Äldre lagring och utvecklingen av dataenheter

Informatec Digital » Resurser » Äldre lagring och utvecklingen av dataenheter

Genom historien har mänskligheten uppfunnit alla möjliga knep och anordningar för att lagra information : från lertavlor och hålkort av kartong till datamoln spridda över hela världen. Mängden data vi genererar idag är så häpnadsväckande att våra hjärnor, hur utvecklade de än är, brister och behöver teknisk hjälp.

Att förstå hur vi har gått från några kilobyte i ett metallskåp till terabyte i våra fickor och zettabyte i distribuerade datacenter är inte bara en historisk kuriosa: den förklarar varför vi arbetar som vi gör, hur vi konsumerar digital underhållning och vilka risker vi står inför att förlora minnen, dokument eller kunskap om vi väljer fel lagringsmedium.

Från mänskligt minne till de första datalagringsmaskinerna

Innan vi diskuterar skivor, band eller moln är det värt att komma ihåg att den första lagringsenheten är den mänskliga hjärnan, med dess begränsade och ofullkomliga biologiska minne . Evolutionen ökade dess storlek och kapacitet: arter som Australopithecus afarensis hade hjärnor på cirka 400-500 cm³, Homo habilis nådde 600-700 cm³, Homo erectus nådde 800-1100 cm³, och neandertalare var runt 1200-1600 cm³ . Moderna människor, Homo sapiens, har hjärnor på cirka 1230 cm³.

Detta språng gjorde det möjligt för oss att tillverka verktyg, skapa kulturer, ritualer och komplexa språk , men minnet förblir skört: vi glömmer, förvränger minnen och kan inte hantera den nuvarande lavinen av data. Därav behovet av att utveckla externa enheter som lagrar information stabilt , utan att vara beroende av våra nervceller.

Hålkort: hålens språk

Det första stora språnget mot digital lagring var mekaniskt: hålkort . År 1725 utarbetade fransmannen Basile Bouchon ett system med perforerade kort för att styra vävstolar. Det var inte datoranvändning i modern bemärkelse, utan det var en metod för att koda och återanvända instruktioner.

År 1837 designade den brittiske matematikern Charles Babbage sin berömda Analytical Engine , en räknemaskin med rörliga delar som använde hålkort för både kommandon och resultat. Hålen fungerade som på/av-brytare och förutsåg binär kod.

Senare omsatte amerikanen Herman Hollerith denna idé i praktiken med sin Analytical Engine for the Census (Analytical Engine for the Census): de stansade hålen representerade instruktioner och även data som maskinen kunde läsa automatiskt. I årtionden var hålkort standardlagringsmedium för program och data i många datorer.

Från 60-talet och framåt började de ersättas av magnetiska tekniker, även om de fortsatte att användas långt in på 80-talet för uppgifter som standardiserade tester eller elektronisk omröstning på hålat papper.

Magnetismens början: band, trummor och kärnor

På 50-talet anammade datorvärlden magnetism för att lagra information. Grundidén är enkel: belägg ett medium med magnetiserbart material och organisera det i små domäner (dipoler) som representerar bitar.

År 1928 patenterade den tyske ingenjören Fritz Pfleumer magnetband , inspirerat av Valdemar Poulsens magnetkabel. År 1965 introducerade Mohawk Data Sciences en magnetbandskodare utformad för att gradvis ersätta hålkort . Banden erbjöd större kapacitet till ett lägre pris, även om åtkomsten förblev sekventiell.

År 1932 uppfann österrikaren Gustav Taushek den magnetiska trumman , en cylinder belagd med magnetiserbart material. Dessa trummor kunde lagra cirka tiotusen ord och var de direkta föregångarna till moderna hårddiskar, eftersom de erbjöd snabbare åtkomst än band.

Ungefär samtidigt uppstod tekniker för huvudminne. Mellan slutet av 40-talet och 50-talet utvecklades magnetkärnminne , även kallat toroidminne: små ringar av ferromagnetiskt material som korsades av ledande trådar. Varje kärna lagrade en bit , och dess magnetiska tillstånd kunde läsas och skrivas snabbt.

