- Еволуција складиштења је напредовала од бушених картица и магнетних трака до чврстих дискова, оптичких уређаја и све компактније и јефтиније флеш меморије.
- Комбинација брзих мрежа и великих дата центара подстакла је облак, језера података и дистрибуирано масивно складиштење великих података.
- Тренутни изазови фокусирају се на издржљивост, безбедност и управљање експоненцијалним растом података, истражујући технологије као што су холографска меморија и складиштење ДНК.
Кроз историју, човечанство је смишљало све врсте трикова и уређаја за складиштење информација : од глинених плочица и бушених картонских картица до облака података раширених широм света. Количина података коју данас генеришемо је толико запањујућа да наши мозгови, колико год еволуирали, заостају и потребна им је технолошка помоћ.
Разумевање како смо прешли пут од неколико килобајта у металном ормарићу до терабајта у нашим џеповима и зетабајта у дистрибуираним центрима података није само историјска куриозитет: објашњава зашто радимо онако како радимо, како конзумирамо дигиталну забаву и са којим ризицима се суочавамо од губитка успомена, докумената или знања ако изаберемо погрешан медијум за складиштење.
Од људског памћења до првих машина за складиштење података
Пре него што почнемо са дискусијом о дисковима, тракама или облацима, вреди запамтити да је први уређај за складиштење података људски мозак, са својим ограниченим и несавршеним биолошким памћењем . Еволуција је повећала његову величину и капацитет: врсте попут Australopithecus afarensis имале су мозак од око 400-500 цм³, Homo habilis је достигао 600-700 цм³, Homo erectus је достигао 800-1100 цм³, а неандерталци око 1200-1600 цм³ . Модерни људи, Homo sapiens, имају мозак од око 1230 цм³.
Овај скок нам је омогућио да производимо алате, стварамо културе, ритуале и сложене језике , али памћење остаје крхко: заборављамо, искривљујемо сећања и нисмо у стању да се носимо са тренутном лавином података. Отуда потреба за развојем екстерних уређаја који стабилно складиште информације , без зависности од наших неурона.
Бушене картице: језик рупа
Први велики скок ка дигиталном складиштењу био је механички: бушене картице . Године 1725, Француз Базил Бушон је осмислио систем перфорираних картица за контролу разбоја. То није било рачунарство у модерном смислу, али је био метод кодирања и поновне употребе инструкција.
Године 1837, британски математичар Чарлс Бебиџ је пројектовао своју чувену Аналитичку машину , рачунску машину са покретним деловима која је користила бушене картице и за команде и за резултате. Рупе су деловале као прекидачи за укључивање/искључивање , предвиђајући бинарни код.
Касније је Американац Херман Холерит ову идеју применио у пракси са својом Аналитичком машином за попис становништва: пробушене рупе су представљале инструкције, а такође и податке које је машина могла аутоматски да чита. Деценијама су бушене картице биле стандардни медијум за складиштење програма и података у многим рачунарима.
Од 60-их па надаље почеле су да их замењују магнетне технологије, иако су се наставиле користити и током 80-их за задатке као што су стандардизовани тестови или електронско гласање на бушеном папиру.
Почеци магнетизма: траке, бубњеви и језгра
Педесетих година прошлог века, свет рачунарства је прихватио магнетизам за складиштење информација. Основна идеја је једноставна: премазати медијум магнетизирајућим материјалом и организовати га у ситне домене (диполе) који представљају битове.
Године 1928, немачки инжењер Фриц Пфлеумер патентирао је магнетну траку , инспирисан магнетним каблом Валдемара Поулсена. Године 1965, компанија Mohawk Data Sciences представила је енкодер магнетне траке дизајниран да постепено замени бушене картице . Траке су нудиле већи капацитет по нижој цени, иако је приступ остао секвенцијалан.
Године 1932, Аустријанац Густав Таушек изумео је магнетни бубањ , цилиндар обложен магнетним материјалом. Ови бубњеви могли су да складиште око десет хиљада речи и били су директни претходници модерних чврстих дискова, нудећи бржи приступ од траке.
