تاریخچه کوتاه از تکامل دستگاه‌های ذخیره‌سازی

در طول سالیان گذشته، حجم داده‌ها افزایش چشم‌گیری داشته و تکامل دستگاه‌های ذخیره‌سازی نیز باعث توازن در تقاضا و عرضه شده است. بر اساس گزارش موسسه Domo در تحقیق “اطلاعات هرگز نمی‌خوابند” تا سال 2020 هر کاربر در کره زمین در هر ثانیه 1.7 مگابایت اطلاعات تولید خواهد کرد. با توجه به جمعیت نزدیک به هشت میلیارد نفر در کره زمین، مردم تا سال 2020 بیش از 12 هزار پتابایت اطلاعات در هر ثانیه تولید خواهند کرد. نیاز به استفاده از دستگاه‌های ذخیره‌سازی در هر سال نسبت به گذشته افزایش پیدا خواهد کرد. باید در نظر داشت که اولین کامپیوتر تقریبا 80 سال پیش کار خود را آغاز کرد و در این مدت زمان کم شاهد تکامل دستگاه‌های ذخیره‌سازی بودیم. در این مقاله سعی شده تا نقاط کلیدی در پیشرفت تکنولوژی دستگاه‌های ذخیره‌سازی در طول تاریخ اشاره شود.

ذخیره‌سازی اطلاعات همیشه بخش مهمی از فعالیت یک کامپیوتر را تشکیل می‌دهد. حتی وقتی که John Von Neumann معماری کلی کامپیوتر را در سال 1945 به اشتراک گذاشت این امر به وضوح مشاهده می‌شود. در این مفهوم، هدف اصلی پردازنده مرکزی خواندن اطلاعات و دستور‌العمل‌ها از دستگاه‌های ذخیره‌سازی، انجام دستورالعمل، و باز نوشتن نتیجه به دست آمده روی واحد ذخیره‌سازی بود. این مفهوم هنوز هم در کامپیوتر‌های امروزی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ابتدا ورودی و خروجی کارت‌های پانچ بودند. این کارت‌ها برای کار با ماشین حسابداری IBM 405 طراحی شده بودند. هر کارت شامل 12 ردیف و 80 ستون بود. در سال 2013 اعلام شد که اگر قرار بود اطلاعات Google 15EB روی کارت پانچ ذخیره شوند به فضایی اندازه New England با عمق 4.5 کیلومتر نیاز خواهد بود. در کنار فضای فیزیکی برای ذخیره‌سازی، تصور کنید که چه مقدار زمانی طول خواهد کشید که این اطلاعات با ترتیب خاصی که امکان پیدا کردن آنها را فراهم کند، مرتب شوند! مشخص است که نگه داری از اطلاعات به این شیوه اصلا مناسب با نیاز‌های امروز نیست اما خوشبختانه شاهد تکامل دستگاه‌های ذخیره‌سازی در تناسب با نیاز‌های جدید بودیم.

در سال 1953، موسسه ENIAC حافظه‌ای با هسته مغناطیسی به حجم صد کلمه را معرفی کرد که بسیار شبیه به حافظه‌های رم امروز عمل می‌کردند. همچنین در زمانی مشابه اولین حافظه مجهز به نوار توسط کامپیوتر UNIVAC1 مورد استفاده قرار گرفت. این کامپیوتر اولین دستگاهی بود که در بازار آمریکا به صورت عمومی به فروش رسید. این دستگاه اندازه‌ای معادل نیم اینچ داشت و می‌توانست 128 کلمه را را در هر اینچ جایگذاری کند و میزان سرعت آن نیز به 12800 کلمه در ثانیه می‌رسید. گرچه طراحی نوار مغناطیسی IBM به استاندارد تبدیل شد. این نوار چیزی در حدود 2400 فوت طول داشت که در سال 1980 به 3600 فوت رسیده بود. حجم این دستگاه‌ها در طول سالیان افزایش پیدا کردند. کمترین مقدار 200 کاراکتر شش بیتی در هر اینچ بود. میزان نوار مغناطیسی 2400 فوت می‌توانست اطلاعاتی در حدود 5 مگابایت را درون خود ذخیره‌ کند. این مقدار در آخرین دستگاه‌های ذخیره‌سازی اشاره شده به 140 مگابایت رسیده بود که در دهه 80 میلادی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. دستگاه‌های مدرن از این نوع هنوز هم برای استفاده وجود دارند و شرکت سونی در سال 2017 یک مدل از دستگاه‌های ذخیره‌سازی با استفاده از نوار را با حجم 330 ترابایت به نمایش گذاشت.