År 1953 förvärvade MIT patentet och byggde Whirlwind -datorn , en pionjär inom användning av magnetiskt kärnminne som RAM. Den var mycket snabbare och mer tillförlitlig än hålkort, men tillverkningen var komplex och dyr och krävde mycket exakt och mödosam montering.

Elektroniska minnen: från Williamsröret till halvledaren

Innan transistorer revolutionerade allting fanns det mellanliggande elektroniska lagringslösningar. År 1946 utvecklade professor Frederick C. Williams och Tom Kilburn det så kallade Williamsröret vid University of Manchester. Det var ett modifierat katodstrålerör som gjorde det möjligt att lagra binära data som laddningsmönster på skärmen . Det användes som RAM i tidiga datorer med lagrade program.

År 1948 dök en annan ovanlig teknologi upp: Selectron , en termionisk ventil som kan fungera som ett RAM-minne . Den utvecklades av Jan A. Rajchman och hans team vid Radio Corporation of America (RCA). Även om den var tekniskt intressant begränsade dess komplexitet och kostnad dess användning avsevärt.

År 1949 introducerades fördröjningsminne , baserat på att utnyttja den tid det tar för en signal att fortplanta sig genom ett fysiskt medium (till exempel kvicksilver eller kvarts). Bitar kodades som pulser som cirkulerade kontinuerligt genom mediet; det var en genial lösning, men inte särskilt flexibel jämfört med senare RAM-minne.

I slutet av 50-talet blev magnetkärnminne det dominerande RAM-minnet, tills halvledare började dyka upp på 60- och 70-talen . År 1966 började det nybildade Intel sälja 2000-bitars halvledarminneschips , där varje cell innehöll miniatyriserade transistorer eller kondensatorer.

År 1966 dök även DRAM (Dynamic Random Access Memory) upp . I DRAM lagras varje bit som en elektrisk laddning i en kondensator . Det är ett flyktigt minne: om strömmen bryts går informationen förlorad. Det är dock mycket kompakt och billigt, så det blev standardminnet i persondatorer och servrar.

Däremot är ROM (Read-Only Memory) permanent programmerat och behåller data även när enheten är avstängd, mycket användbart för att lagra firmware och starta rutiner.

Avancerade magnetiska innovationer: Twistor och Bubble Memory

År 1957 uppfann forskaren Andrew Bobeck Twistor-minnet på Bell Labs . Denna teknik lindade magnetband runt en ledande tråd istället för att använda toroidkärnor, vilket minskade vikt, strömförbrukning och produktionskostnader.

Bell Labs presenterade Twistor som ett överlägset alternativ till magnetiska kärnor: billigare, lättare och enklare att tillverka . Dess kommersiella fönster var dock kort, eftersom mer kompakta och skalbara halvledar-RAM-chip snart kom.

Baserat på denna forskning utvecklade Bobeck det berömda Bubble Memory år 1980. Denna teknik använde en mycket tunn film av magnetiskt material där små magnetiserade områden, "bubblorna", bildades , där var och en representerade en bit. Det var icke-flyktigt och ganska robust , även om det var svårt att tillverka i stor skala.

Magnetiska skivor och band: från IBM 350 till disketten

Det stora språnget till vad vi känner till idag kom med magnetiska skivor . År 1951 hade UNIVAC I redan bandspelare som kunde lagra upp till 128 ord per tum. Men kungen av det moderna partiet var hårddisken.

År 1956 lanserade IBM IBM 350 , som anses vara den första moderna hårddisken. Den hade en kapacitet på cirka 4,4 MB , bestod av femtio 24-tums plattor som snurrade med 1200 rpm, och var ungefär lika stor som ett kylskåp och vägde över ett ton. Ändå erbjöd den mycket snabb slumpmässig åtkomst jämfört med band.

