизни в несколько раз больше, чем у DVD. Большинство CD и DVD используют оптическую окраску для записи данных, а это означает, что любое изменение окраски со временем может вызвать искажение данных при считывании (время жизни не более 5 лет). В новых Blu-ray запись формирует объемный профиль, как письмена на камне.
Предлагается новый метод записи данных, позволяющий удвоить плотность записи (см. "A radical innovation that could reduce data density by 50%", Patrick Nelson, Network World, Jul 25, 2017). Для решения задачи используется полимерная пленка, краска и 4-символьный код. Предлагаемый метод назван “Beyond binary”. 4-символьный код реализуется за счет 4 состояний: отсутствие окраски, зеленый, ультрамарин и циан. Для получения нужной окраски используется тепло и ультрафиолет. Дальнейшее увеличение плотности записи возможно за счет использования 7-символьного кода. В перспективе данная технология может позволить получить плотность записи до 500 Терабайт на квадратный дюйм.
Начато использование комбинаций SSD и оперативной памяти (3D XPoint и SCM (Storage Cross Memory). Эта технология позволяет в разы сократить время доступа, переведя его в наносекундный диапазон. В 2016 г ожидается появление ОЗУ емкостью 160Гбайт, прогнозируется появление устройств емкостью 512ГБ.
В 2015 году предел по разрешающей способности на кристалле достиг 13 нм для NAND, но освоение технологии 3D с числом слоев до 32 позволило сохранить прежний темп роста объемов памяти SSD.
Исследователи Орегонского университета обнаружили, что с помощью высокочастотных звуковых волн можно поднять плотность магнитной записи. Исследования показали, что при временном нагревании магнитного материала, он становится менее жестким и на единицу площади можно записать больший объем данных. Но нагрев распространяется за пределы нужной области. Ультразвуковое воздействие решает эту проблему. Предлагаемая технология позволяет при этом экономить также энергию.
Группа исследователей из университета Айовы под руководством профессора Jigang Wang выяснили, что ультракороткие лазерные импульсы (фемптосекундного диапазона) и использование специальных материалов, обладающих колоссальным магнетосопротивлением - CMR), позволяют переключать намагниченность в 1000 раз быстрее, чем в современных устройствах памяти. В перспективе эта технология может позволить создать устройства памяти с временем перключения в терагерцном диапазоне.
<В Network World появилась заметка "Ferromagnetics breakthrough could change storage as we know it", by Jon Gold, . Сообщение базируется на статье в журнале Nature Materials "Current-driven dynamics of chiral ferromagnetic domain walls", Satoru Emori, Uwe Bauer, Sung-Min Ahn, Eduardo Martinez & Geoffrey S. D. Beach. Автор утверждает, что эта работа полностью изменит принципы построения внешних магнитных запоминающих устройств. Показано, что создана среда, где для переключения из одного состояния в другое достаточно энергии в 100 раз меньше, чем в существующих приборах. А это означает, что необходимый ток будет меньше в 10000 раз. Для реализации этого ферромагнетик помещается между двумя другими слоями.
Данная схема позволяет заменить жесткие диски и оперативную память, например, при стартовой загрузке компьютера. При этом повышается и среднее время выборки по сравнению с жестким диском, так как исключается необходимость вращения носителя. Для хранения данных этот вид памяти не требует питания.
Группа исследователей из университета Саутхамптона (Великобритания) разработала технологию цифровой записи 300-кбайтных текстовых файлов в наноструктурированном стекле с помощью импульсного фемтосекундного лазера. Файл пишется в три слоя в виде точек, отстоящих друг от друга на расстояние 5 мкм. Объем записи может достигать 360 Тбайт, время хранения данных не ограничено. Разработчики назвали эту память кристаллом Супермена (рис. 6). См. "'Superman' crystals could store 360TB of data forever", by Lucas Mearian, July 12, 2013.
Рис. 6. Схема оптической записи
SLM - spatial light modulator, FL - Фурье линзы, /2 M - полуволновая матрица
Компания Sony разработала магнитный материал, который позволит создать картриджи с емкостью 185 Тбайт (см. "Sony magnetic tape tech could create 185TB cartridges", Tim Hornyak, April 30, 2014). Будет достигнуто увеличение плотности записи в 74 раза по сравнению с существующими магнитными лентами (148 гигабит/кв.дюйм). Пространственное разрешение технологии составляет 7,7 нм.
