Areal tetthet (datamaskin lagring) - Areal density (computer storage)
Arealtettheten er et mål på mengden av informasjonsbiter som kan lagres på en gitt lengde av sporet , område av overflaten , eller i et gitt volum av en datamaskin-lagringsmediet . Generelt er høyere tetthet mer ønskelig, for det gjør at flere data kan lagres i samme fysiske rom. Tetthet har derfor et direkte forhold til lagringskapasiteten til et gitt medium. Tetthet påvirker også generelt ytelsen i et bestemt medium, så vel som prisen.
Lagringsklasser
Solid state media
Solid state-stasjoner bruker flashminne til å lagre ikke-flyktige medier . De er den siste formen for masseprodusert lagring og rivaliserende magnetiske diskmedier . Solid state mediedata lagres i et utvalg av NAND-blits. NAND selv består av det som kalles flytende porttransistorer . I motsetning til transistordesignene som brukes i DRAM , som må oppdateres flere ganger i sekundet, er NAND-blits designet for å beholde ladetilstanden selv når den ikke slås på. Stasjoner med høy kapasitet som er kommersielt tilgjengelig er Nimbus Data Exadrive © DC-seriestasjoner, disse stasjonene har kapasiteter på 16 TB til 100 TB . Nimbus opplyser at 100 TB SSD har et 6: 1 plassbesparende forhold over en nærlinje HDD for sin størrelse
Magnetisk media
Harddisker lagrer data i magnetisk polarisering av små flekker av overflatebelegget på en disk. Maksimal arealdensitet er definert av størrelsen på magnetiske partikler i overflaten, så vel som størrelsen på "hodet" som brukes til å lese og skrive dataene. I 1956 hadde den første harddisken, IBM 350 , en arealdensitet på 2000 bit / i 2 . Siden da har økningen i tetthet matchet Moores lov og nådde 1 Tbit / i 2 i 2014. I 2015 introduserte Seagate en harddisk med en tetthet på 1,34 Tbit / i 2 , mer enn 600 millioner ganger den for IBM 350. Det forventes at dagens opptaksteknologi "mulig" kan skaleres til minst 5 Tbit / i 2 i nær fremtid. Nye teknologier som varmeassistert magnetisk opptak (HAMR) og mikrobølgestøpt magnetisk opptak (MAMR) er under utvikling og forventes å tillate økning i magnetisk arealdensitet å fortsette.
Optiske plater
Optiske plater lagrer data i små groper i en plastoverflate som deretter dekkes med et tynt lag med reflekterende metall. CD-er (CD-er) har en tetthet på ca. 0,90 Gbit / i 2 , ved bruk av groper som er 0,83 mikrometer lange og 0,5 mikrometer brede, arrangert i spor med en avstand på 1,6 mikrometer. DVD- plater er egentlig en CD med høyere tetthet, som bruker mer av diskoverflaten, mindre groper (0,64 mikrometer) og strammere spor (0,74 mikrometer), og tilbyr en tetthet på omtrent 2,2 Gbit / i 2 . Enkeltlags HD DVD og Blu-ray- disker har tetthet på henholdsvis 7,5 Gbit / i 2 og 12,5 Gbit / i 2 .
Ved introduksjon i 1982 hadde CD-er betydelig høyere tetthet enn harddiskstasjoner , men harddiskstasjoner har siden avansert mye raskere og formørket optiske medier i både arealdensitet og kapasitet per enhet.
Magnetbåndmedier
Den første magnetbåndstasjonen, Univac Uniservo , ble registrert med tettheten på 128 bit / inn på et halvtommer magnetbånd, noe som resulterte i arealdensiteten på 256 bit / i 2 . I 2015 hevdet IBM og Fujifilm en ny rekord for magnetbåndets arealdensitet på 1,23 Gbit / i 2 , mens LTO-6 , den høyeste tetthetsproduksjonen av bånd i 2015, gir en arealdensitet på 0,84 Gbit / i 2 .
Undersøkelser
En rekke teknologier prøver å overgå tettheten til eksisterende medier.