Med tiden ledde förbättringar inom magnetisk inspelningsteknik till att hårddiskar ökade i kapacitet, minskade i pris och miniatyriserades , vilket så småningom ledde till dagens stationära och bärbara hårddiskar, med flera terabyte i 3,5- eller 2,5-tumsformat, ett beslut som nu jämförs med SSD kontra extern hårddisk.

Vid sidan av de stora hårddiskarna marknadsförde IBM även disketter . 1971-1972 dök 8-tums disketter upp , med en initial kapacitet på cirka 80 KB. De bestod av en skiva av flexibelt material belagd med magnetisk oxid, inuti ett skyddande hölje.

År 1975 utvecklade Allan Shugart 5,25-tumsdisketten , som var mer hanterbar för persondatorer. Dessa disketter hade en kapacitet på cirka 110 KB i sina tidiga versioner och var snabbare och billigare än 8-tumsdisketter. År 1978 fanns det redan ett tiotal tillverkare som tillverkade 5,25-tumsenheter.

I början av 80-talet slog den klassiska 3,5-tums disketten igenom , med sitt styva hölje och en metallflik som skyddade den magnetiska ytan. Den var mer hållbar, mer kompakt och hade större kapacitet än sina föregångare. Den blev så populär att än idag, i många program, är "Spara"-ikonen fortfarande en diskett.

Trots att de praktiskt taget är föråldrade inom hushållssfären har vissa kritiska infrastrukturer, såsom vissa militära eller kärntekniska system, haft diskettenheter i förvånansvärt många år, just på grund av deras enkelhet och isolering, en praxis relaterad till hur man förvarar sina gamla datorer.

Magnetband i datoranvändning: från säkerhetskopiering till lång livslängd

Även om den sekventiella åtkomsten hos magnetband gör det långsammare än disketter, har dess låga kostnad/kapacitetsförhållande och hållbarhet hållit det kvar som ett stjärnmedium för massiva säkerhetskopior.

På 80-talet dök format som ljudkassettband anpassade för data upp, flitigt använda i mikrodatorer i hemmet, och senare specifika säkerhetskopior som DAT (Digital Audio Tape) , utvecklade av Sony 1987. Det var en omdesignad kassett, med 4 mm band i en kompakt kassett.

År 1989 lanserade Sony och Hewlett-Packard DDS-standarden (Digital Data Storage) , en utveckling av DAT med fokus på datalagring i datorer. Den erbjöd ökande kapacitet i relativt små format , perfekt för företag.

Optiska skivor: CD, DVD och Blu-ray

Medan magnetisk inspelning dominerade, tog ett annat revolutionerande tillvägagångssätt form: optisk lagring med hjälp av lasrar . På 60-talet arbetade uppfinnaren James T. Russell med idén att använda ljus för att spela in och spela upp musik. I åratal ansågs det vara föga mer än en nymodighet.

År 1975 investerade Sony och Philips kraftigt i hans projekt och finansierade dess utveckling. Resultatet blev kompaktskivan (CD) , som lanserades kommersiellt 1980. För ljud kunde den lagra cirka 700 MB data i datorformat, en enorm mängd på den tiden jämfört med disketter.

1984 dök CD-ROM-skivan (Compact Disc Read-Only Memory) upp , som använde samma fysiska format som ljud-CD:n men kodade datordata. Mikrogropar och plana områden (landområden) etsas in i skivans plastyta , vilka lasern tolkar som bitar.

Senare dök inspelningsbara varianter upp: den endast skrivbara CD-R-skivan och den omskrivningsbara CD-RW , som introducerades 1995. Detta gjorde det möjligt för vilken användare som helst att spela in och radera data flera gånger på samma skiva.

1995 kom DVD:n (Digital Versatile Disc) , vilket avsevärt ökade datalagringskapaciteten. En DVD med ett lager rymde 4,7 GB , och DVD-skivor med dubbla lager rymde dubbelt så mycket. Den blev standarden för hemmavideo och distribution av stora programvaror.

