Eldre lagring og utviklingen av dataenheter

Informatec Digital » Ressurser » Eldre lagring og utviklingen av dataenheter

Gjennom historien har menneskeheten funnet opp alle slags triks og virkemidler for å lagre informasjon : fra leirtavler og hullkort til dataskyer spredt over hele kloden. Mengden data vi genererer i dag er så svimlende at hjernen vår, uansett hvor utviklet den er, kommer til kort og trenger teknologisk hjelp.

Å forstå hvordan vi har gått fra noen få kilobyte i et metallskap til terabyte i lommene våre og zettabyte i distribuerte datasentre er ikke bare en historisk kuriositet: det forklarer hvorfor vi jobber slik vi gjør, hvordan vi konsumerer digital underholdning, og hvilke risikoer vi står overfor for å miste minner, dokumenter eller kunnskap hvis vi velger feil lagringsmedium.

Fra menneskets hukommelse til de første datalagringsmaskinene

Før vi diskuterer disker, kassetter eller skyer, er det verdt å huske at den første lagringsenheten er den menneskelige hjernen, med dens begrensede og ufullkomne biologiske hukommelse . Evolusjonen økte dens størrelse og kapasitet: arter som Australopithecus afarensis hadde hjerner på rundt 400–500 cm³, Homo habilis nådde 600–700 cm³, Homo erectus nådde 800–1100 cm³, og neandertalere var rundt 1200–1600 cm³ . Moderne mennesker, Homo sapiens, har hjerner på rundt 1230 cm³.

Dette spranget tillot oss å produsere verktøy, skape kulturer, ritualer og komplekse språk , men hukommelsen er fortsatt skjør: vi glemmer, forvrenger minner og klarer ikke å håndtere den nåværende skredet av data. Derfor behovet for å utvikle eksterne enheter som lagrer informasjon stabilt , uten å være avhengige av nevronene våre.

Hulkort: hullenes språk

Det første store spranget mot digital lagring var mekanisk: hullkort . I 1725 utviklet franskmannen Basile Bouchon et system med perforerte kort for å kontrollere vevstoler. Det var ikke databehandling i moderne forstand, men det var en metode for å kode og gjenbruke instruksjoner.

I 1837 designet den britiske matematikeren Charles Babbage sin berømte Analytical Engine , en regnemaskin med bevegelige deler som brukte hullkort for både kommandoer og resultater. Hullene fungerte som av/på-brytere , og forutså binær kode.

Senere satte amerikaneren Herman Hollerith denne ideen ut i livet med sin Analytical Engine for the Census (analytisk motor for folketellingen): hullene representerte instruksjoner og også data som maskinen kunne lese automatisk. I flere tiår var hullkort standard lagringsmedium for programmer og data i mange datamaskiner.

Fra 60-tallet og utover begynte de å bli erstattet av magnetiske teknologier, selv om de fortsatte å bli brukt langt inn på 80-tallet til oppgaver som standardiserte tester eller elektronisk avstemning på hullpapir.

Begynnelsen til magnetisme: bånd, trommer og kjerner

På 50-tallet omfavnet databehandling magnetisme for lagring av informasjon. Grunnideen er enkel: belegg et medium med magnetiserbart materiale og organiser det i ørsmå domener (dipoler) som representerer biter.

I 1928 patenterte den tyske ingeniøren Fritz Pfleumer magnetbånd , inspirert av Valdemar Poulsens magnetkabel. I 1965 introduserte Mohawk Data Sciences en magnetbåndkoder som var utviklet for gradvis å erstatte hullkort . Båndene tilbød større kapasitet til en lavere pris, selv om tilgangen forble sekvensiell.

I 1932 oppfant østerrikeren Gustav Taushek den magnetiske trommelen , en sylinder belagt med magnetiserbart materiale. Disse trommene kunne lagre rundt ti tusen ord og var de direkte forgjengerne til moderne harddisker, og ga raskere tilgang enn bånd.

Rundt samme tid dukket det opp teknologier for hovedminne. Mellom slutten av 40-tallet og 50-tallet ble magnetisk kjerneminne , også kalt toroidminne, utviklet: små ringer av ferromagnetisk materiale gjennomskåret av ledende ledninger. Hver kjerne lagret én bit , og dens magnetiske tilstand kunne leses og skrives raskt.