Отприлике у исто време, појавиле су се технологије за главну меморију. Између касних 40-их и 50-их, развијена је меморија са магнетним језгром , такође названа тороидна меморија: мали прстенови од феромагнетног материјала кроз које пролазе проводљиве жице. Свако језгро је чувало један бит , а његово магнетно стање се могло брзо читати и писати.
Године 1953, МИТ је стекао патент и направио рачунар Вихорвинд , пионира у коришћењу меморије са магнетним језгром као РАМ меморије. Био је много бржи и поузданији од бушених картица, али је његова производња била сложена и скупа , захтевајући веома прецизну и мукотрпну монтажу.
Електронске меморије: од Вилијамсове цеви до полупроводника
Пре него што су транзистори револуционисали све, постојала су средња електронска решења за складиштење података. Године 1946, професор Фредерик К. Вилијамс и Том Килбурн развили су такозвану Вилијамсову цев на Универзитету у Манчестеру. Била је то модификована катодна цев која је омогућавала чување бинарних података као образаца наелектрисања на екрану . Коришћена је као РАМ меморија у раним рачунарима са складиштеним програмом.
Године 1948, појавила се још једна необична технологија: Селектрон , термионски вентил способан да функционише као меморија са случајним приступом . Развио га је Јан А. Рајчман и његов тим у Америчкој радио корпорацији (RCA). Иако технички занимљив, његова сложеност и цена значајно су ограничили његово усвајање.
Године 1949, представљена је меморија са линијом кашњења , заснована на искоришћавању времена потребног сигналу да се прошири кроз физички медијум (на пример, жива или кварц). Битови су кодирани као импулси који су континуирано кружили кроз медијум; то је било генијално решење, али не баш флексибилно у поређењу са каснијом RAM меморијом.
Крајем педесетих година прошлог века, меморија са магнетним језгром постала је доминантна RAM меморија, све док се полупроводници нису почели појављивати шездесетих и седамдесетих година . Године 1966, новоосновани Интел је почео да продаје 2000-битне полупроводничке меморијске чипове , где је свака ћелија садржала минијатуризоване транзисторе или кондензаторе.
Године 1966, појавила се и DRAM (динамичка меморија са случајним приступом) . У DRAM-у, сваки бит се чува као електрични набој у кондензатору . То је испарљива меморија: ако се искључи напајање, информације се губе. Међутим, веома је густа и јефтина, па је постала стандардна главна меморија у персоналним рачунарима и серверима.
Насупрот томе, ROM (Read-Only Memory) је трајно програмиран и чува податке чак и када је уређај искључен, што је веома корисно за чување фирмвера и рутина покретања.
Напредне магнетне иновације: Твистор и меморија мехурића
Године 1957, истраживач Ендру Бобек је изумео Твистор меморију у Бел лабораторијама . Ова технологија је обмотала магнетну траку око проводљиве жице , уместо коришћења тороидалних језгара, што је смањило тежину, потрошњу енергије и трошкове производње.
Белове лабораторије су представиле Твистор као супериорну алтернативу магнетним језгрима: јефтинију, лакшу и једноставнију за производњу . Међутим, његов комерцијални период је био кратак, јер су убрзо стигли компактнији и скалабилнији полупроводнички РАМ чипови.
На основу овог истраживања, Бобек је 1980. године развио чувену технологију „меморија мехурића“. Ова технологија је користила веома танак филм магнетног материјала у коме су формиране мале магнетизоване области, „мехурићи“ , од којих сваки представља бит. Била је неиспарљива и прилично робусна , иако је тешка за производњу у великим размерама.
Магнетни дискови и траке: од IBM 350 до флопи диска
Велики скок ка ономе што данас познајемо дошао је са магнетним дисковима . Године 1951, UNIVAC I је већ имао тракасте уређаје способне да складиште до 128 речи по инчу. Али краљ модерне забаве био је хард диск.
