Введение
Плотность — это мера количества битов информации, которые можно сохранить на заданной длине (линейная плотность) дорожки, площади поверхности (поверхностная плотность) или в заданном объеме (объемная плотность) компьютерного носителя информации. Как правило, более высокая плотность предпочтительнее, 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 и стоимость конкретного носителя.
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.
Твердоэлектрические носители
Твердотельные накопители используют флэш-память для хранения энергонезависимых носителей. Они представляют собой новейшую форму серийно выпускаемых накопителей и конкурируют с магнитными дисками. Данные в твердотельных накопителях сохраняются в пуле NAND-флеш-памяти. NAND-флеш-память состоит из так называемых транзисторов с плавающим затвором. В отличие от конструкций транзисторов, используемых в DRAM, которые необходимо обновлять несколько раз в секунду, NAND-флеш-память разработана для сохранения своего заряда даже при отключении питания. Самые большие по объему накопители, доступные в продаже, – это накопители серии Nimbus Data Exadrive© DC, емкостью от 16 до 100 ТБ. Nimbus заявляет, что для своего размера 100-терабайтный SSD обеспечивает 6-кратную экономию места по сравнению с ближним жестким диском.
Магнитные дисковые носители
Жёсткие диски хранят данные в магнитной поляризации небольших областей поверхностного покрытия на диске. Максимальная плотность определяется размером магнитных частиц на поверхности, а также размером "головок", используемых для чтения и записи данных. В 1956 году первый жесткий диск, IBM 350, имел плотность записи 2000 бит/кв. дюйм. С тех пор увеличение плотности соответствовало закону Мура, достигнув 1 Тбит/кв. дюйм в 2014 году. В 2015 году Seagate представила жесткий диск с плотностью 1,34 Тбит/кв. дюйм, что более чем в 600 миллионов раз превышает плотность IBM 350. Ожидается, что существующие технологии записи смогут "практически" масштабироваться как минимум до 5 Тбит/кв. дюйм в ближайшем будущем. Новые технологии, такие как запись с помощью теплового воздействия (HAMR) и запись с помощью микроволнового воздействия (MAMR), находятся в разработке и, как ожидается, позволят продолжать увеличивать плотность магнитной записи.
Оптические дисковые носители
На оптических дисках данные хранятся в небольших углублениях на пластиковой поверхности, которая затем покрывается тонким слоем отражающего металла. Компакт-диски (CD) обеспечивают плотность около 0,90 Гбит/инч², используя углубления длиной 0,83 микрометра и шириной 0,5 микрометра, расположенные в дорожках на расстоянии 1,6 микрометра друг от друга. DVD-диски по сути представляют собой CD с более высокой плотностью, использующие большую площадь поверхности диска, меньшие углубления (0,64 микрометра) и более узкие дорожки (0,74 микрометра), обеспечивающие плотность около 2,2 Гбит/инч². Однослойные HD DVD и Blu-ray диски обеспечивают плотность около 7,5 Гбит/инч² и 12,5 Гбит/инч² соответственно. Когда в 1982 году появились компакт-диски, их плотность значительно превосходила плотность жестких дисков, но с тех пор жесткие диски развивались гораздо быстрее и превзошли оптические носители как по плотности записи, так и по емкости на устройство.
Магнитные ленточные носители
Первый накопитель на магнитной ленте, Univac Uniservo, записывал данные с плотностью 128 бит/дюйм на полудюймовой магнитной ленте, что обеспечивало плотность записи 256 бит/дюйм². В 2015 году компании IBM и Fujifilm заявили о новом рекорде плотности записи на магнитной ленте – 123 Гбит/дюйм², в то время как LTO 6, лента с наибольшей плотностью записи, поступившая в продажу в 2015 году, обеспечивает плотность записи 0,84 Гбит/дюйм².
Исследования
Ряд технологий стремится превзойти плотность существующих носителей информации. В 2007 году IBM планировала коммерциализировать свою систему памяти Millipede с плотностью 1 Тбит/ин², но разработка, по всей видимости, зашла в тупик. Более новая технология IBM, память на основе гоночного трека, использует массив множества небольших наноскопических проводов, расположенных в 3D, каждый из которых хранит множество битов для повышения плотности. Хотя точные цифры не приводятся, в новостях IBM упоминается о "100-кратном" увеличении. Технологии голографической памяти также пытаются обойти существующие системы, но и они проигрывают в этой гонке, и, по оценкам, могут предложить плотность 1 Тбит/ин², при этом около 250 ГБ/ин² является лучшим показателем, достигнутым на сегодняшний день для неквантовых голографических систем. Другие экспериментальные технологии предлагают еще более высокую плотность. Показано, что молекулярный полимерный накопитель способен хранить 10 Тбит/ин². Самым плотным типом памяти, экспериментально реализованным на сегодняшний день, является электронная квантовая голография. Путем наложения изображений различной длины волны в одну и ту же голограмму, исследовательская группа Стэнфордского университета в 2009 году достигла плотности 35 бит/электрон (примерно 3 эксабайта/ин²) с использованием электронных микроскопов и медного носителя. В 2012 году ДНК была успешно использована в качестве экспериментальной среды для хранения данных, однако для транскодирования потребовались синтезатор ДНК и ДНК-микрочипы. По состоянию на 2012 год ДНК удерживает рекорд по плотности хранения информации. В марте 2017 года ученые из Колумбийского университета и Нью-Йоркского центра генома опубликовали метод, известный как "Фонтан ДНК", который обеспечивает точное извлечение информации при плотности 215 петабайт на грамм ДНК, что составляет 85% от теоретического предела.
