فناوری های جدید ذخیره سازی داده ها: آیا در سال 2020 شاهد پیشرفتی خواهیم بود؟

برای چندین دهه، پیشرفت در فناوری ذخیره سازی عمدتاً از نظر ظرفیت ذخیره سازی و سرعت خواندن/نوشتن داده ها اندازه گیری شده است. با گذشت زمان، این پارامترهای ارزیابی با فناوری‌ها و روش‌هایی تکمیل شده‌اند که درایوهای HDD و SSD را هوشمندتر، انعطاف‌پذیرتر و مدیریت آسان‌تر می‌کنند. هر سال، سازندگان درایو به طور سنتی اشاره می کنند که بازار کلان داده تغییر خواهد کرد و سال 2020 نیز از این قاعده مستثنی نیست. رهبران فناوری اطلاعات به طور فزاینده ای به دنبال راه های کارآمد برای ذخیره و مدیریت حجم عظیمی از داده ها هستند و بار دیگر متعهد می شوند که مسیر سیستم های ذخیره سازی را تغییر دهند. در این مقاله، پیشرفته‌ترین فناوری‌های ذخیره‌سازی اطلاعات را گردآوری کرده‌ایم و همچنین در مورد مفاهیم ذخیره‌سازی آینده‌نگر که هنوز پیاده‌سازی فیزیکی خود را پیدا نکرده‌اند، صحبت خواهیم کرد.

شبکه های ذخیره سازی تعریف شده نرم افزاری

وقتی صحبت از اتوماسیون، انعطاف‌پذیری و افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی همراه با افزایش کارآیی کارکنان به میان می‌آید، شرکت‌های بیشتری در حال تغییر به اصطلاح شبکه‌های ذخیره‌سازی تعریف‌شده نرم‌افزاری یا SDS (Storage-Defined Storage) هستند.

ویژگی کلیدی فناوری SDS جداسازی سخت افزار از نرم افزار است: یعنی به این معناست مجازی سازی توابع ذخیره سازی. علاوه بر این، برخلاف سیستم‌های ذخیره‌سازی متصل به شبکه (NAS) یا سیستم‌های شبکه منطقه ذخیره‌سازی (SAN)، SDS برای اجرا بر روی هر سیستم استاندارد x86 طراحی شده است. اغلب، هدف از استقرار SDS بهبود هزینه های عملیاتی (OpEx) است در حالی که به تلاش اداری کمتری نیاز دارد.

ظرفیت درایوهای HDD به 32 ترابایت افزایش می یابد

دستگاه‌های ذخیره‌سازی مغناطیسی سنتی اصلاً نمرده‌اند، بلکه تازه در حال تجربه یک رنسانس تکنولوژیکی هستند. هارد دیسک های مدرن می توانند تا 16 ترابایت فضای ذخیره سازی داده را به کاربران ارائه دهند. ظرف پنج سال آینده این ظرفیت دو برابر خواهد شد. در عین حال، درایوهای دیسک سخت همچنان مقرون به صرفه ترین ذخیره سازی دسترسی تصادفی خواهند بود و اولویت خود را در قیمت هر گیگابایت فضای دیسک برای سال های آینده حفظ خواهند کرد.

افزایش ظرفیت بر اساس فناوری های شناخته شده قبلی انجام می شود:

• درایوهای هلیوم (هلیوم کشش و تلاطم آیرودینامیکی را کاهش می دهد، اجازه می دهد صفحات مغناطیسی بیشتری در درایو نصب شوند؛ تولید گرما و مصرف برق افزایش نمی یابد).
• درایوهای ترمو مغناطیسی (یا HAMR HDD، که ظاهر آن در سال 2021 پیش بینی می شود و بر اساس اصل ضبط داده های مایکروویو ساخته شده است، زمانی که بخشی از دیسک توسط لیزر گرم می شود و دوباره مغناطیس می شود).
• HDD مبتنی بر ضبط کاشی (یا درایوهای SMR، که در آن آهنگ‌های داده روی هم قرار می‌گیرند، در قالب کاشی‌شده؛ این کار ضبط اطلاعات را با تراکم بالا تضمین می‌کند).

درایوهای هلیوم به ویژه در مراکز داده ابری مورد تقاضا هستند و هاردهای SMR برای ذخیره آرشیوهای بزرگ و کتابخانه های داده، دسترسی و به روز رسانی داده هایی که اغلب مورد نیاز نیستند، بهینه هستند. آنها همچنین برای ایجاد پشتیبان ایده آل هستند.

