Ældre lagring og udviklingen af ​​dataenheder

Informatic Digital » Recursos » Ældre lagring og udviklingen af ​​dataenheder

Gennem historien har menneskeheden udtænkt alle mulige tricks og anordninger til at lagre information : fra lertavler og hulkort til dataskyer spredt over hele kloden. Mængden af ​​data, vi genererer i dag, er så svimlende, at vores hjerner, uanset hvor udviklede de er, kommer til kort og har brug for teknologisk hjælp.

At forstå, hvordan vi er gået fra et par kilobyte i et metalskab til terabyte i vores lommer og zettabyte i distribuerede datacentre, er ikke blot en historisk kuriositet: den forklarer, hvorfor vi arbejder, som vi gør, hvordan vi forbruger digital underholdning, og hvilke risici vi står over for ved at miste minder, dokumenter eller viden, hvis vi vælger det forkerte lagringsmedie.

Fra den menneskelige hukommelse til de første datalagringsmaskiner

Før vi diskuterer disketter, bånd eller skyer, er det værd at huske, at den første lagringsenhed er den menneskelige hjerne med dens begrænsede og ufuldkomne biologiske hukommelse . Evolutionen øgede dens størrelse og kapacitet: arter som Australopithecus afarensis havde hjerner på omkring 400-500 cm³, Homo habilis nåede 600-700 cm³, Homo erectus nåede 800-1100 cm³, og neandertalere var omkring 1200-1600 cm³ . Moderne mennesker, Homo sapiens, har hjerner på omkring 1230 cm³.

Dette spring gjorde det muligt for os at fremstille værktøjer, skabe kulturer, ritualer og komplekse sprog , men hukommelsen forbliver skrøbelig: vi glemmer, forvrænger minder og er ude af stand til at håndtere den nuværende lavine af data. Derfor behovet for at udvikle eksterne enheder, der lagrer information stabilt uden at være afhængige af vores neuroner.

Hulkort: hullernes sprog

Det første store spring mod digital lagring var mekanisk: hulkort . I 1725 udtænkte franskmanden Basile Bouchon et system med perforerede kort til at styre væve. Det var ikke databehandling i moderne forstand, men det var en metode til at kode og genbruge instruktioner.

I 1837 designede den britiske matematiker Charles Babbage sin berømte Analytical Engine , en regnemaskine med bevægelige dele, der brugte hulkort til både kommandoer og resultater. Hullerne fungerede som tænd/sluk-knapper , der foregreb binær kode.

Senere satte amerikaneren Herman Hollerith denne idé i praksis med sin Analytical Engine for the Census (Analytical Engine for the Census): hullerne repræsenterede instruktioner og også data, som maskinen kunne læse automatisk. I årtier var hulkort standardlagringsmediet til programmer og data i mange computere.

Fra 60'erne og fremefter begyndte de at blive erstattet af magnetiske teknologier, selvom de fortsat blev brugt langt ind i 80'erne til opgaver som standardiserede tests eller elektronisk afstemning på hullet papir.

Magnetismens begyndelse: bånd, tromler og kerner

I 50'erne omfavnede computerverdenen magnetisme til lagring af information. Grundideen er enkel: belæg et medium med magnetiserbart materiale og organiser det i små domæner (dipoler), der repræsenterer bits.

I 1928 patenterede den tyske ingeniør Fritz Pfleumer magnetbånd , inspireret af Valdemar Poulsens magnetiske kabel. I 1965 introducerede Mohawk Data Sciences en magnetbåndskoder designet til gradvist at erstatte hulkort . Båndene tilbød større kapacitet til en lavere pris, selvom adgangen forblev sekventiel.

I 1932 opfandt østrigeren Gustav Taushek den magnetiske tromle , en cylinder belagt med magnetiserbart materiale. Disse tromler kunne lagre omkring ti tusind ord og var de direkte forgængere til moderne harddiske, da de gav hurtigere adgang end bånd.

Omkring samme tid opstod teknologier til hovedhukommelse. Mellem slutningen af ​​40'erne og 50'erne blev magnetisk kernehukommelse , også kaldet toroidhukommelse, udviklet: små ringe af ferromagnetisk materiale gennemskåret af ledende ledninger. Hver kerne lagrede én bit , og dens magnetiske tilstand kunne læses og skrives hurtigt.

