Seit mehreren Jahrzehnten wird der Fortschritt in der Speichertechnologie hauptsächlich an der Speicherkapazität und der Lese-/Schreibgeschwindigkeit von Daten gemessen. Im Laufe der Zeit wurden diese Bewertungsparameter durch Technologien und Methoden ergänzt, die HDD- und SSD-Laufwerke intelligenter, flexibler und einfacher zu verwalten machen. Jedes Jahr deuten Laufwerkshersteller traditionell darauf hin, dass sich der Big-Data-Markt verändern wird, und 2020 bildet da keine Ausnahme. IT-Führungskräfte suchen zunehmend nach effizienten Möglichkeiten zur Speicherung und Verwaltung riesiger Datenmengen und verpflichten sich erneut, den Kurs der Speichersysteme zu ändern. In diesem Artikel haben wir die fortschrittlichsten Technologien zum Speichern von Informationen zusammengestellt und werden auch über die Konzepte futuristischer Speichergeräte sprechen, die noch keine physische Umsetzung gefunden haben.
Softwaredefinierte Speichernetzwerke
Wenn es um Automatisierung, Flexibilität und erhöhte Speicherkapazität bei gleichzeitig gesteigerter Personaleffizienz geht, erwägen immer mehr Unternehmen den Umstieg auf sogenannte Software-Defined-Storage-Netzwerke oder SDS (Software-Defined Storage).
Das Hauptmerkmal der SDS-Technologie ist die Trennung von Hardware und Software: das bedeutet . Darüber hinaus ist SDS im Gegensatz zu herkömmlichen NAS- (Network Attached Storage) oder SAN-Systemen (Storage Area Network) für die Ausführung auf jedem Standard-x86-System konzipiert. Das Ziel der Bereitstellung eines SDS besteht häufig darin, die Betriebskosten (OpEx) zu senken und gleichzeitig den Verwaltungsaufwand zu verringern.
Die Kapazität der Festplatten erhöht sich auf 32 TB
Herkömmliche Magnetspeicher sind keineswegs tot, sondern erleben gerade eine technologische Renaissance. Moderne HDDs können Nutzern bereits bis zu 16 TB Datenspeicher bieten. In den nächsten fünf Jahren wird sich diese Kapazität verdoppeln. Gleichzeitig werden Festplattenlaufwerke weiterhin die erschwinglichsten Direktzugriffsspeicher sein und noch viele Jahre lang ihren Vorrang beim Preis pro Gigabyte Speicherplatz behalten.
Die Kapazitätserhöhung wird auf bereits bekannten Technologien basieren:
- Heliumantriebe (Helium reduziert den Luftwiderstand und die Turbulenzen, sodass mehr Magnetplatten im Antrieb eingebaut werden können; Wärmeentwicklung und Stromverbrauch nehmen nicht zu);
- Thermomagnetische Laufwerke (oder HAMR-Festplatten, deren Erscheinen für 2021 erwartet wird und auf dem Prinzip der Mikrowellen-Datenaufzeichnung basiert, bei der ein Abschnitt der Festplatte durch einen Laser erhitzt und erneut magnetisiert wird);
- HDD basierend auf gekachelter Aufzeichnung (oder SMR-Laufwerke, bei denen Datenspuren in einem gekachelten Format übereinander platziert werden; dies gewährleistet eine hohe Dichte der Informationsaufzeichnung).
Helium-Laufwerke sind besonders in Cloud-Rechenzentren gefragt, und SMR-Festplatten eignen sich optimal für die Speicherung großer Archive und Datenbibliotheken sowie für den Zugriff auf und die Aktualisierung von Daten, die nicht sehr oft benötigt werden. Sie eignen sich auch hervorragend zum Erstellen von Backups.
