Pot do neslutenih zmogljivosti

Če smo se nekdaj v znanstvenofantastičnem filmu Odiseja 2001 čudili pomnilnikom brez gibljivih delov v steklenih ohišjih z izjemnimi zmogljivostmi, danes trakovi in diski že začenjajo izgubljati primat najcenejših in najzanesljivejših trajnih pomnilnih medijev. Bomo že v nekaj letih uporabljali le še pogone SSD 100 TB in več?

Pred dobrimi štirimi leti je kalifornijsko podjetje Numbus predstavilo novo serijo pogonov SSD data exadrive dc100 z zmogljivostjo kar 100 TB, bistveno hitrejšim dostopom do podatkov in nekajkrat manjšo porabo električne energije od takrat največjih diskov. Ko so proizvajalci teh zagledali SSD v standardnem 3,5-palčnem ohišju, je mnoge oblil mrzel pot, saj podobno zmogljivih diskov v tako majhnem ohišju s starejšimi tehnologijami še danes ni mogoče izdelati.

Takrat exadrive dc100, zgrajen na osnovi bliskovnega pomnilnika eMLC, še ni bil v redni prodaji in ga je bilo treba pri proizvajalcu posebej naročiti, končna višina že tako zasoljene cene in dobavni roki pa so bili prej kot ne stvar pogajanj s kupci. Danes Nimbusov exadrive DC100 s petletnim jamstvom stane »le« še približno toliko kot osebni avtomobil srednjega razreda (40.000 USD), exadrive DC050 s 50 TB pa 12.500 USD. Kljub temu lahko verjamemo, da bodo zaradi vsako leto nižjih cen in vse večjih serij pogoni brez gibljivih delov s kapacitetami 50 TB in večji prej ali slej izpodrinili vse ostale trajne pomnilne medije. Starejše tehnologije se bodo zaradi velikih stroškov zamenjave verjetno še najdlje obdržale v tistih velikih računalniških centrih, ki ne potrebujejo vsakoletnega povečevanja zmogljivosti.

Nimbusov exadrive dc s 100 TB. Vir: nimbus.com

Za zdaj brez zadostnega tehnološkega preboja

Seagate je kot eden izmed vodilnih proizvajalcev diskov z več kot 40-letnimi izkušnjami že pred dvema letoma predstavil pot do razvoja svojih diskov do pomnilne zmogljivosti 100 TB in več, vendar naj bi jo po takratnih napovedih dosegli šele do leta 2030. Čeprav nekatere današnje napovedi kažejo, da se bo to zgodilo že kakih pet let prej, bo ob padajočih cenah SSD, kartic SD in ključkov USB ter hkratnem hitrem povečevanju njihovih zmogljivosti verjetno takrat le še malokdo sploh razmišljal o čem drugem. Bliskovni pomnilniki, med katere spadajo tudi našteti pomnilni mediji, so se po desetih letih intenzivne uporabe v povprečju izkazali za vsaj toliko zanesljive kot diski, plošče DVD in CD, diskete ter magnetni trakovi.

Danes večini domačih uporabnikov zadostuje podatkovni pogon zmogljivosti med 1 in 4 TB, zato številni proizvajalci diskov in SSD (predvsem tisti, ki proizvajajo oboje) s hitrim povečevanjem zmogljivosti in z nižanjem cen starejših izdelkov ne hitijo. Razvoj in proizvodnjo načrtujejo zvezno, tako da rast zmogljivosti približno ustreza povpraševanju – v povprečju za okoli 50 odstotkov letno. Zanimivo pa lahko potrditev domneve o cenovni politiki največjih proizvajalcev iščemo prav pri Nimbusu, pri katerem so se – nasprotno – odločili za skokovito povečevanje zmogljivosti in tako nenehno krepijo proizvodnjo pogonov SSD s 50 in 100 TB, pri čemer je njihova cena danes nekajkrat nižja kot pred štirimi leti. Že lani so napovedali tudi 3,5-pačni pogon SSD z 200 TB, a ga za zdaj še ne moremo kupiti.