IBM hadde som mål å kommersialisere Millipede-minnesystemet ved 1 Tbit / i 2 i 2007, men utviklingen ser ut til å være dødelig. En nyere IBM-teknologi, racerbaneminne , bruker en rekke mange små nanoskopiske ledninger ordnet i 3D, som hver inneholder mange biter for å forbedre tettheten. Selv om eksakte tall ikke er nevnt, snakker IBMs nyhetsartikler om "100 ganger".
Holografiske lagringsteknologier forsøker også å hoppe over eksisterende systemer, men også de har tapt løpet, og anslås å tilby 1 Tbit / i 2 også, med rundt 250 GB / i 2 som den hittil best demonstrerte for ikke-kvante holografisystemer.
Andre eksperimentelle teknologier gir enda høyere tetthet. Molekylær polymerlagring har vist seg å lagre 10 Tbit / i 2 . Den tetteste typen minnelagring eksperimentelt hittil er elektronisk kvanteholografi . Ved å legge bilder av forskjellige bølgelengder i samme hologram, oppnådde et Stanford-forskerteam i 2009 en bit tetthet på 35 bit / elektron (omtrent 3 exabyte / i 2 ) ved bruk av elektronmikroskop og et kobbermedium.
I 2012 ble DNA vellykket brukt som et eksperimentelt datalagringsmedium, men krevde en DNA-synthesizer og DNA-mikrochips for transkodingen. Fra og med 2012 har DNA rekorden for lagringsmedium med høy tetthet. I mars 2017 publiserte forskere ved Columbia University og New York Genome Center en metode kjent som DNA Fountain som tillater perfekt henting av informasjon fra en tetthet på 215 petabyte per gram DNA, 85% av den teoretiske grensen.
Effekter på ytelse
Med det bemerkelsesverdige unntaket av NAND Flash-minne forbedrer vanligvis lagringstettheten til et medium overføringshastigheten som mediet kan operere med. Dette er mest åpenbart når man vurderer forskjellige diskbaserte medier, der lagringselementene er spredt over diskens overflate og må roteres fysisk under "hodet" for å bli lest eller skrevet. Høyere tetthet betyr at flere data beveger seg under hodet for en gitt mekanisk bevegelse.
For eksempel kan vi beregne effektiv overføringshastighet for en diskett ved å bestemme hvor raskt bitene beveger seg under hodet. En standard 3½- tommers diskett spinner ved 300 rpm , og det innerste sporet er omtrent 66 mm langt (10,5 mm radius). Ved 300 o / min er den lineære hastigheten til mediet under hodet således ca 66 mm × 300 o / min = 19800 mm / minutt, eller 330 mm / s. Langs dette sporet lagres bitene med en tetthet på 686 bit / mm, noe som betyr at hodet ser 686 bit / mm × 330 mm / s = 226,380 bit / s (eller 28,3 KB / s).
Vurder nå en forbedring av designet som dobler bitenes tetthet ved å redusere prøvelengden og holde samme sporavstand. Dette ville doblet overføringshastigheten fordi bitene ville passere under hodet dobbelt så raskt. Tidlige diskettgrensesnitt ble designet for overføringshastigheter på 250 kbit / s, men ble raskt bedre enn introduksjonen av "high density" 1,44 MB (1 440 KB) disketter på 1980-tallet. De aller fleste PC-er inkluderte grensesnitt designet for harddiskstasjoner som i stedet kjørte på 500 kbit / s. Også disse ble fullstendig overveldet av nyere enheter som LS-120 , som ble tvunget til å bruke grensesnitt med høyere hastighet som IDE .
Selv om effekten på ytelsen er mest åpenbar på roterende medier, kommer lignende effekter til spill selv for solid state-medier som Flash RAM eller DRAM . I dette tilfellet defineres ytelsen generelt av tiden det tar for de elektriske signalene å reise gjennom datamaskinbussen til sjetongene, og deretter gjennom sjetongene til de individuelle "cellene" som brukes til å lagre data (hver celle har en bit).
En definisjon av elektrisk eiendom er motstanden til ledningene inne i sponene. Etter hvert som cellestørrelsen avtar, gjennom forbedringene i halvlederfabrikasjonen som førte til Moores lov , reduseres motstanden og det kreves mindre kraft for å betjene cellene. Dette betyr i sin tur at mindre elektrisk strøm er nødvendig for drift, og dermed mindre tid er nødvendig for å sende den nødvendige mengden elektrisk ladning inn i systemet. Spesielt i DRAM påvirker også ladningsmengden som må lagres i en celle kondensator direkte denne gangen.