NVMe-Laufwerke werden noch schneller
Die ersten SSD-Laufwerke wurden über die SATA- oder SAS-Schnittstelle mit Motherboards verbunden, diese Schnittstellen wurden jedoch vor mehr als 10 Jahren für magnetische HDD-Laufwerke entwickelt. Das moderne NVMe-Protokoll ist ein wesentlich leistungsfähigeres Kommunikationsprotokoll, das für Systeme entwickelt wurde, die eine hohe Datenverarbeitungsgeschwindigkeit bieten. Infolgedessen erleben wir zum Jahreswechsel 2019/2020 einen erheblichen Preisverfall bei NVMe-SSDs, die für jede Benutzerklasse verfügbar werden. Im Unternehmensbereich werden NVMe-Lösungen vor allem von jenen Unternehmen geschätzt, die große Datenmengen in Echtzeit analysieren müssen.
Unternehmen wie Kingston und Samsung haben bereits gezeigt, was Unternehmensanwender im Jahr 2020 erwarten können: Wir alle warten darauf, dass PCIe 4.0-fähige NVMe-SSDs dem Rechenzentrum noch mehr Datenverarbeitungsgeschwindigkeit verleihen. Die angegebene Leistung der neuen Produkte beträgt 4,8 GB/s und ist damit weit von der Grenze entfernt. Nächste Generationen wird in der Lage sein, einen Durchsatz von 7 GB/s bereitzustellen.
Zusammen mit der NVMe-oF-Spezifikation (oder NVMe over Fabrics) können Unternehmen leistungsstarke Speichernetzwerke mit minimaler Latenz erstellen, die stark mit DAS-Rechenzentren (oder Direct-Attached Storage) konkurrieren. Gleichzeitig werden I/O-Vorgänge mithilfe von NVMe-oF effizienter verarbeitet, während die Latenz mit der von DAS-Systemen vergleichbar ist. Analysten gehen davon aus, dass sich die Bereitstellung von Systemen, die auf dem NVMe-oF-Protokoll laufen, im Jahr 2020 rasch beschleunigen wird.
Funktioniert der QLC-Speicher endlich?
Auch Quad Level Cell (QLC) NAND-Flash-Speicher werden auf dem Markt immer beliebter. QLC wurde 2019 eingeführt und hat daher nur eine minimale Akzeptanz auf dem Markt. Dies wird sich im Jahr 2020 ändern, insbesondere bei Unternehmen, die die LightOS Global Flash Translation Layer (GFTL)-Technologie eingeführt haben, um die inhärenten Herausforderungen von QLC zu meistern.
Laut Analystenprognosen wird das Umsatzwachstum von SSD-Laufwerken auf Basis von QLC-Zellen um 10 % steigen, während TLC-Lösungen 85 % des Marktes „erobern“ werden. Was auch immer man sagen mag, QLC-SSDs liegen in der Leistung im Vergleich zu TLC-SSDs immer noch weit zurück und werden in den nächsten fünf Jahren nicht zur Basis für Rechenzentren.
Gleichzeitig wird erwartet, dass die Kosten für NAND-Flash-Speicher im Jahr 2020 steigen werden, sodass beispielsweise der SSD-Controller-Anbieter Phison darauf setzt, dass steigende Preise den Verbraucher-SSD-Markt letztendlich in Richtung 4-Bit-Flash-QLC-NAND-Speicher drängen werden. Intel plant übrigens die Einführung von 144-Layer-QLC-Lösungen (anstelle von 96-Layer-Produkten). Nun ja... es scheint, dass wir auf eine weitere Marginalisierung von Festplatten zusteuern.
SCM-Speicher: Geschwindigkeit nahe an DRAM
Die weit verbreitete Einführung von SCM-Speichern (Storage Class Memory) wird seit mehreren Jahren vorhergesagt, und 2020 könnte der Ausgangspunkt dafür sein, dass diese Vorhersagen endlich wahr werden. Obwohl Intel Optane-, Toshiba XL-Flash- und Samsung Z-SSD-Speichermodule bereits auf dem Unternehmensmarkt erhältlich sind, hat ihr Erscheinen keine überwältigende Reaktion hervorgerufen.