Notranjost Quantumovega diska z dvema ploščama in s štirimi glavami. Vir: wikimedia.com

Najnižja cena na terabajt za zdaj še ohranja diske pri življenju, obenem pa zahtevnejše kupce skrbijo tudi nove tehnologije MLC za gradnjo SSD in NVMe, s katerimi lahko v eno pomnilno celico shranijo več bitov podatkov, saj so take celice nekaj velikostnih razredov manj zanesljive od klasičnih, ki hranijo le po en bit podatkov.

Kdor danes potrebuje podatkovni pogon s 100 TB ali več trajnega pomnilnika in zanj ni pripravljen plačati več kot 3.000 USD, si lahko omisli poceni diskovno polje. Enostavne omrežne shrambe (NAS) in osebni računalniki z nekoliko večjimi ohišji imajo dovolj prostora za vgradnjo petih ali celo šestih diskov. Vseeno pa zahtevna programska oprema, kot je tista za urejanje videa, dosti bolje deluje na SSD (še posebej NVMe), če ima ta dovolj veliko pomnilno zmogljivost, da podatkov ni treba začasno odlagati na zmogljivejši diskovni sistem.

Kako so rasli popularni datotečni sistemi FAT?

Diska ali SSD z veliko zmogljivostjo ne moremo uporabljati brez ustreznega datotečnega sistema. Kratica FAT pomeni datotečno lokacijsko tabelo (angl. file allocation table) in je obenem sinonim za ime najpogostejšega datotečnega sistema na svetu. Prvi FAT iz leta 1977, ki je bil 8-biten, je že kmalu dobil 12-bitnega naslednika FAT-12, ki je podpiral pogone do 32 MB (oz. največ 256 MB s 64 kB velikimi grozdi), nato pa smo dolgo uporabljali še zmogljivejši FAT-16 (do 2 GB oz. največ 16 TB s 4.096-bajtnimi sektorji), ki pa je bil premalo zmogljiv za DVD in diske z vse večjimi zmogljivostmi. Tako smo z Windows XP dobili tudi FAT32, ki podpira pogone z velikostjo do 2 TB in omogoča datoteke do velikosti 4 GB. Kljub temu za pomnilniške naprave USB in kartice SD vseeno velja omejitev na velikosti med 2 in 32 GB. Če hočemo večji pogon, moramo uporabiti posebno programsko orodje, vendar tvegamo, da pogon ne bo pravilno deloval v vseh operacijskih sistemih, še posebej v okolju Windows. Hkrati je lahko v tem primeru izkoristek pomnilnega medija, če nanj posnamemo veliko kratkih datotek, izjemno slab. V praksi se kot največja pomanjkljivost FAT32 izkaže prav nezmožnost hrambe datotek večjih od 4 GB, kakršne so tiste z videi in s filmi v visokih ločljivostih 2K, 4K in 8K.

Med nasledniki FAT32 je najpopularnejši Microsoftov datotečni sistem exFAT (razširjeni FAT, angl. extended FAT), ki omogoča uporabo podatkovnih pogonov velikosti do 128 PB (257) in datotek z velikostjo do 1 EB (264, kar je približno 1019). Seveda datoteke, katerih dolžino opiše kar 8-bajtna vrednost, ne morejo preseči zmogljivosti podatkovnega pogona. Povejmo še, da veliko večino kartic SD in podatkovnih ključkov USB, katerih zmogljivost presega 32 GB, zato že v tovarnah formatirajo z datotečnim sistemom exFAT.

Tehnologije superdiskov

Proizvajalci diskov so v zadnjem času pred težkimi dilemami, kako povečati gostoto podatkovnega zapisa na diskovnih magnetnih ploščah, ne da bi s tem zmanjšali zanesljivost shranjevanja in trajnost shranjenih podatkov. Zadnje je mogoče doseči le nadaljnjim z zmanjševanjem velikosti magnetnih polj na površini magnetnih plošč in s hkratnim oteževanjem spreminjanja njihovega stanja iz logične 0 v logično enico ali obratno. To omogoča nova tehnologija HAMR (magnetno snemanje ob pomoči segrevanja, angl. heat assisted magnetic recoring), s katero magnetno polje pred pisanjem z lasersko diodo v elektromagnetni bralno-pisalni glavi diska segrejejo na višjo temperaturo, kar omogoči elektromagnetni zapis novega logičnega stanja. Tehnologijo že uporabljajo 3,5-pačni diski različnih proizvajalcev z zmogljivostjo 18 TB in več.

