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全球互联网很快「内存不足」,数据储存的未来在哪里?

2019-12-22

现在智能手机的内存越来越大,可全球的数据贮存很快就会亮出「内存不足」的预警。

依据 软件公司 Domo 的陈述 ,2018 年人们均匀每分钟在 Google 进行 383 万次查找,在 YouTube 观看 433 万段视频,发送 159362760 封电子邮件、473000 条 Twitter 和 49000 张 Instagram 上的相片。

而在我国,每天在微信宣告的信息就超越450 亿条。Domo 估计到 2020 年全球人均每秒将发生 1.7 MB 的数据,以全球人口 78 亿核算,那么一年就会发生 418 ZB 的数据,大约需求 4180 亿个 1TB 硬盘才干装下。

这还没考虑到人口的增加趋势,联合国估计国际人口在 2050 年就能 打破 97 亿 。这意味着现有的数据贮存体系撑不到下个世纪了。

▲ i 图片来自: 联合国

数据的爆破式增加,迫使人类寻觅更好的数据贮存技能。有人尝试用 1 公斤 DNA 贮存全球数据,微软则研宣告能够声称能够运用上千年的「玻璃光盘」,但是技能最先进的科技公司还在运用磁带贮存数据。

人类文明狂奔 5000 多年,但现在可用的贮存介质最长的寿数最多才 约 60 年 ,数据贮存的未来到底在哪里?

在许多人印象中,磁带好像是上个世纪的古玩了。不少 80 后 90 后当年仍是以买磁带来支撑自己的偶像,任贤齐 1996 年发行的专辑《心太软》录音带销量就打破了千万。

但是跟着 CD、MP3、智能手机相继在音乐市场上各领风骚,磁带也成了一代人的回想,在生活中难觅踪迹。可磁带并没有死,反而在大数据年代成了最具竞争力的贮存介质。

现在包括 Google 、亚马逊和微软等科技巨子其实也还在运用磁带来备份海量数据。为什么放着机械硬盘和固态硬盘不必,反而去用磁带贮存数据呢?

最重要的原因仍是廉价,这些科技公司的用户数以亿计,需求贮存的数据量十分巨大。尽管云核算是未来趋势,但关于供给互联网服务的公司来说,仍然需求将数据贮存到本地,这将是一笔不菲的本钱。

尽管与硬盘和半导体贮存器比较,磁带的读取速度要慢得多。但本钱却也低得多,1 TB 容量的移动硬盘价格约为 50 美元,相同容量的磁带的价格仅需 5 美元。

▲1951 年磁带初次用于核算机数据存储

并且磁带比硬盘要经用,一般 硬盘的寿数 不超越 10 年,每隔几年就要仿制到新硬盘中,海量的数据的仿制不止耗时,并且还简单丢掉数据,而磁带则能够保存数十年。

此外在运用过程中磁带只需求插在机械磁带库的插槽中,不需求耗电,也节省了不少电力本钱,要知道 2025 年全球数据中心的电费将会超越百亿美元。

关于许多公司来说,数据贮存的安全性往往是重要的。由于磁带不装置驱动就无法访问,这种离线状况隔绝了黑客和网络进犯,不简单丢掉和被篡改。

2011 年,Google 邮箱 Gmail 由于一次更新中的 Bug 意外删除了 40000 多个账户的邮件 ,尽管 Google 一向有在多个数据中心用硬盘贮存数据副本,但仍有部分数据无法康复。所幸这些数据一起也有备份到磁盘里, 才得以康复一切数据。

▲ 图片来自: Business Insider

因而除了科技公司,不少关于数据安全性有较高要求的企业和组织其实也还在用磁盘贮存数据。比方银行、保险公司、国家档案馆,以及科研组织,其中就包括美国国家航空航天局。

但磁带并不是由于安全和本钱而献身功率的数据贮存载体,磁带技能的开展现已超出许多人的幻想。

索尼在 2014 年运用自主开发的溅射薄层堆积技能,将 7.7nm 的极细磁颗粒铺设在磁带上,完结了高密度磁存储,贮存容量能够到达 185TB。

▲IBM 容量 330TB 的磁带

IBM 在瑞士苏黎世有一个专门的 研讨团队 来担任推进磁带技能,据团队科学家 Mark A. Lantz 介绍,IBM 在 2017 处理了每平方英寸贮存 201 千兆字节的难题,并经过引入索尼的溅射薄层堆积技能,将单盒磁带的容量前进至 330 TB。