Компания Crossbar анонсировала новый вид памяти - RRAM (Resistive Random-Access Memory), которая может стать приемником флэш-памяти или DRAM. Память относится к неразрушаемому типу. Ожидается, что память будет миниатюрнее, быстрее и энергетически эффективнее по сравнению с NAND-флэш и RAM. Она может найти применение в смартфонах и планшетах. Эта память имеет в 20 раз большее быстродействие, в 20 раз меньше энергопотребление и в 10 раз больший срок жизни по сравнению с NAND-флэш, следует также иметь в виду, что технология производства дешевле. 1-Тбайтный модуль памяти будет в два раза меньше модуля NAND-блэш той же емкости. Планируется, что опытные образцы поступят в продажу через три года.
Ячейка RRAM имеет три слоя с ключом посередине, что позволяет определить, в каком состоянии находится ячейка (1 или 0). Верхний слой имеет металлический электрод, в то время как нижний слой имеет неметаллический электрод. Верхний слой передает ионы металла в переключающую область и в нижний слой, который формирует тонкий проводник для обеспечения соединения электродов. Приложение отрицательного заряда разрывает этот проводник и оставляет зазор между электродами, что ликвидирует сопротивление и меняет состояние ячейки. Ячейки памяти не содержат транзисторов. Данная технология напоминает технику мемристоров.
В Силиконовой долине начат проект Crossbar, в рамках которого разрабатывается технология 3D Restive RAM ("A terabyte on a postage stamp: RRAM heads into commercialization", Lucas Mearian, Computerworld, Dec 15, 2014). Ожидается, что к 2016 году по этой технологии будут созданы чипы емкостью 1ТБ (размер чипа меньше почтовой марки; рис. 7).
Рис. 7. Структура модуля 3D-RRAM
Компания Diablo Technologies совместно с Smart Storage разработали флэш память, которую можно вставлять в разъемы DDR3 (см. "Smart and Diablo launch Ulltra DIMM memory channel storage", Antony Adshead, ComputerWeekly). На одной карте может размещаться 200 или даже 400 Гбайт. Для серверов с 48 разъемами расширения речь может идти о доведении объема памяти до десятков терабайт.
Компания Seagate разработала новую технологию записи на жесткий диск с привлечением разогрева (см. "Seagate, TDK show off HAMR to jam more data into hard drives", Stephen Lawson, September 30, 2013). Технология HAMR (Heat-assisted magnetic recording использует при записи на жесткий диск тепло от лазера. Это позволяет осуществить более плотную запись. Seagate рассчитывает выйти на рынок с такими устройствами в 2016 году. Плотность записи там будет достигнута на уровне 1 Тбита на квадратный дюйм. Сегодня достижима плотность 750 Гбит/кв.дюйм. к 2020 году компания предполагает достичь плотности 5 Тбит на кв. дюйм. Тогда жесткий диск будет иметь емкость до 20 Тбайт. Увеличению плотности записи будет способствовать использование технологии нанотрубок, которая позволит уменьшить зазор между записывающей головкой и поверхностью диска. Другими технологиями, которые планируется применить для наращивания плотности записи, являются BPM (Bit Patterned Recoding) и SMR - Shingled Magnetic Recording;.
Компания Seagate намерена выпустить жесткие диски емкостью 14 и 16ТБ в течение ближайших 18 месяцев (см. "Seagate's roadmap includes 14TB, 16TB hard drives within 18 months", Agam Shah, IDG News Service, January 26, 2017). Ближайшие три года (к 2020) Seagate рассчитывает предложить устройства емкостью 20 ТБ. Выпускаемые сегодня 10-терабайтные диски стоят 400$.
На рис. 8 показана эволюция технологий, используемых в жестких дисках высокой плотности записи до 2025 года (см. "Want a 100TB disk drive? You'll have to wait 'til 2025", Lucas Mearian, Computerworld, Nov 25, 2014). ASTC - Advanced Storage Technology Consortium; CAGR - Compound annual growth rate. Ожидается, что к 2025 году технология HAMR позволит получить плотность записи 10 Тбит на кв. дюйм. Из этого следует, что 3,5-дюймовый HDD сможет иметь емкость 100 Тбайт
Рис. 8. Эволюция технологии жестких дисков до 2025 года
Некоторые компании надеются запустить в производство новый вид флэш-памяти на основе графена с емкостью 32 ГБ (см. "Graphene sticky notes may offer 32GB capacity you can write on", Lucas Mearian, December 18, 2013). Эти устройства будут иметь вид гибких пленок ODTS (Optical Data Transfer Surface) с возможностью беспроводного считывания, смотри рис. 9.