Sestavni deli diska velikosti 3,5 palca. Vir: wikimedia.com

Nadaljnje povečevanje zmogljivosti zahteva dodatno zmanjševanje magnetnih polj ob hkratnem povečevanju gostote podatkovnega zapisa. To bi moralo pri disku s 40 TB znašati vsaj 2.600 gigabitov na kvadratni palec (kar ustreza 416 gigabitom na kvadratni centimeter). Čeprav so proizvajalci že razvili prototipe takih diskov, lahko njihovo serijsko proizvodnjo pričakujemo šele v prihodnjem letu. Strokovnjaki pričakujejo, da bodo lahko s tehnologijo HAMR zmogljivosti 3,5-pačnih diskov povečevali do okoli 100 TB.

Obenem se proizvajalci ob povečevanju gostote podatkovnega zapisa ne morejo izogniti tudi uporabi drugih novih tehnologij. Še pred desetimi leti je večina diskov za pisanje v magnetna polja uporabljala tehnologijo PMR (pravokotno magnetno snemanje, angl. perpendicular magnetic recording), ki omogoča magnete gostote do okoli 1 terabita na kvadratni palec (ameriška enota palec meri 2,54 cm), medtem ko večje gostote zapisa (do 5 terabitov na kvadratni palec) zahtevajo uporabo tehnologij SMD (prekrivno magnetno snemanje, angl. shingled magnetic recording) in TDMR (dvorazsežno magnetno snemanje, angl. two dimensional magnetic recording), ki so ju proizvajalci diskov že začeli uvajati pri najzmogljivejših diskih.

Pri tehnologiji HAMR je v bralno-pisalno glavo diska vgrajena laserska dioda, ki pred zapisovanjem podatkov ogreje magnetna polja. Vir: wikimedia.com

Pri SMD se zaporedno zapisane magnetne sledi (angl. tracks) delno prekrivajo, vendar ne toliko, da bi bil zapis v katerikoli izmed njih zaradi tega neberljiv. Pri tem je zelo pomembno, da krmilnik diska sledi zapisuje v pravilnem zaporedju, kar je podobno prekrivanju strehe z lesenimi skodlami. Po drugi strani lahko s tehnologijo TDMR, ki za branje podatkov uporablja dve magnetni glavi ali več, danes gostoto zapisa podatkov povečajo še za okoli 5–10 odstotkov. Proizvajalci kljub začetnemu skromnemu izplenu upajo na bistveno večje doprinose tehnologije TDMR v prihodnosti.

Veliko obeta tudi tehnologija HDMR (magnetno snemanje v segreto točko, angl. heated dot magnetic recording), ki združuje tehnologijo HAMR z drugačnim oblikovanjem magnetne površine na diskovni plošči. Magnetna polja niso več sestavljena iz okoli 10 magnetnih zrn, temveč je površina izdelana iz množice vnaprej oblikovanih magnetnih otokov oziroma točk, od katerih vsaka hrani natančno 1 bit podatkov, kar naj bi omogočalo gostote zapisov do 5 terabitov na kvadratni palec.

Omenimo še vse natančnejšo mehaniko, ki je potrebna za natančno premikanje elektromagnetnih glav in vrtenje diskovnih plošč. Novejši diski uporabljajo tekočinske ležaje, ki se manj obrabljajo, hkrati pa na diskovne plošče prenašajo manj tresljajev.

Tehnologije SSD in kartic SD

Prvi pogoni SSD so uporabljali tehnologijo enonivojskih pomnilnih celic (SLC – angl. single level cell), od katerih lahko vsaka shrani enobitno logično vrednost oziroma logično 0 ali logično 1. Vsaki od logičnih vrednosti tako ustrezna vnaprej določen interval vrednosti napetosti, kar pomeni, da lahko podatke s SSD pravilno preberemo, dokler so napetosti pomnilnih celic v intervalih, ki ustrezajo želenim logičnim vrednostim.

Pri bliskovnih pomnilnikih število branj vsebine posamezne pomnilne celice načelno ni omejeno, zato pa vsebine celice ne moremo poljubnokrat izbrisati in vanjo zapisati nove vrednosti. Pogoni SSD s tehnologijo SLC sicer omogočajo sorazmerno veliko število brisalno-pisalnih ciklov na pomnilno celico (okoli 100.000) oziroma za velikostni razred več pri magnetnih poljih diska (okoli 10.000).