Године 1956, IBM је лансирао IBM 350 , који се сматра првим модерним чврстим диском. Имао је капацитет од око 4,4 MB , састојао се од педесет плоча од 24 инча које су се окретале брзином од 1200 о/мин, и био је величине фрижидера, тежак преко тоне. Упркос томе, нудио је веома брз случајни приступ у поређењу са тракама.
Временом, побољшања у технологији магнетног снимања довела су до повећања капацитета чврстих дискова, смањења цене и минијатуризације , што је на крају довело до данашњих HDD-ова за десктоп и лаптоп рачунаре, са неколико терабајта у форматима од 3,5 или 2,5 инча, одлука која се сада упоређује са SSD-ом у односу на екстерни HDD.
Уз велике HDD дискове, IBM је такође промовисао флопи дискове . 1971-1972. године појавиле су се флопи дискови од 8 инча , са почетним капацитетом од око 80 KB. Састојали су се од диска од флексибилног материјала обложеног магнетним оксидом, унутар заштитног омотача.
Године 1975, Алан Шугарт је развио флопи диск од 5,25 инча , који је био лакши за коришћење на персоналним рачунарима. Ови дискови су имали капацитет од око 110 KB у својим раним верзијама и били су бржи и јефтинији од дискова од 8 инча. До 1978. године већ је постојало око десет произвођача који су производили дискове од 5,25 инча.
Почетком 80-их, на сцену се појавила класична флопи диск од 3,5 инча , са чврстим кућиштем и металним језичком који је штитио магнетну површину. Била је издржљивија, компактнија и имала је већи капацитет од својих претходника. Постала је толико популарна да чак и данас, у многим програмима, икона „Сачувај“ је и даље флопи диск.
Упркос томе што су практично застареле у домаћој сфери, неке критичне инфраструктуре, попут одређених војних или нуклеарних система, одржавале су флопи дискове изненађујуће дуги низ година, управо због своје једноставности и изолације, праксе повезане са начином складиштења старих рачунара.
Магнетна трака у рачунарству: од резервне копије до дуговечности
Иако секвенцијални приступ магнетној траци чини је споријом од дискова, њен низак однос цене и капацитета и издржљивост су је одржали као водећи медијум за масивне резервне копије.
Осамдесетих година прошлог века појавили су се формати попут аудио касете прилагођене за податке, која се широко користила у кућним микрорачунарима, а касније и специфичне резервне траке као што је DAT (Digital Audio Tape) , коју је развио Sony 1987. године. Била је то редизајнирана касета, са траком од 4 мм у компактном кертриџу.
Године 1989, компаније Sony и Hewlett-Packard су покренуле DDS (Digital Data Storage) стандард , еволуцију DAT-а усмереног на складиштење рачунарских података. Нудио је све веће капацитете у релативно малим форматима , идеалним за предузећа.
Оптички дискови: CD, DVD и Blu-ray
Док је магнетно снимање доминирало, обликовао се још један револуционарни приступ: оптичко складиштење помоћу ласера . Шездесетих година прошлог века, проналазач Џејмс Т. Расел радио је на идеји коришћења светлости за снимање и репродукцију музике. Годинама се то сматрало мало више од новинара.
Године 1975, компаније Sony и Philips су значајно инвестирале у његов пројекат и финансирале његов развој. Резултат је био компакт диск (CD) , комерцијално лансиран 1980. године. За аудио, могао је да сачува око 700 MB података у рачунарском формату, што је у то време била огромна количина у поређењу са флопи дисковима.
Године 1984, појавио се CD-ROM (компакт диск са меморијом само за читање) , који је користио исти физички формат као и аудио CD, али је користио кодиране рачунарске податке. Микро-удубљења и равне површине (ландови) су урезане на пластичну површину диска , које ласер интерпретира као битове.
Касније су се појавиле варијанте за снимање: CD-R само за писање и CD-RW за вишекратно писање , представљени 1995. године. Ово је омогућавало сваком кориснику да више пута снима и брише податке на истом диску.
