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比特与字节的那些事儿:存储器的今天和明天

gecimao 发表于 2019-05-12 21:17 | 查看: | 回复:

  还是小孩子的时候,小编就已经拥有了拆电脑的半好人属性,虽然当时拆下来的东西总有一些装不回去,但是启蒙教育来说可是一笔珍贵的财富。如果你现在手头有一个DVD或者蓝光光驱的话,不妨跟小编一起把它的螺丝一个一个卸下来,平放开来,你会惊讶于这些精密的构造,同时一窥存储器的未来趋势。一条波长被固定的激光光束通过镜面的三次折射,定位到盘面上,再折射到接收器,接收器读取被盘面改变波长的激光,从而提取出蚀刻在盘面的上GB的数据。GE 全球研究实验室,是一个内部超级复杂的地方,占地550亩,今天,我们会从这里了解到最新的存储器发展趋势,以及其他一些好玩的东西。

  硬盘,DVD光驱,USB存储器,这些已经与我们的数字化生活共存了很长时间了,但当我们的数据趋于无限的时候,存储器还受制于容量的限制,那么存储器的下一步会是什么样子的?

  数据存储是很多人不会去考虑的问题,而且即使我们去想,也只有一个抽象的概念。笔记本电脑有一个固定大小的存储空间,我们要花费比通常硬盘贵得多的价格买一个笔记本硬盘,但得到的空间却很小。DVD可以存储一段固定长度的视频,或是没有经过压缩的高品质音轨,但只能是一次性的。闪存对于要移动的存储区来说是非常方便,我们都知道它和硬盘有本质上的区别,但也许说不明白。

  我们所知道的就是我们需要一个存储数据的东西,而我们的网络设备还没有强大到允许广泛的云计算,或者是快速下载任何你想要看的高清电影,在很长很长一段时间内,存储器都是我们需要而且会遵循摩尔定律不断更新的东西。

  硬盘是人手必备的东西,无论是台式机、笔记本或者是MP4,最基本的数据载体和读写工具就是硬盘,硬盘的基本原理是在高速旋转的金属盘上通过通电磁头改变盘面磁粒布局以写入数据,而磁头读取盘面的磁化翻转就是在读取数据。磁头就像一个针头,悬浮在盘面上,读取近距离微小的磁场变化。

  而这种读取方式的发展历史也悠久的让人乍舌:第一台实现这种读取概念的机器诞生于1956年,那时的容量只有几百字节,虽然少的可怜,但是这种革新的读取方式已经开始引起人们注意了。可是由于技术的门槛,直到1980年,第一块看起来像现在的硬盘,容量只有5MB的硬盘才面世,而生产商就是希捷。

  从那时起,硬盘开始飞速发展,24年的时间让硬盘从概念走到了应用,而存储密度增加、尺寸减小、价格降低这些事情则是几乎在瞬间就完成了。1980年同年,容量200倍于前者的1GB硬盘面世,价值500英镑,而30年后的今天,容量有两千倍于前者的2TB硬盘并且小到足以塞进夹克兜里只需要 140美元就能得到。

  不过,硬盘的科技快要走到临界点了。真的么?虽然不是立刻就会发生的事情,但是存储器的命运已经被决定了。随着硬盘存储密度不断逼近理论最高点,在 2005年硬盘制造商们开始提出了垂直存储的概念,希望成为让硬盘重新焕发活力的契机。

  垂直存储技术能够让数据位站立在磁盘上,而不是向现有的水平记录技术那样,平铺在磁盘上,它能提供新的硬盘数据密度和容量。新的数据排列方法,通过使磁头在相同的时间内扫描更多的数据位,从而提高硬盘性能。垂直存储技术由于能耗小,发热量也随之减少,从而改善了数据抵抗热退减的能力,提高了硬盘的可靠性。

  希捷首先看到了纵向存储的瓶颈限制了硬盘发展,其无法超越每平方英寸12.5千兆字节的物理限制,为了突破这堵无形的墙,他们开始尝试垂直存储。

  使用垂直存储后,研究人员认为其存储密度的极限已经提升到了每平方英寸128千兆字节左右,而目前的硬盘存储密度只有大约每平方英寸50千兆字节,也就意味着,近几年,硬盘还会继续的扩容,加速和降价,直到垂直存储走到极限。

  而硬盘的理论研究也并未就此停止:辅助磁记录用于局部加热盘片实现超高密度的数据录入;模式媒体可以减少对硬盘表面的磁粒需求,通过对盘片基板进行分子模式编码可将需求由50减至1;

  希捷预测硬盘的下一个极限存储密度将是每平方英寸50兆兆位以上,也就是6.25TB。因此,可以说硬盘的潜力依然是无穷的至少在近几年,仍将作为存储器的主导。

  SSD,即固态硬盘,被认为是存储界的平地惊雷,而且非常有希望取代普通硬盘。但实际上这不太正确,固态硬盘没有运动的机械部件,存储数据使用电荷而非磁粒,可以说和普通硬盘根本是不同的东西。

  固态硬盘内部是成片的闪存芯片和一块控制器,因为没有运动的机械部件所以不需要启动过程,也不需要在旋转的盘片上捕获零散数据,更不用听到机械硬盘的噪音。而固态硬盘和机械硬盘比起来快的让人难以置信,所以装有固态硬盘的电脑的启动速度快的出奇,应用程序的启动、随机写入和其他方面的表现也十分优秀,但是在写入大型文件方面除外。