درایوهای NVMe حتی سریعتر خواهند شد

اولین درایوهای SSD از طریق رابط SATA یا SAS به مادربردها متصل شدند، اما این رابط‌ها بیش از 10 سال پیش برای درایوهای HDD مغناطیسی توسعه یافتند. پروتکل مدرن NVMe یک پروتکل ارتباطی بسیار قدرتمندتر است که برای سیستم هایی طراحی شده است که سرعت پردازش داده بالایی را ارائه می دهند. در نتیجه، در آستانه سال‌های 2019-2020 شاهد کاهش شدید قیمت‌ها برای SSD‌های NVMe هستیم که در دسترس هر طبقه‌ای از کاربران قرار می‌گیرد. در بخش شرکتی، راه حل های NVMe به ویژه توسط شرکت هایی که نیاز به تجزیه و تحلیل کلان داده ها در زمان واقعی دارند، ارزشمند است.

شرکت‌هایی مانند کینگستون و سامسونگ قبلاً نشان داده‌اند که کاربران سازمانی در سال 2020 چه انتظاراتی دارند: همه ما منتظر SSD‌های NVMe با PCIe 4.0 هستیم تا سرعت پردازش داده‌های بیشتری را به مرکز داده اضافه کنند. عملکرد اعلام شده محصولات جدید 4,8 گیگابایت بر ثانیه است که با محدودیت فاصله زیادی دارد. نسل های بعدی Kingston NVMe SSD PCIe نسل 4.0 قادر به ارائه 7 گیگابایت بر ثانیه خواهد بود.

همراه با مشخصات NVMe-oF (یا NVMe over Fabrics)، سازمان‌ها می‌توانند شبکه‌های ذخیره‌سازی با کارایی بالا با حداقل تأخیر ایجاد کنند که به شدت با مراکز داده DAS (یا ذخیره‌سازی مستقیم متصل) رقابت می‌کنند. در عین حال، با استفاده از NVMe-oF، عملیات I/O با کارایی بیشتری پردازش می‌شوند، در حالی که تأخیر قابل مقایسه با سیستم‌های DAS است. تحلیلگران پیش بینی می کنند که استقرار سیستم هایی که بر روی پروتکل NVMe-oF اجرا می شوند در سال 2020 به سرعت تسریع خواهد شد.

آیا حافظه QLC بالاخره کار می کند؟

حافظه فلش NAND چهار سطح سلولی (QLC) نیز شاهد محبوبیت فزاینده ای در بازار خواهد بود. QLC در سال 2019 معرفی شد و بنابراین حداقل پذیرش را در بازار داشته است. این امر در سال 2020 تغییر خواهد کرد، به ویژه در میان شرکت هایی که از فناوری LightOS Global Flash Translation Layer (GFTL) برای غلبه بر چالش های ذاتی QLC استفاده کرده اند.

بر اساس پیش‌بینی‌های تحلیلگران، رشد فروش درایوهای SSD مبتنی بر سلول‌های QLC 10 درصد افزایش می‌یابد در حالی که راه‌حل‌های TLC 85 درصد از بازار را «تسخیر» خواهند کرد. هرچه که می توان گفت، QLC SSD هنوز در مقایسه با TLC SSD از نظر عملکرد بسیار عقب است و در پنج سال آینده مبنایی برای مراکز داده نخواهد بود.

در همان زمان، انتظار می‌رود که هزینه حافظه‌های فلش NAND در سال 2020 افزایش یابد، بنابراین برای مثال، فیسون، فروشنده کنترل‌کننده SSD، شرط می‌بندد که افزایش قیمت‌ها در نهایت بازار SSD مصرف‌کننده را به سمت حافظه‌های 4 بیتی فلش QLC NAND سوق خواهد داد. به هر حال، اینتل قصد دارد راه حل های 144 لایه QLC (به جای محصولات 96 لایه) را راه اندازی کند. خب... به نظر می رسد که ما به سمت حاشیه سازی بیشتر هارد دیسک ها می رویم.

حافظه SCM: سرعت نزدیک به DRAM

استفاده گسترده از حافظه SCM (حافظه کلاس ذخیره سازی) چندین سال است که پیش بینی شده است و سال 2020 می تواند نقطه شروعی برای تحقق این پیش بینی ها باشد. در حالی که ماژول های حافظه Intel Optane، Toshiba XL-Flash و Samsung Z-SSD در حال حاضر وارد بازار سازمانی شده اند، ظاهر آنها واکنش شدیدی را ایجاد نکرده است.