I 1953 erhvervede MIT patentet og byggede Whirlwind- computeren , en pioner inden for brug af magnetisk kernehukommelse som RAM. Den var meget hurtigere og mere pålidelig end hulkort, men dens fremstilling var kompleks og dyr og krævede meget præcis og besværlig samling.

Elektroniske hukommelser: fra Williams-røret til halvlederen

Før transistorer revolutionerede alt, fandtes der mellemliggende elektroniske lagringsløsninger. I 1946 udviklede professor Frederick C. Williams og Tom Kilburn det såkaldte Williams-rør på University of Manchester. Det var et modificeret katodestrålerør, der gjorde det muligt at lagre binære data som ladningsmønstre på skærmen . Det blev brugt som RAM i tidlige computere med lagrede programmer.

I 1948 opstod en anden usædvanlig teknologi: Selectron , en termionisk ventil, der kunne fungere som random access memory (tilfældig adgangshukommelse ). Den blev udviklet af Jan A. Rajchman og hans team hos Radio Corporation of America (RCA). Selvom den var teknisk interessant, begrænsede dens kompleksitet og omkostninger dens anvendelse betydeligt.

I 1949 blev delay-line-hukommelse introduceret , baseret på at udnytte den tid, det tager et signal at udbrede sig gennem et fysisk medium (for eksempel kviksølv eller kvarts). Bits blev kodet som pulser, der cirkulerede kontinuerligt gennem mediet; det var en genial løsning, men ikke særlig fleksibel sammenlignet med senere RAM.

I slutningen af ​​50'erne blev magnetisk kernehukommelse den dominerende RAM, indtil halvledere begyndte at dukke op i 60'erne og 70'erne . I 1966 begyndte det nydannede Intel at sælge 2000-bit halvlederhukommelseschips , hvor hver celle indeholdt miniaturiserede transistorer eller kondensatorer.

I 1966 dukkede DRAM (Dynamic Random Access Memory) også op . I DRAM lagres hver bit som en elektrisk ladning i en kondensator . Det er en flygtig hukommelse: hvis strømmen afbrydes, går informationen tabt. Den er dog meget tæt og billig, så den blev standard hovedhukommelse i personlige computere og servere.

I modsætning hertil er ROM (Read-Only Memory) programmeret permanent og gemmer data, selv når enheden er slukket, hvilket er meget nyttigt til lagring af firmware og opstartsrutiner.

Avancerede magnetiske innovationer: Twistor og Bubble Memory

I 1957 opfandt forskeren Andrew Bobeck Twistor-hukommelse på Bell Labs . Denne teknologi viklede magnetbånd omkring en ledende ledning i stedet for at bruge toroidale kerner, hvilket reducerede vægt, strømforbrug og produktionsomkostninger.

Bell Labs præsenterede Twistor som et bedre alternativ til magnetiske kerner: billigere, lettere og nemmere at fremstille . Dets kommercielle vindue var dog kort, fordi mere kompakte og skalerbare halvleder-RAM-chips snart ankom.

Baseret på denne forskning udviklede Bobeck den berømte Bubble Memory i 1980. Denne teknologi brugte en meget tynd film af magnetisk materiale, hvori små magnetiserede områder, "boblerne", blev dannet , der hver repræsenterede en bit. Den var ikke-flygtig og ret robust , omend vanskelig at fremstille i stor skala.

Magnetiske disketter og bånd: fra IBM 350 til disketten

Det store spring til det, vi kender i dag, kom med magnetiske diske . I 1951 inkorporerede UNIVAC I allerede bånddrev, der kunne lagre op til 128 ord pr. tomme. Men kongen af ​​det moderne parti var harddisken.

I 1956 lancerede IBM IBM 350 , der betragtes som den første moderne harddisk. Den havde en kapacitet på omkring 4,4 MB , bestod af halvtreds 24-tommer plader, der drejede med 1200 omdr./min., og var omtrent på størrelse med et køleskab og vejede over et ton. Alligevel tilbød den meget hurtig tilfældig adgang sammenlignet med bånd.

