データストレージ：私たちの未来

最近、私たちはそれらの仕事について話しました。 クラウドサービス1cloudをサポートし、デバイスサービスNetflixおよびAIの分野での展望に関する科学者の評価に精通できる「金曜日形式」を提供しました。



本日、データストレージの分野での状況を確認することにしました。明日は、「クラウドロボット工学」のトピックと関連する活動分野の議論で、従来の「金曜日形式」を見つけます。

もうすぐ

2014年、シーゲイトは 、イーサネットインターフェイスを備えた新しいKinetic HDDを発表しました。そのパフォーマンスは、当時の既存のすべての製品のパフォーマンスの数倍でした。



各Kinetic HDDにはそれぞれ独自のIPアドレスを持つ2つのギガビットイーサネットポートがあり、 Kinetic Open Storageプラットフォームにより、アプリケーションとホストは、オープンを使用してデータセンターのTCP / IPインフラストラクチャを使用して、ハードドライブを介して互いに直接通信できますAPI



このようなテクノロジーは、データセンターのインフラストラクチャとIT業界全体を真剣に変革する可能性があります。 ディスクとアプリケーションを直接接続すると、コントローラー、ファイルシステム、さらにはRAIDアレイを放棄することができます。 これは、Cassandraのような分散データベースの配布に間違いなく役立ちます。



同じ2014年に、HGSTは新しいUltrastar He8 SATA Ultraハードドライブを一般に紹介しました。 主な技術的解決策は、ヘリウムを含む回転ディスクでチャンバーを充填することでした。



また、2014年9月、Western Digitalは、このテクノロジーを使用した最初の10 TBハードドライブを発表しました。 ヘリウムは空気の代わりにディスクチャンバー内にあるため、ディスクの回転ははるかに容易です。これは、ディスクの加熱が少なく、互いに接近して配置できるためです。



現在、このようなディスクは商用または業務用の放送用ビデオサーバーでは使用されていませんが、新しいヘリウムHDDの消費電力は33％少なくなります。 これにより、データセンターのディスク密度が向上し、運用コストとデバイスの占有スペースが削減されます。



記録技術に関しては、近い将来市場に参入できる別の技術は、オーバーラップするトラックでの記録です（SMR-Shingled Magnetic Recording）-これは、ディスクに情報を記録するときにトラックが互いにオーバーラップする場合の特別なストレージ技術です。 これにより、各プレートのトラック数を増やし、それらの間の距離を短くすることができます。これにより、ディスク容量が25％増加します。



ただし、いくつかの困難があります。 たとえば、情報を上書きまたは更新するには、目的のフラグメントだけでなく、最後のトラックのデータも更新する必要があります。そのようなディスクの記録ヘッドは、読み取りヘッドよりも広く、隣接するトラックのデータをキャプチャするためです。 これはすべて、録音パフォーマンスの低下につながります。



シーゲイトとHGSTはどちらもSMRテクノロジーを開発しています。 HGSTについては、この技術を使用して10 TBのヘリウムディスクを製造しました。 これは、「コールド」データストレージ用です。

有望な開発

約50年間、磁気記憶装置のメーカーは、情報の各ビットの磁化ベクトルが媒体（フィルムまたはディスク）の表面に平行である並列磁気記録（LMR-Longitudinal Magnetic Recording）と呼ばれる方法を使用してきました。



歴史を振り返ってみると、表面記録密度はほぼ毎年2倍になり、最終的には成長速度が低下し、過去10年間で、縦方向の磁気記録は記録密度の基本的な限界である1平方インチあたり約100-200ギガビットに達しました。



この制限は、デバイスでの記録中の顆粒の分極時の温度変動（状態変化）のため、「超常磁性制限」と呼ばれます。 常磁性の影響により、散乱面が出現し、ディスクの平面上での電荷の方向が不適切になります（「ビットエラー」）。



