טכנולוגיות חדשות לאחסון נתונים: האם נראה פריצת דרך ב-2020?

במשך כמה עשורים, ההתקדמות בטכנולוגיית האחסון נמדדה בעיקר במונחים של קיבולת אחסון ומהירות קריאה/כתיבה של נתונים. עם הזמן, פרמטרי הערכה אלו הוסיפו טכנולוגיות ומתודולוגיות שהופכות את כונני HDD ו-SSD לחכמים יותר, גמישים יותר וקלים יותר לניהול. מדי שנה, יצרני כוננים רומזים באופן מסורתי ששוק הנתונים הגדולים ישתנה, ושנת 2020 אינה יוצאת דופן. מנהיגי IT מחפשים יותר ויותר דרכים יעילות לאחסן ולנהל כמויות אדירות של נתונים, ושוב מתחייבים לשנות את מהלך מערכות האחסון. במאמר זה אספנו את הטכנולוגיות המתקדמות ביותר לאחסון מידע, וכן נדבר על המושגים של התקני אחסון עתידניים שטרם מצאו את היישום הפיזי שלהם.

רשתות אחסון בהגדרת תוכנה

בכל הנוגע לאוטומציה, גמישות ויכולת אחסון מוגברת יחד עם יעילות מוגברת של הצוות, יותר ויותר ארגונים שוקלים לעבור למה שנקרא רשתות אחסון מוגדרות תוכנה או SDS (Software-Defined Storage).

המאפיין המרכזי של טכנולוגיית SDS הוא ההפרדה בין חומרה לתוכנה: כלומר, זה אומר וירטואליזציה של פונקציות אחסון. בנוסף, בניגוד למערכות אחסון מחוברות ברשת (NAS) או רשת שטח אחסון (SAN), SDS נועד לפעול על כל מערכת x86 סטנדרטית. לעתים קרובות, המטרה של פריסת SDS היא לשפר את הוצאות התפעול (OpEx) תוך צורך בפחות מאמץ אדמיניסטרטיבי.

הקיבולת של כונני HDD תגדל ל-32 TB

מכשירי אחסון מגנטיים מסורתיים אינם מתים כלל, אלא רק חווים רנסנס טכנולוגי. כונני HDD מודרניים כבר יכולים להציע למשתמשים עד 16 TB של אחסון נתונים. במהלך חמש השנים הקרובות, קיבולת זו תוכפל. יחד עם זאת, כונני דיסקים קשיחים ימשיכו להיות האחסון המשתלם ביותר בגישה אקראית וישמרו על ראשוניותם במחיר לג'יגה-בייט של שטח דיסק למשך שנים רבות.

הגדלת הקיבולת תתבסס על טכנולוגיות ידועות כבר:

• כונני הליום (הליום מפחית גרר אווירודינמי ומערבולת, ומאפשר התקנת לוחות מגנטיים נוספים בכונן; ייצור חום וצריכת החשמל אינם גדלים);
• כוננים תרמומגנטיים (או HAMR HDD, שמראהו צפוי בשנת 2021 ובנוי על עיקרון של רישום נתוני מיקרוגל, כאשר קטע מהדיסק מחומם בלייזר וממוגנט מחדש);
• HDD המבוסס על הקלטת אריחים (או כונני SMR, שבהם מסלולי נתונים ממוקמים זה על גבי זה, בפורמט אריחים; זה מבטיח צפיפות גבוהה של הקלטת מידע).

כונני הליום מבוקשים במיוחד במרכזי נתונים בענן, כונני SMR HDD אופטימליים לאחסון ארכיונים וספריות נתונים גדולים, גישה ועדכון נתונים שאינם נדרשים לעתים קרובות במיוחד. הם גם אידיאליים ליצירת גיבויים.

כונני NVMe יהפכו למהירים עוד יותר

כונני ה-SSD הראשונים חוברו ללוחות אם באמצעות ממשק SATA או SAS, אך ממשקים אלו פותחו לפני יותר מ-10 שנים עבור כונני HDD מגנטיים. פרוטוקול NVMe המודרני הוא פרוטוקול תקשורת הרבה יותר חזק המיועד למערכות המספקות מהירות עיבוד נתונים גבוהה. כתוצאה מכך, בתחילת 2019-2020 אנו רואים ירידה רצינית במחירים עבור כונני NVMe SSD, שהופכים לזמינים לכל סוג של משתמשים. בפלח הארגוני, פתרונות NVMe מוערכים במיוחד על ידי אותם ארגונים שצריכים לנתח נתונים גדולים בזמן אמת.

חברות כמו קינגסטון וסמסונג כבר הראו למה המשתמשים הארגוניים יכולים לצפות ב-2020: כולנו מחכים ל-NVMe SSDs התומכים ב-PCIe 4.0 כדי להוסיף עוד יותר מהירות עיבוד נתונים למרכז הנתונים. הביצועים המוצהרים של המוצרים החדשים הם 4,8 GB/s, וזה רחוק מהגבול. הדורות הבאים Kingston NVMe SSD PCIe מדור 4.0 יוכל לספק תפוקה של 7 GB/s.