Med tiden førte forbedringer inden for magnetisk optagelsesteknologi til, at harddiske fik større kapacitet, faldt i pris og blev miniaturiserede , hvilket i sidste ende førte til nutidens stationære og bærbare harddiske med adskillige terabyte i 3,5- eller 2,5-tommer formater, en beslutning der nu sammenlignes med SSD vs. ekstern harddisk.

Udover de store harddiske promoverede IBM også disketter . I 1971-1972 dukkede 8-tommer disketter op med en startkapacitet på omkring 80 KB. De bestod af en disk af fleksibelt materiale belagt med magnetisk oxid, inde i et beskyttende hylster.

I 1975 udviklede Allan Shugart 5,25-tommer disketten , som var mere håndterbar for personlige computere. Disse disketter havde en kapacitet på omkring 110 KB i deres tidlige versioner og var hurtigere og billigere end 8-tommer disketter. I 1978 var der allerede omkring ti producenter, der producerede 5,25-tommer drev.

I starten af ​​80'erne kom den klassiske 3,5-tommer diskette frem med sit stive kabinet og en metalflig, der beskyttede den magnetiske overflade. Den var mere holdbar, mere kompakt og havde en større kapacitet end sine forgængere. Den blev så populær, at selv i dag er "Gem"-ikonet i mange programmer stadig en diskette.

Selvom de praktisk talt er forældede i den indenlandske sfære, har nogle kritiske infrastrukturer, såsom visse militære eller nukleare systemer, haft diskettedrev i overraskende mange år, netop på grund af deres enkelhed og isolation, en praksis relateret til, hvordan man opbevarer sine gamle pc'er.

Magnetbånd i datalogi: fra backup til lang levetid

Selvom den sekventielle adgang til magnetbånd gør det langsommere end disketter, har dets lave forhold mellem pris og kapacitet og holdbarhed holdt det som et stjernemedie til massive sikkerhedskopier.

I 80'erne dukkede formater som lydbåndkassette tilpasset data op, der var meget udbredt i hjemmemikrocomputere, og senere specifikke backupbånd som DAT (Digital Audio Tape) , udviklet af Sony i 1987. Det var en redesignet kassette med 4 mm bånd i en kompakt kassette.

I 1989 lancerede Sony og Hewlett-Packard DDS-standarden (Digital Data Storage) , en videreudvikling af DAT med fokus på computerdatalagring. Den tilbød stigende kapacitet i relativt små formater , hvilket var ideelt for virksomheder.

Optiske diske: CD, DVD og Blu-ray

Mens magnetisk optagelse dominerede, tog en anden revolutionerende tilgang form: optisk lagring ved hjælp af lasere . I 60'erne arbejdede opfinderen James T. Russell på ideen om at bruge lys til at optage og afspille musik. I årevis blev det betragtet som lidt mere end en nyhed.

I 1975 investerede Sony og Philips kraftigt i hans projekt og finansierede dets udvikling. Resultatet var compact disc'en (CD'en) , der blev kommercielt lanceret i 1980. Til lyd kunne den lagre omkring 700 MB data i computerformat, en enorm mængde på det tidspunkt sammenlignet med disketter.

I 1984 dukkede CD-ROM'en (Compact Disc Read-Only Memory) op , som brugte det samme fysiske format som lyd-cd'er, men kodede computerdata. Mikro-huller og flade områder (lande) er ætset ind i diskens plastoverflade , hvilket laseren fortolker som bits.

Senere opstod der skrivbare varianter: den kun-skrivbare CD-R og den genskrivbare CD-RW , introduceret i 1995. Dette tillod enhver bruger at optage og slette data flere gange på den samme disk.

I 1995 kom DVD'en (Digital Versatile Disc) , hvilket øgede datalagringskapaciteten betydeligt. En enkeltlags-DVD kunne rumme 4,7 GB , og dobbeltlags-DVD'er kunne rumme dobbelt så meget. Den blev standarden for hjemmevideo og distribution af store mængder software.