Som en försökt rival dök HD-DVD- formatet upp 2005 , marknadsfört av Toshiba, NEC och Sanyo. Det erbjöd hög upplösning, men den kommersiella kampen vanns slutligen av Blu-ray , som lanserades 2003 och baserades på en blåviolett laser med kortare våglängd , vilket gör att mer information kan lagras i samma fysiska utrymme.

Blu-ray etablerade sig som ett medium för högupplöst video och högdensitetslagring , med kapaciteter på 25 GB per lager och flerlagersvarianter som når tiotals gigabyte per skiva.

Magnetooptiska medier och hybridformat

Mellan ren magnetism och optiska skivor uppstod en hybridfamilj: magneto-optiska skivor . De introducerades omkring 1990 och kombinerade magnetiska och optiska tekniker för att lagra och läsa data.

Dessa skivor, ofta 3,5 eller 5,25 tum i kassetter, använde en laser för att lokalt värma upp ytan och ett magnetfält för att orientera plattorna. Avläsningen baserades på variationer i polariseringen av det reflekterade ljuset (Kerr-effekten) . De erbjöd god hållbarhet och omskrivningsmöjligheter , även om de var dyrare och mer komplexa än CD- eller DVD-skivor.

90-talet innebar också några kortlivade men intressanta format. År 1992 släppte Sony MiniDisc , designad för att ersätta ljudkassetten och även lagra data (i MD Data-versioner), med en kapacitet på cirka 140 MB. År 1994 lanserade Iomega Zip och senare Jaz , flyttbara skivor med hög kapacitet för den tiden (100 MB till 1 GB), som försökte fylla gapet mellan disketten och de första externa hårddiskarna.

Flashminne och USB-enheter: det stora bärbara språnget

I slutet av 90-talet kom en tyst revolution: flashminne , en typ av icke-flyktig elektronisk lagring. Även om det ursprungligen var utformat för kameror och bärbara enheter , spred det sig snart till allt.

1993 introducerades CompactFlash (CF) , ett kort som integrerade flashminne i ett robust format. Det användes flitigt som intern lagring i digitalkameror och vissa inbyggda datorer . Kort därefter kom SmartMedia (Toshiba, 1995) och Multimedia Card (MMC) från Siemens och SanDisk 1997.

År 1999 släppte IBM Microdrive , en minihårddisk i storlek med ett kompaktminneskort, och år 2000 blev Secure Digital (SD)-kort populära , med inbyggd kryptering och standardmått på 32 x 32 x 2,1 mm. SD-kort blev de facto standarden för mobiltelefoner, kameror och en mängd bärbara enheter.

Den stora vändpunkten för den genomsnittliga användaren var USB-minnet . Runt år 2000 introducerade det singaporianska företaget Trek 2000 International ThumbDrive , som anses vara det första kommersiellt framgångsrika USB-minnet. Det använde NAND-flashminne och anslöts direkt till en USB-port , utan behov av extern strömförsörjning eller komplicerade styrenheter, även om det ibland är bra att vara medveten om potentiella problem med USB-hubbar . Dessa enheter, även kallade USB-minnen, erbjöd kapaciteter från bara några megabyte och växte snart till tiotals gigabyte. De hade inga rörliga delar, kunde motstå tusentals skrivcykler och var mycket motståndskraftiga mot stötar och elektromagnetisk störning . Med detta ersatte de disketter och började överskugga CD- och DVD-skivor som lagringsmedium.

Solid state-diskar (SSD) och SMR: Accelerera och pressa kapaciteten

Samma flashminnesteknik gav upphov till solid-state-diskar (SSD-diskar) . Dessa enheter fungerar som hårddiskar ur operativsystemets perspektiv, men internt är de sammankopplade uppsättningar flashchips , utan plattor eller läs-/skrivhuvuden; om du är intresserad av skillnaden mot andra tekniker som NVMe-lagring , är det ganska avslöjande.