编者注:1 平方英寸=0.00064516 平方米

更重要的是,磁带的贮存容量现已以每年 33% 的速度增加了多年,并且并没有放缓的痕迹。 信息存储行业协会 猜测 2025 年磁带贮存密度能到达每平方英寸 91 GB,到 2028 年将打破每平方英寸 200 GB。

▲ 图片来自:Quartz

而硬盘的磁录密度增加速度却现已降到了 10-15%,由于当硬盘的贮存密度到达必定极限后,要再缩小磁性颗粒巨细,就难以坚持磁性安稳,这便是所谓的 超顺磁极限 。

依据  IDC 的数据 ,互联网上的大数据正以每年 30%-40% 的速度增加,而现在硬盘容量增加的速度不到大数据增加速度的一半,磁带却或许成为遵从摩尔定律的最终一种信息技能。

正如上文所述,企业级的数据贮存设备至少要统筹下面这些要素:本钱、安全、经用和贮存密度。那么除了磁带,咱们真的没有其他挑选吗?

只能说,现阶段磁带是性价比最高的大数据贮存介质之一,但许多厂商也一向在研讨新的贮存技能。比方硬盘厂商希捷和西数开宣告的 热辅佐磁记载技能 和 微波辅佐磁记载技能 ,就有望让硬盘打破超顺磁极限。

▲ 图片来自: Fstoppers

这两种技能别离经过激光和微波来下降介质的矫顽力,在超高密度的数据存储中时确保满足的安稳性。但这两种技能都还未彻底老练,需求更多时刻才干彻底商用。

别的一种或许像磁带相同被疏忽的便是光贮存技能,CD 和 DVD 都是光贮存介质的一种。但曩昔的 CD 简单老化,一起由于衍射极限的约束,贮存密度也十分有限。

▲图片来自: Taskar Baban Sadik

但蓝光光盘改变了这一切,据华录光存储研讨院营销中心副总经理胡冰 介绍 ,蓝光光盘相同具有牢靠安稳和运用寿数长的特色,运用寿数能到达约 50 年,单张蓝光光盘的容量已达 500 GB,未来有望打破 TB 级。

▲图片来自:ssdfans

一起蓝光贮存对温度等环境温度要求较低,不需求空调冷却体系,这大大下降了本钱。 Facebook 的数据中心就采用了蓝光贮存 ,与硬盘比较节省了超越一半的本钱,耗电量则下降了 80% 以上。

微软最近曝光的 Project Silica 项目其实也根据光贮存技能,是经过飞秒激光技能在一块玻璃上构成一个纳米标准光栅层结构,并发生不同深度和视点的变形,有点像刻录光盘,不过密度更高也更杂乱,一块 2 毫米厚的玻璃能够包括 100 多个数据层。

现在微软现已和华纳兄弟公司协作,成功将 1978 年的《超人》电影母带贮存在一块 75 x 75 x 2mm 的玻璃中,并经过机器学习关于玻璃中的数据进行了非次序的读取,只不过读取速度还有待前进。

跟光盘不相同的是, Project Silica 的数据是贮存在玻璃内部而非外表,因而数据不会由于玻璃磨损而丢掉。研讨人员将这种「玻璃光盘」放进 500 ℃ 的烤箱、用微波炉加热、废水煮泡,乃至用钢丝擦拭后,数据仍然能顺畅读取。

尽管这项技能仍处于初期阶段,但英国微软剑桥研讨院的实验室副主任表明,这种「玻璃光盘」能够继续运用上千年。此外玻璃对温度和湿度也没什么要求,这能大幅下降数据贮存的本钱