Som en forsøgt rival dukkede HD-DVD- formatet op i 2005 , promoveret af Toshiba, NEC og Sanyo. Det tilbød high definition, men den kommercielle kamp blev i sidste ende vundet af Blu-ray , lanceret i 2003 og baseret på en kortere bølgelængde blåviolet laser , som gør det muligt at lagre mere information på det samme fysiske rum.

Blu-ray etablerede sig som et medie til HD-video og lagring med høj densitet med kapaciteter på 25 GB pr. lag og flerlagsvarianter, der når op på snesevis af gigabyte pr. disk.

Magneto-optiske medier og hybridformater

Mellem ren magnetisme og optiske diske opstod en hybridfamilie: magneto-optiske diske . De blev introduceret omkring 1990 og kombinerede magnetiske og optiske teknikker til at lagre og læse data.

Disse diske, ofte 3,5 eller 5,25 tommer i kassetter, brugte en laser til lokalt at opvarme overfladen og et magnetfelt til at orientere pladerne. Aflæsningen var baseret på variationer i polariseringen af ​​det reflekterede lys (Kerr-effekten) . De tilbød god holdbarhed og genskrivbare egenskaber , selvom de var dyrere og mere komplekse end cd'er eller dvd'er.

90'erne bød også på nogle kortlivede, men interessante formater. I 1992 udgav Sony MiniDisc , der var designet til at erstatte lydkassettebåndet og også lagre data (i MD Data-versioner), med en kapacitet på omkring 140 MB. I 1994 lancerede Iomega Zip og senere Jaz , flytbare diske med høj kapacitet for den tid (100 MB til 1 GB), som forsøgte at udfylde hullet mellem disketten og de første eksterne harddiske.

Flashhukommelse og USB-drev: det store bærbare spring

I slutningen af ​​90'erne kom en stille revolution: flashhukommelse , en type ikke-flygtig elektronisk lagring. Selvom den oprindeligt var designet til kameraer og bærbare enheder , spredte den sig hurtigt til alt.

I 1993 blev CompactFlash (CF) introduceret , et kort der integrerede flashhukommelse i et robust format. Det blev i vid udstrækning brugt som intern lagring i digitale kameraer og nogle indlejrede computere . Kort efter kom SmartMedia (Toshiba, 1995) og Multimedia Card (MMC) fra Siemens og SanDisk i 1997.

I 1999 udgav IBM Microdrive , en mini-harddisk på størrelse med et kompaktkort, og i 2000 blev Secure Digital (SD)-kort populære med indbygget kryptering og standarddimensioner på 32 x 32 x 2,1 mm. SD-kort blev de facto standarden for mobiltelefoner, kameraer og en lang række bærbare enheder.

Det store vendepunkt for den gennemsnitlige bruger var USB-flashdrevet . Omkring år 2000 introducerede det singaporeanske firma Trek 2000 International ThumbDrive , der betragtes som det første kommercielt succesfulde USB-flashdrev. Det brugte NAND-flashhukommelse og blev tilsluttet direkte til en USB-port uden behov for ekstern strøm eller komplicerede controllere, selvom det nogle gange er nyttigt at være opmærksom på potentielle problemer med USB-hubs . Disse drev, også kaldet pen drives, USB-sticks eller flashdrev , tilbød kapaciteter fra blot et par megabyte og voksede hurtigt til snesevis af gigabyte. De havde ingen bevægelige dele, kunne modstå tusindvis af skrivecyklusser og var meget modstandsdygtige over for stød og elektromagnetisk interferens . Med dette erstattede de disketter og begyndte at overskygge cd'er og dvd'er som lagringsmedie.

Solid-state-drev (SSD'er) og SMR'er: Accelerer og komprimer kapaciteten

Den samme flashhukommelsesteknologi gav anledning til solid-state-drev (SSD'er) . Disse enheder fungerer som harddiske fra operativsystemets perspektiv, men internt er de sammenkoblede sæt flashchips uden plader eller læse-/skrivehoveder. Hvis du er interesseret i forskellen med andre teknologier som NVMe-lagring , er det ret afslørende.

