Starší úložiště a vývoj datových zařízení

Informatec Digital » Zdroje » Starší úložiště a vývoj datových zařízení

V průběhu dějin lidstvo vymýšlelo nejrůznější triky a zařízení pro ukládání informací : od hliněných tabulk a děrných kartonů až po datové mraky rozprostřené po celém světě. Objem dat, které dnes generujeme, je tak ohromující, že naše mozky, ať už jsou jakkoli vyvinuté, nedostačují a potřebují technologickou pomoc.

Pochopení toho, jak jsme se dostali z několika kilobajtů v kovové skříni na terabajty v kapsách a zettabajty v distribuovaných datových centrech, není jen historická kuriozita: vysvětluje to, proč pracujeme tak, jak pracujeme, jak konzumujeme digitální zábavu a jakým rizikům čelíme v souvislosti se ztrátou vzpomínek, dokumentů nebo znalostí, pokud si zvolíme nesprávné paměťové médium.

Od lidské paměti k prvním datovým úložištím

Než se budeme zabývat disky, páskami nebo cloudy, je dobré si uvědomit, že prvním paměťovým zařízením je lidský mozek s jeho omezenou a nedokonalou biologickou pamětí . Evoluce zvětšila jeho velikost a kapacitu: druhy jako Australopithecus afarensis měly mozek o objemu přibližně 400–500 cm³, Homo habilis dosahoval 600–700 cm³, Homo erectus dosahoval 800–1100 cm³ a ​​neandrtálci měli mozek o objemu přibližně 1200–1600 cm³ . Moderní lidé, Homo sapiens, mají mozek o objemu přibližně 1230 cm³.

Tento skok nám umožnil vyrábět nástroje, vytvářet kultury, rituály a složité jazyky , ale paměť zůstává křehká: zapomínáme, zkreslujeme vzpomínky a nedokážeme zvládnout současnou lavinu dat. Proto je třeba vyvinout externí zařízení, která stabilně ukládají informace , aniž by závisela na našich neuronech.

Děrné štítky: jazyk děr

Prvním velkým krokem k digitálnímu ukládání dat byla mechanická technologie: děrné štítky . V roce 1725 Francouz Basile Bouchon vymyslel systém perforovaných štítků pro ovládání tkalcovských stavů. Nejednalo se o výpočetní techniku ​​v moderním slova smyslu, ale o metodu kódování a opětovného použití instrukcí.

V roce 1837 navrhl britský matematik Charles Babbage svůj slavný Analytický stroj , počítací stroj s pohyblivými částmi, který používal děrné štítky jak pro příkazy, tak pro výsledky. Otvory fungovaly jako vypínače a předvídaly binární kód.

Později Američan Herman Hollerith uvedl tuto myšlenku do praxe se svým Analytickým strojem pro sčítání lidu: děrované otvory představovaly instrukce a také data, která stroj dokázal automaticky číst. Po celá desetiletí byly děrné štítky standardním paměťovým médiem pro programy a data v mnoha počítačích.

Od 60. let 20. století je začaly nahrazovat magnetické technologie, ačkoli se používaly až do 80. let pro úkoly, jako jsou standardizované testy nebo elektronické hlasování na děrovaný papír.

Počátky magnetismu: pásky, bubny a jádra

V 50. letech 20. století se ve světě výpočetní techniky začalo používat magnetismus pro ukládání informací. Základní myšlenka je jednoduchá: potáhnout médium magnetizovatelným materiálem a uspořádat ho do drobných domén (dipólů), které představují bity.

V roce 1928 si německý inženýr Fritz Pfleumer patentoval magnetickou pásku , inspirovanou magnetickým kabelem Valdemara Poulsena. V roce 1965 představila společnost Mohawk Data Sciences kodér magnetické pásky, který měl postupně nahradit děrné štítky . Pásky nabízely větší kapacitu za nižší cenu, ačkoli přístup zůstal sekvenční.

V roce 1932 vynalezl Rakušan Gustav Taushek magnetický buben , válec potažený zmagnetizovatelným materiálem. Tyto bubny dokázaly uložit přibližně deset tisíc slov a byly přímými předchůdci moderních pevných disků, které nabízely rychlejší přístup než pásky.