HDDの機能を拡張するために、ディスクプレートに1 TBのデータを記録できるPermendicular Magnetic Recording（PMR）が発明されました。ビットは「平行」ではなく「平面に垂直」に分極されていました。



当初、PMRテクノロジーは一時的なソリューションと見なされていましたが、どこでも使用されるようになりました。 ただし、PMRには、LMRの場合と同様に、読み取りおよび書き込みの安定性に関して同じ問題があります。



そのため、Western DigitalとSeagateは、HAMRテクノロジー（HAMR-Heat Assisted Magnetic Recording）を使用したディスクの作業を行っており、最大60 TBの容量の3.5インチディスクを作成できます。



HAMRはPMRを置き換えるように設計されており、小さなレーザーを使用して、記録するディスクの部分を加熱します。 これにより、1ビットの情報を格納する磁気領域のサイズを小さくし、データストレージの安定性を高めることができます。



ただし、上記のテクノロジーはすべて、新しいマルチレイヤー3Dレコーディングの先駆けです。 2013年の終わりに、フロリダ国際大学の研究者は、3D記録には大きな可能性があり、大容量の磁気メディアを作成できることを示しました。



ML-3Dでは、1つの磁性層の代わりに3つが同時に使用され、その間に絶縁体が配置されます。 記録には、特殊な磁気ヘッドが使用されます。 読み取りは、ナノスターのベクトル和を計算することにより、より弱い磁気ヘッドを使用して実行されます。 下の図は、強度と方向が異なる磁場によって形成され、ナノカラムにグループ化されたビットのセットを示しています。







もう1つの興味深い有望なテクノロジーは、Phase Change Memory（PCM）です。これは、NANDフラッシュテクノロジーの将来の代替品と見なされています。 PCMはカルコゲナイドを使用します。カルコゲナイドは、加熱すると結晶質から非晶質に変化します。



セル状態の変更は約100万回行うことができ、エンタープライズレベルのSSDで商業的に成功しているNANDセルのパラメーター（約30,000回の書き換えサイクル）を大幅に上回ります。



PCMメモリの問題は長い書き込み遅延ですが、IBMは、単一のコントローラーにPCM、NAND、DRAMを搭載したハイブリッドデバイスが通常のSSDデバイスよりも275倍高速に実行できることを示しました。 IBMによると、ハイブリッドPCMテクノロジーに基づく最初の商用製品は2016年に利用可能になる予定です。



ハードドライブの容量を増やすことに多くの企業が関与しているという事実にもかかわらず、光学ドライブの容量を増やすように設計された開発があります。 ホログラフィックディスク（HVD）のアクティブな作業は、少なくとも10年間続いています。 2011年、GEはホログラフィックストレージを導入しました。DVDサイズのディスクは、小さなホログラムに最大500 GBのデータを収めることができます。



このために、1つのビームに結合された2つのレーザー（赤と緑）が使用されます。 緑色レーザーは、ディスクの表面に近いホログラフィックレイヤーからグリッドの形式でエンコードされたデータを読み取り、赤色レーザーは、深さのある従来のレイヤーから補助信号を読み取るために使用されます。



しかし、最近では、HVDテクノロジーについてほとんど聞いていません。主要な開発者の1人であるInPhase Technologiesは、2010年に倒産しました。 ただし、これらのディスクは十分に信頼性が高く、30年間データを保存できると考えられているため、このテクノロジを「未実現」のままにしたくないでしょう。

遠い未来

2014年5月、IBMと富士フイルムは、テープの1インチあたり859億ビットを保存できるテープストレージデバイスを発表しました 。 この密度により、最大154 TBの容量を持つカートリッジを作成できます。これは、LTO-6カートリッジの能力の62倍です。



このような高密度を達成するために、富士フイルムの専門家は、極薄の磁性層を形成できるナノキュービック技術を開発しました。 磁気層が薄いほど、磁気テープの単位面積あたりの磁化領域が多くなります。 商用技術の実装は、今後10年以内に登場する可能性があります。