در دهه 70 و 80 میلادی پانچ کارت‌ها و نوار‌های مغناطیسی راه حلی مناسب برای ذخیره‌سازی داده در پایین ترین سطح ممکن بودند اما در حقیقت راه حلی بسیار سریع‌تر حتی از دهه 50 میلادی در دسترس بود. بله این راه حل همان Hard Disk بود. اولین مدل ارائه شده توسط IBM با نام IBM 350 RAMAC ساخته شد که اندازه‌ای در حدود دو یخچال داشت و محیط کلی آن نیز در حدود یک صفحه دارت بود. هر کدام از این دستگاه‌ها حجمی معادل با 5 مگابایت داشتند که چیزی در حدود 64000 پانچ کارت و یک دستگاه نوار مغناطیسی با طول 2400 فوت بود. البته نکته اصلی استفاده از هارد دیسک این بود که امکان دسترسی به اطلاعات با زمان تاخیر 600 میلی‌ثانیه وجود داشت. میزان تاخیر در نوار‌های مغناطیسی برای دسترسی به اطلاعات به شش دقیقه نیز می‌رسید. در دهه 60 میلادی اندازه هارد دیسک‌ها به شدت کوچک‌تر شد و این مقدار به چیزی حدود یک کیک تولد متوسط رسید.

در دهه 80 میلادی شرکت Shugart Technology که حالا با نام Seagate شناخته می‌شود توانست هارد دیسک بسیار کوچک 5.25 اینچی را در حجم‌های 5 مگابایتی عرضه کند. البته در این دوره زمانی بیشتر کامپیوتر‌ها به فلاپی دیسک اتکا می‌کردند. این دیسک‌ها با اندازه‌ای 8 اینچی در سال 1973 با حجمی معادل 237.25 کیلوبایت کار خود را آغاز کرده بودند. در اوایل دهه 80 میلدی فلاپی‌هایی با اندازه 3.5 اینچی عرضه شدند. نسخه‌های عرضه شده برای کامپیوتر‌های شخصی اندازه‌ای معادل 360 کیلوبایت داشتند. در نهایت میزان حجم نهایی فلاپی دیسک به 1.44 مگابایت رسید و مدل High Density نیز با حجم 2.88 مگابایت عرضه شد. البته با الهام گیری از فلاپی تکنولوژی‌های مختلفی نیز به بازار عرضه شدند. مثلا فلاپی LS-120 می‌توانست حجمی در حدود 120 مگابایت را در اختیار کاربر قرار دهد. در ادامه نیز شاهد ظهور CD، DVD و Blu-Ray در چند دهه گذشته بودیم که امروزه کمتر از آنها استفاده می‌شود. در یک دهه گذشته انتخاب اصلی برای ذخیره‌سازی اطلاعات به استفاده از هارد دیسک و دستگاه‌های فلش مموری یا SSD ختم می‌شود.

هارد دیسک‌ها امروز نیز با شیوه‌ای مدرن به کار خود ادامه می‌دهند. اکثر محصولات در خانواده هارد دیسک در مدل‌های 2.5 و 3.5 اینچی عرضه می‌شوند و سرعت چرخش دیسک درون آنها چیزی بین 5400 تا 15 هزار دور در دقیقه خواهد بود. در طول 15 سال گذشته بلا استفاده شدن هارد دیسک‌ها چندین بار پیش‌بینی شده بود اما در حال حاضر هنوز این اتفاق رخ نداده است. ارائه حجم بسیار بالا با هزینه بسیار پایین‌تر نسبت به تکنولوژی‌های مدرن‌تر مثل SSD باعث شده است تا هارد دیسک‌ها هنوز هم به عنوان راه حلی مناسب در تکامل دستگاه‌های ذخیره‌سازی نقش مهمی داشته باشند. باید اشاره کرد که از زمان ظهور SSD در سال 2006 تقریبا مشخص بود که زمان حکمرانی هارد دیسک در بازار کامپیوتر و سرور‌ها به پایان رسیده است اما این اتفاق چیزی نیست که طی یک یا دو سال انجام شود. در حال حاضر نسبت هزینه در مقابل هر مگابایت در هارد دیسک‌ها بسیار پایین‌تر از SSD است و همین باعث می‌شود که هارد دیسک چندان از ذهن کاربران دور نشود. نسل جدید از SSD مثل M.2 یا NVME می‌توانند اطلاعات را با سرعتی معادل 3000 مگابایت در ثانیه منتقل کنند که چیزی حدود 15 برابر بیشتر از توانایی مدرن‌ترین هارد دیسک است و زمان تاخیر در دسترسی به اطلاعات نیز چیزی حدود 100 برابر کمتر است.