Влияние на производительность
За исключением памяти NAND Flash, увеличение плотности хранения на носителе обычно повышает скорость передачи данных, с которой этот носитель может работать. Это наиболее заметно на примере различных дисковых носителей, где элементы хранения распределены по поверхности диска и должны физически вращаться под считывающей/записывающей головкой для чтения или записи. Более высокая плотность означает, что больше данных проходит под головкой при любом механическом движении. Например, мы можем рассчитать эффективную скорость передачи для флоппи-диска, определив, с какой скоростью биты перемещаются под головкой. Стандартный 3½-дюймовый флоппи-диск вращается со скоростью 300 об/мин, а длина внутренней дорожки составляет около 66 мм (радиус 10,5 мм). При 300 об/мин линейная скорость носителя под головкой составляет примерно 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 головка считывает 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 ячейки и сохранения того же расстояния между дорожками. Это удвоит скорость передачи, поскольку биты будут проходить под головкой в два раза быстрее. Ранние интерфейсы флоппи-дисков были рассчитаны на скорость передачи 250 кбит/с, но быстро устарели с появлением флоппи-дисков "высокой плотности" объемом 1,44 МБ (1440 КБ) в 1980-х годах. Подавляющее большинство ПК включали интерфейсы, предназначенные для дисков высокой плотности, работающих со скоростью 500 кбит/с. Эти интерфейсы также были быстро перегружены более новыми устройствами, такими как LS 120, которым пришлось использовать более быстрые интерфейсы, такие как IDE. Хотя влияние на производительность наиболее очевидно на вращающихся носителях, аналогичные эффекты проявляются даже в твердотельных носителях, таких как Flash RAM или DRAM. В этом случае производительность обычно определяется временем, необходимым для прохождения электрических сигналов по компьютерной шине 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 усовершенствованию технологии производства полупроводников, приведшему к закону Мура, сопротивление снижается и для работы ячеек требуется меньше энергии. Это, в свою очередь, означает, что для работы требуется меньший электрический ток и, следовательно, меньше времени для передачи необходимого количества электрического заряда в систему. В DRAM, в частности, количество заряда, которое необходимо хранить в конденсаторе ячейки, также напрямую влияет на это время. По мере совершенствования производства твердотельная память значительно улучшилась с точки зрения производительности. Современные чипы DRAM имеют 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 DIMM в конкретном компьютере. Это часто также приводит к повышению производительности, поскольку уменьшается нагрузка на шину. Однако этот эффект обычно не является линейным.
Влияние на цены
Плотность хранения также оказывает сильное влияние на цену памяти, хотя в этом случае причины не так очевидны. В случае дисковых носителей основная стоимость приходится на движущиеся части внутри накопителя. Это устанавливает фиксированный нижний предел, поэтому средняя цена продажи для обоих крупных производителей жестких дисков составляет 45–75 долларов США с 2007 года. Тем не менее, цена накопителей большой емкости быстро снизилась, и это действительно является следствием увеличения плотности. На дисках с наибольшей емкостью используется больше пластин, по сути, отдельные жесткие диски внутри корпуса. По мере увеличения плотности количество пластин можно уменьшить, что приводит к снижению затрат. Жесткие диски часто оцениваются по стоимости за бит. Например, первый коммерческий жесткий диск, IBM RAMAC в 1957 году, предлагал 3,75 МБ за 34 500 долларов, или 9 200 долларов за мегабайт. В 1989 году жесткий диск емкостью 40 МБ стоил 1200 долларов, или 30 долларов за МБ. А в 2018 году диски емкостью 4 ТБ продавались за 75 долларов, или 1,9 цента за ГБ, что на 1,5 миллиона больше, чем в 1989 году, и на 520 миллионов больше, чем у RAMAC. Это без учета инфляции, которая увеличила цены в девять раз с 1956 по 2018 год. +Стоимость жесткого диска за ГБ с течением времени дата-емкостьстоимость $/ГБ19573,75 МБ$34 500$9,2 млн/ГБ198940 МБ$1 200$30 000/ГБ19951 ГБ$850$850/ГБ2004250 ГБ$250$1/ГБ20112 ТБ$70$0,035/ГБ20184 ТБ$75$0,019/ГБ20238 ТБ$175$0,022/ГБ
Твердотельные накопители демонстрируют аналогичное снижение стоимости за бит. В этом случае стоимость определяется выходом годных, то есть количеством работоспособных чипов, произведенных за единицу времени. Чипы производятся партиями, которые наносятся на поверхность большой кремниевой пластины, которая затем разрезается, а нерабочие образцы отбраковываются. Технологический процесс производства повысил выход годных за счет использования более крупных пластин и снижения количества дефектов. Нижний предел этого процесса составляет около 1 доллара за один готовый чип из-за стоимости упаковки и других расходов. Взаимосвязь между плотностью информации и стоимостью за бит можно проиллюстрировать следующим образом: чип памяти, физический размер которого вдвое меньше, означает, что на одной и той же пластине можно произвести вдвое больше чипов, что, следовательно, снижает цену каждого из них вдвое. Для сравнения, DRAM впервые была коммерчески представлена в 1971 году, чип емкостью 1 кбит стоил около 50 долларов при больших объемах заказа, или около 5 центов за бит. В 1999 году чипы емкостью 64 Мбит были широко распространены и стоили около 0,00002 цента за бит (20 микроцентов/бит).
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).