Плотность — это мера количества информационных битов , которые могут быть сохранены на заданном физическом пространстве компьютерного носителя информации . Существует три типа плотности: длина ( линейная плотность ) дорожки , площадь поверхности ( плотность площади ) или в заданном объеме ( объемная плотность ).
Как правило, более высокая плотность более желательна, поскольку она позволяет хранить больше данных в том же физическом пространстве. Таким образом, плотность напрямую связана с емкостью хранения данного носителя. Плотность также обычно влияет на производительность в пределах конкретного носителя, а также на цену.
Твердотельные накопители используют флэш-память для хранения энергонезависимых носителей . Они являются новейшей формой массового производства хранилищ и конкурируют с магнитными дисками . Данные твердотельных носителей 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 должны обновляться несколько раз в секунду, флэш-память NAND разработана так, чтобы сохранять свое состояние заряда даже при отсутствии питания. Накопители с самой высокой емкостью, доступные на рынке, — это накопители серии Nimbus Data Exadrive© DC, эти накопители имеют емкость от 16 ТБ до 100 ТБ . Nimbus утверждает, что для своего размера SSD емкостью 100 ТБ имеет коэффициент экономии пространства 6:1 по сравнению с почти линейной жесткой диской [1]
Жесткие диски хранят данные в магнитной поляризации небольших участков поверхностного покрытия на диске. 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 / дюйм2 . С тех пор рост плотности соответствовал закону Мура , достигнув 1 Тбит/ дюйм2 в 2014 году. [2] В 2015 году Seagate представила жесткий диск с плотностью 1,34 Тбит/дюйм2 , [ 3] более чем в 600 миллионов раз больше, чем у IBM 350. Ожидается, что текущая технология записи может «реально» масштабироваться как минимум до 5 Тбит / дюйм2 в ближайшем будущем . [3] [4] Новые технологии, такие как магнитная запись с использованием нагрева (HAMR) и магнитная запись с использованием микроволн (MAMR), находятся в стадии разработки и, как ожидается, позволят продолжить увеличение плотности магнитной поверхности. [5]
Оптические диски хранят данные в небольших углублениях на пластиковой поверхности, которая затем покрыта тонким слоем отражающего металла. Компакт-диски (CD) обеспечивают плотность около 0,90 Гбит/дюйм 2 , используя углубления длиной 0,83 микрометра и шириной 0,5 микрометра, расположенные на дорожках, расположенных на расстоянии 1,6 микрометра друг от друга. DVD- диски по сути являются компакт-дисками с более высокой плотностью, используя большую часть поверхности диска, меньшие углубления (0,64 микрометра) и более плотные дорожки (0,74 микрометра), обеспечивая плотность около 2,2 Гбит/дюйм 2 . Однослойные HD DVD и Blu-ray диски обеспечивают плотность около 7,5 Гбит/дюйм 2 и 12,5 Гбит/дюйм 2 соответственно.
На момент появления в 1982 году компакт-диски имели значительно более высокую плотность записи, чем жесткие диски , однако с тех пор жесткие диски развивались гораздо быстрее и превзошли 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, что дало плотность записи 256 бит/дюйм² . [ 6] В 2015 году IBM и Fujifilm заявили о новом рекорде плотности записи на магнитной ленте в 123 Гбит/дюйм² , [ 7] в то время как LTO-6 , самая высокая плотность производства лент, поставляемых в 2015 году, обеспечивает плотность записи 0,84 Гбит/дюйм² . [ 8]
Ряд технологий пытаются превзойти плотность существующих носителей.
IBM намеревалась коммерциализировать свою систему памяти Millipede на уровне 1 Тбит/дюйм 2 в 2007 году, но разработка, похоже, заглохла. Более новая технология IBM, racetrack memory , использует массив из множества маленьких наноскопических проводов, расположенных в 3D, каждый из которых содержит множество битов для повышения плотности. [9] Хотя точные цифры не были названы, в новостных статьях IBM говорится об увеличении в «100 раз».
Технологии голографического хранения также пытаются обойти существующие системы, но они также проигрывают гонку и, по оценкам, также могут предложить 1 Тбит/дюйм 2 , а наилучший показатель для неквантовых голографических систем на сегодняшний день составляет около 250 ГБ /дюйм 2 .
