Кіріспе
Компьютерлік сақтау өлшемі. Тығыздық – берілген ұзындықтағы (сызықтық тығыздық) жолдың, бет ауданындағы (аумақтық тығыздық) немесе берілген көлемдегі (көлемдік тығыздық) компьютерлік сақтау құралында сақталуға болатын ақпарат биттерінің мөлшерін өлшейтін шама. Әдетте, тығыздық жоғары болғаны жақсы, себебі бұл бір физикалық кеңістікте көбірек дерек сақтауға мүмкіндік береді. Сондықтан тығыздық белгілі бір құралдың сақтау сыйымдылығымен тікелей байланысты. Тығыздық сондай-ақ, әдетте, белгілі бір құралдың өнімділігіне және бағасына да әсер етеді.
Density is a measure of the quantity of information bits that can be stored on a given length (linear density) of track, area of the surface (areal density), or in a given volume (volumetric density) of a computer storage medium. Generally, higher density is more desirable, for it allows more data to be stored in the same physical space. Density therefore has a direct relationship to storage capacity of a given medium. Density also generally affects the performance within a particular medium, as well as price.
Қатты күйдегі ақпарат құралдары
Қатты күйдегі дисктер деректерді ұшпайтын жадта сақтау үшін флэш-жадыны қолданады. Олар жаппай өндірілетін сақтау құрылғыларының ең соңғы түрі және магниттік дискілермен бәсекелеседі. Қатты күйдегі жадтағы деректер NAND флэш-жадына сақталады. NAND өз кезегінде, «жүзуші қақпалы транзисторлар» деп аталатын құрылғылардан тұрады. DRAM-да қолданылатын транзисторлық конструкциялардан өзгеше, NAND флэш-жадына қуат берілмеген кезде де зарядталған күйін сақтап қалу қабілеті берілген, ал DRAM секундына бірнеше рет жаңартылуы тиіс. Саудада қолжетімді ең жоғары сыйымдылыққа ие дисктер – Nimbus Data Exadrive© DC сериялы дисктер, олардың сыйымдылығы 16ТБ-тан 100ТБ-қа дейін жетеді. Nimbus компаниясы 100ТБ SSD дискісінің көлеміне қатысты, жақын орналасқан HDD дискісімен салыстырғанда 6:1 үнемдеу көрсеткішіне ие екенін мәлімдейді.
Магниттік дискілік медиа
Қатты дискілер деректерді дискідегі беткі қаптаманың кішкентай участаларының магниттік поляризациясында сақтайды. Максималды ауданына шағылысты тығыздық беттегі магниттік бөлшектердің мөлшерімен, сондай-ақ деректерді оқу және жазуға қолданылатын "бастың" мөлшерімен анықталады. 1956 жылы алғашқы IBM 350 қатты дискісінің тығыздығы 2000 бит/дюйм² болды. Одан бері тығыздықтың артуы Мур заңымен сәйкес келеді, 2014 жылы 1 Тбит/дюйм² деңгейіне жетті. 2015 жылы Seagate 1.34 Тбит/дюйм² тығыздығы бар қатты дискіні ұсынды, бұл IBM 350-ден 600 миллион есе артық. Қазіргі жазу технологиясы жақын арада кем дегенде 5 Тбит/дюйм² деңгейіне дейін "іске асырыла алады" деп күтілуде. Жылумен көмектесетін магниттік жазу (HAMR) және микротолқынмен көмектесетін магниттік жазу (MAMR) сияқты жаңа технологиялар әзірленуде және магниттік ауданына шағылысты тығыздықтың артуын жалғастыруға мүмкіндік береді деп күтілуде.
