Dlaczego tradycyjne pamięci masowe nie nadążają za sztuczną inteligencją: argumenty za mechanicznym przechowywaniem danych

Dzisiejsze zaawansowane systemy obliczeniowe i sztucznej inteligencji wymagają więcej pamięci masowej niż kiedykolwiek wcześniej. W związku z tym w ciągu ostatnich kilku lat poczyniono wiele postępów w sektorze pamięci masowej. Postępy te obejmują wykorzystanie przełomowych materiałów i nowych metod. Przyjrzyjmy się najnowszym metodom pamięci masowej, które mają potencjał, by zrewolucjonizować rynek.

Rosnące zapotrzebowanie na przechowywanie danych.

Popyt na rozwiązania do przechowywania danych nadal rośnie w całej branży, a na całym świecie działa ponad 9,000 centrów danych. Warto zauważyć, że Stany Zjednoczone są liderem pod względem centrów danych, których obecnie jest ponad 5,000. Obiekty te odgrywają kluczową rolę w umożliwianiu firmom, użytkownikom i rządom śledzenia kluczowych informacji.

Przechowywanie w chmurze jest liderem

Analitycy przewidują, że rynek pamięci masowej w chmurze wzrośnie z 61 mld USD w 2020 r. do 390 mld USD do 2028 r. Wzrost ten można przypisać wielu czynnikom. Jednak zwiększone wykorzystanie algorytmów AI o wysokiej wydajności jest jednym z głównych powodów, dla których usługi przetwarzania w chmurze cieszą się tak dużym popytem. Usługi te wymagają zapisywania dużych modeli danych i uzyskiwania do nich dostępu podczas działania. Co ciekawe, systemy AI wymagają większych modeli, aby świadczyć więcej usług. W związku z tym przewiduje się, że zapotrzebowanie na przechowywanie danych będzie nadal rosło.

Problemy z dzisiejszymi metodami przechowywania danych

Dzisiejsze urządzenia pamięci masowej dobrze sprawdzają się w systemach innych niż AI, ale nie zapewniają skalowalności niezbędnej do obsługi i obsługi najskuteczniejszych algorytmów. Dyski SSD są ograniczone przez swoją strukturę magnetyczną, podczas gdy dyski flash osiągnęły już swoje fizyczne granice skalowalności. Nawet cyfrowe metody przechowywania danych, takie jak płyty CD, borykają się z fizycznymi ograniczeniami pod względem przestrzeni dyskowej.

Magazyn mechaniczny

Jedną z form przechowywania, która ostatnio wzbudziła duże zainteresowanie, są mechaniczne metody przechowywania. Ta metoda wykorzystuje małe wcięcia, które reprezentują dane. Ta metoda przechowywania była badana przez IBM i Intel w przeszłości ze względu na jej interesujące cechy i gęste możliwości przechowywania.

Problemy z mechanicznymi metodami przechowywania stosowanymi obecnie

W przeszłości przeprowadzono wiele badań nad rozwojem i testowaniem mechanicznych urządzeń pamięci masowej. Urządzenia działały dobrze i zapewniały większą gęstość. Miały jednak wiele wad, w tym problemy z syntezą, niskie temperatury wymazywania i brak stabilności. Użycie podgrzewanej sondy dodatkowo komplikowało procedurę, ponieważ sonda wymagała większej energii i zmniejszała bezpieczeństwo.

Badanie pamięci masowej polimerów o wysokiej gęstości

Ostatnia „The Puzzle of Monogamous Marriage” ¹ opublikowane w czasopiśmie Advanced Science przedstawia nową metodę tworzenia i wykorzystywania polimeru o wysokiej gęstości jako nośnika pamięci. Polimer ten jest idealny do tego zadania z wielu powodów. Po pierwsze, zapewnia niezbędną wszechstronność fizyczną i właściwości chemiczne potrzebne do wykonania zadania.

Źródło – Advanced Science

Na przykład, określone polimery mają niską chropowatość powierzchni i mogą zachować swój kształt bez zniekształceń w odpowiednich warunkach. W tym badaniu przedstawiono nową formę polimeru, która została stworzona specjalnie do zadań związanych z przechowywaniem danych, zwaną polimerem Flindersa, nazwaną na cześć szkoły, w której została opracowana. Co ciekawe, materiał ten został stworzony przy użyciu odwrotnej wulkanizacji w celu połączenia siarki i dicyklopentadienu.