البته عملکرد مناسب تنها دلیل خرید SSD به عنوان دستگاه ذخیره‌سازی به خصوص در دیتاسنتر و سرور‌ها نیست. هر هارد دیسک معمولی چیزی حدود 5 تا 10 وات توان مصرفی دارد و البته کارایی آنها نیز در طول زمان کاهش خواهد داشت. SSD کمتر از یک وات برای روشن ماندن نیاز دارد و این میزان حتی در حال کار کردن به تنها چند وات می‌رسد. همچنین این دستگاه‌های ذخیره‌سازی مدرن به خاطر مصرف پایین، حرارت بسیار کمتری را نیز تولید می‌کنند که روی تهویه مناسب دیتاسنتر تاثیر به سزایی دارد. به همین خاطر پایه تمام سرور‌ها و دیتا‌سنتر‌های امروزی برای دستگاه‌های ذخیره‌سازی SSD است. SSD حتی نسبت به هارد دیسک امکان خطای بسیار کمتری دارد. بدون شک مهم‌ترین دستاورد در ساخت SSD در چند سال گذشته ابداع حافظه 3D Xpoint است که توسط محصولات Intel Optane مورد استفاده قرار می‌گیرند. این تکنولوژی برای استفاده در سرور‌ها طراحی شده است و در حالی که سرعت کلی آنها در نوشتن و خواندن نسبت به محصولات عادی تغییر محسوسی نداشته است اما زمان تاخیر در دسترسی و خواندن دو تا سه برابر کاهش پیدا کرده است! این مقدار تاخیر حتی در زمان نوشتن نیز کمتر شده. همچنین طول عمر این دستگاه‌ها تقریبا صد برابر بیشتر از یک SSD معمولی است و به همین خاطر برای استفاده در سرور و دیتاسنتر فوق‌العاده مناسب هستند. تکنولوژی Optane شرکت اینتل در ابتدای راه قرار دارد چون می‌توان از آن در ساختار حافظه رم نیز استفاده کرد. چیزی که اینتل قصد دارد آن را در سال آینده میلادی عملی کند. این حافظه‌ها مانند هر حافظه دیگر با استفاده از DIMM به مادربرد متصل می‌شوند اما نکته جالب در مورد آنها این است که وقتی منبع تغذیه قطع شود، اطلاعات درون حافظه رم از بین نخواهد رفت!

در حالی که نیاز به اطلاعات و ذخیره‌سازی آن به صورت روزمره افزایش پیدا می‌کند، تکنولوژی دستگاه‌های ذخیره‌سازی نیز بسیار خوب با این نیاز همگام شده و پیشرفت می‌کنند. تکنولوژی‌های جدید در ساختار کلی SSD مثل QLC، 3D NAND باعث کاهش قیمت این نوع دستگاه ذخیره‌سازی در سال‌های آینده خواهند شد. حتی پیش‌بینی شده که قیمت SSD تا سال 2021 کمتر از خرید یک هارد دیسک با حجم یکسان باشد. PCI-E 4.0 و NVMe نیز باعث می‌شود که سرعت نهایی و عملکرد روز به روز بهتر از گذشته شود. سرور‌ها و دیتاسنتر‌ها سهم بسیار زیادی از دستگاه‌های ذخیره‌سازی را به خود اختصاص می‌دهند. در حالی که انسان‌ها هر روز اطلاعات بیشتری نسبت به روز قبل تولید می‌کنند، رشد و تکامل دستگاه‌های ذخیره‌سازی باعث می‌شوند تا شیوه‌های جدید و به صرفه برای نگه‌داری از آنها به وجود آید.