Оптикалық дисктер
Оптикалық дискілерде мәліметтер пластик беттегі ұсақ шұңқырларда сақталады, содан кейін бұл бет жұқа металл қабатымен жабылады. Компакт-дискілер (CD) 0,90 Гбит/ин2 шамасындағы тығыздыққа ие, олардағы шұңқырлардың ұзындығы 0,83 микрометр, ені 0,5 микрометр, ал арақашықтығы 1,6 микрометр болады. DVD дискілері негізінен жоғары тығыздықты CD болып табылады, олар дискі бетінің көбірек бөлігін, кішірек шұңқырларды (0,64 микрометр) және тарырақ іздерді (0,74 микрометр) пайдаланады, тығыздығы шамамен 2,2 Гбит/ин2 құрайды. Бір қабатты HD DVD және Blu-ray дискілері тиісінше 7,5 Гбит/ин2 және 12,5 Гбит/ин2 шамасындағы тығыздық ұсынады. 1982 жылы пайда болған кезде CD-лердің тығыздығы қатты дискілерге қарағанда әлдеқайда жоғары болды, бірақ қатты дискілер содан бері одан да жылдам дамып, аймақтық тығыздық және құрылғы сыйымдылығы тұрғысынан оптикалық құралдарды озып кетті.
Магниттік таспалық құрал
Бірінші магниттік таспа құрылғысы, Univac Uniservo, жарты дюймдік магниттік таспада 128 бит/дюйм тығыздығымен жазылған, нәтижесінде 256 бит/дюйм² ауданы тығыздығына қол жеткізілді. 2015 жылы IBM және Fujifilm магниттік таспаның 123 Гбит/дюйм² ауданы тығыздығы бойынша жаңа рекордты жариялады, ал 2015 жылы сатылымға шығарылған ең жоғары тығыздықты өндірістік таспа LTO 6, 0,84 Гбит/дюйм² ауданы тығыздығын қамтамасыз етеді.
Зерттеу
Бірқатар технологиялар қазіргі кездегі жад құрылғыларының тығыздығын арттыруға тырысуда. IBM компаниясы 2007 жылы 1 Тбит/in2 тығыздықпен Millipede жад жүйесін коммерцияландыруды көздеген, бірақ әзірлеме тоқтап қалғандай көрінеді. IBM-нің жаңа технологиясы – «жарыс жолы» жады, ол 3D форматта орналасқан көптеген кішкентай наноскоптық сымдарды пайдаланады, олардың әрқайсысы тығыздықты арттыру үшін көптеген биттерді сақтайды. Нақты сандар айтылмаса да, IBM жаңалықтары «100 есе» арту туралы мәлімдейді. Голографиялық сақтау технологиялары да қолданыстағы жүйелерден озып түсуге тырысады, бірақ олар да бәсекеде жеңіліп, 1 Тбит/in2 тығыздық ұсына алады деп есептеледі, ал кванттық емес голографиялық жүйелер үшін бүгінгі күнге дейін көрсетілген ең жақсы нәтиже – 250 ГБ/in2. Басқа да тәжірибелік технологиялар одан да жоғары тығыздықтарды ұсынады. Молекулалық полимерлік жад 10 Тбит/in2 сақтай алатыны дәлелденді. Қазіргі кездегі тәжірибелік жад құрылғыларының ең жоғары тығыздығы – электрондық кванттық голография. 2009 жылы Стэнфордтағы зерттеу тобы электрондық микроскоптар мен мыс ортасын пайдаланып, әртүрлі толқын ұзындығындағы кескіндерді бір голограммаға біріктіру арқылы 35 бит/электрон (шамамен 3 эксабайт/in2) бит тығыздығына қол жеткізді. 2012 жылы ДНК деректерді сақтау үшін тәжірибелік орта ретінде сәтті қолданылды, бірақ ақпаратты түрлендіру үшін ДНК синтезаторы мен ДНК микрочиптері қажет болды. 2012 жылға қарай ДНК ең жоғары тығыздықты сақтау құралы ретінде рекордты иеленді. 2017 жылдың наурыз айында Колумбия университеті мен Нью-Йорк геномдық орталығының ғалымдары «ДНК фонтаны» деп аталатын әдісті жариялады, ол ДНК-ның бір граммынан 215 петабайт ақпаратты толыққанды алуға мүмкіндік береді, бұл теориялық лимиттің 85% құрайды.
