Спецпроекты

Технологии хранения данных: что дальше?

Интеграция

Быстрый рост объема хранимых данных и, что еще более существенно, необходимость быстрой их обработки, побуждают производителей систем хранения данных совершенствовать свои решения. В частности — разрабатывать и внедрять новые технологии записи.

Популярность новых технологий пока невелика

По оценкам IDC, объем данных вырастет к 2025 году с 33 до 175 зетабайт. Неудивительно, что потребность в быстром доступе к данным и решениях для их хранения, обладающих высокой пропускной способностью или большой емкостью, сегодня выше, чем когда-либо, и постоянно растет.

Это стимулирует внедрение новых технологий и архитектур, дополняющих современные подходы к хранению данных. Так, из результатов опроса компании Spiceworks видно, что с одной стороны, уже через два года твердотельные накопители станут немного популярнее традиционных жестких дисков.

Однако, из того же опроса видно, что современные технологии хранения, например — постоянную память (NVDIMM, Intel Optane) используют лишь 16% респондентов, еще 12% планируют начать работать с ней в течение ближайших двух лет.

А с современными технологиями записи, такими как термомагнитная или микроволновая, знакомы вообще исчезающе малое количество.

Степень знакомства респондентов с технологиями хранения и записи

Источник: Spiceworks, 2020

А ведь именно их использование — один из главнейших резервов ускорения процессов обработки данных.

Ускорение доступа

Ускорить работу с данными можно разными способами. Один из путей, например, создание энергонезависимой памяти, которая будет сочетать в себе скорость работы оперативной памяти и и энергонезависимость.

Другой путь — поиск технологий, которые бы позволили создать устройства хранения, близкие по своим характеристикам к оперативной памяти.

Возможен и третий путь — изменение архитектуры самих систем хранения, которая позволит ускорить их работу за счет переноса части вычислений в сами СХД.

Перспективные технологии записи данных

Поиск новых методов записи и хранения данных идет в самых разных направлениях. Большая часть усилий тратится на совершенствование твердотельных накопителей, однако и жесткие диски имеют потенциал для совершенствования.

CNT (Carbon NanoTube) RAM. Модули CNT NVRAM от Nantero должны появиться в продаже в 2020 г. Эта память работает почти так же быстро, как DRAM, но потребляет меньшую мощность. Она считается наиболее многообещающим типом NVRAM для массового внедрения уже в 20-х годах.

FRAM (Ferroelectric RAM). Оперативная память, схожая с DRAM, но для энергонезависимости использующая слой сегнетоэлектрика: электрический диполь меняет полярность при воздействии внешнего электрического поля. Однако температурные факторы и электрические разряды приводят к тому, что со временем в такой памяти возникают сбои.

HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording). Технология разработана для значительного увеличения объема данных, которые можно хранить на жестком диске. Лазерный диод, прикрепленный к каждой записывающей головке, нагревает небольшую область диска, что позволяет записывающей головке менять магнитную полярность каждого бита и записывать данные с высокой плотностью. Даже маломощная головка может намагнитить «зерно» с нужной силой. После того, как место нагрева охлаждается, участок пластины становится стабильным. С помощью HAMR достигнута плотность записи в 2 Tbpsi (2 терабита на квадратный дюйм). По прогнозам, к 2023 году эта технология позволит создавать диски емкостью в районе 40 Тбайт.

MAMR (Microwave Assisted Magnetic Recording). Технология микроволновой магнитной записи основана на усилении магнитных свойств головки диска при помощи генератора магнитного поля с использованием микроволн. Резонанс, возникающий во время работы генератора, усиливает магнитное поле головки, намагничивающей зерна специального материала пластины. Вектор намагниченности отклоняется от вертикальной оси, что, в сочетании с ферромагнитным резонансом, усиливает магнитное поле головки в 3-4 раза. Все это позволяет уменьшить размер магнитных доменов и, соответственно, повысить плотность записи.

MRAM (Magnetoresistive RAM). MRAM основана на магнитном состоянии ферромагнитного материала. Она не деградирует со временем и не подвержена влиянию температуры. Важнейшие преимущества MRAM — высокая скорость записи и чтения (сравнимая с RAM и превышающая флэш-память в 500 раз), длительное хранение данных (более 20 лет), неограниченное число циклов перезаписи, широкий температурный диапазон.