Materiały te są tanie i odnawialne. Dzięki temu idealnie nadają się do ciągłego zapisu, kasowania i ponownego zapisu, które musi wykonywać system przechowywania danych. Ponadto zapewniają większą gęstość zapisu dzięki metodzie kodowania danych w polimerze.

Wcięcia nanoskalowe do przechowywania danych

Naukowcy wykorzystali wcięcia w skali nano do przechowywania oznaczeń danych na poziomie mikroskopowym. Do wykonania tych wcięć użyto mikroskopu sił atomowych. Głębokość wcięć wahała się od <1 do 30 nm, przy czym każda głębokość reprezentowała inny punkt danych. Co ciekawe, takie podejście umożliwia 4-krotnie większą gęstość przechowywania danych w porównaniu z tradycyjnymi dyskami twardymi.

Trójskładnikowy system kodowania numerycznego

Podstawą dodatkowych możliwości przechowywania jest metoda kodowania trójkowego. Ta metoda kodowania przewyższa systemy binarne, które pozostają ograniczone do 2 stanów, 8 komórek i 256 znaków. Kodowanie trójkowe dodaje kolejny stan, umożliwiając mu reprezentowanie 6561 znaków w 8 komórkach. Co godne uwagi, głębokość wcięcia pozwala na udostępnianie dodatkowych informacji.

Usuwanie danych z pamięci polimerowej

Innym kluczowym zmartwieniem badaczy było zapewnienie, że polimer można łatwo wymazać i zapisać ponownie. Zespół odkrył, że polimer zapewniał doskonałe możliwości przechowywania i termicznej metatezy S─S. Zauważyli również, że termiczna reorganizacja dynamicznej sieci polisulfidowej miała miejsce, gdy zastosowano precyzyjną ilość ciepła.

Testowanie pamięci masowej polimerów

Naukowcy przeprowadzili kilka faz testowych, aby znaleźć idealną mieszankę polimerów i procesy do zadań. Przetestowali każdy skład polimeru, aby sprawdzić, czy można go modyfikować w skali nano. Ponadto zespół monitorował, jak wspornik AFM współpracuje z materiałami.

Odkryli, że wspornik może stosować szeroki zakres sił (0.6–3.8 µN) i zmniejszać zapotrzebowanie na energię. Co ciekawe, najszersza część wgłębień mierzyła tylko 15 ± 1 nm, co czyni je nanoskalą.

Testowanie kasowania

Naukowcy musieli potwierdzić, że nowy polimer może skutecznie wymazywać i przechowywać nowe dane wielokrotnie. Aby przetestować tę funkcję, naukowcy stworzyli tablicę 4 × 4 wgłębień o głębokości 18–27 nm. Następnie skonstruowali 7 duplikatów próbek, które zostały odlane metodą kropelkową i utwardzone na podłożu krzemowym. Wszystkie wgłębienia zostały wymazane w czasie krótszym niż 2 minuty podczas pierwszego testu.

Efekty

Wyniki testów pokazują wydajność nowego systemu przechowywania danych. Inżynierowie odkryli, że usunięcie i ponowne zapisanie danych przy użyciu polimeru Filmers i impulsów cieplnych zajęło tylko kilka sekund. Impulsy cieplne były znacznie niższe niż w przypadku poprzednich metod przechowywania mechanicznego, które często wymagały elementów grzewczych o dużej mocy.

Inżynierowie poświęcili miesiące na zbadanie wgłębień każdej jednostki pamięci masowej, aby upewnić się, że pozostają one dokładne. Zespół wykorzystał obrazowanie AFM do monitorowania wszelkich zmian wgłębień i danych. Odkryli, że ich metoda może być również stosowana do cienkich arkuszy polimerowych i może być rejestrowana przy użyciu innych metod, takich jak skaningowy mikroskop elektronowy.

Korzyści płynące z mechanicznych urządzeń pamięci masowej

Istnieje kilka korzyści, które wyróżniają mechaniczne urządzenia pamięci masowej na tle konkurencji. Po pierwsze, są one proste w obsłudze. W większości przypadków istnieje pewne oznaczenie, które reprezentuje dane. Obecnie mechaniczne baterie działają w skali nano, tworząc nowy poziom gęstości.