  是的,SSD就是这么快,不会产生灾难性的错误,简直是笔记本电脑的完美搭配。

  但是未来SSD的发展道路可以说是相当狭窄的,至少现在来说是如此。可能的消费范围包括笔记本、台式机到NAS存储器,都存在一个客户解决方案的问题。当我们为了使用SSD而不得不等待几年使SSD成熟发展到一个合理的价格和良好的兼容性时,各类企业存储的数据则在飞速增长,存储规模的增幅大于SSD容量的增幅,以至于SSD处于一个尴尬的吊车尾的位置。

  而SSD发展最快的地方莫过于便携存储,比如在智能电话和平板电脑中的那些,这种存储设备处于一个独特的环境中:对于移动设备来说存储速度不是至关重要的,甚至可以说算不上一个可以值得炫耀的能力。但人们青睐于在iPad中使用SSD的原因是由于他们要运行大量的应用程序、看电影和保存杂志。所以随着便携设备日益智能化,SSD的发展总有一天也会变得光明。

  同时Google也继续购买成千上万的大容量硬盘满足客户需求,剩下的客户则紧盯价格,时刻准备买下一块装在笔记本上。SSD的潜在客户如此之多,变化之快甚至可以被眼睛捕捉到。

  那么SSD的未来是什么样子?目前的研究主要是消除SSD的一些弱点,让SSD变得更加有购买力(目前的SSD的廉价芯片只能支持约1万次写入)。 SanDisk公司的SSD团队成员正在从更详细的算法、缓存和预测方法有减少无谓的擦除和写入着手研究SSD的改进。现在的公司正变得越来越聪明,通过智能化的数据存取方法延长芯片使用寿命,芯片研发也曾走过一段漫长的撞墙之路:开始时每块芯片只能容纳3字节数据,后来是4字节,每次的进步都伴随着新的物理障碍的出现,而每次也都会有新的方法来解决这些问题,在可以预见到的未来,这种与自然法则的抗衡还会继续。

  SSD还是很年轻,有很长的路要走。在这种科技完全覆盖消费领域前,我们会不断发现那些混合产品的存在,比如三星MH80,同时有机械硬盘和SSD两种存储方式,可以说是一种进步。

  你的下一台电脑也许还是用不上SSD,但是没准下下台就可以使用到廉价的SSD硬盘了,SSD的成本低廉化是迟早的事情,当64GB的SSD变得司空见惯时,蓝光什么的也许就走到尽头了。

  光学媒介存储走不了多远了,也许蓝光就是最后一代光存储介质。未来的光学存储将借助于全息图像保存数据。

  全息存储是受全息照相的启发而研制的,当你明白全息照相的技术原理,对于全息存储就可以更好地理解。我们在拍摄全息照片时,对应的拍摄设备并不是普通照相机,而是一台激光器。该激光器产生的激光束被分光镜一分为二,其中一束被命名为物光束,直接照射到被拍摄的物体,另一束则被称为参考光束,直接照射到感光胶片上。当物光束照射到所摄物体之后,形成的反射光束同样会照射到胶片上,此时物体的完整信息就能被胶片记录下来,全息照相的摄制过程就这样完成了。乍看过去,全息照片上只有一些乱七八糟的条纹,但当我们使用一束激光去照射这张照片时,真实的原始立体图像就会栩栩如生地展现出来。

  使用全息存储技术后,一块方糖大小的立方体就能存储高达1TB的数据,这么高的容量并不是空穴来风。由于一个晶体有无数个面,我们只要改变激光束的入射角度,就可以在一块晶体中存储数量惊人的数据。打个形象的比喻,我们可以把全息存储器看成像书本一样,这也是其用小体积实现大容量的原理所在,理论上全息存储可以轻松突破1TB的存储密度。在GE实验室中,目前一个晶体可以存储75层不同的数据,而研究人员正在不停的刷新这一数字。

  但是GE的研究人员称,全息存储技术离实用化大概还有30年的时间。理论的完善、整套设备的小型化、与目前的存储设备兼容等一系列问题尚未解决。预计未来的全息存储介质仍旧类似于目前的DVD,而且激光设备也和蓝光光驱相似,甚至可能会使用相同的波长。从硬件层面上来说,这只是使用了特定的光学元件,而从软件层面上来说,等于是未来的全息光驱可以兼容目前的蓝光光驱。

  当机械硬盘和固态硬盘都入土成为肥料的时候,我们会用什么存储数据?恐怕只有在科幻里才能找到答案:

  微生物研究人员已经成功的把附有公式E=mc^2的短语的编码添加进了枯草芽孢杆菌的DNA中,未来人工编码的DNA信息可以由细菌生生不息的传递下去,当然也许会有一些小小的突变

  碳球利用富勒烯,一种嵌入金属的碳化合物,分子结构是一个笼子,来作为存储设备。研究人员发现,金属富勒烯有受探针影响形成不同分子排列结构的能力,通过排列分布有可能实现存储能力。

  分子存储即使是大型的分子,也只有几纳米大小,一个集成电路使用分子制造的话可能会拥有兆级数量的电子设备,存储能力会是目前的100万倍,大小则仅仅是指甲那么大。

  量子力学量子计算机中,每个字节的信息编码成一个量子系统,即一个电子自旋属性。在经典计算机里,一个二进制位(bit)只能存储一个数据,n个二进制位只能存储n个一位二进制数或者1个n位二进制数,而在量子计算机里,一个量子位可以存储两个数据,n个量子位可以同时存储2n个数据,从而大大提高了存储能力。

  看到这里,我想你也一定为未来无限的存储可能性怦然心动,但是还是请回过神来,继续用1M的水管和500GB的硬盘拖电影、动漫吧,毕竟这也是值得作为文物保存和纪念的东西。

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