PCM (Phase-Change Memory). Энергонезависимая память с фазовым переходом позволяет создавать более долговечные носители, чем твердотельные накопители с их проблемой износа. На базе этой технологии созданы упоминавшиеся микросхемы Intel Optane. Она считается одной из самых перспективных технологий, по оценкам Reports and Data рынок памяти с фазовым переходом достигнет $46,52 млрд к 2026 г.

RRAM или ReRAM (Resistive RAM). Резистивная оперативная память считается одной из самых перспективных новых технологий памяти благодаря своей высокой скорости, низкой стоимости, повышенной плотности хранения, потенциальным приложениям в различных областях и хорошей масштабируемости. С помощью многоуровневых ячеек RRAM можно увеличить плотность хранения и снизить стоимость. Потенциальные области применения RRAM — безопасность, нейроморфные вычисления и энергонезависимые логические системы.

SRAM (Static Random Access Memory). Статическая память с произвольным доступом — полупроводниковая память, в которой каждый бит хранится в схеме с положительной обратной связью. SRAM имеет малое время доступа — примерно в четыре раза меньше DRAM, но она намного дороже.

На пути новых технологий стоят два препятствия. Во-первых, это «цена за гигабайт».

Стоимость 1 гигабайта, $, хранимого по данной технологии

Источник: Yole Development, 2019

Второй фактор, определяющий возможности технологии — плотность записи, измеряемая в гигабайтах на квадратный дюйм.

Плотность хранения по данной технологии, Гбайт/кв. дюйм

Источник: Yole Development, 2019

Цитируемое исследование посвящено перспективам памяти MRAM. Как полагают в Yole, уже в ближайшие годы она существенно подешевеет и, одновременно, появится возможность создавать на ее основе более вместительные чипы. По обоим параметрам она не догонит DRAM, но приблизится к ее показателям. Можно предположить, что и другие технологии будут прогрессировать аналогичным образом. По крайней мере те, которые будут восприняты рынком.

Между «памятью» и «диском»

Оперативная память DRAM работает быстро, но при отключении электричества все данные, находящиеся в этот момент в ее микросхемах, пропадают. Заполнить нишу между ОЗУ и постоянной памятью призвана энергонезависимая память, в частности — модули памяти NVDIMM (non-volatile dual in-line memory module).

Модули NVDIMM-N объединяют на одной планке микросхемы DRAM, флеш-память и конденсатор — при отключении электричества мощности последнего хватает на то, чтобы переписать информацию из DRAM в флеш-память. Емкость таких миксросхем — десятки гигабайт, время задержки — десятки наносекунд.

Модули NVDIMM-F состоят из микросхем флеш-памяти, обращение к которым происходит по шине DRAM. Возможная емкость — терабайты, но время задержки — уже десятки микросекунд.

Также разрабатывается спецификация NVDIMM-P, которая должна будет обеспечить поддержку интерфейса DDR5 и всех типов новых технологий памяти (MRAM, PCM, ReRAM и т. д.) на уровне интерфейса.

Чаще всего «накопительные» микросхемы выполнены по технологии NAND, однако в самой популярной, наверное, энергонезависимой памяти, Intel Optane, используются PCM-технологии.

Intel, кстати, «отстраивается» от NVDIMM, утверждая, что «энергонезависимая память Intel Optane обеспечивает постоянное хранение данных без необходимости устанавливать какие-либо дополнительные компоненты и средства хранения, а также беспокоиться о замене аккумулятора».

Преимущества энергонезависимой памяти наиболее очевидны в транзакционных приложениях и в приложениях с интенсивными вычислениями в памяти, таких как базы данных in memory, анализ потоковых данных. Поэтому неудивительно, что соответствующему рынку сулят быстрый рост. Как полагают в Grand View Research, в 2019 г. выручка от продажи микросхем NVDIMM составила почти $913 млн, с 2020 по 2027 г. она будет расти в среднем на 39,7% в год.

И сервер, и хранилище

Еще один новый подходов к процессу обработки данных — «вычислительное хранение» (computational storage). В системах такой архитектуры СХД снабжаются собственными специализированными процессорами, которые «на месте» выполняют ряд операций, например — сжатие данных, их дедупликация, шифрование/дешифрование. Все эти операции вполне логично «переложить» на специализированные чипы, а не расходовать на их выполнение ресурсы центрального процессора.

Вычислительное хранение привлекает сегодня все большее внимание ввиду развития ИИ и приложений интернета вещей, которые требуют дополнительных вычислительных ресурсов. Тенденция перемещения этих ресурсов ближе к системам хранения наблюдается уже несколько лет и может получить массовое распространение, особенно в связи с развитием периферийных вычислений.