De første kommercielt succesfulde SSD'er kom fra virksomheder som SanDisk og spredte sig hurtigt til bærbare og stationære computere og fortrængte harddiske, hvor adgangshastighed og reduceret strømforbrug er afgørende. Deres chips adskiller sig fra dem, der typisk findes i USB-flashdrev, og tilbyder højere ydeevne, holdbarhed og slidstyrke , hvilket resulterer i en højere pris pr. gigabyte.

I mellemtiden har traditionelle harddiske fortsat med at udvikle sig. En nyere teknologi er Shingled Magnetic Recording (SMR) . I stedet for at skrive separate spor, overlapper de delvist hinanden som tagsten , hvilket skærer spor uden at miste relevant indhold.

Dette muliggør øget kapacitet i det samme fysiske rum , samtidig med at lave omkostninger opretholdes og den eksisterende harddiskinfrastruktur udnyttes. SMR findes allerede i mange moderne harddiske, især i højkapacitetsserier designet til masselagring og arkivering.

Fra fysisk lager til datacenter: siloer, søer og big data

Den eksplosive vækst inden for digital information førte til, at organisationer skabte store logiske lagringssystemer. Dette gav anledning til datasiloer , som er sæt af information, der er lagret for en specifik afdeling eller et specifikt system, og som er inkompatible eller vanskelige at integrere med resten af ​​virksomheden.

I starten blev disse siloer set som mærkelige dataøer; med tiden blev de en værdifuld informationskilde til Big Data , der muliggjorde kombination og analyse af store mængder historiske data. Senere opstod konceptet med en Data Lake.

En datasø lagrer information i sit originale, ubehandlede format , typisk administreret ved hjælp af NoSQL-databaser. Disse systemer accepterer strukturerede, semistrukturerede og ustrukturerede data, hvilket giver analytikere og AI-algoritmer mulighed for at behandle informationen efter behov.

Ifølge initiativer som BBVA OpenMind anvender datasøer flade arkitekturer uden rigide hierarkiske strukturer for at muliggøre fleksibel adgang og holde omkostningerne nede. De er blevet essentielle komponenter til Big Data og kunstig intelligens-projekter.

Skyen og onlinelagring: data overalt

Det næste store skift var ikke så meget et nyt fysisk medie som en ændring i model takket være højhastighedsnetværk . Forbedret båndbredde og billigere diskplads gjorde det muligt at bygge enorme datacentre, der var tilgængelige via internettet.

Således blev cloud computing født , og med det cloud storage . Fra brugerens synspunkt tilbyder skyen stort set ubegrænset kapacitet, tilgængelig fra enhver enhed og placering , mod et gebyr eller endda gratis, hvis begrænsninger accepteres.

I praksis er "skyen" en massiv samling af servere, diskarrays, SSD'er, bånd og interne netværk . Den bruges til både sikkerhedskopiering og primær lagring af dokumenter, fotos og videoer . Hvis du bruger e-mail, sociale medier eller streamingtjenester, bruger du allerede cloudlagring dagligt.

Udbydere har været nødt til at styrke sikkerheden gennem kryptering, godkendelse og adgangskontrol, fordi en fælles arkitektur udgør udfordringer med hensyn til fortrolighed. Sektorer som bankvirksomhed er underlagt strenge regler for at afbøde disse risici.

Ud over generel onlinelagring findes der specifikke trådløse lagringsløsninger til hjemmet . Et historisk eksempel er Apple AirPort Time Capsule , en Wi-Fi-enhed, der integrerede en router og en harddisk på op til 3 TB, designet til automatiske sikkerhedskopier og trådløs dataadgang fra Apple-enheder.

Nye grænser: hologrammer, DNA og ultra-langtidsholdbare materialer

Stillet over for den forventede tsunami af data i de kommende årtier udforsker lagringsforskning veje, der er meget forskellige fra diske eller flashdrev. En af disse er holografisk hukommelse , som lagrer digitale data inden for volumen af ​​et materiale såsom krystaller eller fotopolymerer , i stedet for at være begrænset til dets overflade.

Den store fordel ved holografisk hukommelse er, at den kan udnytte tykkelsen af ​​lagringsmediet til at lagre information i 3D (Bragg-volumen) og opnå enorme tætheder. Selvom der findes prototyper, er det endnu ikke en udbredt teknologi, men den er ved at fremstå som en af ​​de mulige langsigtede løsninger til arkivering med meget høj tæthed.