Рис. 9. Графеновые наклейки-флэшки
По мнению специалистов компании со временем такие устройства смогут заменить диски в современных компьютерах. Такие пленки могут наклеиваться на любые поверхности (экраны дисплея или мобильного устройства) и передавать данные беспроводным образом. Графеновая флэшка содержит три слоя: внешний защитный; графеновый слой и нижний защитный с проводящей клейкой поверхностью (см. рис. 10).
Рис. 10. Устройство графеновых флэшек
Исследователи из университета Rice несколько лет тому назад продемонстрировали устройство графеновой памяти с толщиной в 10 атомов. Это устройство может сохранять работоспособность до температуры 200Со. Существующие SSD менее устойчивы в отношении условий внешней среды. Эти флэшки будут иметь разные цвета (см. рис. 11).
Рис. 11. Разноцветные графеновые флэшки
Графеновые флэшки - это лишь первый шаг на пути использования графеновых технологий. См. "Graphene Supercapacitors - What Are They?", Jesus de La Fuente / CEO Graphenea. Графеновые конденсаторы могут иметь емкость 250 фарад на грамм при теоретическом пределе 550ф/Г. Эти конденсаторы могут иметь емкость 64 Вт-час/кг при токе 5 А/г, что сравнимо с емкостью современных литиевых батарей. Конденсатор на 100 В с емкостью 1 ф будет иметь высоту 220 мм и вес около 2 кГ. Что особенно важно, графеновый суперконденсатор можно зарядить за 16 секунд и он выдержит 10000 циклов перезарядки без заметного снижения емкости. Одним из применений графеновых конденсаторов могут стать электромобили (см. "Graphene Supercapacitors Ready for Electric Vehicle Energy Storage, Say Korean Engineers", November 12, 2013, MIT Technology Review). Лучшие литий-ионные аккумуляторы сегодня имеют плотность энергии 150-200 Вт×час/кг. Прототипы с кремниевыми нанотрубками и графитовым покрытием могут имеют емкость до 350Вт×час/кг.
Исследователи из университета Оксфорда, Стенфорда, Беркли и Розерфорда нашли материал (Na BiO3 - 3DTDS - полуметалл Дирака), подобный по структуре графену, который может иметь трехмерную структуру и пригоден для изготовления быстродействующих транзисторов и жестких дисков с высокой емкостью (см. "3D graphene-like material could lead to super electronics", Lucas Mearian, January 21, 2014) . Ожидается, что этот магниторезистивный материал позволит создать жесткие диски в 10 раз более емкие, чем лучшие существующие.
MRAM (magnetoresistive random access memory) (см. "Flash storage alternative MRAM takes another step forward", Antony Adshead) делает первые шаги. Эта технология обеспечивает большую плотность записи, произвольную выборку и высокое быстродействие. Время доступа составляет несколько наносекунд по сравнению сотнями микросекунд у современных флаш-ЗУ. Устройство имеет многослойную структуру, где основной слой памяти имеет толщину 1 нм. Современная технология MRAM позволяет хранить данные лишь около года. Ожидается, что после усовершенствования технологии это время можно будет увеличить на порядок. Группа из Национального университета Сингапура получила патент и расчитывает привлечь партнеров для доработки технологии. В сущности MRAN является одним из кандидатов, которые со временем заменят современные SSD.
Разработан новый тип автономной памяти Nano-RAM (NRAM) (см. "Nantero's carbon-nanotube memory could replace SSDs and DRAM", Agam Shah, IDG News Service, June 2, 2015). В микросхеме использована технология углеродных нанотрубок с разрешением 15 нм (в перспективе может быть достигнут предел в 5 нм). Устройство допускает 1012 циклов записи и 1015 циклов чтения, скорость обмена может составлять 2400 Мбит/c. Эти приборы памяти могут работать при температурах вплоть до 300 градусов Цельсия. В перспективе они смогут заменить современные SSD. Смотри также "Fab plants are now making superfast carbon nanotube memory", Lucas Mearian, Computerworld, June 2, 2015. В заметке описан принцип работы памяти на нанотрубках.