I 1953 kjøpte MIT patentet og bygde Whirlwind- datamaskinen , en pioner innen bruk av magnetisk kjerneminne som RAM. Den var mye raskere og mer pålitelig enn hullkort, men produksjonen var kompleks og dyr , og krevde svært presis og arbeidskrevende montering.

Elektroniske minner: fra Williams-røret til halvlederen

Før transistorer revolusjonerte alt, fantes det mellomliggende elektroniske lagringsløsninger. I 1946 utviklet professor Frederick C. Williams og Tom Kilburn det såkalte Williams-røret ved Universitetet i Manchester. Det var et modifisert katodestrålerør som tillot lagring av binære data som ladningsmønstre på skjermen . Det ble brukt som RAM i tidlige datamaskiner med lagrede programmer.

I 1948 dukket det opp en annen uvanlig teknologi: Selectron , en termionisk ventil som kan fungere som et RAM-kort (random access memory ). Den ble utviklet av Jan A. Rajchman og teamet hans ved Radio Corporation of America (RCA). Selv om den var teknisk interessant, begrenset kompleksiteten og kostnadene bruken betydelig.

I 1949 ble forsinkelseslinjeminne introdusert , basert på å utnytte tiden det tar for et signal å forplante seg gjennom et fysisk medium (for eksempel kvikksølv eller kvarts). Biter ble kodet som pulser som sirkulerte kontinuerlig gjennom mediet; det var en genial løsning, men ikke veldig fleksibel sammenlignet med senere RAM.

På slutten av 50-tallet ble magnetisk kjerneminne den dominerende RAM-en, helt til halvledere begynte å dukke opp på 60- og 70-tallet . I 1966 begynte det nydannede Intel å selge 2000-bits halvlederminnebrikker , der hver celle inneholdt miniatyriserte transistorer eller kondensatorer.

I 1966 dukket også DRAM (Dynamic Random Access Memory) opp . I DRAM lagres hver bit som en elektrisk ladning i en kondensator . Det er et flyktig minne: hvis strømmen slås av, går informasjonen tapt. Det er imidlertid svært tett og billig, så det ble standard hovedminne i personlige datamaskiner og servere.

I motsetning til dette er ROM (Read-Only Memory) programmert permanent og beholder data selv når enheten er slått av, noe som er veldig nyttig for lagring av fastvare og oppstartsrutiner.

Avanserte magnetiske innovasjoner: Twistor og Bubble Memory

I 1957 oppfant forskeren Andrew Bobeck Twistor-minne ved Bell Labs . Denne teknologien pakket magnetbånd rundt en ledende ledning , i stedet for å bruke toroidformede kjerner, noe som reduserte vekt, strømforbruk og produksjonskostnader.

Bell Labs presenterte Twistor som et overlegent alternativ til magnetiske kjerner: billigere, lettere og enklere å produsere . Det kommersielle vinduet var imidlertid kort, fordi mer kompakte og skalerbare halvleder-RAM-brikker snart kom.

Basert på denne forskningen utviklet Bobeck det berømte bobleminnet i 1980. Denne teknologien brukte en veldig tynn film av magnetisk materiale der små magnetiserte områder, «boblene», ble dannet , som hver representerte en bit. Det var ikke-flyktig og ganske robust , men vanskelig å produsere i stor skala.

Magnetiske disker og bånd: fra IBM 350 til disketten

Det store spranget til det vi er kjent med i dag kom med magnetiske disker . I 1951 hadde UNIVAC I allerede båndstasjoner som kunne lagre opptil 128 ord per tomme. Men kongen av det moderne partiet var harddisken.

I 1956 lanserte IBM IBM 350 , som regnes som den første moderne harddisken. Den hadde en kapasitet på omtrent 4,4 MB , besto av femti 24-tommers plater som snurret med 1200 o/min, og var omtrent på størrelse med et kjøleskap og veide over et tonn. Likevel tilbød den svært rask tilfeldig tilgang sammenlignet med bånd.