De första kommersiellt framgångsrika SSD-diskarna kom från företag som SanDisk och spred sig snabbt till bärbara och stationära datorer, och ersatte hårddiskar där åtkomsthastighet och minskad strömförbrukning är avgörande. Deras chip skiljer sig från de som vanligtvis finns i USB-minnen och erbjuder högre prestanda, hållbarhet och slitstyrka , vilket leder till ett högre pris per gigabyte.

Samtidigt har traditionella hårddiskar fortsatt att utvecklas. En ny teknik är Shingled Magnetic Recording (SMR) . Istället för att skriva separata spår överlappas de delvis likt takpannor , vilket skär spår utan att relevant innehåll förloras.

Detta möjliggör ökad kapacitet i samma fysiska utrymme , samtidigt som låga kostnader bibehålls och den befintliga hårddiskinfrastrukturen utnyttjas. SMR finns redan i många moderna hårddiskar, särskilt i högkapacitetsserier avsedda för masslagring och arkivering.

Från fysiskt lager till datacenter: silos, sjöar och stordata

Den explosionsartade tillväxten av digital information ledde till att organisationer skapade stora logiska lagringssystem. Detta gav upphov till datasilos , vilka är informationsmängder som lagras för en specifik avdelning eller ett specifikt system, och som är inkompatibla eller svåra att integrera med resten av företaget.

Ursprungligen sågs dessa silos som märkliga dataöar; med tiden blev de en värdefull informationskälla för stordata , vilket möjliggjorde kombination och analys av stora mängder historisk data. Senare uppstod konceptet med en datasjö.

En datasjö lagrar information i sitt ursprungliga, obearbetade format , vanligtvis hanterat med NoSQL-databaser. Dessa system accepterar strukturerad, semistrukturerad och ostrukturerad data, vilket gör det möjligt för analytiker och AI-algoritmer att bearbeta informationen på begäran.

Enligt initiativ som BBVA OpenMind använder datasjöar platta arkitekturer , utan rigida hierarkiska strukturer, för att underlätta flexibel åtkomst och hålla nere kostnaderna. De har blivit viktiga komponenter för stordata och artificiell intelligens-projekt.

Molnet och onlinelagring: data överallt

Nästa stora förändring var inte så mycket ett nytt fysiskt medium som en modellförändring tack vare höghastighetsnätverk . Förbättrad bandbredd och billigare diskutrymme gjorde det möjligt att bygga enorma datacenter tillgängliga via internet.

Således föddes molntjänster , och med dem molnlagring . Ur användarens synvinkel erbjuder molnet praktiskt taget obegränsad kapacitet, tillgänglig från vilken enhet och plats som helst , mot en avgift eller till och med gratis om begränsningar accepteras.

I praktiken är "molnet" en massiv samling av servrar, diskarrayer, SSD-diskar, band och interna nätverk . Det används för både säkerhetskopiering och primär lagring av dokument, foton och videor . Om du använder e-post, sociala medier eller streamingtjänster använder du redan molnlagring dagligen.

Leverantörer har varit tvungna att stärka säkerheten genom kryptering, autentisering och åtkomstkontroller eftersom en delad arkitektur innebär utmaningar gällande sekretess. Sektorer som bankverksamhet är föremål för strikta regler för att minska dessa risker.

Förutom allmän onlinelagring finns det specifika trådlösa lagringslösningar för hemmabruk . Ett historiskt exempel är Apple AirPort Time Capsule , en Wi-Fi-enhet som integrerade en router och en hårddisk på upp till 3 TB, utformad för automatiska säkerhetskopieringar och trådlös dataåtkomst från Apple-enheter.

Nya gränser: hologram, DNA och extremt långlivade material

Inför den tsunami av data som förväntas under de kommande decennierna utforskar lagringsforskningen vägar som skiljer sig mycket från disketter eller USB-minnen. Ett av dessa är holografiskt minne , som lagrar digital data inom volymen av ett material som kristaller eller fotopolymerer , snarare än att vara begränsat till dess yta.

Den stora fördelen med holografiskt minne är att det kan utnyttja lagringsmediets tjocklek för att lagra information i 3D (Bragg-volym), vilket uppnår enorma densiteter. Även om prototyper finns är det ännu inte en allmänt använd teknik, men den framstår som en av de möjliga långsiktiga lösningarna för arkivering med mycket hög densitet.