Рис. 12. Внешний вид модуля памяти на нанотрубках
Появились микроSD с емкостью 512 ГБ (см. "World's first 512GB microSD: Monster .5TB storage comes to smartphones', Liam Tung, January 23, 2018). Такие SD будут исппользоваться в смартфонах.
Ожидается, что к 2016 году будет использоваться более 100 млн. жестких дисков с гелиевым заполнением. Смотри статью "Helium-filled WD drives promise huge boost in capacity", Lucas Mearian. Гелиевое заполнение понижает трение, на 23% снижается потребление энергии, а емкость повышается на 40%. Температура драйва при этом также понижается на несколько градусов. Уже сегодня доступны драйвы с емкостью 4 Тбайт, в ближайшее время появятся драйвы с емкостью 5,6 Тбайт. Смотри “Helium-filled hard drives take flight, bump capacity to 6TB”, Lucas Mearian, Computerworld, November 04, 2013. Напомним, что первый жесткий диск имел емкость 5 Мбайт, а флоппи-диск всего 80 килобайт. Считается, что диски с гелиевым заполнением имеют большее время наработки на отказ.
В современных драйвах плотность записи составляет 500000 дорожек на дюйм, что ограничивается турбулентной нестабильностью позиционирования головок.
В литературе отмечается, что новые диcки типа Blu-ray могут иметь время жизни в несколько раз больше, чем у DVD. Большинство CD и DVD используют оптическую окраску для записи данных, а это означает, что любое изменение окраски со временем может вызвать искажение данных при считывании (время жизни не более 5 лет). В новых Blu-ray запись формирует объемный профиль, как письмена на камне.
Интерфейс SATA-IO сегодня может обеспечить скорость обмена 8Гб/с и 16Гб/с.
Компания Western Digital обещает удвоить плотность записи на жестких дисках за счет использования нанотехнологии. Для записи одного бита планируется выделить около 10 нм или около 50 атомов. Это соответствует плотности 1,2 триллиона элементов на квадратный дюйм.
Сообщается (из МТИ) о технологии, которая может позволить создать запоминающие устройства, способные запоминать в 1000 раз больше информации. Для запоминания будут использоваться отдельные молекулы. В этом виде памяти будут применены молекулы, синтезированные в Индийском институте Научного Образования и Исследований - IISER (Indian Institute of Science Education and Research в Калькуте). ЗУ будет магнитным и сможет работать при нормальной температуре. Ожидаемая плотность записи 1000ТБ на квадратный дюйм. Ожидается, что на рынке такие ЗУ появятся в течение ближайших 10 лет. Ожидается, что такие устройства смогут сохранять данные даже при температуре 1000C.
Предлагается новый метод записи данных, позволяющий удвоить плотность записи (см. "A radical innovation that could reduce data density by 50%", Patrick Nelson, Network World, Jul 25, 2017). Для решения задачи используется полимерная пленка, краска и 4-символьный код. Предлагаемый метод назван “Beyond binary”. 4-символьный код реализуется за счет 4 состояний: отсутствие окраски, зеленый, ультрамарин и циан. Для получения нужной окраски используется тепло и ультрафиолет. Дальнейшее увеличение плотности записи возможно за счет использования 7-символьного кода. В перспективе данная технология может позволить получить плотность записи до 500 Терабайт на квадратный дюйм.
Прогнозируется дальнейший рост емкости и быстродействия SD (см. "Future SD cards: Expect monster 128TB storage, plus zippier data transfers", Liam Tung, June 28, 2018). Ожидается, что в самое ближайшее время можно ожидать появления SD емкостью до 128ТБ. Скорость обмена для таких устройств будет превышать 104МБ/c. На рисунке ниже представлена сводная таблица характеристик существующих и будущих SD.
Компания Seagate намерена удвоить скорость считывания данных с жестких дисков (см. "New Seagate tech promises to double hard drive speeds", Andy Patrizio, Network World, Dec 21, 2017). Компания планирует производить в 2023 году драйвы емкостью 40ТБ. Скорость вращения дисков практически невозможно сделать больше 7200 оборотов в мин. без увеличения энерговыделения и частоты ошибок. Seagate в последние годы работала с технологией, называемой Heat-Assisted Magnetic Recording (HAMR), Кроме того новые драйвы имеют 8 рычагов, на которых смонтировано 16 считывающих головок.