Over tid førte forbedringer innen magnetisk opptaksteknologi til at harddisker økte i kapasitet, falt i pris og ble miniatyriserte , noe som til slutt førte til dagens stasjonære og bærbare harddisker, med flere terabyte i 3,5- eller 2,5-tommers formater, en avgjørelse som nå sammenlignes med SSD kontra ekstern harddisk.

Ved siden av de store harddiskene promoterte IBM også disketter . I 1971–1972 dukket det opp 8-tommers disketter , med en startkapasitet på omtrent 80 KB. De besto av en disk av fleksibelt materiale belagt med magnetisk oksid, inne i et beskyttende omslag.

I 1975 utviklet Allan Shugart 5,25-tommers disketten , som var mer håndterbar for personlige datamaskiner. Disse diskettene hadde en kapasitet på rundt 110 KB i sine tidlige versjoner og var raskere og billigere enn 8-tommers disketter. I 1978 var det allerede omtrent ti produsenter som produserte 5,25-tommers stasjoner.

Tidlig på 80-tallet kom den klassiske 3,5-tommers disketten på banen , med sitt stive deksel og en metallflik som beskyttet den magnetiske overflaten. Den var mer holdbar, mer kompakt og hadde større kapasitet enn forgjengerne. Den ble så populær at selv i dag, i mange programmer, er «Lagre»-ikonet fortsatt en diskett.

Til tross for at de praktisk talt er foreldet i den innenlandske sfæren, har noen kritiske infrastrukturer, som visse militære eller atomvåpensystemer, opprettholdt diskettstasjoner i overraskende mange år, nettopp på grunn av deres enkelhet og isolasjon, en praksis knyttet til hvordan man oppbevarer gamle PC-er.

Magnetbånd i databehandling: fra sikkerhetskopiering til lang levetid

Selv om den sekvensielle tilgangen til magnetbånd gjør den tregere enn disker, har det lave kostnads-/kapasitetsforholdet og holdbarheten holdt den som et stjernemedium for massive sikkerhetskopier.

På 80-tallet dukket det opp formater som lydkassett tilpasset data, mye brukt i hjemmemikrodatamaskiner, og senere spesifikke sikkerhetskopieringsbånd som DAT (Digital Audio Tape) , utviklet av Sony i 1987. Det var en redesignet kassett, med 4 mm bånd i en kompakt kassett.

I 1989 lanserte Sony og Hewlett-Packard DDS-standarden (Digital Data Storage) , en videreutvikling av DAT med fokus på datalagring på datamaskiner. Den tilbød økende kapasitet i relativt små formater , ideelt for bedrifter.

Optiske plater: CD, DVD og Blu-ray

Mens magnetisk opptak dominerte, tok en annen revolusjonerende tilnærming form: optisk lagring ved hjelp av lasere . På 60-tallet jobbet oppfinneren James T. Russell med ideen om å bruke lys til å ta opp og spille av musikk. I årevis ble det ansett som lite mer enn en nyhet.

I 1975 investerte Sony og Philips tungt i prosjektet hans og finansierte utviklingen av det. Resultatet ble kompaktplaten (CD) , som ble kommersielt lansert i 1980. For lyd kunne den lagre rundt 700 MB data i dataformat, en enorm mengde på den tiden sammenlignet med disketter.

I 1984 dukket CD-ROM-en (Compact Disc Read-Only Memory) opp , som brukte samme fysiske format som lyd-CD-er, men kodet datadata. Mikrogroper og flate områder (land) er etset inn i plastoverflaten på platen , som laseren tolker som biter.

Senere dukket det opp skrivbare varianter: den bare-skrivbare CD-R-en og den overskrivbare CD-RW-en , introdusert i 1995. Dette tillot enhver bruker å spille inn og slette data flere ganger på samme plate.

I 1995 kom DVD-en (Digital Versatile Disc) , som økte datalagringskapasiteten betraktelig. En enkeltlags-DVD hadde 4,7 GB , og tolags-DVD-er hadde dobbelt så mye lagringsplass. Den ble standarden for hjemmevideo og distribusjon av store programvarer.

