Плотность — мера количества информационных битов , которые могут храниться на заданной длине ( линейная плотность ) дорожки , площади поверхности ( площадная плотность ) или в заданном объеме ( объемная плотность ) компьютерного носителя информации . Как правило, более высокая плотность более желательна, поскольку она позволяет хранить больше данных в одном и том же физическом пространстве. Таким образом, плотность имеет прямую связь с емкостью данного носителя. Плотность также обычно влияет на производительность в конкретной среде, а также на цену.
Твердотельные накопители используют флэш-память для хранения энергонезависимых носителей . Они представляют собой новейшую форму массового производства запоминающих устройств и конкурируют с магнитными дисками . Данные твердотельного носителя сохраняются в пуле флэш-памяти NAND. Сама NAND состоит из так называемых транзисторов с плавающим затвором . В отличие от транзисторных конструкций, используемых в DRAM , которые необходимо обновлять несколько раз в секунду, флэш-память NAND спроектирована так, чтобы сохранять состояние заряда даже при отсутствии питания. Наиболее емкими коммерчески доступными дисками являются накопители Nimbus Data Exadrive© DC. Емкость этих накопителей варьируется от 16 до 100 ТБ . Nimbus заявляет, что для своего размера твердотельный накопитель емкостью 100 ТБ обеспечивает экономию места 6:1 по сравнению с жестким диском ближнего действия [1].
Жесткие диски хранят данные в магнитной поляризации небольших участков поверхностного покрытия диска. Максимальная плотность записи определяется размером магнитных частиц на поверхности, а также размером «головки», используемой для чтения и записи данных. В 1956 году первый жесткий диск IBM 350 имел плотность записи 2000 бит / дюйм 2 . С тех пор рост плотности соответствовал закону Мура , достигнув 1 Тбит/дюйм 2 в 2014 году. [2] В 2015 году компания Seagate представила жёсткий диск с плотностью 1,34 Тбит/дюйм 2 , [3] более 600 миллионов раз. как у IBM 350. Ожидается, что нынешняя технология записи может «реально» масштабироваться как минимум до 5 Тбит /дюйм 2 в ближайшем будущем. [3] [4] Новые технологии, такие как магнитная запись с использованием тепла (HAMR) и магнитная запись с использованием микроволнового излучения (MAMR), находятся в стадии разработки и, как ожидается, позволят продолжить увеличение магнитной плотности. [5]
Оптические диски хранят данные в небольших ямках на пластиковой поверхности, которая затем покрывается тонким слоем отражающего металла. Компакт-диски (CD) имеют плотность около 0,90 Гбит/дюйм 2 с использованием ямок длиной 0,83 микрометра и шириной 0,5 микрометра, расположенных на дорожках, расположенных на расстоянии 1,6 микрометра друг от друга. DVD- диски, по сути, представляют собой компакт-диски с более высокой плотностью, использующие большую часть поверхности диска, меньшие ямки (0,64 микрометра) и более узкие дорожки (0,74 микрометра), что обеспечивает плотность около 2,2 Гбит/дюйм 2 . Однослойные диски HD DVD и Blu-ray имеют плотность около 7,5 Гбит/дюйм 2 и 12,5 Гбит/дюйм 2 соответственно.
Когда компакт-диски были представлены в 1982 году, они имели значительно более высокую плотность, чем жесткие диски , но с тех пор жесткие диски развивались гораздо быстрее и затмили оптические носители как по плотности записи, так и по емкости на устройство.
Первый накопитель на магнитной ленте, Univac Uniservo , записывал с плотностью 128 бит/дюйм на полудюймовую магнитную ленту, в результате чего плотность записи составляла 256 бит/дюйм 2 . [6] В 2015 году IBM и Fujifilm установили новый рекорд плотности записи на магнитной ленте — 123 Гбит/дюйм 2 , [7] в то время как LTO-6 , лента с самой высокой плотностью поставок в 2015 году, обеспечивает плотность записи 0,84. Гбит/дюйм 2 . [8]
Ряд технологий пытаются превзойти плотность существующих носителей.