Přibližně ve stejnou dobu se objevily technologie pro hlavní paměť. Mezi koncem 40. a 50. lety 20. století byla vyvinuta paměť s magnetickým jádrem , nazývaná také toroidní paměť: malé prstence z feromagnetického materiálu procházející vodivými dráty. Každé jádro uchovávalo jeden bit a jeho magnetický stav bylo možné rychle číst a zapisovat.

V roce 1953 získala MIT patent a postavila počítač Whirlwind , průkopníka v používání paměti s magnetickým jádrem jako RAM. Byl mnohem rychlejší a spolehlivější než děrné štítky, ale jeho výroba byla složitá a drahá a vyžadovala velmi přesnou a pracnou montáž.

Elektronické paměti: od Williamsovy trubice k polovodičům

Než tranzistory způsobily revoluci ve všem, existovala přechodná řešení pro ukládání dat z elektroniky. V roce 1946 vyvinuli profesor Frederick C. Williams a Tom Kilburn na Manchesterské univerzitě tzv. Williamsovu trubici . Jednalo se o upravenou katodovou trubici, která umožňovala ukládat binární data jako nábojové vzory na obrazovce . Používala se jako RAM v raných počítačích s uloženým programem.

V roce 1948 se objevila další neobvyklá technologie: Selectron , termionový ventil schopný fungovat jako paměť s náhodným přístupem . Vyvinul ho Jan A. Rajchman a jeho tým v Radio Corporation of America (RCA). Ačkoli byl technicky zajímavý, jeho složitost a náklady výrazně omezovaly jeho přijetí.

V roce 1949 byla zavedena paměť se zpožďovacími linkami , založená na využití doby, kterou signál potřebuje k šíření fyzikálním médiem (například rtutí nebo křemenem). Bity byly kódovány jako impulsy, které nepřetržitě cirkulovaly médiem; bylo to důmyslné řešení, ale ve srovnání s pozdější RAM nebylo příliš flexibilní .

Koncem 50. let se dominantní RAM stala paměť s magnetickým jádrem, dokud se v 60. a 70. letech nezačaly objevovat polovodiče . V roce 1966 začala nově vzniklá společnost Intel prodávat 2000bitové polovodičové paměťové čipy , kde každá buňka obsahovala miniaturizované tranzistory nebo kondenzátory.

V roce 1966 se objevila také paměť DRAM (Dynamic Random Access Memory) . V DRAM je každý bit uložen jako elektrický náboj v kondenzátoru . Jedná se o energeticky nestálou paměť: pokud dojde k výpadku napájení, informace se ztratí. Je však velmi hustá a levná, takže se stala standardní hlavní pamětí v osobních počítačích a serverech.

Naproti tomu ROM (Read-Only Memory) je naprogramována trvale a uchovává data i po vypnutí zařízení, což je velmi užitečné pro ukládání firmwaru a bootovacích rutin.

Pokročilé magnetické inovace: Twistor a Bubble Memory

V roce 1957 vynalezl výzkumník Andrew Bobeck v Bellových laboratořích paměť Twistor . Tato technologie ovíjela magnetickou pásku kolem vodivého drátu namísto použití toroidních jader, což snížilo hmotnost, spotřebu energie a výrobní náklady.

Společnost Bell Labs představila Twistor jako vynikající alternativu k magnetickým jádrům: levnější, lehčí a snadněji vyrobitelnou . Jeho komerční období však bylo krátké, protože brzy dorazily kompaktnější a škálovatelnější polovodičové RAM čipy.

Na základě tohoto výzkumu vyvinul Bobeck v roce 1980 slavnou Bublinovou paměť. Tato technologie využívala velmi tenký film magnetického materiálu, ve kterém se vytvořily malé zmagnetizované oblasti, „bubliny“ , z nichž každá představovala bit. Byla nevolatilní a poměrně robustní , i když obtížně vyráběná ve velkém měřítku.

Magnetické disky a pásky: od IBM 350 po disketu

Velký skok k tomu, co známe dnes, přinesly magnetické disky . V roce 1951 již UNIVAC I obsahoval páskové mechaniky schopné ukládat až 128 slov na palec. Králem moderní doby se však stal pevný disk.