Ett annat fascinerande område är DNA-lagring . DNA, livets molekyl, kan koda en häpnadsväckande mängd information: uppskattningsvis 2,2 petabyte per gram . I teorin skulle all data som genererats av mänskligheten kunna få plats i en sked DNA.

Dessutom är DNA ett extremt långvarigt medium som kan bevara information i tusentals år om det lagras korrekt. Det nuvarande problemet är kostnad och hastighet: att koda mindre än 100 KB data kan kosta runt 1 500 dollar, och syntes- och sekvenseringsprocesserna är fortfarande långsamma.

Användningen av artificiellt DNA eller modifierade biomolekyler undersöks för att minska kostnaden och hastigheten för dessa operationer, men det är fortfarande i experimentstadiet. Idén är dock tydlig: att gå från disketter och chips till verkligt molekylär lagring.

Parallellt öppnar nanoteknik dörrar för tillämpningar som användningen av kolisotoper (till exempel kol-12-atomer för "0" och kol-13-atomer för "1") eller särskilt stabila mineralmaterial. År 2023 tillkännagav företaget Cerabyte ett system som använder en laser för att gravera tredimensionella datamatriser liknande QR-koder på ett mineralsubstrat , motståndskraftigt mot extrema temperaturer, brand, översvämningar och strömavbrott, med en beräknad livslängd på över 5 000 år.

Tillförlitlighet, bitröta och kopior: den mindre glamorösa sidan av lagring

Oavsett lagringsmedium har de alla ett problem gemensamt: de har en begränsad livslängd och är känsliga för fel . Hårddiskar kan skadas av stötar, band kan avmagnetiseras, optiska skivor kan försämras och flashminne kan förlora sin laddning med tiden.

Ett ofta nämnt fenomen är bitröta , den tysta nedbrytningen där vissa bitar ändrar värde utan att omedelbart märkas . Detta drabbar särskilt långsiktiga lagringsmedier som gamla hårddiskar, band eller USB-minnen som går många år utan att läsas.

Därför rekommenderas det att regelbundet komma åt lagringsmedia (till exempel läsa ett USB-minne då och då) och replikera informationen till nya media med några års mellanrum. System som RAID med felkorrigeringskoder möjliggör rekonstruktion av skadad data genom att införa redundans, men de eliminerar aldrig risken helt.

När det gäller klassificering skiljer vi vanligtvis mellan primär lagring (RAM, cache), som är ultrasnabb men flyktig och direkt åtkomlig för processorn, och sekundär lagring (diskar, SSD-diskar, band, molnlagring), som är långsammare men icke-flyktig. Inom sekundär lagring skiljer vi vidare mellan sekventiell åtkomst (band) och slumpmässig åtkomst (diskar, SSD-diskar, flashlagring), beroende på om vi kan hoppa direkt till den data vi vill ha eller om vi måste skanna all data från början.

Oavsett teknik är det enda verkliga försvaret mot dataförlust fortfarande redundans och välplanerade säkerhetskopior . Och när man hanterar känslig information kommer kryptografi in i bilden , både med offentlig nyckel (RSA, etc.) och symmetrisk nyckel (AES, DES), vilket är särskilt relevant i molnlagringssammanhang.

Sammantaget har lagringens historia tagit oss från enorma maskiner med några få kilobyte kapacitet till minuskula chips som kan hantera terabyte och distribuerade system som hanterar zettabyte; och ändå fortsätter vi att söka efter nya, tätare, mer hållbara och säkrare lagringsmedier , från hologram till DNA eller exotiska mineralmaterial. Allt tyder på att, precis som hittills, kommer nästa steg att kombinera fysiska innovationer med alltmer intelligenta nätverksarkitekturer för att fortsätta göra det möjligt för oss att lagra och hämta, nästan utan att inse det, den enorma mängd data vi producerar varje dag.