IBM намеревалась коммерциализировать свою систему памяти Millipede со скоростью 1 Тбит/дюйм 2 в 2007 году, но разработка, похоже, застопорилась. Новая технология IBM, гоночная память , использует массив из множества маленьких наноскопических проводов, расположенных в 3D, каждый из которых содержит множество битов для повышения плотности. [9] Хотя точные цифры не называются, в новостных статьях IBM говорится о «100-кратном» увеличении.
Технологии голографического хранения данных также пытаются обойти существующие системы, но они тоже проигрывают гонку и, по оценкам, также предлагают скорость 1 Тбит/дюйм 2 , при этом около 250 ГБ /дюйм 2 являются лучшим показателем на сегодняшний день для неквантовых систем хранения данных. голографические системы.
Другие экспериментальные технологии предлагают еще более высокие плотности. Было показано, что хранилище на основе молекулярного полимера способно хранить 10 Тбит/дюйм 2 . [10] На сегодняшний день экспериментально установлено, что самым плотным типом памяти является электронная квантовая голография . Накладывая изображения с разными длинами волн в одну и ту же голограмму, в 2009 году исследовательская группа из Стэнфорда достигла битовой плотности 35 бит/электрон (приблизительно 3 эксабайта /дюйм 2 ), используя электронные микроскопы и медный носитель. [11]
В 2012 году ДНК успешно использовалась в качестве экспериментального носителя данных, но для транскодирования потребовался синтезатор ДНК и микрочипы ДНК. По состоянию на 2012 год [обновлять]ДНК является рекордсменом по плотности хранения данных. [12] В марте 2017 года ученые из Колумбийского университета и Нью-Йоркского центра генома опубликовали метод, известный как «Фонтан ДНК», который позволяет идеально извлекать информацию из ДНК с плотностью 215 петабайт на грамм ДНК, что составляет 85% от теоретического предела. [13] [14]
За заметным исключением флэш-памяти NAND, увеличение плотности хранения носителя обычно улучшает скорость передачи, с которой может работать этот носитель. Это наиболее очевидно при рассмотрении различных дисковых носителей, где элементы хранения распределены по поверхности диска и должны физически вращаться под «головкой» для чтения или записи. Более высокая плотность означает, что при любом механическом движении под головкой перемещается больше данных.
Например, мы можем рассчитать эффективную скорость передачи данных для дискеты, определив, насколько быстро биты перемещаются под головкой. Стандартная 3½- дюймовая дискета вращается со скоростью 300 об/мин , а длина самой внутренней дорожки составляет около 66 мм (радиус 10,5 мм). Таким образом, при 300 об/мин линейная скорость среды под головкой составляет около 66 мм × 300 об/мин = 19800 мм/мин или 330 мм/с. На этой дорожке биты хранятся с плотностью 686 бит/мм, что означает, что голова видит 686 бит/мм × 330 мм/с = 226 380 бит/с (или 28,3 КБ /с).
Теперь рассмотрим усовершенствование конструкции, которое удваивает плотность битов за счет уменьшения длины выборки и сохранения того же расстояния между дорожками. Это удвоит скорость передачи, поскольку биты будут проходить под головкой в два раза быстрее. Ранние интерфейсы гибких дисков были разработаны для скорости передачи данных 250 кбит/с, но их производительность быстро уступила место с появлением в 1980-х годах дискет «высокой плотности» емкостью 1,44 МБ (1440 КБ). Подавляющее большинство ПК имели интерфейсы, предназначенные для накопителей высокой плотности, работающих со скоростью 500 кбит/с. Они также были полностью подавлены новыми устройствами, такими как LS-120 , которые были вынуждены использовать более высокоскоростные интерфейсы, такие как IDE .