V roce 1956 uvedla IBM na trh IBM 350 , považovaný za první moderní pevný disk. Měl kapacitu přibližně 4,4 MB , sestával z padesáti 24palcových desek otáčejících se rychlostí 1200 ot./min. a byl velký zhruba jako lednička s hmotností přes tunu. I přesto nabízel ve srovnání s páskami velmi rychlý náhodný přístup.

Postupem času vedla vylepšení technologie magnetického záznamu k nabírání kapacity pevných disků, snižování jejich ceny a miniaturizaci , což nakonec vedlo k dnešním pevným diskům pro stolní počítače a notebooky s několika terabajty ve formátu 3,5 nebo 2,5 palce, což je rozhodnutí, které se dnes srovnává s SSD versus externím pevným diskem.

Spolu s velkými pevnými disky IBM propagovala také diskety . V letech 1971-1972 se objevily 8palcové diskety s počáteční kapacitou asi 80 KB. Skládaly se z disku z pružného materiálu potaženého magnetickým oxidem uvnitř ochranného pouzdra.

V roce 1975 vyvinul Allan Shugart 5,25palcovou disketu , která byla pro osobní počítače lépe ovladatelná. Tyto disky měly ve svých raných verzích kapacitu kolem 110 KB a byly rychlejší a levnější než 8palcové disky. V roce 1978 již existovalo asi deset výrobců, kteří vyráběli 5,25palcové mechaniky.

Na začátku 80. let se na scéně objevila klasická 3,5palcová disketa s pevným pouzdrem a kovovou záložkou chránící magnetický povrch. Byla odolnější, kompaktnější a měla větší kapacitu než její předchůdci. Stala se tak populární, že i dnes je v mnoha programech ikona „Uložit“ stále disketou.

Přestože jsou v domácnostech prakticky zastaralé, některé kritické infrastruktury, jako například některé vojenské nebo jaderné systémy, uchovávají disketové mechaniky překvapivě mnoho let, a to právě kvůli jejich jednoduchosti a izolaci, což je praxe související s tím, jak ukládat staré počítače.

Magnetická páska ve výpočetní technice: od zálohování k dlouhověkosti

Přestože sekvenční přístup k magnetické pásce ji činí pomalejší než disky, její nízký poměr cena/kapacita a odolnost ji udržely jako hvězdné médium pro masivní zálohování.

V 80. letech 20. století se objevily formáty jako audiokazeta upravená pro data, široce používaná v domácích mikropočítačích, a později specifické záložní pásky, jako například DAT (Digital Audio Tape) , vyvinutá společností Sony v roce 1987. Jednalo se o přepracovanou kazetu se 4mm páskou v kompaktní kazetě.

V roce 1989 společnosti Sony a Hewlett-Packard uvedly na trh standard DDS (Digital Data Storage) , vývoj standardu DAT zaměřeného na ukládání počítačových dat. Nabízel rostoucí kapacity v relativně malých formátech , což bylo ideální pro firmy.

Optické disky: CD, DVD a Blu-ray

Zatímco dominoval magnetický záznam, formoval se další revoluční přístup: optické ukládání pomocí laserů . V 60. letech 20. století vynálezce James T. Russell pracoval na myšlence využití světla k nahrávání a přehrávání hudby. Po léta to bylo považováno za pouhou novinku.

V roce 1975 společnosti Sony a Philips do jeho projektu značně investovaly a financovaly jeho vývoj. Výsledkem byl kompaktní disk (CD) , který byl komerčně uveden na trh v roce 1980. Pro zvuk dokázal uložit přibližně 700 MB dat v počítačovém formátu, což bylo v té době ve srovnání s disketami obrovské množství.

V roce 1984 se objevily CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) , které používaly stejný fyzický formát jako audio CD, ale kódovaly počítačová data. Na plastový povrch disku jsou vyleptány mikrodůlky a ploché oblasti (lands) , které laser interpretuje jako bity.

Později se objevily zapisovatelné varianty: CD-R pouze pro zápis a přepisovatelné CD-RW , představené v roce 1995. To umožňovalo libovolnému uživateli vícekrát zaznamenávat a mazat data na stejný disk.

V roce 1995 se objevil DVD (Digital Versatile Disc) , které podstatně zvýšilo kapacitu úložiště dat. Jednovrstvé DVD pojalo 4,7 GB a dvouvrstvé DVD dvakrát tolik. Stalo se standardem pro domácí video a velkou distribuci softwaru.