دستگاه اینتل ویژگی های DRAM سریع اما ناپایدار را با ذخیره سازی NAND کندتر اما پایدار ترکیب می کند. هدف این ترکیب بهبود توانایی کاربران برای کار با مجموعه داده های بزرگ است که هم سرعت DRAM و هم ظرفیت NAND را فراهم می کند. حافظه SCM نه تنها سریعتر از جایگزین های مبتنی بر NAND است، بلکه ده برابر سریعتر است. تأخیر میکروثانیه است نه میلی ثانیه.

کارشناسان بازار خاطرنشان می کنند که مراکز داده ای که قصد استفاده از SCM را دارند با این واقعیت محدود خواهند شد که این فناوری فقط روی سرورهایی که از پردازنده های اینتل Cascade Lake استفاده می کنند کار می کند. با این حال، به نظر آنها، این مانعی برای توقف موج ارتقاء مراکز داده موجود به منظور ارائه سرعت پردازش بالا نخواهد بود.

از واقعیت قابل پیش بینی تا آینده دور

برای اکثر کاربران، ذخیره سازی داده ها شامل حس "آرماگدون خازنی" نیست. اما در مورد آن فکر کنید: 3,7 میلیارد نفری که در حال حاضر از اینترنت استفاده می کنند، روزانه حدود 2,5 کوئینتیلیون بایت داده تولید می کنند. برای پاسخگویی به این نیاز، مراکز داده بیشتر و بیشتری مورد نیاز است.

طبق آمار، تا سال 2025، جهان آماده پردازش 160 زتابایت داده در سال است (که بیشتر از بایت‌های ستاره‌های موجود در کیهان قابل مشاهده است). این احتمال وجود دارد که در آینده مجبور شویم هر متر مربع از سیاره زمین را با مراکز داده بپوشانیم، در غیر این صورت شرکت ها به سادگی نمی توانند با چنین رشد بالایی در اطلاعات سازگار شوند. یا ... باید از برخی داده ها صرف نظر کنید. با این حال، چندین فناوری بالقوه جالب وجود دارد که می تواند مشکل رو به رشد اضافه بار اطلاعات را حل کند.

ساختار DNA به عنوان پایه ای برای ذخیره سازی داده های آینده

نه تنها شرکت های فناوری اطلاعات به دنبال راه های جدیدی برای ذخیره و پردازش اطلاعات هستند، بلکه بسیاری از دانشمندان نیز به دنبال راه های جدیدی برای ذخیره و پردازش اطلاعات هستند. وظیفه جهانی تضمین حفظ اطلاعات برای هزاران سال است. محققان از ETH زوریخ سوئیس معتقدند که راه حل را باید در یک سیستم ذخیره سازی داده های آلی که در هر سلول زنده وجود دارد پیدا کرد: DNA. و مهمتر از همه، این سیستم مدتها قبل از ظهور رایانه "اختراع" شد.

رشته های DNA به عنوان حامل های اطلاعات بسیار پیچیده، فشرده و فوق العاده متراکم هستند: به گفته دانشمندان، 455 اگزابایت داده را می توان در یک گرم DNA ثبت کرد که در آن 1 Ebyte معادل یک میلیارد گیگابایت است. اولین آزمایش‌ها قبلاً امکان ثبت 83 کیلوبایت اطلاعات در DNA را فراهم کرده است، پس از آن یک معلم در گروه شیمی و علوم زیستی، رابرت گراس، این ایده را بیان کرد که در دهه جدید، رشته پزشکی نیاز به اتحاد بیشتر با ساختار فناوری اطلاعات برای پیشرفت های مشترک در زمینه فناوری های ضبط و ذخیره سازی داده ها.

به گفته دانشمندان، دستگاه‌های ذخیره‌سازی داده‌های ارگانیک مبتنی بر زنجیره‌های DNA می‌توانند اطلاعات را تا یک میلیون سال ذخیره کنند و در اولین درخواست به طور دقیق آن را ارائه دهند. ممکن است در چند دهه آینده، بیشتر درایوها دقیقاً برای این فرصت دست و پنجه نرم کنند: توانایی ذخیره قابل اعتماد و ظرفیت داده ها برای مدت طولانی.