Etter hvert som fabrikasjonen er forbedret, har solid state-minne forbedret seg dramatisk når det gjelder ytelse. Moderne DRAM-sjetonger hadde driftshastigheter i størrelsesorden 10 ns eller mindre. En mindre åpenbar effekt er at når tettheten forbedres, reduseres antall DIMM-moduler som trengs for å levere en bestemt mengde minne, noe som igjen betyr mindre DIMM-moduler generelt i en bestemt datamaskin. Dette fører ofte til forbedret ytelse også, da det er mindre busstrafikk. Imidlertid er denne effekten generelt ikke lineær.
Effekter på pris
Lagringstetthet har også en sterk innvirkning på minneprisen, selv om årsakene ikke er så åpenbare i dette tilfellet.
Når det gjelder diskbaserte medier, er den primære kostnaden de bevegelige delene inne i stasjonen. Dette setter en fast nedre grense, og derfor har den gjennomsnittlige salgsprisen for begge de store harddiskprodusentene vært USD 45–75 siden 2007. Når det er sagt, har prisen på harddisker med høy kapasitet falt raskt, og dette er faktisk en effekt av tetthet. Stasjoner med høy kapasitet bruker flere tallerkener, i hovedsak individuelle harddisker i saken. Når tettheten øker, kan antall tallerkener reduseres, noe som fører til lavere kostnader.
Harddisker måles ofte i form av kostnad per bit. For eksempel leverte den første kommersielle harddisken, IBMs RAMAC i 1957, 3,75 MB for $ 34.500, eller $ 9.200 per megabyte. I 1989 kostet en 40 MB harddisk $ 1200, eller $ 30 / MB. Og i 2018 solgte 4 TB-stasjoner for $ 75, eller 1,9 ¢ / GB, en forbedring på 1,5 millioner siden 1989 og 520 millioner siden RAMAC. Dette er uten å justere for inflasjonen, som økte prisene ni ganger fra 1956 til 2018.
| Dato | kapasitet | koste | $ / GB |
|---|---|---|---|
| 1957 | 3,75 MB | $ 34.500 | $ 9,2 millioner / GB |
| 1989 | 40 MB | $ 1200 | $ 30000 / GB |
| 1995 | 1 GB | $ 850 | $ 850 / GB |
| 2004 | 250 GB | $ 250 | $ 1 / GB |
| 2011 | 2 TB | $ 70 | $ 0,035 / GB |
| 2018 | 4 TB | $ 75 | $ 0,019 / GB |
Solid state-lagring har sett et tilsvarende fall i kostnad per bit. I dette tilfellet bestemmes kostnaden av avkastningen , antall levedyktige sjetonger produsert i en enhetstid. Chips produseres i batcher trykt på overflaten av en enkelt stor silisiumplate, som blir kuttet opp og ikke-fungerende prøver kastes. Fabrikasjon har forbedret avkastningen over tid ved å bruke større vafler og produsere vafler med færre feil. Den nedre grensen for denne prosessen er omtrent $ 1 per ferdig chip på grunn av emballasje og andre kostnader.
Forholdet mellom informasjonstetthet og kostnad per bit kan illustreres som følger: en minnebrikke som er halvparten av den fysiske størrelsen, betyr at dobbelt så mange enheter kan produseres på samme wafer, og dermed halvere prisen på hver enkelt. Til sammenligning ble DRAM først introdusert kommersielt i 1971, en del på 1 kbit som kostet omtrent $ 50 i store batcher, eller omtrent 5 cent per bit. 64 Mbit-deler var vanlige i 1999, som kostet omtrent 0,00002 cent per bit (20 mikrosent / bit).
Se også
- Bekenstein bundet
- Bitcelle - lengden, arealet eller volumet som kreves for å lagre en enkelt bit
- Mark Kryder , som i 2009 anslått at hvis harddisker skulle fortsette å utvikle seg i det nåværende tempoet på rundt 40% per år, vil en to-tallerken, 2,5-tommers diskstasjon i 2020 lagre omtrent 40 terabyte (TB) og koster omtrent $ 40.
- Mønstrede medier
- Shingled magnetisk opptak (SMR)