实际上「玻璃光盘」并不是微软的创始,早在 2016 年英国南安普敦大学成功 用相似的技能将数据编码到玻璃 中,能够接受 1000 ℃的高温 ,声称在常温下寿数挨近无限,即使在 190 C 下也可运用 138 亿年 ,要知道地球的前史也才大约 46 亿年。

值得一提的是,微软的 Project Silica 项目正是和南安普敦大学协作开发的,这种玻璃光盘又被称为 5 维光盘,由纳米结构的三维,再加上全体尺度和方向构成。平等尺度的玻璃光盘贮存容量是蓝光光盘的 3000 倍。

假如成功,真的或许像南安普敦大学研讨人员所说的,创始一个数据永久贮存的新年代。

数据贮存范畴里一个更斗胆的想象,是生物质硬盘,便是将信息贮存在 DNA 中。

DNA 是怎么贮存数据的?其实原理不算杂乱,一切核算机数据都是以 0 和 1 组成的二进制数存储和运算的,而 DNA 贮存技能则是用四种碱基来替代 0 和 1 ,将数字信号转化为化学信号。

2017 年,哈佛大学医学院就运用 CRISPR DNA 修改技能,将一张赛马的动图 录入大肠杆菌的基因组 中,并以超越 90% 的准确率读取出来。

近两年也呈现了不少探究 DNA 贮存技能的创业公司,前段时刻草创企业 Catalog宣告将维基百科英文版总共 16G 的一切文本存储在一个 DNA 分子中,经过一台超大型 DNA 书写器完结,数据写入速度能到达 4 MB/s 。

▲ 里边便是贮存了 16G 维基百科的 DNA

而另一家叫做 Twist Bioscience 的生物科技公司,是现在全球最大组成基因的供货商之一。据其创始人 Emily Leproust 介绍,该公司一粒胶囊中的 DNA 能够贮存相当于整个 Facebook 数据中心的数据 。

现在 Twist Bioscience 现已向客户推出 DNA 贮存的服务,但价格却很感人。贮存 12 MB 数据的价格就高达 10 万美元,但 Emily Leproust 表明未来这一价格将降到 10 美分。

2016 年哈佛大学在学术期刊 Nature Materials 宣布了一项关于 DNA 贮存技能的 研讨成果 ,指出 DNA 的贮存密度远超现在任何一种贮存介质,经过换算,1kg 的 DNA 就能贮存全球一年发生的数据。

但 DNA 贮存现在还远不是抱负的数据贮存技能,除了贵重的本钱,由于 DNA 存储的数据只能经过测序来读取,读写速度十分缓慢。有人核算过假如要将 2017 年全球发生的 16 ZB 数据贮存到 DNA 中,需求花费 40 亿年 。

今年年初微软初次完结 了全自动 DNA 信息存储 ,让 DNA 贮存技能从实验室迈向商业化更进了一步,但只是是编码「hello」五个字母,从转换到读取就要花费 21 小时,一起读取的准确度也有待前进。

由此可见,尽管 DNA 贮存技能的确有或许彻底处理全球数据贮存的问题,但这个未来还有一段不短的间隔。

跟着各种技能老练,人类正在寻求信息贮存在时刻和空间两个维度的极致:超高的贮存密度和永久的贮存时刻。

没有知道这是否能完结,由于没人能活到永久,人类最早的文字记载也只是 5200 年前苏美尔人留下的楔形文字,但是互联网诞生只是 50 年,50 年前的数据有多少至今仍保存完好呢?

在科幻小说《三体》中的未来国际里,即使一粒米巨细的量子贮存器就能够放下一座大型图书馆的数据,但最多也只能保存 2000 年。最终人们发现把信息贮存 1 亿年的仅有可行办法,便是「把字刻在石头上」。

刘慈欣总结得好:

文明像一场五千年的狂奔,不断的前进推进着更快的前进,很多的奇观催生出更大的奇观,人相好像具有了神一般的力气⋯但最终发现,真实的力气在时刻手里,留下足迹比发明国际更难,在这文明的止境,他们也只能做远古的婴儿年代做过的事,把字刻在石头上。

题图来自:《龙珠》

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