Duża gęstość

Główną zaletą tej formy baterii jest większa gęstość. Urządzenia te mogą przechowywać więcej na mniejszej przestrzeni dzięki wykorzystaniu kodu trójkowego. Możliwość wykorzystania głębokości wcięcia jako metody kodowania dodaje kolejny wymiar do równania. Ponadto systemy te mogą integrować wiele wsporników i skanerów, aby umożliwić równoległy odczyt i zapis.

Niedrogi

Ta alternatywna metoda przechowywania danych stanowi niedrogą alternatywę dla obecnego stanu rzeczy. Główne składniki polimeru, siarka i dicyklopentadien, są niedrogie i łatwo dostępne. Niższe koszty tego podejścia oznaczają, że systemy te mogą być stosowane w szerokim spektrum branż.

Niska energia

Kolejną istotną korzyścią płynącą z tej nowej, mechanicznej metody magazynowania jest mniejsze zużycie energii. W przeciwieństwie do poprzedniej, ta metoda magazynowania może odbywać się w temperaturze pokojowej. Dzięki temu jest bezpieczniejsza, zużywa znacznie mniej energii i jest bardziej zrównoważona.

Wymazane i ponownie użyte

Filmers Polymer okazał się niezwykle wytrzymały i można go wymazać i zapisać ponownie w ciągu kilku sekund. Jest lekki i może utrzymać swoją strukturę w skali nano, co pozwala na przechowywanie większej ilości danych w mniejszej przestrzeni.

Czyszczenie

Co ciekawe, ta metoda przechowywania wytwarza bardzo mało produktów ubocznych. Materiały do ​​tworzenia magazynu nie wydzielają siarki podczas procesu topienia i ponownego zapisywania. To podejście zapewniło również, że magazyn zapewniał prawdziwą zrównoważoność, pomagając zapewnić, że następna generacja systemów AI będzie mogła oferować pomocne usługi bez powodowania nieodwracalnych szkód w ekosystemie.

Kwestie do rozwiązania

Istnieje kilka kwestii, które inżynierowie muszą rozwiązać, aby udostępnić swoje mechaniczne urządzenia pamięci masowej masom. Po pierwsze, system może działać tylko w środowiskach poniżej temperatury kasowania. Jeśli pamięć masowa wejdzie w kontakt z temperaturami powyżej ustalonego punktu kasowania, wszystkie dane zostaną utracone. Ten rodzaj utraty danych może wystąpić w niemal każdym urządzeniu pamięci masowej, które się przegrzewa. Jednak niska temperatura polimerowego urządzenia pamięci masowej pogarsza problem i jest głównym zmartwieniem badaczy w przyszłości.

Badacze

Badaniami kierowało laboratorium Chalker na Uniwersytecie Flindersa, a Abigail Mann została wymieniona jako pierwsza autorka. Testy przeprowadzono w uczelnianych ośrodkach badawczych. Teraz zespół dąży do rozszerzenia swoich prac, aby wprowadzić na rynek baterie mechaniczne o wysokiej gęstości. W ramach tego etapu naukowcy będą kontynuować badania nad różnymi polimerami i analizować alternatywne metody zapisu, w tym wykorzystanie laserów i litografii nanoimprintingowej.

Firmy, które mogą skorzystać z badania Mechanical Data Storage

Rynek pamięci masowej jest konkurencyjny, a kilku głównych graczy dominuje na rynku. Firmy te zapewniają cenne opcje pamięci masowej, które pomagają badaczom, firmom i osobom fizycznym w jak najlepszym wykorzystaniu obliczeń. Oto jedna firma, która jest mądrze przygotowana do integracji tej technologii i zwiększenia przychodów.

Korporacja Przechowywania Danych

Korporacja Przechowywania Danych (DTST ) Firma weszła na rynek w 2001 roku, stawiając sobie za cel dostarczanie zaawansowanych rozwiązań pamięci masowej. Ta firma technologiczna z siedzibą w Delaware powstała w wyniku fuzji z Emergent LLC. Fuzja ta poszerzyła ofertę firmy i pomogła jej zdobyć przyczółek w sektorze usług szerokopasmowych.