Jako pokus o rivalství se v roce 2005 objevil formát HD-DVD , propagovaný společnostmi Toshiba, NEC a Sanyo. Nabízel vysoké rozlišení, ale komerční bitvu nakonec vyhrál Blu-ray , uvedený na trh v roce 2003 a založený na kratší vlnové délce modrofialového laseru , který umožňuje ukládat více informací ve stejném fyzickém prostoru.

Blu-ray se etabloval jako médium pro video ve vysokém rozlišení a ukládání s vysokou hustotou dat s kapacitou 25 GB na vrstvu a vícevrstvými variantami dosahujícími desítek gigabajtů na disk.

Magnetooptická média a hybridní formáty

Mezi čistým magnetismem a optickými disky se objevila hybridní rodina: magnetooptické disky . Byly představeny kolem roku 1990 a kombinovaly magnetické a optické techniky pro ukládání a čtení dat.

Tyto disky, často v kazetách o velikosti 3,5 nebo 5,25 palce, používaly laser k lokálnímu ohřevu povrchu a magnetické pole k orientaci ploten. Čtení bylo založeno na změnách polarizace odraženého světla (Kerrův jev) . Nabízely dobrou odolnost a možnost přepisování , ačkoli byly dražší a složitější než CD nebo DVD.

V 90. letech se objevily i některé krátkodobé, ale zajímavé formáty. V roce 1992 společnost Sony uvedla na trh MiniDisc , který měl nahradit audiokazety a zároveň ukládat data (ve verzích MD Data) s kapacitou okolo 140 MB. V roce 1994 společnost Iomega uvedla na trh Zip a později Jaz , tehdy vysokokapacitní vyměnitelné disky (100 MB až 1 GB), které se pokoušely zaplnit mezeru mezi disketou a prvními externími pevnými disky.

Flash paměti a USB disky: velký skok v oblasti přenosných zařízení

Koncem 90. let 20. století přišla tichá revoluce: flash paměť , typ energeticky nezávislého elektronického úložiště. Ačkoli byla původně navržena pro fotoaparáty a přenosná zařízení , brzy se rozšířila do všeho.

V roce 1993 byla představena karta CompactFlash (CF) , která integrovala flash paměť do robustního formátu. Široce se používala jako interní úložiště v digitálních fotoaparátech a některých vestavěných počítačích . Krátce poté se objevila karta SmartMedia (Toshiba, 1995) a v roce 1997 multimediální karta (MMC) od společností Siemens a SanDisk.

V roce 1999 společnost IBM uvedla na trh Microdrive , miniaturní pevný disk o velikosti kompaktní karty, a v roce 2000 se staly populárními karty Secure Digital (SD) s vestavěným šifrováním a standardními rozměry 32 x 32 x 2,1 mm. SD karty se staly de facto standardem pro mobilní telefony, fotoaparáty a řadu přenosných zařízení.

Zásadním zlomem pro běžného uživatele byl USB flash disk . Kolem roku 2000 představila singapurská společnost Trek 2000 International ThumbDrive , považovaný za první komerčně úspěšný USB flash disk. Používal NAND flash paměť a připojoval se přímo k USB portu , bez nutnosti externího napájení nebo složitých ovladačů, i když je někdy užitečné si být vědom potenciálních problémů s USB rozbočovači . Tyto disky, nazývané také flash disky, USB flash disky nebo flash disky , nabízely kapacitu začínající na několika megabajtech a brzy se rozrostly na desítky gigabajtů. Neměly žádné pohyblivé části, vydržely tisíce cyklů zápisu a byly vysoce odolné vůči nárazům a elektromagnetickému rušení . Díky tomu nahradily diskety a začaly zastínit CD a DVD jako paměťové médium.

Disky SSD a SMR: Zrychlení a snížení kapacity

Stejná technologie flash paměti dala vzniknout diskům SSD (solid-state drives) . Tato zařízení fungují z pohledu operačního systému jako pevné disky, ale interně se jedná o propojené sady flash čipů bez ploten nebo čtecích/zapisovacích hlav; pokud vás zajímá rozdíl oproti jiným technologiím, jako je úložiště NVMe , je to docela odhalující.