Другие экспериментальные технологии предлагают даже более высокую плотность. Молекулярное полимерное хранилище, как было показано, хранит 10 Тбит/дюйм 2 . [10] На сегодняшний день самым плотным типом хранения памяти экспериментально является электронная квантовая голография . Накладывая изображения с разными длинами волн на одну и ту же голограмму, в 2009 году исследовательская группа Стэнфорда достигла плотности бит 35 бит/электрон (приблизительно 3 эксабайта /дюйм 2 ) с помощью электронных микроскопов и медной среды. [11]
В 2012 году ДНК успешно использовалась в качестве экспериментального носителя данных, но для транскодирования требовались синтезатор ДНК и микрочипы ДНК. По состоянию на 2012 год [обновлять]ДНК удерживает рекорд по самой высокой плотности носителя данных. [12] В марте 2017 года ученые из Колумбийского университета и Нью-Йоркского геномного центра опубликовали метод, известный как DNA Fountain, который позволяет идеально извлекать информацию из плотности 215 петабайт на грамм ДНК, что составляет 85% от теоретического предела. [13] [14]
За исключением флэш-памяти NAND, увеличение плотности хранения носителя обычно повышает 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 больше данных перемещается под головкой для любого заданного механического движения.
Например, мы можем рассчитать эффективную скорость передачи для дискеты, определив, насколько быстро биты движутся под головкой. Стандартная 3½- дюймовая дискета вращается со скоростью 300 об/мин , а самая внутренняя дорожка имеет длину около 66 мм (радиус 10,5 мм). При 300 об/мин линейная скорость носителя под головкой составляет, таким образом, около 66 мм × 300 об/мин = 19800 мм/мин или 330 мм/с. Вдоль этой дорожки биты хранятся с плотностью 686 бит/мм, что означает, что головка 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 250 кбит/с, но были быстро превзойдены с появлением «высокой плотности» 1,44 МБ (1440 КБ) дискет в 1980-х годах. Подавляющее большинство ПК включали интерфейсы, разработанные для приводов высокой плотности, которые работали со скоростью 500 кбит/с. Они также были полностью подавлены более новыми устройствами, такими как LS-120 , которые были вынуждены использовать более скоростные 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 закону Мура , сопротивление уменьшается и для работы ячеек требуется меньше энергии. Это, в свою очередь, означает, что для работы требуется меньше электрического тока , и, таким образом, требуется меньше времени для отправки необходимого количества электрического заряда в систему. В частности, в DRAM количество заряда, которое необходимо сохранить в конденсаторе ячейки, также напрямую влияет на это время.
По мере совершенствования производства твердотельная память значительно улучшилась с точки зрения производительности. Современные чипы DRAM имели рабочие скорости порядка 10 нс или меньше. Менее очевидный эффект заключается в том, что по мере повышения плотности уменьшается количество модулей DIMM, необходимых для обеспечения любого конкретного объема памяти, что, в свою очередь, означает меньшее количество модулей DIMM в целом в любом конкретном компьютере. Это часто приводит также к повышению производительности, поскольку уменьшается трафик шины. 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 основная стоимость приходится на движущиеся части внутри привода. Это устанавливает фиксированный нижний предел, поэтому средняя цена продажи для обоих основных производителей HDD составляет 45–75 долларов США с 2007 года. [15] При этом цена на диски большой емкости быстро упала, и это действительно является результатом плотности. Диски большой емкости используют больше пластин, по сути, отдельные жесткие диски в корпусе. По мере увеличения плотности количество пластин может быть уменьшено, что приводит к снижению затрат.
Жесткие диски часто измеряются с точки зрения стоимости за бит. Например, первый коммерческий жесткий диск, IBM RAMAC в 1957 году, поставлял 3,75 МБ за 34 500 долларов США или 9 200 долларов США за мегабайт. В 1989 году жесткий диск на 40 МБ стоил 1200 долларов США или 30 долларов США за МБ. А в 2018 году диски на 4 ТБ продавались за 75 долларов США или 1,9 цента за ГБ, что на 1,5 миллиона больше, чем в 1989 году, и на 520 миллионов больше, чем в RAMAC. Это без учета инфляции, которая увеличила цены в девять раз с 1956 по 2018 год.
Твердотельное хранилище показало похожее снижение стоимости за бит. В этом случае стоимость определяется выходом , количеством жизнеспособных чипов, произведенных за единицу времени. Чипы производятся партиями, напечатанными на поверхности одной большой кремниевой пластины, которая разрезается, а неработающие образцы отбрасываются. Изготовление улучшило выход с течением времени за счет использования более крупных пластин и производства пластин с меньшим количеством отказов. Нижний предел этого процесса составляет около 1 доллара за готовый чип из-за упаковки и других расходов. [16]
Связь между плотностью информации и стоимостью за бит можно проиллюстрировать следующим образом: чип памяти, который вдвое меньше по физическому размеру, означает, что на той же пластине можно произвести вдвое больше единиц, что вдвое снижает цену каждой из них. Для сравнения, DRAM впервые была представлена коммерчески в 1971 году, часть на 1 кбит стоила около 50 долларов в больших партиях, или около 5 центов за бит. Части на 64 Мбит были распространены в 1999 году, они стоили около 0,00002 цента за бит (20 микроцентов/бит). [16]
Средние цены продажи жестких дисков в долларах США