ただし、将来の最も有望で有望な技術はDNAベースのストレージです。







おそらく、これは未来の最も奇妙な技術の1つです。 2012年、ハーバード大学の研究者は53,400語の本、11個のJPEG画像、1つのJavaScriptプログラムをDNAにエンコードできました。



DNAは、1グラムあたり2.2ペタバイトという驚くべき記録密度を提供します。 これは、小さじ1杯のサイズのDNAディスクが、世界に存在するすべてのデータ、すべての歌、すべての本、すべてのビデオに適合することを意味します。 その小さなサイズに加えて、DNAストレージのもう1つの利点は寿命です。 ハーバードのジョージ教会によると 、DNAディスクは砂漠のどこにでも置いておくことができますが、データは40万年後でもそこに残ります。



DNAシーケンス合成プロセスは、真珠の糸引きに似ています。 この場合、情報は従来のゼロと1の形式でエンコードされます。 これらの値は、特定の化学成分であるモノマーに割り当てられ、化学的に結合してポリマーを形成します。 記録された情報を読み取るには、質量分析計（DNAシーケンスを読み取るためのデバイス）を使用するだけで十分です。



DNAにデータを保存できる期間をテストするために、科学者は83キロバイトのデータをエンコードしました （New Scientistによると 、83キロバイトのエンコードのコストは1,500ドルでした）。 資料は1291年のスイス連邦法とアルキメデスのパリンプセストでした。 科学者によると、これらの文書の選択は、メソッドの潜在的な適用性だけでなく、その歴史的な重要性も示しています。 ETHチューリッヒの代表者によると、これらのデータは何百万年も変わらないままです（DNAが凍結されている場合）。



DNAを使用して実際に情報を保存できない最大の障害は時間です。 最新の解読テクノロジーを使用しても、DNA分子の読み取りには何時間もかかります。これは、コンピューターで通常のファイルを読み取るよりも桁違いに長くなります。 したがって、このタイプのストレージは、頻繁に使用されるデータには適していません。 さらに、科学者はまだ人工DNAに情報を入力し、それがバクテリアに入れられた後です。



ご存知のように、すべてのテクノロジーがどこでも使用され始め、広く利用可能になるわけではありません。 しかし、最近、米国の研究者チームは、いわゆる「ソフト物質」にデータを保存することができるという画期的な成果を上げました。



新しい研究によれば、液体中の微細な粒子を使用して、最新のハードドライブと同じように、同じゼロと1をエンコードできます。 理論的には、そのような粒子のクラスターは、いつか大さじ1杯の液体に最大1 TBのデータを保存できます。



「柔らかい物質」という用語は、液体、ポリマー、さらには生体材料を指す場合があります。 これらの物質はすべて、さまざまな温度の影響下で予測可能な挙動を示します。分子レベルで形状が変化します。 研究を担当したチームは、特性を保持する特殊なナノ粒子を含む特定の種類のコロイド懸濁液を使用しました。



このような粒子は、加熱されるとグループにまとめられます。 この特定のケースでは、ナノ粒子は4つ以上のピースのグループに組み立てられ、そのうちの1つは中心にありました。 靭帯の寸法は直径5マイクロメートルをほとんど超えませんでしたが、科学者のチームは変化を視覚的に記録することができました。



4つの粒子のクラスターは2つの状態にしかならず、0と1としてエンコードできます。 しかし、これは「液体貯蔵」の方向への最初の一歩に過ぎません。 次に、大量の液体でクラスターを形成し、記録されたデータをすばやく読み取るための信頼できる方法を見つける必要があります。



しかし、おそらく将来の最先端技術は量子ストレージかもしれません。 今日、科学者は量子物理学の法則を使用してデータを保存する方法を研究しています。つまり、電子スピンの制御された方向を使用して情報をエンコードしようとしています。



現時点では、この方法で、非常に短い時間（1日未満）で少量のデータを保存できますが、すべてがうまくいけば、おそらく量子エンタングルメントのために、2つのポイント間でデータを即座に同期できます。



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