Орындауға әсері
NAND Flash жадынан басқа, ортаның сақтау тығыздығын арттыру, әдетте, сол ортаның жұмыс істейтін деректерді беру жылдамдығын жақсартады. Бұл әртүрлі дискілік құрылғыларды қарастырғанда ең анық байқалады, онда сақтау элементтері дискінің бетіне таратылады және оқу немесе жазу үшін «бас» астынан физикалық түрде айналуы керек. Жоғары тығыздық дегеніміз, кез келген механикалық қозғалыс кезінде бас астынан көбірек деректер өтеді. Мысалы, дискетаның тиімді деректерді беру жылдамдығын, бас астынан биттердің қаншалықты жылдам өтетінін анықтау арқылы есептеуге болады. Стандартты 3½ дюймдік дискета 300 айналым/мин жылдамдықпен айналады, ал ең ішкі жолдың ұзындығы шамамен 66 мм (10,5 мм радиус). 300 айналым/мин жылдамдықта, бас астындағы ортаның сызықтық жылдамдығы шамамен 66 мм × 300 айналым/мин = 19800 мм/мин, немесе 330 мм/с құрайды. Бұл жол бойында биттер 686 бит/мм тығыздықпен сақталады, яғни бас 686 бит/мм × 330 мм/с = 226 380 бит/с (немесе 28,3 КБ/с) көреді. Енді, үлгіні қысқарту және жол аралығын сақтап, биттердің тығыздығын екі есе арттыратын дизайнды жақсартуды қарастырайық. Бұл деректерді беру жылдамдығын екі есе арттырады, өйткені биттер бас астынан екі есе жылдам өтеді. Ерте дискета интерфейстері 250 кбит/с деректерді беру жылдамдығы үшін жобаланған, бірақ 1980 жылдары «жоғары тығыздықты» 1,44 МБ (1440 КБ) дискеталар енгізілгеннен кейін олар тез ескірді. Көптеген дерлік компьютерлер 500 кбит/с жылдамдықпен жұмыс істейтін жоғары тығыздықты дискілерге арналған интерфейстерді қамтыды. Бұлар да LS 120 сияқты жаңа құрылғылармен толығымен оқсыды, олар IDE сияқты жоғары жылдамдықты интерфейстерді пайдалануға мәжбүр болды. Орындалуға әсері айналмалы құрылғыларда ең анық байқалатын болса да, ұқсас әсерлер тіпті Flash RAM немесе DRAM сияқты қатты күйдегі құрылғылар үшін де тән. Бұл жағдайда өнімділік электр сигналдарының компьютерлік шина арқылы чиптерге, содан кейін чиптер арқылы деректерді сақтауға арналған жеке «жасушаларға» (әрбір жасуша бір бит сақтайды) өтуіне кеткен уақытпен анықталады. Бір маңызды электрлік қасиет – чиптер ішіндегі сымдардың кедергісі. Жасушаның мөлшері кішірейгенде, Мур заңына әкелген жартылай өткізгіш өндірісінің жақсаруы нәтижесінде кедергі азаяды және жасушаларды жұмыс істету үшін аз қуат қажет болады. Бұл өз кезегінде жұмыс істеу үшін аз электр тогы қажет екенін білдіреді, демек, жүйеге қажетті электр зарядын жіберу үшін аз уақыт қажет. Әсіресе DRAM-да, жасушаның конденсаторында сақталуы керек зарядтың мөлшері де бұл уақытқа тікелей әсер етеді. Өндіріс жақсарған сайын, қатты күйдегі жадтың өнімділігі айтарлықтай жақсарды. Қазіргі заманғы DRAM чиптерінің жұмыс жылдамдығы 10 нс немесе одан аз шамада. Кем көрінетін әсер – тығыздық жақсарғанда, кез келген белгілі бір жад көлемін қамтамасыз ету үшін қажетті DIMM саны азаяды, бұл өз кезегінде кез келген компьютердегі DIMM-дердің жалпы санының азаюына әкеледі. Бұл көбінесе автобустардағы трафик азайғандықтан өнімділікті жақсартады. Алайда, бұл әсер әдетте сызықтық емес.