Et andet fascinerende felt er DNA-lagring . DNA, livets molekyle, kan kode en svimlende mængde information: anslået 2,2 petabyte pr. gram . I teorien kunne alle de data, som menneskeheden genererer, passe ind i en skefuld DNA.

Derudover er DNA et ekstremt holdbart medium , der er i stand til at bevare information i tusinder af år, hvis det opbevares korrekt. Det nuværende problem er omkostninger og hastighed: kodning af mindre end 100 KB data kan koste omkring $1500, og syntese- og sekventeringsprocesser forbliver langsomme.

Brugen af ​​kunstigt DNA eller modificerede biomolekyler undersøges for at reducere omkostningerne og hastigheden af ​​disse operationer, men det er stadig på forsøgsstadiet. Ideen er dog klar: at gå fra diske og chips til reel molekylær lagring.

Parallelt hermed åbner nanoteknologier døre for anvendelser som brugen af ​​kulstofisotoper (f.eks. kulstof-12-atomer for "0" og kulstof-13-atomer for "1") eller særligt stabile mineralmaterialer. I 2023 annoncerede virksomheden Cerabyte et system, der bruger en laser til at gravere tredimensionelle dataarrays svarende til QR-koder på et mineralsubstrat , der er modstandsdygtigt over for ekstreme temperaturer, brand, oversvømmelser og strømstød, med en estimeret levetid på over 5000 år.

Pålidelighed, bitrot og kopier: den mindre glamourøse side af opbevaring

Uanset lagringsmediet har de alle ét problem tilfælles: de har en begrænset levetid og er modtagelige for fejl . Harddiske kan blive beskadiget af stød, bånd kan blive afmagnetiserede, optiske diske kan forringes, og flashhukommelse kan miste sin ladning over tid.

Et ofte nævnt fænomen er bitrot , den stille nedbrydning, hvor nogle bits ændrer værdi uden at være umiddelbart mærkbar . Dette påvirker især langtidslagringsmedier såsom gamle harddiske, bånd eller flashdrev, der går mange år uden at blive læst.

Derfor anbefales det at tilgå lagringsmedier med jævne mellemrum (for eksempel at læse et USB-drev en gang imellem) og replikere informationen til nye medier med et par års mellemrum. Systemer som RAID med fejlkorrigerende koder muliggør rekonstruktion af beskadigede data ved at indføre redundans, men de eliminerer aldrig risikoen fuldstændigt.

Med hensyn til klassificering skelner vi typisk mellem primær lagring (RAM, cache), som er ultrahurtig, men flygtig og direkte tilgængelig for processoren, og sekundær lagring (diske, SSD'er, bånd, cloud-lagring), som er langsommere, men ikke-flygtig. Inden for sekundær lagring skelner vi yderligere mellem sekventiel adgang (bånd) og tilfældig adgang (diske, SSD'er, flash-lagring), afhængigt af om vi kan hoppe direkte til de data, vi ønsker, eller om vi skal scanne alle data fra starten.

Uanset teknologien er det eneste reelle forsvar mod datatab redundans og velplanlagte sikkerhedskopier . Og når man håndterer følsomme oplysninger, kommer kryptografi i spil , både offentlig nøgle (RSA osv.) og symmetrisk nøgle (AES, DES), hvilket er særligt relevant i cloud-lagringssammenhænge.

Samlet set har lagringens historie ført os fra enorme maskiner med et kapacitet på få kilobyte til bittesmå chips, der kan håndtere terabyte, og distribuerede systemer, der administrerer zettabyte; og alligevel fortsætter vi med at søge efter nye, tættere, mere holdbare og mere sikre lagringsmedier , fra hologrammer til DNA eller eksotiske mineralmaterialer. Alt tyder på, at de næste spring, ligesom det har været tilfældet indtil videre, vil kombinere fysiske innovationer med stadig mere intelligente netværksarkitekturer for fortsat at gøre det muligt for os at lagre og hente, næsten uden at vi er klar over det, den enorme mængde data, vi producerer hver dag.