Хотя влияние на производительность наиболее очевидно на вращающихся носителях, аналогичные эффекты проявляются даже для твердотельных носителей, таких как Flash RAM или DRAM . В этом случае производительность обычно определяется временем, которое требуется электрическим сигналам для прохождения через компьютерную шину к чипам, а затем через чипы к отдельным «ячейкам», используемым для хранения данных (каждая ячейка содержит один бит).
Одним из определяющих электрических свойств является сопротивление проводов внутри чипов. По мере уменьшения размера ячейки благодаря усовершенствованиям в производстве полупроводников , которые привели к появлению закона Мура , сопротивление уменьшается, и для работы ячеек требуется меньше энергии. Это, в свою очередь, означает, что для работы требуется меньше электрического тока и, следовательно, требуется меньше времени для отправки необходимого количества электрического заряда в систему. В частности, в DRAM на это время напрямую влияет количество заряда, которое необходимо сохранить в конденсаторе ячейки .
По мере совершенствования производства твердотельная память значительно улучшилась с точки зрения производительности. Современные чипы DRAM имели рабочую скорость порядка 10 нс или меньше. Менее очевидный эффект заключается в том, что по мере увеличения плотности количество модулей DIMM , необходимых для обеспечения определенного объема памяти, уменьшается, что, в свою очередь, означает меньшее количество модулей DIMM в целом на любом конкретном компьютере. Это также часто приводит к повышению производительности, поскольку уменьшается трафик автобусов. Однако этот эффект, как правило, не является линейным.
Плотность хранения также сильно влияет на цену памяти, хотя в данном случае причины не столь очевидны.
В случае дисковых носителей основную стоимость составляют движущиеся части внутри накопителя. Это устанавливает фиксированный нижний предел, поэтому средняя цена реализации обоих основных производителей жестких дисков с 2007 года составляет 45–75 долларов США. [15] Тем не менее, цена на накопители большой емкости быстро упала, и это действительно эффект плотности. В дисках самой высокой емкости используется больше пластин, по сути, отдельные жесткие диски внутри корпуса. По мере увеличения плотности количество пластин можно уменьшить, что приведет к снижению затрат.
Жесткие диски часто измеряются с точки зрения стоимости за бит. Например, первый коммерческий жесткий диск IBM RAMAC в 1957 году предлагал 3,75 МБ по цене 34 500 долларов США, или 9 200 долларов США за мегабайт. В 1989 году жесткий диск емкостью 40 МБ стоил 1200 долларов, или 30 долларов за МБ. А в 2018 году накопители емкостью 4 ТБ продавались по цене 75 долларов США, или 1,9 цента за ГБ, что на 1,5 миллиона больше, чем в 1989 году, и на 520 миллионов со времен RAMAC. Это без поправки на инфляцию, которая увеличила цены в девять раз с 1956 по 2018 год.
В твердотельных накопителях наблюдается аналогичное снижение стоимости за бит. В этом случае стоимость определяется доходностью — количеством жизнеспособных чипов, производимых в единицу времени. Чипы производятся партиями, напечатанными на поверхности одной большой кремниевой пластины, которую разрезают, а нерабочие образцы выбрасывают. Производство со временем позволило повысить производительность за счет использования пластин большего размера и производства пластин с меньшим количеством отказов. Нижний предел этого процесса составляет около 1 доллара США за готовый чип из-за затрат на упаковку и других затрат. [16]
Взаимосвязь между плотностью информации и стоимостью бита можно проиллюстрировать следующим образом: чип памяти, размер которого вдвое меньше физического, означает, что на одной и той же пластине можно произвести вдвое больше модулей, тем самым вдвое уменьшив цену каждого из них. Для сравнения: DRAM впервые была коммерчески представлена в 1971 году, ее часть емкостью 1 кбит стоила около 50 долларов в больших партиях, или около 5 центов за бит. В 1999 году были распространены части размером 64 Мбит, которые стоили около 0,00002 цента за бит (20 микроцентов за бит). [16]
Средние цены реализации жестких дисков в долларах США.