Som en forsøkt rival dukket HD-DVD- formatet opp i 2005 , promotert av Toshiba, NEC og Sanyo. Det tilbød HD, men den kommersielle kampen ble til slutt vunnet av Blu-ray , lansert i 2003 og basert på en blåfiolett laser med kortere bølgelengde , som gjør at mer informasjon kan lagres på samme fysiske plass.

Blu-ray etablerte seg som et medium for HD-video og lagring med høy tetthet , med kapasiteter på 25 GB per lag og flerlagsvarianter som når titalls gigabyte per plate.

Magneto-optiske medier og hybridformater

Mellom ren magnetisme og optiske plater oppsto en hybridfamilie: magneto-optiske plater . De ble introdusert rundt 1990 og kombinerte magnetiske og optiske teknikker for å lagre og lese data.

Disse platene, ofte 3,5 eller 5,25 tommer i kassetter, brukte en laser til å varme opp overflaten lokalt og et magnetfelt for å orientere platene. Avlesningen var basert på variasjoner i polariseringen av det reflekterte lyset (Kerr-effekten) . De var holdbare og kunne skrives om igjen , selv om de var dyrere og mer komplekse enn CD-er eller DVD-er.

90-tallet så også noen kortlivede, men interessante formater. I 1992 lanserte Sony MiniDisc , designet for å erstatte lydkassetten og også lagre data (i MD Data-versjoner), med en kapasitet på rundt 140 MB. I 1994 lanserte Iomega Zip og senere Jaz , flyttbare disker med høy kapasitet for den tiden (100 MB til 1 GB), som forsøkte å fylle gapet mellom disketten og de første eksterne harddiskene.

Flashminne og USB-stasjoner: det store spranget med bærbare enheter

På slutten av 90-tallet kom en stille revolusjon: flashminne , en type ikke-flyktig elektronisk lagring. Selv om det opprinnelig ble designet for kameraer og bærbare enheter , spredte det seg raskt til alt.

I 1993 ble CompactFlash (CF) introdusert , et kort som integrerte flashminne i et robust format. Det ble mye brukt som intern lagring i digitale kameraer og noen innebygde datamaskiner . Kort tid etter kom SmartMedia (Toshiba, 1995) og multimediakortet (MMC) fra Siemens og SanDisk i 1997.

I 1999 lanserte IBM Microdrive , en miniharddisk på størrelse med et kompaktkort, og i 2000 ble Secure Digital (SD)-kort populære , med innebygd kryptering og standardmål på 32 x 32 x 2,1 mm. SD-kort ble de facto-standarden for mobiltelefoner, kameraer og en rekke bærbare enheter.

Det store vendepunktet for den gjennomsnittlige brukeren var USB-minnepinnen . Rundt år 2000 introduserte det singaporeanske selskapet Trek 2000 International ThumbDrive , som regnes som den første kommersielt vellykkede USB-minnepinnen. Den brukte NAND-flashminne og koblet seg direkte til en USB-port , uten behov for ekstern strøm eller kompliserte kontrollere, selv om det noen ganger er nyttig å være oppmerksom på potensielle problemer med USB-huber . Disse stasjonene, også kalt minnepenner, USB-pinner eller flash-stasjoner , tilbød kapasiteter som startet på bare noen få megabyte og vokste snart til titalls gigabyte. De hadde ingen bevegelige deler, tålte tusenvis av skrivesykluser og var svært motstandsdyktige mot støt og elektromagnetisk interferens . Med dette erstattet de disketter og begynte å overskygge CD-er og DVD-er som lagringsmedium.

Solid State-disker (SSD-er) og SMR-er: Akselerer og press kapasiteten

Den samme flashminneteknologien ga opphav til solid-state-disker (SSD-er) . Disse enhetene fungerer som harddisker fra operativsystemets perspektiv, men internt er de sammenkoblede sett med flashbrikker , uten plater eller lese-/skrivehoder. Hvis du er interessert i forskjellen med andre teknologier som NVMe-lagring , er det ganske avslørende.