V želji po znižanju proizvodnih stroškov ob hkratnem povečevanju zmogljivostih bliskovnih pomnilnikov so začeli nekateri proizvajalci bliskovnih pomnilnikov uporabljati tudi večnivojske pomnilne celice (MLC – angl. multi level cell, imenovane tudi DLC – angl. dual level cell), ki so v začetku lahko shranile 4 nivoje napetosti oziroma dvobitno vrednost. Ta predstavlja štiri logične vrednosti: 00 (0), 01 (1), 10 (2) in 11 (3). Nekaterih proizvajalci, denimo Nimbus, so kratici MLC dodali še majhno črko e (eMLC), s katero poudarjajo nekoliko večjo zanesljivost in trajnost podatkovnega zapisa pri svoji tehnologiji (črka e pomeni podjetniški, angl. enterprise). Celice DLC oziroma 2-bitni MLC zdržijo okoli 10.000 brisalno-pisalnih ciklov.

Vgradni pogon SSD Micron Crucial. Vir: wikimedia.com

Kasneje so razvili tudi pomnilnike TLC in QLC, pri katerih lahko vsaka pomnilna celica shrani 3- oziroma 4-bitni podatek, zato jih nekateri imenujejo tudi 3-bitni MLC (zdrži okoli 3.000 brisalno-pisalnih ciklov) in 4-bitni MLC (zdrži okoli 1.000 brisalno-pisalnih ciklov). Omenimo še, da v zadnjem času razvijajo tudi pomnilne celice PLC (penta level cell), ki bodo lahko shranile 5-bitne podatke oziroma 32 logičnih vrednosti.

Zanimiv podatek je tudi čas, ki je potreben za branje ene pomnilne celice bliskovnega pomnilnika. Ta je pri SLC okoli 25 mikrosekund, pri 2-bitnem MLC okoli 50 mikrosekund in pri 3-bitnem MLC (TLC) okoli 75 mikrosekund. Celice MLC, ki lahko v eno celico shranijo več bitov podatkov, zato pri njihovem branju niso (bistveno) hitrejše od SLC. Podobno je s časom pisanja podatkov, ki traja pri SLC od 1,5 do 2 ms, pri 2-bitnem MLC okoli 3 ms, pri 3-bitnem MLC pa 4,5 ms.

Plextorjev vgradni pogon NVMe za vodilo PCIe. Vir: wikimedia.com

Pri izbiri novega pogona SSD, še posebej pri tistih z največjimi pomnilnimi zmogljivostmi, moramo biti pozorni tudi na tehnologijo izdelave. Skoraj vsi proizvajalci navajajo tak ali drugačen podatek o tem, koliko podatkov lahko zapišemo na SSD, oziroma kolikokrat lahko podatek podatke izbrišemo in ponovno zapišemo. Poleg tega navajajo tudi povprečen čas delovanja SSD do prve odpovedi.

Na primer, Nimbus za nekatere SSD navaja najmanj pet let brezhibnega delovanja ne glede na intenzivnost uporabe. Samsung za pogone brez gibljivih delov SSD 850 PRO SATA s kapacitetami od 128 GB do 1 TB navaja, da lahko nanje zapišemo do 150 TB podatkov, preden se pojavijo prve okvare, kar naj bi pomenilo okoli deset let uporabe, če bi vsak dan zapisali okoli 40 GB podatkov. Čeprav je to precej manj od števila brisalno-pisalnih ciklov, ki naj bi jih zdržale pomnilne celice MLC, moramo upoštevati neenako uporabo delov SSD, pri čemer so nekateri s pisanjem in z brisanjem bolj obremenjeni, drugi pa manj, obenem pa svoje doprinese tudi obraba krmilnika.

Ali res potrebujemo diske s 100 TB in večje?

Za domačo pisarno gotovo ne potrebujemo velikih diskov ali SSD, prej čim manjše in čim manj opazne mini peceje, ki jih lahko pritrdimo na zadnji del ohišja monitorja, a navidezni svetovi računalniških iger in simulacij že danes zahtevajo čisto drugačne zmogljivosti.