Године 1995, стигао је DVD (Digital Versatile Disc - дигитални вишенаменски диск) , значајно повећавајући капацитет складиштења података. Једнослојни DVD је имао капацитет од 4,7 GB , а двослојни DVD-ови двоструко више. Постао је стандард за кућни видео и велику дистрибуцију софтвера.
Као покушај ривала, HD-DVD формат се појавио 2005. године , а промовисали су га Toshiba, NEC и Sanyo. Нудио је високу дефиницију, али је комерцијалну битку на крају добио Blu-ray , лансиран 2003. године и заснован на краћој таласној дужини плаво-љубичастог ласера , који омогућава складиштење више информација у истом физичком простору.
Блу-реј се етаблирао као медијум за видео високе дефиниције и складиштење високе густине , са капацитетима од 25 ГБ по слоју и вишеслојним варијантама које достижу десетине гигабајта по диску.
Магнетно-оптички медији и хибридни формати
Између чистог магнетизма и оптичких дискова, појавила се хибридна породица: магнето-оптички дискови . Уведени око 1990. године, комбиновали су магнетне и оптичке технике за складиштење и читање података.
Ови дискови, често величине 3,5 или 5,25 инча у кертриџима, користили су ласер за локално загревање површине и магнетно поље за оријентацију плоча. Читање је било засновано на варијацијама у поларизацији рефлектоване светлости (Керов ефекат) . Нудили су добру издржљивост и могућности поновног писања , иако су били скупљи и сложенији од CD-ова или DVD-ова.
Деведесете су такође донеле неке краткотрајне, али занимљиве формате. Године 1992, Сони је објавио МиниДиск , дизајниран да замени аудио касету и такође складишти податке (у MD Data верзијама), са капацитетом од око 140 MB. Године 1994, Иомега је лансирала Зип , а касније и Јаз , преносиве дискове великог капацитета за то време (од 100 MB до 1 GB), који су покушали да попуне празнину између флопи диска и првих екстерних чврстих дискова.
Флеш меморија и УСБ дискови: велики скок у свету преносивих уређаја
Крајем деведесетих година стигла је тиха револуција: флеш меморија , врста неиспарљиве електронске меморије. Иако је првобитно била дизајнирана за камере и преносиве уређаје , убрзо се проширила на све.
Године 1993, представљена је CompactFlash (CF) , картица која је интегрисала флеш меморију у робусном формату. Широко се користила као интерна меморија у дигиталним фотоапаратима и неким уграђеним рачунарима . Убрзо након тога појавили су се SmartMedia (Toshiba, 1995) и Multimedia Card (MMC) од Siemens-а и SanDisk-а 1997. године.
Године 1999, IBM је издао Microdrive , мини хард диск величине компактне картице, а 2000. године су постале популарне Secure Digital (SD) картице , са уграђеном енкрипцијом и стандардним димензијама од 32 x 32 x 2,1 мм. SD картице су постале де факто стандард за мобилне телефоне, камере и мноштво преносних уређаја.
Главна прекретница за просечног корисника био је USB флеш диск . Око 2000. године, сингапурска компанија Trek 2000 International представила је ThumbDrive , који се сматра првим комерцијално успешним USB флеш диском. Користио је NAND флеш меморију и директно се повезивао на USB порт , без потребе за спољним напајањем или компликованим контролерима, иако је понекад корисно бити свестан потенцијалних проблема са USB чвориштима . Ови дискови, такође названи USB стикови или флеш дискови , нудили су капацитете који су почели од само неколико мегабајта и убрзо су расли на десетине гигабајта. Нису имали покретне делове, могли су да издрже хиљаде циклуса писања и били су веома отпорни на ударце и електромагнетне сметње . Овим су заменили дискете и почели да засењују CD-ове и DVD-ове као медијум за складиштење података.
SSD дискови и SMR дискови: Убрзајте и смањите капацитет
Иста технологија флеш меморије довела је до појаве SSD дискова (Solid-state Drives) . Ови уређаји функционишу као чврсти дискови из перспективе оперативног система, али интерно су међусобно повезани скупови флеш чипова , без плоча или глава за читање/писање; ако вас занима разлика у односу на друге технологије попут NVMe складишта , она је прилично откривајућа.