De første kommersielt vellykkede SSD-ene kom fra selskaper som SanDisk og spredte seg raskt til bærbare og stasjonære datamaskiner, og fortrengte harddisker der tilgangshastighet og redusert strømforbruk var nøkkelen. Brikkene deres skiller seg fra de som vanligvis finnes i USB-minnepinner, og tilbyr høyere ytelse, holdbarhet og slitestyrke , noe som betyr en høyere pris per gigabyte.

I mellomtiden har tradisjonelle harddisker fortsatt å utvikle seg. En nyere teknologi er Shingled Magnetic Recording (SMR) . I stedet for å skrive separate spor, overlappes de delvis som takstein , og kutter spor uten å miste relevant innhold.

Dette gir økt kapasitet på samme fysiske plass , samtidig som lave kostnader opprettholdes og den eksisterende HDD-infrastrukturen utnyttes. SMR finnes allerede i mange moderne harddisker, spesielt i serier med høy kapasitet designet for masselagring og arkivering.

Fra fysisk lager til datasenter: siloer, innsjøer og stordata

Den eksplosive veksten av digital informasjon førte til at organisasjoner skapte store logiske lagringssystemer. Dette ga opphav til datasiloer , som er sett med informasjon lagret for en bestemt avdeling eller et bestemt system, inkompatible eller vanskelige å integrere med resten av selskapet.

I starten ble disse siloene sett på som merkelige dataøyer; over tid ble de en verdifull informasjonskilde for stordata , som muliggjorde kombinasjon og analyse av store mengder historiske data. Senere dukket konseptet med en datasjø opp.

En datasjø lagrer informasjon i sitt opprinnelige, ubehandlede format , vanligvis administrert ved hjelp av NoSQL-databaser. Disse systemene aksepterer strukturerte, semistrukturerte og ustrukturerte data, slik at analytikere og AI-algoritmer kan behandle informasjonen på forespørsel.

Ifølge initiativer som BBVA OpenMind bruker datasjøer flate arkitekturer , uten rigide hierarkiske strukturer, for å legge til rette for fleksibel tilgang og holde kostnadene nede. De har blitt essensielle komponenter for stordata- og kunstig intelligens-prosjekter.

Skyen og nettlagring: data overalt

Det neste store skiftet var ikke så mye et nytt fysisk medium som en modellendring takket være høyhastighetsnettverk . Forbedret båndbredde og billigere diskplass gjorde det mulig å bygge enorme datasentre tilgjengelige via internett.

Dermed ble skytjenester født , og med det også skylagring . Fra brukerens synspunkt tilbyr skyen praktisk talt ubegrenset kapasitet, tilgjengelig fra enhver enhet og sted , mot et gebyr eller til og med gratis hvis begrensninger aksepteres.

I praksis er «skyen» en massiv samling av servere, diskarrayer, SSD-er, bånd og interne nettverk . Den brukes til både sikkerhetskopiering og primær lagring av dokumenter, bilder og videoer . Hvis du bruker e-post, sosiale medier eller strømmetjenester, bruker du allerede skylagring daglig.

Leverandører har måttet styrke sikkerheten gjennom kryptering, autentisering og tilgangskontroller fordi en delt arkitektur medfører utfordringer knyttet til konfidensialitet. Sektorer som bankvirksomhet er underlagt strenge forskrifter for å redusere disse risikoene.

I tillegg til generell nettlagring finnes det spesifikke trådløse lagringsløsninger for hjemmet . Et historisk eksempel er Apple AirPort Time Capsule , en Wi-Fi-enhet som integrerte en ruter og en harddisk på opptil 3 TB, designet for automatiske sikkerhetskopier og trådløs datatilgang fra Apple-enheter.

Nye grenser: hologrammer, DNA og materialer med ultralang levetid

Stilt overfor den forventede tsunamien av data i de kommende tiårene, utforsker lagringsforskning veier som er svært forskjellige fra disker eller flash-stasjoner. En av disse er holografisk minne , som lagrer digitale data innenfor volumet av et materiale som krystaller eller fotopolymerer , i stedet for å være begrenset til overflaten.

Den store fordelen med holografisk minne er at det kan utnytte tykkelsen på lagringsmediet til å lagre informasjon i 3D (Bragg-volum), og oppnå enorme tettheter. Selv om prototyper finnes, er det ennå ikke en mye brukt teknologi, men den fremstår som en av de mulige langsiktige løsningene for arkivering med svært høy tetthet.