Intels Gerät kombiniert die Eigenschaften von schnellem, aber instabilem DRAM mit langsamerem, aber persistentem NAND-Speicher. Diese Kombination zielt darauf ab, die Fähigkeit der Benutzer zu verbessern, mit großen Datenmengen zu arbeiten, und bietet sowohl DRAM-Geschwindigkeit als auch NAND-Kapazität. SCM-Speicher ist nicht nur schneller als NAND-basierte Alternativen: Er ist zehnmal schneller. Die Latenz beträgt Mikrosekunden, nicht Millisekunden.
Marktexperten weisen darauf hin, dass Rechenzentren, die den Einsatz von SCM planen, durch die Tatsache eingeschränkt werden, dass diese Technologie nur auf Servern funktioniert, die Intel Cascade Lake-Prozessoren verwenden. Ihrer Meinung nach wird dies jedoch kein Hindernis sein, um die Welle der Modernisierung bestehender Rechenzentren zu stoppen, um hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten bereitzustellen.
Von der absehbaren Realität bis in die ferne Zukunft
Für die meisten Benutzer ist die Datenspeicherung nicht mit dem Gefühl eines „kapazitiven Armageddons“ verbunden. Aber denken Sie darüber nach: Die 3,7 Milliarden Menschen, die derzeit das Internet nutzen, erzeugen täglich etwa 2,5 Trillionen Bytes an Daten. Um diesen Bedarf zu decken, werden immer mehr Rechenzentren benötigt.
Laut Statistik ist die Welt bis 2025 bereit, 160 Zetabytes an Daten pro Jahr zu verarbeiten (das sind mehr Bytes als Sterne im beobachtbaren Universum). Es ist wahrscheinlich, dass wir in Zukunft jeden Quadratmeter des Planeten Erde mit Rechenzentren bedecken müssen, sonst werden Unternehmen einfach nicht in der Lage sein, sich an ein so hohes Informationswachstum anzupassen. Oder... Sie müssen einige Daten preisgeben. Es gibt jedoch mehrere potenziell interessante Technologien, die das wachsende Problem der Informationsüberflutung lösen könnten.
DNA-Struktur als Grundlage für zukünftige Datenspeicherung
Nicht nur IT-Konzerne suchen nach neuen Möglichkeiten, Informationen zu speichern und zu verarbeiten, sondern auch viele Wissenschaftler. Die globale Aufgabe besteht darin, den Erhalt von Informationen über Jahrtausende sicherzustellen. Forscher der ETH Zürich, Schweiz, glauben, dass die Lösung in einem organischen Datenspeichersystem gefunden werden muss, das in jeder lebenden Zelle vorhanden ist: DNA. Und was am wichtigsten ist: Dieses System wurde lange vor dem Aufkommen des Computers „erfunden“.
DNA-Stränge sind als Informationsträger sehr komplex, kompakt und unglaublich dicht: Wissenschaftlern zufolge können in einem Gramm DNA 455 Exabyte an Daten gespeichert werden, wobei 1 Ebyte einer Milliarde Gigabyte entspricht. Die ersten Experimente ermöglichten bereits die Aufzeichnung von 83 KB an Informationen in der DNA, woraufhin ein Lehrer am Fachbereich Chemie und Biowissenschaften, Robert Grass, die Idee äußerte, dass sich der medizinische Bereich im neuen Jahrzehnt stärker vereinen müsse die IT-Struktur für gemeinsame Entwicklungen im Bereich Aufzeichnungstechnologien und Datenspeicherung.
Laut Wissenschaftlern könnten auf DNA-Ketten basierende organische Datenspeicher Informationen bis zu einer Million Jahre lang speichern und sie bei der ersten Anfrage genau bereitstellen. Es ist möglich, dass die meisten Laufwerke in einigen Jahrzehnten um genau diese Chance kämpfen werden: die Fähigkeit, Daten über einen langen Zeitraum zuverlässig und ausreichend zu speichern.