سوئیسی ها تنها کسانی نیستند که روی سیستم های ذخیره سازی مبتنی بر DNA کار می کنند. این سوال از سال 1953، زمانی که فرانسیس کریک مارپیچ دوگانه DNA را کشف کرد، مطرح شد. اما در آن لحظه، بشریت به سادگی دانش کافی برای چنین آزمایشاتی نداشت. تفکر سنتی در ذخیره سازی DNA بر سنتز مولکول های DNA جدید متمرکز شده است. تطبیق دنباله ای از بیت ها با دنباله ای از چهار جفت باز DNA و ایجاد مولکول های کافی برای نشان دادن تمام اعدادی که باید ذخیره شوند. بنابراین، در تابستان 2019، مهندسان شرکت CATALOG موفق شدند 16 گیگابایت ویکی‌پدیای انگلیسی زبان را در DNA ایجاد شده از پلیمرهای مصنوعی ثبت کنند. مشکل این است که این فرآیند کند و گران است، که در مورد ذخیره سازی داده ها یک گلوگاه مهم است.

نه DNA به تنهایی...: دستگاه های ذخیره مولکولی

محققان دانشگاه براون (ایالات متحده آمریکا) می گویند که مولکول DNA تنها گزینه ذخیره مولکولی داده ها تا یک میلیون سال نیست. متابولیت های با وزن مولکولی پایین نیز می توانند به عنوان ذخیره آلی عمل کنند. هنگامی که اطلاعات روی مجموعه ای از متابولیت ها نوشته می شود، مولکول ها شروع به تعامل با یکدیگر می کنند و ذرات الکتریکی خنثی جدیدی تولید می کنند که حاوی داده های ثبت شده در آنها است.

به هر حال، محققان به همین جا بسنده نکردند و مجموعه ای از مولکول های آلی را گسترش دادند که امکان افزایش تراکم داده های ثبت شده را فراهم کرد. خواندن چنین اطلاعاتی از طریق تجزیه و تحلیل شیمیایی امکان پذیر است. تنها نکته منفی این است که اجرای چنین دستگاه ذخیره سازی ارگانیک در خارج از شرایط آزمایشگاهی هنوز در عمل امکان پذیر نیست. این فقط توسعه برای آینده است.

حافظه نوری 5 بعدی: انقلابی در ذخیره سازی داده ها

یک مخزن آزمایشی دیگر متعلق به توسعه دهندگان دانشگاه ساوتهمپتون انگلستان است. در تلاش برای ایجاد یک سیستم ذخیره‌سازی دیجیتالی نوآورانه که می‌تواند برای میلیون‌ها سال دوام بیاورد، دانشمندان فرآیندی را برای ضبط داده‌ها بر روی یک دیسک کوارتز کوچک که مبتنی بر ضبط پالس فمتوثانیه است، توسعه داده‌اند. سیستم ذخیره سازی برای آرشیو و ذخیره سازی سرد حجم زیادی از داده ها طراحی شده است و به عنوان ذخیره سازی پنج بعدی توصیف می شود.

چرا پنج بعدی؟ واقعیت این است که اطلاعات در چندین لایه، از جمله سه بعدی معمول، رمزگذاری شده است. به این ابعاد دو ابعاد دیگر اضافه شده است - اندازه و جهت گیری نانو نقطه. ظرفیت داده قابل ضبط در چنین مینی درایو تا 100 پتابایت و عمر ذخیره سازی 13,8 میلیارد سال در دماهای تا 190 درجه سانتیگراد است. حداکثر دمای حرارتی که دیسک می تواند تحمل کند 982 درجه سانتیگراد است. خلاصه ... عملا ابدی است!

کار دانشگاه ساوتهمپتون اخیراً توجه مایکروسافت را به خود جلب کرده است، برنامه ذخیره سازی ابری آن Project Silica با هدف بازنگری در فناوری های ذخیره سازی فعلی است. بر اساس پیش بینی های "کوچک-نرم"، تا سال 2023 بیش از 100 زتابایت اطلاعات در ابرها ذخیره می شود، بنابراین حتی سیستم های ذخیره سازی در مقیاس بزرگ نیز با مشکلاتی مواجه خواهند شد.

برای اطلاعات بیشتر در مورد محصولات Kingston Technology، لطفاً به وب سایت رسمی این شرکت مراجعه کنید.

منبع: www.habr.com