První komerčně úspěšné SSD disky pocházely od společností jako SanDisk a rychle se rozšířily do notebooků a stolních počítačů, čímž nahradily pevné disky, u kterých je klíčová rychlost přístupu a snížená spotřeba energie . Jejich čipy se liší od čipů typických pro USB flash disky a nabízejí vyšší výkon, odolnost a odolnost proti opotřebení , což se promítá do vyšší ceny za gigabajt.

Mezitím se tradiční pevné disky neustále vyvíjejí. Jednou z nedávných technologií je Shingled Magnetic Recording (SMR) . Místo zápisu samostatných stop se stopy částečně překrývají jako střešní tašky , čímž se stopy prořezávají bez ztráty relevantního obsahu.

To umožňuje zvýšit kapacitu ve stejném fyzickém prostoru při zachování nízkých nákladů a využití stávající infrastruktury pevných disků. SMR je již přítomna v mnoha moderních pevných discích, zejména ve vysokokapacitních řadách určených pro hromadné ukládání a archivaci.

Z fyzického skladu do datového centra: sila, jezera a velká data

Explozivní růst digitálních informací vedl organizace k vytváření rozsáhlých logických úložných systémů. To vedlo ke vzniku datových sil , což jsou soubory informací uložených pro konkrétní oddělení nebo systém, které jsou nekompatibilní nebo obtížně integrovatelné se zbytkem společnosti.

Zpočátku byla tato úložiště vnímána jako podivné ostrovy dat; postupem času se stala cenným zdrojem informací pro velká data , což umožnilo kombinování a analýzu velkých objemů historických dat. Později se objevil koncept datového jezera (Data Lake).

Datové jezero ukládá informace v jejich původním, nezpracovaném formátu , obvykle spravovaném pomocí NoSQL databází. Tyto systémy přijímají strukturovaná, polostrukturovaná a nestrukturovaná data, což umožňuje analytikům a algoritmům umělé inteligence zpracovávat informace na vyžádání.

Podle iniciativ, jako je BBVA OpenMind, datová jezera využívají ploché architektury bez rigidních hierarchických struktur, které usnadňují flexibilní přístup a snižují náklady. Stala se nezbytnými součástmi projektů velkých dat a umělé inteligence.

Cloud a online úložiště: data všude

Další zásadní změnou nebylo ani tak nové fyzické médium, jako spíše změna modelu díky vysokorychlostním sítím . Vylepšená šířka pásma a levnější diskový prostor umožnily vybudovat obrovská datová centra přístupná přes internet.

Tak se zrodil cloud computing a s ním i cloudové úložiště . Z pohledu uživatele cloud nabízí prakticky neomezenou kapacitu, přístupnou z jakéhokoli zařízení a místa , za poplatek nebo dokonce zdarma, pokud jsou omezení akceptována.

V praxi je „cloud“ masivní sbírka serverů, diskových polí, SSD disků, pásek a interních sítí . Používá se jak pro zálohování , tak pro primární ukládání dokumentů, fotografií a videí . Pokud používáte e-mail, sociální média nebo streamovací služby, cloudové úložiště již využíváte denně.

Poskytovatelé museli posílit zabezpečení pomocí šifrování, ověřování a kontroly přístupu, protože sdílená architektura představuje problémy s důvěrností. Odvětví jako bankovnictví podléhají přísným předpisům, které mají tato rizika zmírnit.

Kromě univerzálního online úložiště existují i ​​specifická bezdrátová řešení pro domácí úložiště . Historickým příkladem je Apple AirPort Time Capsule , Wi-Fi zařízení, které integrovalo router a pevný disk s kapacitou až 3 TB a bylo navrženo pro automatické zálohování a bezdrátový přístup k datům ze zařízení Apple.

Nové hranice: hologramy, DNA a ultra odolné materiály

Tváří v tvář tsunami dat, která se očekává v nadcházejících desetiletích, zkoumá výzkum v oblasti ukládání dat cesty velmi odlišné od disků nebo flash disků. Jednou z nich je holografická paměť , která ukládá digitální data v objemu materiálu, jako jsou krystaly nebo fotopolymery , spíše než aby byla omezena na jeho povrch.