יחד עם מפרט NVMe-oF (או NVMe over Fabrics), ארגונים יוכלו ליצור רשתות אחסון בעלות ביצועים גבוהים עם חביון מינימלי שיתחרו חזק עם מרכזי נתונים DAS (או Direct-attached storage). יחד עם זאת, באמצעות NVMe-oF, פעולות I/O מעובדות בצורה יעילה יותר, בעוד שהשהייה דומה למערכות DAS. אנליסטים צופים כי פריסת מערכות הפועלות על פרוטוקול NVMe-oF תואץ במהירות ב-2020.

האם זיכרון QLC יעבוד סוף סוף?

זיכרון פלאש NAND Quad Level Cell (QLC) יראה גם פופולריות גוברת בשוק. QLC הוצג בשנת 2019 ולכן קיבל אימוץ מינימלי בשוק. זה ישתנה ב-2020, במיוחד בקרב חברות שאימצו את טכנולוגיית LightOS Global Flash Translation Layer (GFTL) כדי להתגבר על האתגרים המובנים של QLC.

על פי תחזיות האנליסטים, צמיחת המכירות של כונני SSD המבוססים על תאי QLC תגדל ב-10%, בעוד שפתרונות TLC "יתפוס" 85% מהשוק. מה שיגידו, QLC SSD עדיין נמצא הרחק מאחור בביצועים בהשוואה ל-TLC SSD ולא יהפוך לבסיס למרכזי נתונים בחמש השנים הקרובות.

במקביל, העלות של זיכרון פלאש NAND צפויה לעלות ב-2020, כך שספקית בקרי ה-SSD Phison, למשל, מהמר שעליית המחירים תדחוף בסופו של דבר את שוק ה-SSD הצרכני לכיוון 4-bit flash -QLC NAND זיכרון. אגב, אינטל מתכננת להשיק פתרונות QLC של 144 שכבות (במקום מוצרים של 96 שכבות). ובכן... נראה שאנו בדרך לדחיקה נוספת לשוליים של כונני HDD.

זיכרון SCM: מהירות קרובה ל-DRAM

האימוץ הנרחב של זיכרון SCM (Storage Class Memory) נחזה כבר כמה שנים, ו-2020 עשויה להיות נקודת ההתחלה לתחזיות אלו שיתגשמו סוף סוף. בעוד שמודולי הזיכרון של Intel Optane, Toshiba XL-Flash ו-Samsung Z-SSD כבר נכנסו לשוק הארגוני, המראה שלהם לא גרם לתגובה מוחצת.

המכשיר של אינטל משלב את המאפיינים של DRAM מהיר אך לא יציב עם אחסון NAND איטי יותר אך מתמשך. שילוב זה נועד לשפר את יכולת המשתמשים לעבוד עם מערכי נתונים גדולים, תוך מתן מהירות DRAM ויכולת NAND כאחד. זיכרון SCM הוא לא רק מהיר יותר מחלופות מבוססות NAND: הוא מהיר פי עשרה. ההשהיה היא מיקרו-שניות, לא מילי-שניות.

מומחי שוק מציינים שמרכזי נתונים המתכננים להשתמש ב-SCM יוגבלו על ידי העובדה שטכנולוגיה זו תעבוד רק על שרתים המשתמשים במעבדי Intel Cascade Lake. עם זאת, לדעתם, זה לא יהווה אבן נגף לעצור את גל השדרוגים למרכזי נתונים קיימים על מנת לספק מהירויות עיבוד גבוהות.

מהמציאות הנראית לעין אל העתיד הרחוק

עבור רוב המשתמשים, אחסון נתונים אינו כרוך בתחושה של "ארמגדון קיבולי". אבל תחשבו על זה: 3,7 מיליארד האנשים שמשתמשים כיום באינטרנט מייצרים כ-2,5 קווינטיליון בתים של נתונים מדי יום. כדי לענות על צורך זה, דרושים יותר ויותר מרכזי נתונים.

לפי הסטטיסטיקה, עד שנת 2025 העולם מוכן לעבד 160 זטה-בייט של נתונים בשנה (זה יותר בתים מכוכבים ביקום הנצפה). סביר להניח שבעתיד נצטרך לכסות כל מטר מרובע של כדור הארץ במרכזי נתונים, אחרת תאגידים פשוט לא יוכלו להסתגל לגידול כה גבוה במידע. או... תצטרך לוותר על כמה נתונים. עם זאת, ישנן מספר טכנולוגיות שעשויות להיות מעניינות שיכולות לפתור את הבעיה ההולכת וגוברת של עומס מידע.

מבנה DNA כבסיס לאחסון נתונים עתידי

לא רק תאגידי IT מחפשים דרכים חדשות לאחסן ולעבד מידע, אלא גם מדענים רבים. המשימה העולמית היא להבטיח את שימור המידע במשך אלפי שנים. חוקרים מ-ETH ציריך, שוויץ, מאמינים שהפתרון חייב להימצא במערכת אחסון נתונים אורגנית שקיימת בכל תא חי: DNA. והכי חשוב, המערכת הזו "הומצאה" הרבה לפני הופעת המחשב.