Компания IDC прогнозирует, что к 2025 году объем данных в мире достигнет 175 зеттабайт (см. "IDC: Expect 175 zettabytes of data worldwide by 2025", Andy Patrizio, Network World, DEC 3, 2018). Большая часть этого объема будет храниться в облаках и информационных центрах. В этом прогнозе использованы результаты исследований компании Cisco. Если для записи этих данных попытаться использовать самый емкий тип современных драйвов, то потребуется 12,5 миллиарда таких приборов. Ожидается, что ближайшие 7 лет будут закуплены устройства памяти с объемом 42 зеттабайт. 90 зеттабайт придется к 2025 году на приборы IoT, а 49% объемов данных будет храниться в облачной среде. Следует иметь в виду, что самые продвинутые современные смартфоны имеют память 256 ГБайт.
Компания Microsoft и университет Вашингтона продемонстрировали первую полностью автоматическую систему запоминания и считывания данных на основе ДНК (см. ("With a “hello,” Microsoft and UW demonstrate first fully automated DNA data storage", Jennifer Langston, March 21, 2019). Такие устройства памяти могут в перспективе обеспечить недостижимую сегодня плотность записи. В одной молекуле ДНК будет записываться до гигабайта данных. На рис. 13 представлено фото этой системы.
Рис. 13. Устройство ДНК-памяти
Рис. 13A. ДНК-память с автоматизированной системой чтения-записи
Для демонстрации работоспособности системы было закодировано, и затем считано слово "hello". Первые результаты исследований были опубликованы 21-го марта 2021г в журнале Scientific Reports volume 9 в статье "Demonstration of End-to-End Automation of DNA Data Storage", Christopher N. Takahashi, Bichlien H. Nguyen, Karin Strauss & Luis Ceze.
ДНК память должна содержать устройства преобразования двоичных кодов в код ДНК (последовательность нуклеатидов) и наоборот.
Компании AMD и TSMC разработали 7-нанометровую технологию для производства микропроцессоров (см. "AMD's 16-core Ryzen 9 3950X hits 4.7 GHz in turbo at only 105W TDP", James Sanders, June 11, 2019). AMD анонсировала новые 12- и 16-ядерные процессоры Ryzen 9 3950X, работающие с тактовой частотой 3,5 ГГц. (в турборежиме - 4,7ГГц). Ожидаемая цена 3950X - 749$, а для 3900X - 499$. Потребляемая мощность165-180 Вт. По существу эта разработка приблизилась к пределу плотности элементов на кристалле кремния, где постоянная решетки равна 0,54 нм.
Флэш память - электронное устройство хранение данных, не требующее питания. Эти приборы используются в фотоаппаратах, смартфонах, игровых кансолях и компьютерных накопителях и т.д.. (см. "Flash storage: A cheat sheet", James Sanders, March 21, 2019). Первые такие устройства были разработаны в компании Toshiba примерно в 1980 году. В продаже флэш память появилась после 1988г. Различают два типа такой памяти NOR и NAND. NOR требует больше времени для записи и стирания информации и может использоваться в качестве ROM. NAND имеет большее быстродействие и емкость. Такая память используется для хранения программ и создания SSD. Различают однослойные и многослойные (более емкие) NAND. SSD содержат в себе NAND-флэш, DRAM кэш и контроллер диска.
SD - промышленный стандарт карт флэш-памяти (1999г). В 2006 году появился стандарт SDHC (Secure Digital High Capacity), рассчитанный на емкости до 32ГБ. В 2009 году был принят стандарт SDXC (Secure Digital eXtended Capacity) для емкостей до 2 ТБ. В июне 2018 года утвержден стандарт для памяти вплоть до128ТБ SDUC (Secure Digital Ultra Capacity - файловая система exFAT). Для всех этих стандартов работает обратная совместимость.
Этот вид памяти появился в 1994 году и использует 50-контактный субнабор стандарта 68-pin PCMCIA. Эти устройства применяются в DSLR-фотокамерах Canon и Nikon и имеют максимальную емкость 512 ГБ. По логике работы CompactFlash подобна АТА-дискам.