Бағаға әсері
Жад тығыздығы да жад бағасына күшті әсер етеді, бірақ бұл жағдайда себептері соншалықты айқын емес. Дискілік құралдар үшін негізгі шығын – дискінің ішіндегі қозғалмалы бөліктер. Бұл төменгі шекті белгілейді, сондықтан екі ірі HDD өндірушісінің орташа сату бағасы 2007 жылдан бері 45–75 АҚШ долларын құрады. Дегенмен, жоғары сыйымдылықты дискілердің бағасы тез төмендеді, және бұл, әрине, тығыздық әсері. Ең үлкен сыйымдылықтағы дискілерде көбірек пластиналар қолданылады, по сути, корпус ішіндегі жеке-жеке қатты дискілер. Тығыздық артқан сайын пластиналардың саны азаяды, бұл шығындарды төмендетуге әкеледі. Қатты дискілер көбінесе бит бағасы бойынша өлшенеді. Мысалы, алғашқы коммерциялық қатты диск, IBM-нің RAMAC-і 1957 жылы 3,75 МБ-ты 34 500 долларға, немесе мегабайт үшін 9 200 долларға ұсынды. 1989 жылы 40 МБ қатты диск 1200 долларға, немесе 30 доллар/МБ-қа бағаланды. 2018 жылы 4 ТБ дискілер 75 долларға, немесе 1,9 цент/ГБ сатылды, бұл 1989 жылдан бері 1,5 миллион есе, ал RAMAC-тан бері 520 миллион есе жақсаруды білдіреді. Бұл инфляцияны ескермей жасалған, ол 1956 жылдан 2018 жылға дейін бағаларды тоғыз есеге арттырды. + Қатты диск құны GB-қа уақыт өте келе сыйымдылығы$/GB19573.75 МБ$34,500$9.2 млн/GB198940 МБ$1,200$30,000/GB19951 ГБ$850$850/GB2004250 ГБ$250$1/GB20112 ТБ$70$0.035/GB20184 ТБ$75$0.019/GB20238 ТБ$175$0.022/GB Қатты күйдегі жадтың да бит бағасы төмендеді. Бұл жағдайда шығын өнімділікпен анықталады, яғни белгілі бір уақыт ішінде өндірілген жарамды чиптердің санымен. Чиптер бір үлкен кремний пластинасының бетіне басылған партиялар бойынша өндіріледі, ол кесіледі және жұмыс істемейтін үлгілер жойылады. Өндіріс үлкен пластиналарды қолдану арқылы және ақаулары аз пластиналарды өндіру арқылы өнімділікті арттырды. Бұл процестің төменгі шегі – 1 доллар, себебі чиптің өзінен басқа, қаптама және басқа да шығындар бар. Ақпарат тығыздығы мен бит бағасы арасындағы байланысты мыналай көрсетуге болады: физикалық көлемі екі есе кішкентай жад чипі бір пластинада екі есе көп өндірілуі мүмкін, демек әрқайсысының бағасы екі есеге төмендейді. Салыстыру үшін, DRAM алғаш рет 1971 жылы коммерциялық түрде енгізілді, 1 кбит чипі үлкен партияларда шамамен 50 долларға, немесе бит үшін 5 центке тұрды. 1999 жылы 64 Мбит чиптері кең таралды, олардың құны бит үшін 0,00002 цент (20 микроцент/бит) болды.
Solid state storage has seen a similar drop in cost per bit. In this case the cost is determined by the yield, the number of viable chips produced in a unit time. Chips are produced in batches printed on the surface of a single large silicon wafer, which is cut up and non working samples are discarded. Fabrication has improved yields over time by using larger wafers, and producing wafers with fewer failures. The lower limit on this process is about $1 per completed chip due to packaging and other costs. The relationship between information density and cost per bit can be illustrated as follows: a memory chip that is half the physical size means that twice as many units can be produced on the same wafer, thus halving the price of each one. As a comparison, DRAM was first introduced commercially in 1971, a 1 kbit part that cost about $50 in large batches, or about 5 cents per bit. 64 Mbit parts were common in 1999, which cost about 0.00002 cents per bit (20 microcents/bit).