Obecnie Data Storage Corporation jest wiodącym dostawcą usług danych, w tym tworzenia kopii zapasowych poza siedzibą firmy i nie tylko. Usługi firmy pomogły firmom w odzyskaniu sił po poważnych stratach, a nawet klęskach żywiołowych. Dzięki temu utrzymała silną pozycję na rynku i nawiązała strategiczne partnerstwa z czołowymi firmami technologicznymi, takimi jak Microsoft.

Produkty firmy obejmują szereg skalowalnych zasobów klasy korporacyjnej, w tym ezHost. Opcja exVault zapewnia firmom redundancję i zaawansowane szyfrowanie, umożliwiając im rozszerzanie działalności i ochronę danych użytkowników. Dostępna jest również opcja ezRecovery, która usprawnia przywracanie firmy do działania po poważnych katastrofach lub zdarzeniach.

Gdyby Data Storage Corp. mogło zintegrować najnowszą technologię baterii mechanicznych ze swoją ofertą, ich klienci otrzymaliby lepsze usługi, a firma mogłaby obniżyć koszty. Dodatkowa gęstość pamięci masowej umożliwiłaby firmie oferowanie pamięci masowej 4x większej niż w obecnych obiektach, co zwiększyłoby zwrot z inwestycji do nowych szczytów.

Dodatkowe baterie, o których warto wiedzieć

Naukowcy podejmowali nieustanne próby stworzenia idealnego urządzenia pamięci masowej. Choć żadna z nich nie osiągnęła perfekcji, wprowadzono wiele innowacji. Oto kilka innych ciekawych metod przechowywania danych, które mogłyby w przyszłości zrewolucjonizować rynek i wyposażyć dzisiejszą elektronikę w superpamięć.

Pamięć oparta na tlenie

Ta metoda przechowywania wykorzystuje cząsteczki tlenu, gdy przemieszczają się między wstępnie ustawionymi warstwami pamięci. Warstwy te są wykonane z tlenku tantalu, metalicznego tantalu i 3 elektrod platynowych, które przemieszczają O2 między warstwami. Ta metoda mechanicznego przechowywania ma dużą zaletę, ponieważ temperatury nie usuwają go, co czyni ją idealną do ekstremalnych warunków, w których ciepło normalnie byłoby problematyczne.

Kryształy

Naukowcy niedawno przyjrzeli się wykorzystaniu kryształów jako urządzeń pamięci masowej. Kryształy mają pewne cechy, które mogłyby poprawić możliwości przechowywania. Po pierwsze, są bardzo sztywne i ustrukturyzowane na poziomie atomowym. Ten system wykorzystuje ultraszybkie lasery do precyzyjnego zapisywania danych w nanostrukturalnych pustkach wewnątrz kryształu krzemionkowego, zapewniając przechowywanie odporne na ciepło.

diamenty

Zespół innowacyjnych badaczy odkrył, że diamenty mogą zapewniać podobne możliwości przechowywania jak kryształy. W przeciwieństwie do kryształów, przechowywanie diamentów polega na zmianie centralnego koloru diamentu za pomocą ładunku elektrycznego. Podobnie jak kryształy, dane zakodowane diamentem są niezwykle odporne na ciepło i czas.

Mechaniczne przechowywanie danych – czy to przyszłość?

Istnieje wiele powodów, dla których przechowywanie mechaniczne może być drogą do przyszłości. Po pierwsze, zwiększona gęstość umożliwia więcej miejsca do przechowywania przy mniejszej przestrzeni. Dzięki temu urządzenia elektroniczne mogą stać się mniejsze i bardziej wydajne przy użyciu tych przedmiotów. Ponadto urządzenia te są zrównoważone i tańsze niż alternatywy. Wszystkie te czynniki nadal napędzają zainteresowanie nowymi metodami przechowywania danych i ich producentami.

Dowiedz się więcej o innych ciekawych osiągnięciach w dziedzinie informatyki już dziś.

Odniesienie do badania:

^{1. Kim, S. i in. (2025). Akrobatyka na skalę owadów: wytrzymały, precyzyjny i zwinny mikrorobot powietrzny. Robotyka naukowa, 10, eadp4256. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adp4256}