Et annet fascinerende felt er DNA-lagring . DNA, livets molekyl, kan kode en svimlende mengde informasjon: anslagsvis 2,2 petabyte per gram . I teorien kan alle dataene generert av menneskeheten få plass i en skje med DNA.

Videre er DNA et ekstremt langvarig medium , som er i stand til å bevare informasjon i tusenvis av år hvis det lagres riktig. Det nåværende problemet er kostnad og hastighet: koding av mindre enn 100 KB data kan koste rundt 1500 dollar, og syntese- og sekvenseringsprosesser er fortsatt trege.

Bruken av kunstig DNA eller modifiserte biomolekyler blir undersøkt for å redusere kostnadene og hastigheten på disse operasjonene, men det er fortsatt på eksperimentell stadie. Ideen er imidlertid klar: å gå fra disker og brikker til virkelig molekylær lagring.

Parallelt åpner nanoteknologi dører for bruksområder som bruk av karbonisotoper (for eksempel karbon-12-atomer for «0» og karbon-13-atomer for «1») eller spesielt stabile mineralmaterialer. I 2023 annonserte selskapet Cerabyte et system som bruker en laser til å gravere tredimensjonale datamatriser som ligner på QR-koder på et mineralsubstrat , motstandsdyktig mot ekstreme temperaturer, brann, flom og strømstøt, med en estimert levetid på over 5000 år.

Pålitelighet, bitråte og kopier: den mindre glamorøse siden av lagring

Uansett lagringsmedium har de alle ett problem til felles: de har begrenset levetid og er utsatt for feil . Harddisker kan bli skadet av støt, bånd kan bli avmagnetiserte, optiske plater kan svekkes, og flashminne kan miste lading over tid.

Et ofte nevnt fenomen er bitrot , den stille nedbrytningen der noen biter endrer verdi uten å være umiddelbart merkbare . Dette påvirker spesielt langtidslagringsmedier som gamle harddisker, bånd eller flash-stasjoner som går mange år uten å bli lest.

Derfor anbefales det å bruke lagringsmedier med jevne mellomrom (for eksempel lese en USB-stasjon av og til) og kopiere informasjonen til nye medier med noen års mellomrom. Systemer som RAID med feilrettingskoder tillater rekonstruksjon av skadede data ved å introdusere redundans, men de eliminerer aldri risikoen fullstendig.

Når det gjelder klassifisering, skiller vi vanligvis mellom primærlagring (RAM, hurtigbuffer), som er ultraraskt, men flyktig og direkte tilgjengelig for prosessoren, og sekundærlagring (disker, SSD-er, bånd, skylagring), som er tregere, men ikke-flyktig. Innen sekundærlagring skiller vi videre mellom sekvensiell tilgang (bånd) og tilfeldig tilgang (disker, SSD-er, flashlagring), avhengig av om vi kan hoppe direkte til dataene vi ønsker eller om vi må skanne alle dataene fra begynnelsen.

Uansett teknologi er det eneste virkelige forsvaret mot datatap fortsatt redundans og godt planlagte sikkerhetskopier . Og når man håndterer sensitiv informasjon, kommer kryptografi inn i bildet , både offentlig nøkkel (RSA, osv.) og symmetrisk nøkkel (AES, DES), noe som er spesielt relevant i skylagringssammenhenger.

Alt i alt har lagringshistorien tatt oss fra enorme maskiner med noen få kilobyte kapasitet til ørsmå brikker som kan håndtere terabyte og distribuerte systemer som administrerer zettabyte. Likevel fortsetter vi å lete etter nye, tettere, mer holdbare og sikrere lagringsmedier , fra hologrammer til DNA eller eksotiske mineralmaterialer. Alt tyder på at, akkurat som det har vært tilfelle så langt, vil de neste sprangene kombinere fysiske innovasjoner med stadig mer intelligente nettverksarkitekturer for å fortsette å gjøre det mulig for oss å lagre og hente, nesten uten å innse det, den enorme mengden data vi produserer hver dag.