גדילי DNA הם מורכבים מאוד, קומפקטיים וצפופים להפליא בתור נושאי מידע: על פי מדענים, ניתן לרשום 455 אקס-בייט של נתונים בגרם של DNA, כאשר 1 אבייט שווה למיליארד גיגה-בייט. הניסויים הראשונים כבר אפשרו לרשום 83 KB של מידע ב-DNA, ולאחר מכן מורה במחלקה לכימיה ומדעי הביולוגיה, רוברט גראס, הביע את הרעיון שבעשור החדש התחום הרפואי צריך להתאחד יותר עם מבנה ה-IT לפיתוחים משותפים בתחום טכנולוגיות הקלטה ואחסון נתונים.

לדברי מדענים, התקני אחסון נתונים אורגניים המבוססים על שרשראות DNA יכולים לאחסן מידע עד מיליון שנים ולספק אותו במדויק על פי הבקשה הראשונה. יתכן שבעוד כמה עשורים, רוב הכוננים ייאבקו בדיוק על ההזדמנות הזו: היכולת לאחסן נתונים בצורה מהימנה ובקיבולת לאורך זמן.

השוויצרים הם לא היחידים שעובדים על מערכות אחסון מבוססות DNA. שאלה זו עלתה מאז 1953, כאשר פרנסיס קריק גילה את הסליל הכפול של ה-DNA. אבל באותו רגע, לאנושות פשוט לא היה מספיק ידע לניסויים כאלה. החשיבה המסורתית באחסון DNA התמקדה בסינתזה של מולקולות DNA חדשות; התאמת רצף ביטים לרצף של ארבעה זוגות בסיסים של DNA ויצירת מספיק מולקולות כדי לייצג את כל המספרים שצריך לאחסן. כך, בקיץ 2019, הצליחו מהנדסים מחברת CATALOG להקליט 16 ג'יגה-בייט של ויקיפדיה באנגלית ל-DNA שנוצר מפולימרים סינתטיים. הבעיה היא שהתהליך הזה איטי ויקר, מה שמהווה צוואר בקבוק משמעותי בכל הנוגע לאחסון נתונים.

לא DNA לבד...: התקני אחסון מולקולריים

חוקרים מאוניברסיטת בראון (ארה"ב) אומרים שמולקולת ה-DNA אינה האפשרות היחידה לאחסון מולקולרי של נתונים עד מיליון שנים. מטבוליטים במשקל מולקולרי נמוך יכולים לשמש גם כאחסון אורגני. כאשר מידע נכתב לקבוצה של מטבוליטים, המולקולות מתחילות ליצור אינטראקציה זו עם זו ולייצר חלקיקים ניטרליים חשמליים חדשים המכילים את הנתונים שנרשמו בהם.

אגב, החוקרים לא עצרו שם והרחיבו את מערך המולקולות האורגניות, מה שאפשר להגדיל את צפיפות הנתונים המתועדים. קריאת מידע כזה אפשרית באמצעות ניתוח כימי. השלילי היחיד הוא שהטמעה של מכשיר אחסון אורגני שכזה עדיין אינה אפשרית בפועל, מחוץ לתנאי מעבדה. זו רק התפתחות לעתיד.

זיכרון אופטי 5D: מהפכה באחסון נתונים

מאגר ניסיוני נוסף שייך למפתחים מאוניברסיטת סאות'המפטון, אנגליה. במאמץ ליצור מערכת אחסון דיגיטלית חדשנית שיכולה להימשך מיליוני שנים, מדענים פיתחו תהליך לרישום נתונים על דיסק קוורץ זעיר, המבוסס על רישום דופק של פמט שנייה. מערכת האחסון מיועדת לארכיון ואחסון קר של כמויות גדולות של נתונים ומתוארת כאחסון חמש מימדי.

למה חמש מימד? העובדה היא שמידע מקודד בכמה שכבות, כולל שלושת המימדים הרגילים. לממדים האלה מתווספים עוד שניים - גודל וכיוון ננו-נקודות. קיבולת הנתונים שניתן לתעד במיני-כונן כזה היא עד 100 פטה-בייט, וחיי האחסון הם 13,8 מיליארד שנים בטמפרטורות של עד 190 מעלות צלזיוס. טמפרטורת החימום המקסימלית שהדיסק יכול לעמוד בה היא 982 מעלות צלזיוס. בקיצור... זה כמעט נצחי!

עבודתה של אוניברסיטת סאות'המפטון משכה לאחרונה את תשומת הלב של מיקרוסופט, שתוכנית האחסון בענן שלה Project Silica שואפת לחשוב מחדש על טכנולוגיות האחסון הנוכחיות. לפי תחזיות "קטנות-רכות", עד שנת 2023 יותר מ-100 זטה-בייט של מידע יאוחסנו בעננים, כך שגם מערכות אחסון בקנה מידה גדול יתמודדו עם קשיים.

למידע נוסף על מוצרי Kingston Technology, אנא בקר באתר הרשמי של החברה.

מקור: www.habr.com