Velkou výhodou holografické paměti je, že dokáže využít tloušťku paměťového média k ukládání informací ve 3D (Braggův objem) a dosáhnout tak enormních hustot. Ačkoli existují prototypy, zatím se nejedná o široce používanou technologii, ale stává se jedním z možných dlouhodobých řešení pro archivaci s velmi vysokou hustotou.

Další fascinující oblastí je ukládání DNA . DNA, molekula života, dokáže zakódovat ohromující množství informací: odhadem 2,2 petabajtů na gram . Teoreticky by se všechna data vygenerovaná lidstvem vešla do lžíce DNA.

DNA je navíc extrémně trvanlivé médium , které je při správném skladování schopné uchovávat informace po tisíce let. Současným problémem jsou náklady a rychlost: kódování dat menších než 100 KB může stát kolem 1 500 dolarů a procesy syntézy a sekvenování zůstávají pomalé.

Použití umělé DNA nebo modifikovaných biomolekul se zkoumá s cílem snížit náklady a zrychlit tyto operace, ale stále je to v experimentální fázi. Myšlenka je však jasná: přejít od disků a čipů ke skutečně molekulárnímu ukládání.

Souběžně s tím nanotechnologie otevírají dveře aplikacím, jako je využití izotopů uhlíku (například atomy uhlíku-12 pro „0“ a atomy uhlíku-13 pro „1“) nebo obzvláště stabilních minerálních materiálů. V roce 2023 společnost Cerabyte oznámila systém, který pomocí laseru gravíruje trojrozměrná pole dat podobná QR kódům na minerální substrát , odolný vůči extrémním teplotám, ohni, záplavám a přepětí, s odhadovanou životností přes 5 000 let.

Spolehlivost, rotace bitů a kopie: méně okouzlující stránka úložiště

Bez ohledu na paměťové médium mají všechny jeden problém: mají omezenou životnost a jsou náchylné k poruchám . Pevné disky se mohou poškodit nárazy, pásky se mohou demagnetizovat, optické disky se mohou degradovat a flash paměť může časem ztrácet náboj.

Často zmiňovaným jevem je bitová hniloba , tichá degradace, při které některé bity mění hodnotu, aniž by to bylo okamžitě patrné . To se týká zejména dlouhodobých paměťových médií, jako jsou staré pevné disky, pásky nebo flash disky, které se po mnoho let nečtou.

Proto se doporučuje pravidelně přistupovat k paměťovým médiím (například občas číst USB disk) a replikovat informace na nová média každé několik let. Systémy jako RAID s kódy pro opravu chyb umožňují rekonstrukci poškozených dat zavedením redundance, ale nikdy toto riziko zcela neodstraní.

Pokud jde o klasifikaci, obvykle rozlišujeme mezi primárním úložištěm (RAM, mezipaměť), které je ultrarychlé, ale volatilní a přímo přístupné procesoru, a sekundárním úložištěm (disky, SSD, pásky, cloudové úložiště), které je pomalejší, ale energeticky nezávislé. V rámci sekundárního úložiště dále rozlišujeme mezi sekvenčním přístupem (pásky) a náhodným přístupem (disky, SSD, flash úložiště) v závislosti na tom, zda můžeme přejít přímo k požadovaným datům, nebo zda musíme prohledávat celá data od začátku.

Bez ohledu na technologii zůstává jedinou skutečnou obranou proti ztrátě dat redundance a dobře plánované zálohy . A při práci s citlivými informacemi vstupuje do hry kryptografie , a to jak s veřejným klíčem (RSA atd.), tak se symetrickým klíčem (AES, DES), což je obzvláště důležité v kontextech cloudového úložiště.

Celkově vzato nás historie ukládání dat vedla od obrovských strojů s kapacitou několika kilobajtů k miniaturním čipům schopným zpracovat terabajty a distribuovaným systémům spravujícím zettabajty; a přesto stále hledáme nová, hustší, odolnější a bezpečnější paměťová média , od hologramů po DNA nebo exotické minerální materiály. Všechno naznačuje, že stejně jako dosud budou další skoky kombinovat fyzické inovace se stále inteligentnějšími síťovými architekturami, aby nám i nadále umožňovaly ukládat a načítat, téměř aniž bychom si to uvědomovali, obrovské množství dat, která každý den produkujeme.