Trirazsežnega navideznega sveta visoke ločljivosti ni mogoče pričarati z dvorazsežno računalniško grafiko in prav tako ne z enostavnimi modeli stvari, živali in ljudi ter drugih grafičnih elementov, ki jih srečamo v njem. Tekoč prikaz slike navideznega sveta z možnostjo sprotnega spreminjanja gledišča zahteva ne samo zmogljiv grafični procesor, temveč tudi velik in zmogljiv podatkovni pogon, ki lahko hitro dostavi velike količine podatkov, ki določajo gibajoče se grafične elemente in s tem zagotovi nepretrgan pogled v navidezni svet. Ker pa večina ne igra samo ene računalniške igre, je še tako velik podatkovni pogon pogosto napolnjen prej, kot bi si mislili.

Podobne zmogljivosti pridejo še kako prav tudi pri profesionalnem urejanju videa in seveda pri inženirskem načrtovanju naprav ter njihovih delov, ki jih lahko že danes natisnemo s tiskalniki 3D za plastiko in/ali kovino.

***Slika 7: Nimbusovo polje najzmogljivejših pogonov SSD. Vir: nimbus.com***

Res pa je tudi, da se veliko manj zahtevnih uporabnikov zanaša predvsem na zmogljivosti oblačnih strežnikov, na katerih lahko ob pomoči sodobnih pametnih telefonov in sorazmerno nezahtevnih odjemalskih aplikacij, ki jih prenesemo z njih, igramo računalniške igre, za katere smo še pred desetletjem potrebovali namizne računalnike, lahko pa tudi ustvarjamo nove videe in druge večpredstavne vsebine.

Vsekakor zmogljivejše in hitrejše podatkovne pogone še kako potrebujejo veliki računalniški centri, ki podpirajo delovanje javnih računalniških oblakov. Morda res ne takoj in ne za vsako ceno, a s povečevanjem števila storitev in njihovih uporabnikov se vsekakor ne morejo izogniti potrebi po neprestanem povečevanju svojih zmogljivosti. Obenem porabijo veliko energije in prostora, zato bodo novi podatkovni podsistemi velikih zmogljivosti z majhno porabo energije tudi v njih prej ali slej nadomestili tehnološko zastarele.

Spremljajoče tehnologije

Povprečen čas dostopa do podatkov na diskih kot tudi na SSD je mogoče bistveno skrajšati z uporabo ustreznih predpomnilnikov. Čeprav si s predpomnilniki ne moremo pomagati pri branju zelo dolgih datotek, kot so tiste z videi in filmi v visokih ločljivostih, so vsekakor več kot dobrodošli pri običajnem delu z računalnikom, pri katerem številni paralelno tekoči programi pogosto berejo in pišejo v sorazmerno kratke datoteke, ki niso daljše od nekaj 100 MB. Z večanjem diskovnih predpomnilnikov v obliki statičnega ali dinamičnega RAM lahko proizvajalci podatkovnih pogonov, še posebej diskov, bistveno pohitrijo dostop do podatkov v njih.

Enostavno in sorazmerno poceni polje za dva podatkovna pogona (diska ali SSD) za domačo rabo ali manjša podjetja, ki ga z računalnikom povežemo prek priključka USB 3.0, lahko naročimo tudi prek spleta. Vir: amazon.com

Medtem ko je zmogljivost večine domačih manjših poslovnih računalnikov omenjena zgolj s tehnološkim napredkom pri razvoju komponent zanje, večji računalniki že dolgo izkoriščajo tudi možnosti zmogljivih diskovnih podsistemov z veliko diski in/ali veliko pogoni SSD. Večja diskovna polja in polja SSD ne zagotavljajo le varnejše hrambe podatkov (npr. sistemi RAID oziroma polje reduns), temveč podatke na diske in pogone SSD razpršijo tako, da je do njih mogoč nekajkrat hitrejši dostop, kot če bi vse podatke shranili zgolj na en podatkovni pogon.