Die Schweizer sind nicht die einzigen, die an DNA-basierten Speichersystemen arbeiten. Diese Frage wird seit 1953 aufgeworfen, als Francis Crick die Doppelhelix der DNA entdeckte. Doch zu diesem Zeitpunkt verfügte die Menschheit einfach nicht über genügend Wissen für solche Experimente. Das traditionelle Denken bei der DNA-Speicherung konzentrierte sich auf die Synthese neuer DNA-Moleküle; Dabei wird eine Bitfolge mit einer Folge von vier DNA-Basenpaaren abgeglichen und genügend Moleküle erzeugt, um alle Zahlen darzustellen, die gespeichert werden müssen. So gelang es Ingenieuren der Firma CATALOG im Sommer 2019, 16 GB englischsprachiges Wikipedia in DNA aus synthetischen Polymeren zu speichern. Das Problem besteht darin, dass dieser Prozess langsam und teuer ist, was einen erheblichen Engpass bei der Datenspeicherung darstellt.
Nicht nur DNA...: molekulare Speichergeräte
Forscher der Brown University (USA) sagen, dass das DNA-Molekül nicht die einzige Möglichkeit zur molekularen Speicherung von Daten für bis zu einer Million Jahre ist. Metaboliten mit niedrigem Molekulargewicht können auch als organische Speicher dienen. Wenn Informationen in eine Reihe von Metaboliten geschrieben werden, beginnen die Moleküle miteinander zu interagieren und neue elektrisch neutrale Partikel zu produzieren, die die in ihnen aufgezeichneten Daten enthalten.
Übrigens begnügten sich die Forscher damit nicht und erweiterten den Satz organischer Moleküle, was es ermöglichte, die Dichte der aufgezeichneten Daten zu erhöhen. Das Auslesen solcher Informationen ist durch chemische Analyse möglich. Das einzig Negative ist, dass die Umsetzung eines solchen organischen Speichers in der Praxis außerhalb von Laborbedingungen noch nicht möglich ist. Das ist nur eine Entwicklung für die Zukunft.
Optischer 5D-Speicher: eine Revolution in der Datenspeicherung
Ein weiteres experimentelles Repository gehört Entwicklern der University of Southampton, England. Um ein innovatives digitales Speichersystem zu schaffen, das Millionen von Jahren halten kann, haben Wissenschaftler ein Verfahren zur Datenaufzeichnung auf einer winzigen Quarzscheibe entwickelt, das auf der Aufzeichnung von Femtosekundenpulsen basiert. Das Speichersystem ist für die Archivierung und Kaltspeicherung großer Datenmengen konzipiert und wird als fünfdimensionaler Speicher bezeichnet.
Warum fünfdimensional? Tatsache ist, dass Informationen in mehreren Schichten kodiert sind, einschließlich der üblichen drei Dimensionen. Zu diesen Dimensionen kommen zwei weitere hinzu: Größe und Nanopunktorientierung. Die Datenkapazität, die auf einem solchen Mini-Laufwerk aufgezeichnet werden kann, beträgt bis zu 100 Petabyte, die Speicherdauer beträgt 13,8 Milliarden Jahre bei Temperaturen bis zu 190 °C. Die maximale Erwärmungstemperatur, der die Scheibe standhalten kann, beträgt 982 °C. Kurz gesagt... es ist praktisch ewig!
Die Arbeit der University of Southampton hat kürzlich die Aufmerksamkeit von Microsoft auf sich gezogen, dessen Cloud-Speicherprogramm Project Silica darauf abzielt, aktuelle Speichertechnologien zu überdenken. Laut „Small-Soft“-Prognosen werden bis 2023 mehr als 100 Zetabytes an Informationen in Clouds gespeichert sein, sodass selbst große Speichersysteme Schwierigkeiten haben werden.
Weitere Informationen zu den Produkten von Kingston Technology finden Sie auf der offiziellen Website des Unternehmens.
Source: habr.com