Стандарт анонсирован в 2016 году и предназначен для профессиональных камер. 1-терабайтная карта была продемонстрирована на выставке CES 2019. Стандарт обеспечивает скорость обмена 1.96 ГБ/с.
Стандарт UFS анонсирован в марте 2016г и предназначался для замены карт microSD.
Существует обширное семейство плат памяти с интерфесами USB. Многие из них могут работать в качестве анешней памяти компьютера.
| Min. sequential write speed | Speed Class | UHS Speed Class | Video Speed Class |
| 2 MB/s | Class 2 (C2) | - | - |
| 4 MB/s | Class 4 (C4) | - | - |
| 6 MB/s | Class 6 (C6) | - | Class 6 (V6) |
| 10 MB/s | Class 10 (C10) | Class 1 (U1) | Class 10 (V10) |
| 30 MB/s | - | Class 3 (U3) | Class 30 (V30) |
| 60 MB/s | - | - | Class 60 (V60) |
| 90 MB/s | - | - | Class 90 (V90) |
В норме съемка видео в режиме 4K требует по крайне мере карты V6, в то время как 8K требует карты V30. Требования могут варьироваться от устройства к устройству.
Класс работы приложения первоначально определяет скорость операций ввода-вывода, с намерением выработки стандарта для работы приложений на смартфонах.
| Class | Min. random read | Min. random write | Min. sequential write speed |
| A1 | 1500 IOPS | 500 IOPS | 10 MB/s |
| A2 | 4000 IOPS | 2000 IOPS | 10 MB/s |
При использовании кэшей DRAM, возможно в частности для SATA SSD, переполнить емкость шины, к которой он подключен. Такие скорости могут быть полезны для последовательных операций чтения-записи.
| Connection type | Max. speed | Working state |
| SATA 2.x (3 Gb/s) | 300 MB/s | Legacy |
| SATA 3.x (6 Gb/s) | 600 MB/s | Current |
| PCIe 3.0 x1 | 985 MB/s | Current |
| PCIe 3.0 x2 | 1970 MB/s | Current |
| PCIe 3.0 x4 | 3940 MB/s | Current |
В последнее время все шире используются системы памяти, подключенные к сети (SAN - storage area network) (см. "What is a SAN? Ultimate storage area network guide", Margaret Rouse). Этому способствует появление быстродействующих сетей с большой пропускной способностью и малым времем отклика. Пример использования SAN представлен на рис. 14. В качестве транспортной сети могут быть применены: Fibre Channel, ISCSI и др.
Рис. 14. Схема подключения SAN
Память SAN легко масштабируется и обеспечивает высокую надежность. На рис. 15 показаны компоненты системы памяти SAN.
Рис. 15. Компоненты системы памяти SAN
На рис. 16 представлено сопоставление систем SAN и HCI.
Рис. 16. Сопоставление HCI и SAN
В последние годы компаниями Intel и Micron были анонсированя разработки энергонезависимой памяти 3D XPoint (см. "3D XPoint vs. NAND flash: Why there's room for both", Jim Handy, 26 Jan 2021). Сравниваются цены за гигабайт и быстродействие 3D XPoint и NAND флэш-памяти. Смотри рис. 17. Считается, что обе технологии будут сосуществовать многие годы.
Рис. 17. Цены и быстродействие различных видов памяти
В отличие от прямого увеличения объема и быстродействия памяти можно часто решить проблему путем внедрения в систему компьютерного обучения и средств предсказательной аналитики (см. "Optimal architectures for intelligent storage systems", Dan Sullivan, 09 Nov 2020). Такая система позволяет определить оптимальное время, когда те или иные блоки данных должны быть помещены в кэш. Для реализации такой модели может быть применен GPU. Такая система может также использовться для оптимизации времни замены выработавших свой ресурс электронных модулей.
Процессор – устройство для выполнения операций над двоичными кодами, это основа компьютера. В большинстве компьютеров процессор работает в соответствии с моделью машины Тьюринга. Исходные данные процессор получает из памяти, туда же укладываются результаты расчетов.
Многие процессоры имеют несколько ядер. Каждое ядро представляет собой независимый процессор. Многоядерность начала развиваться, когда стало ясно, что поднимать тактовую частоту компьютера далее уже не возможно, а поднимать производительность компьютеров было нужно.
Первый мой персональный компьютер имел тактовую частоту 10МГц, сейчас этот параметр обычно лежит выше 2, но не более 3,5 ГГц.