Po drugi strani je vzdržljiv pogon NVMe z manjšo pomnilno zmogljivostjo mogoče uporabiti tudi kot učinkovit predpomnilnik za veliko diskovno polje, katerega velikost je lahko tudi več kot 1 PB. Z ustreznim krmilnikom podatkovnih pogonov v diskovnem podsistemu računalnika je prav tako mogoče hitro razpršeno zapisovanje dolgih datotek na veliko diskov ali SSD. To omogoča nekajkrat hitrejši dostop do celotnih vsebin (npr. videov in filmov v visoki ločljivosti), saj branje njihovih delov poteka vzporedno z več podatkovnih nosilcev. Prezapleteno? Podobno, a veliko počasnejše sestavljanje datotek iz različnih virov v celoto lahko opazujemo tudi v omrežjih P2P (točka–točka, angl. peer-to-peer), na primer s programom Bit torrent.

Številni proizvajalci izdelujejo tudi posebne serije diskov, prilagojene za vgradnjo v velike diskovne podsisteme, manj pa jih razmišlja o možnostih brezizgubnega stiskanja in razširjanja podatkov na ravni diskovnega krmilnika ali krmilnika SSD, saj to možnost še dolgo poznajo zmogljivejši operacijskih sistemi, kot je Microsoftov Windows.

Strežniške tehnologije z majhnimi in s priročnimi omrežnimi shrambami podatkov (NAS – angl. network attache storage) počasi prodirajo tudi v svetova domačih in majhnih poslovnih računalnikov, saj omogočajo večjo zanesljivost in zmogljivost ter nekoliko hitrejši dostop do podatkov. Diski in SSD z zmogljivostjo 100 TB in več bodo zato gotovo navdušili tudi zahtevnejše domače in manjše poslovne uporabnike, ki jih bodo preprosto vgradili v svoje računalnike, namesto da bi iskali poceni NAS.

Klasični SSD ali nekajkrat hitrejši NVMe?

Zmogljivosti SSD neprestano rastejo, zato vodili SATA in SAS že dolgo nista več optimalna rešitev kot pri veliko počasnejših diskih. NVMe (non-volatile memory express) ni nič drugega kot SSD, ki deluje prek hitrega vzporednega vodila PCIe, zaradi česar lahko doseže bistveno večje hitrosti prenosa podatkov, ki znašajo tudi do 3 terabajte na sekundo, medtem ko lahko prek najhitrejših vodil SATA in SAS s hitrostmi 6 gigabitov na sekundo v poprečju prenesemo le okoli 600 megabajtov na sekundo, kar je okoli petkrat manj kot pri NVMe. Ti so obenem optimizirani za čim hitrejše zapisovanje in čim hitrejši dostop do podatkov, medtem ko je njihova pomnilna zmogljivost šele na drugem mestu. Pri enaki pomnilni zmogljivosti kot SSD so od teh običajno precej dražji.

Še pogled v prihodnost

Seagate je prototip pogona SSD s 60 TB predstavil že leta 2016, pri Samsungu pa so leto kasneje razmišljali celo o SSD s 128 TB, a načrte o serijski izdelavi tako zmogljivih pogonov brez gibljivih delov so za zdaj realizirali le pri Nimbusu. Poceni in učinkovita alternativa diskom bi njihovo proizvodnjo in razvoj skoraj v trenutku zaustavila, kar pa gotovo ne bi bilo v prid zdajšnjim proizvodnim zmogljivostim velikih proizvajalcev. Z upočasnjevanjem prehoda na pogone SSD so ti pridobili približno deset let časa za postopno uvajanje in preverjanje nove tehnologije ter krati zmanjšali pritisk na proizvajalce bliskovnih pomnilniških čipov, ki bi sicer ne zmogli slediti povečanemu povpraševanju.

Še pogled dvajset let v prihodnost: Z novim razmahom vesoljske industrije v ZDA in na Kitajskem smo na pragu vesoljske dobe, ko skoraj ne bo človeka, ki se ne bi vsaj enkrat odpravil v vesolje, podobno kot je danes malo takih, ki še nikoli v življenju niso poleteli z letalom. Za vesoljske podvige, kot je polet s turističnim vesoljskim plovilom okoli Lune, pa magnetni trakovi in diski z velikim pomnilnimi zmogljivostmi, vsaj zaradi velikih pospeškov in tresenja med vzletom ter ob vračanju na Zemljo, gotovo niso primerni ...