Први комерцијално успешни SSD дискови дошли су од компанија попут SanDisk- а и брзо су се проширили на лаптопове и десктоп рачунаре, потискујући HDD дискове где су брзина приступа и смањена потрошња енергије кључни. Њихови чипови се разликују од оних који се обично налазе у USB флеш дисковима, нудећи веће перформансе, издржљивост и отпорност на хабање , што се претвара у вишу цену по гигабајту.
У међувремену, традиционални чврсти дискови су наставили да се развијају. Једна новија технологија је Shingled Magnetic Recording (SMR) . Уместо да се записују одвојене траке, оне се делимично преклапају попут кровних црепова , секући траке без губитка релевантног садржаја.
Ово омогућава повећање капацитета у истом физичком простору , уз одржавање ниских трошкова и искоришћавање постојеће HDD инфраструктуре. SMR је већ присутан у многим модерним хард дисковима, посебно у онима великог капацитета дизајнираним за масовно складиштење и архивирање.
Од физичког складишта до дата центра: силоси, језера и велики подаци
Експлозивни раст дигиталних информација навео је организације да креирају велике логичке системе за складиштење података. То је довело до силоса података , који представљају скупове информација складиштених за одређено одељење или систем, некомпатибилне или тешке за интеграцију са остатком компаније.
У почетку су ови силоси виђени као чудна острва података; временом су постали вредан извор информација за велике податке (Big Data) , омогућавајући комбиновање и анализу великих количина историјских података. Касније се појавио концепт језера података (Data Lake ).
Језеро података чува информације у њиховом оригиналном, необрађеном формату , обично управљаним помоћу NoSQL база података. Ови системи прихватају структуриране, полуструктуриране и неструктуриране податке, омогућавајући аналитичарима и алгоритмима вештачке интелигенције да обрађују информације на захтев.
Према иницијативама попут BBVA OpenMind-а, језера података користе равне архитектуре , без крутих хијерархијских структура, како би олакшала флексибилан приступ и смањила трошкове. Она су постала суштинске компоненте за пројекте великих података и вештачке интелигенције.
Облак и онлајн складиштење: подаци свуда
Следећа велика промена није била толико нови физички медијум колико промена модела захваљујући мрежама велике брзине . Побољшани пропусни опсег и јефтинији простор на диску омогућили су изградњу огромних центара података доступних преко интернета.
Тако је настало рачунарство у облаку , а са њим и складиштење у облаку . Са становишта корисника, облак нуди практично неограничен капацитет, доступан са било ког уређаја и локације , уз накнаду или чак бесплатно ако се прихвате ограничења.
У пракси, „облак“ је огромна колекција сервера, дисковних низова, SSD дискова, трака и интерних мрежа . Користи се и за резервне копије и за примарно складиштење докумената, фотографија и видео записа . Ако користите е-пошту, друштвене медије или сервисе за стримовање, већ свакодневно користите складиштење у облаку.
Провајдери су морали да појачају безбедност путем шифровања, аутентификације и контроле приступа јер заједничка архитектура представља изазове за поверљивост. Сектори попут банкарства подлежу строгим прописима како би се ублажили ови ризици.
Поред општенаменског онлајн складиштења, постоје и специфична решења за бежично кућно складиштење . Историјски пример је Apple AirPort Time Capsule , Wi-Fi уређај који је интегрисао рутер и чврсти диск капацитета до 3 TB, дизајниран за аутоматско прављење резервних копија и бежични приступ подацима са Apple уређаја.
Нове границе: холограми, ДНК и ултра-дуготрајни материјали
Суочени са цунамијем података који се очекује у наредним деценијама, истраживања складиштења података истражују путеве који се веома разликују од дискова или флеш дискова. Један од њих је холографска меморија , која складишти дигиталне податке унутар запремине материјала као што су кристали или фотополимери , уместо да буде ограничена на његову површину.