Такие процессоры потребляют сплошь и рядом несколько сотен ватт, и прикосновение к их поверхности может вызвать серьезный ожег. Для подавления перегрева обычно используются вентиляторы или даже водяные системы охлаждения.
Может возникнуть вопрос, почему процессоры потребляют так много энергии?
Дело в том, что переход из одного логического состояния в другое сопряжен с перезарядкой паразитной емкости C на выходе процессора.
ΔV=IΔt/C, где I величина ток, Δt - время перезарядки, а С – значение паразитной емкости.
Для того чтобы изменить напряжение на емкости от уровня логического 0 до уровня 1 или наоборот, необходимо потратить энергию Е:
E=C×((ΔV)2/2, гдеСовременные процессоры оперируют с 64 разрядными двоичными кодами. Для переключения напряжений всех 64-х разрядов потребуется энергия 64×C×((ΔV)2/2). Если тактовая частота равна F, то потребление для одного 64-разрядного регистра составит F×64×C×((ΔV)2/2). В процессоре не менее 10 регистров и это увеличит потребление еще на порядок.
Современные суперкомпьютеры из лидирующих десятков потребляют около 20МВт каждый. Если вы выполните расчеты по приведенным выше формулам, получится цифра на несколько порядков меньше. Это связано с тем, что огромное потребление мощности приходится на вспомогательное оборудование: оперативную и виртуальную память и системы каналов транспортировки данных, буферы-конвейеры, сетевое оборудование. Что удивительно, заметную долю энергии потребляют системы охлаждения, кондиционирования воздуха, вентилляции и освещения.
Еще в 1964 году Ричард Фейнман высказал предположение, что со временем компьютеры будут состоять из молекул, а не транзисторов. Позднее в 1994 году Адлеман рассмотрел возможность создания компьютера на основе ДНК-структур. (см. "Introduction to DNA Computing", Shivam Saxena, SSRG-IJCSE – Volume 7 Issue 2 – February 2020).
Молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) выполняют в любом живом организме достаточно сложную работу, обеспечивая все без исключения жизненные процессы в клетках объекта. Это, прежде всего передача наследственных данных от одного поколения живых организмов к другому. Информация в ДНК записывается с помощью последовательностей четырех нуклеотидов: аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C). Нуклеотиды образуют пары A с T и C с G (A-T и C-G). Эти структуры служат для развития организма, выживания и воспроизводства. ДНК человека содержит около 3 миллиардов таких нуклеотидов.
Под ДНК-компьютингом понимается использование ДНК-структур для запоминания данных и их преобразование посредством ДНК-операций. Т.о. ДНК- компьютер - это совокупность ДНК-структур, которые пригодны для решения определенных задач.
Устройства памяти на основе ДНК-структур могут обеспечить увеличение плотности записи по сравнения с традиционными методами в 100000 раз. Данная технология может реализовать распараллеливание вычислительных операций в миллиардном масштабе. Оптимистическая оценка быстродействия таких компьютеров обещает удвоение скорости по сравнению с самыми мощными суперкомпьютерами (за счет распараллеливания).
Сначала Адлеман, затем Липтон и Розенберг показали возможность решения некоторых проблем на ДНК-компьютере. Считается, что некоторые проблемы с NP-сложностью, нереализуемые на традиционных суперкомпьютерах сегодня, могут быть решены с помощью ДНК-компьютера.
В 1997 году исследователи из университета Рочестера разработали логические ключи на основе ДНК. В 2006 году Колумбийский университет и университет Нью-Мексико анонсировали разработку ДНК-компьютера, который может диагностировать вирусы Западного Нила и птичьего гриппа. В мае 2010 года компания IBM и Калифорнийский Технологический институт создали компьютерный чип, использующий синтезированные ДНК-молекулы. Но конкретные данные о быстродействии ДНК-компьютеров пока отсутствуют. Не решены проблемы и сохранности данных.
Одним из важных преимуществ ДНК-компьютеров является низкое энергопотребление. Но нужно иметь в виду, что ДНК-компьютеры сегодня трудно программировать, часто это устройства, создаваемые под решение определенной задачи.
|
Previous: 4.7.14 Квантовые компьютеры
UP:
4.7 Прикладные сети Интернет Next: 4.7.16 Компьютерная аналитика |