Велика предност холографске меморије је у томе што може да искористи дебљину медијума за складиштење информација у 3Д (Брегов волумен), постижући огромне густине. Иако постоје прототипови, то још увек није широко коришћена технологија, али се појављује као једно од могућих дугорочних решења за архивирање веома високе густине.
Још једно фасцинантно поље је складиштење ДНК . ДНК, молекул живота, може да кодира запањујућу количину информација: процењених 2,2 петабајта по граму . У теорији, сви подаци које је генерисало човечанство могли би да стану у кашичицу ДНК.
Штавише, ДНК је изузетно дуготрајан медијум , способан да сачува информације хиљадама година ако се правилно складишти. Тренутни проблем су трошкови и брзина: кодирање мање од 100 KB података може коштати око 1500 долара, а процеси синтезе и секвенцирања остају спори.
Употреба вештачке ДНК или модификованих биомолекула се истражује како би се смањили трошкови и брзина ових операција, али је још увек у експерименталној фази. Идеја је, међутим, јасна: прећи са дискова и чипова на истински молекуларно складиштење.
Паралелно са тим, нанотехнологије отварају врата применама као што је употреба изотопа угљеника (на пример, атоми угљеника-12 за „0“ и атоми угљеника-13 за „1“) или посебно стабилних минералних материјала. Компанија Cerabyte је 2023. године најавила систем који користи ласер за гравирање тродимензионалних низова података сличних QR кодовима на минералну подлогу , отпорну на екстремне температуре, пожар, поплаве и пренапоне, са процењеним животним веком од преко 5000 година.
Поузданост, труљење бита и копије: мање гламурозна страна складиштења
Без обзира на медијум за складиштење, сви деле један проблем: имају ограничен век трајања и подложни су кваровима . Хард дискови могу бити оштећени ударцима, траке се могу демагнетизовати, оптички дискови могу деградирати, а флеш меморија може временом изгубити напуњеност.
Често помињана појава је труљење битова , тиха деградација у којој неки битови мењају вредност, а да то није одмах приметно . Ово посебно погађа медије за дуготрајно складиштење података, као што су стари чврсти дискови, траке или флеш дискови који се годинама не читају.
Због тога се препоручује периодично приступање медијима за складиштење података (на пример, повремено читање УСБ диска) и репликација информација на нови медијум сваких неколико година. Системи као што је RAID са кодовима за исправљање грешака омогућавају реконструкцију оштећених података увођењем редундантности, али никада у потпуности не елиминишу ризик.
Што се тиче класификације, обично разликујемо примарну меморију (RAM, кеш), која је ултрабрза, али испарљива и директно јој приступа процесор, и секундарну меморију (дискови, SSD дискови, траке, складиштење у облаку), која је спорија, али непроменљива. У оквиру секундарне меморије, даље разликујемо секвенцијални приступ (траке) и случајни приступ (дискови, SSD дискови, флеш меморија), у зависности од тога да ли можемо директно да пређемо на податке које желимо или морамо да скенирамо целу меморију од почетка.
Без обзира на технологију, једина права одбрана од губитка података остаје редундантност и добро планиране резервне копије . А када се ради са осетљивим информацијама, до изражаја долази криптографија , како са јавним кључем (RSA, итд.) тако и са симетричним кључем (AES, DES), што је посебно релевантно у контекстима складиштења у облаку.
Генерално, историја складиштења података нас је одвела од огромних машина капацитета од неколико килобајта до минијатурних чипова способних да обрађују терабајте и дистрибуираних система који управљају зетабајтима; па ипак, настављамо да тражимо нове, гушће, издржљивије и безбедније медије за складиштење , од холограма до ДНК или егзотичних минералних материјала. Све указује на то да ће, баш као што је до сада био случај, следећи скокови комбиновати физичке иновације са све интелигентнијим мрежним архитектурама како бисмо и даље могли да складиштимо и преузимамо, готово несвесно, огромну количину података које производимо сваког дана.
