數(shù)據(jù)儲存的未來發(fā)展應(yīng)該是怎么樣的

如今智能手機(jī)的內(nèi)存越來越大，可全球的數(shù)據(jù)儲存很快就會亮出「內(nèi)存不足」的預(yù)警。

根據(jù)軟件公司 Domo 的報(bào)告，2018 年人們平均每分鐘在 Google 進(jìn)行 383 萬次搜索，在 YouTube 觀看 433 萬段視頻，發(fā)送 159362760 封電子郵件、473000 條 Twitter 和 49000 張 Instagram 上的照片。

而在中國，每天在微信發(fā)出的信息就超過 。Domo 預(yù)計(jì)到 2020 年全球人均每秒將產(chǎn)生 1.7 MB 的數(shù)據(jù)，以全球人口 78 億計(jì)算，那么一年就會產(chǎn)生 418 ZB 的數(shù)據(jù)，大約需要 4180 億個 1TB 硬盤才能裝下。

這還沒考慮到人口的增長趨勢，聯(lián)合國預(yù)計(jì)世界人口在 2050 年就能。這意味著現(xiàn)有的數(shù)據(jù)儲存系統(tǒng)撐不到下個世紀(jì)了。

▲ i 圖片來自：聯(lián)合國

數(shù)據(jù)的爆炸式增長，迫使人類尋找更好的數(shù)據(jù)儲存技術(shù)。有人嘗試用 1 公斤 DNA 儲存全球數(shù)據(jù)，微軟則研發(fā)出可以號稱可以使用上千年的「玻璃光盤」，然而技術(shù)最先進(jìn)的科技公司還在使用磁帶儲存數(shù)據(jù)。

人類文明狂奔 5000 多年，但現(xiàn)在可用的儲存介質(zhì)最長的壽命最多才約 60 年，數(shù)據(jù)儲存的未來到底在哪里？

9102 年了，科技公司為什么還在用磁帶儲存數(shù)據(jù)？

在很多人印象中，磁帶仿佛是上個世紀(jì)的古董了。不少 80 后 90 后當(dāng)年還是以買磁帶來支持自己的偶像，任賢齊 1996 年發(fā)行的專輯《心太軟》錄音帶銷量就突破了千萬。

然而隨著 CD、MP3、智能手機(jī)相繼在音樂市場上各領(lǐng)風(fēng)騷，磁帶也成了一代人的回憶，在生活中難覓蹤影?？纱艓Р]有死，反而在大數(shù)據(jù)時代成了最具競爭力的儲存介質(zhì)。

目前包括 Google 、亞馬遜和微軟等科技巨頭其實(shí)也還在使用磁帶來備份海量數(shù)據(jù)。為什么放著機(jī)械硬盤（HDD）和固態(tài)硬盤（SSD）不用，反而去用磁帶儲存數(shù)據(jù)呢？

最重要的原因還是便宜，這些科技公司的用戶數(shù)以億計(jì)，需要儲存的數(shù)據(jù)量十分龐大。盡管云計(jì)算是未來趨勢，但對于提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的公司來說，依然需要將數(shù)據(jù)儲存到本地，這將是一筆不菲的成本。

盡管與硬盤和半導(dǎo)體儲存器相比，磁帶的讀取速度要慢得多。但成本卻也低得多，1 TB 容量的移動硬盤售價(jià)約為 50 美元，相同容量的磁帶的價(jià)格僅需 5 美元。

▲1951 年磁帶首次用于計(jì)算機(jī)（Univac）數(shù)據(jù)存儲

而且磁帶比硬盤要耐用，一般硬盤的壽命不超過 10 年，每隔幾年就要復(fù)制到新硬盤中，海量的數(shù)據(jù)的復(fù)制不止耗時，而且還容易丟失數(shù)據(jù)，而磁帶則可以保存數(shù)十年。

此外在使用過程中磁帶只需要插在機(jī)械磁帶庫的插槽中，不需要耗電，也節(jié)省了不少電力成本，要知道 2025 年全球數(shù)據(jù)中心的電費(fèi)將會超過百億美元。

對于很多公司來說，數(shù)據(jù)儲存的安全性往往是重要的。因?yàn)榇艓Р话惭b驅(qū)動就無法訪問，這種離線狀態(tài)隔絕了黑客和網(wǎng)絡(luò)攻擊，不容易丟失和被篡改。

2011 年，Google 郵箱 Gmail 因?yàn)橐淮胃轮械?Bug 意外刪除了 40000 多個賬戶的郵件，雖然 Google 一直有在多個數(shù)據(jù)中心用硬盤儲存數(shù)據(jù)副本，但仍有部分?jǐn)?shù)據(jù)無法恢復(fù)。所幸這些數(shù)據(jù)同時也有備份到磁盤里， 才得以恢復(fù)所有數(shù)據(jù)。

▲ 圖片來自：Business Insider

因此除了科技公司，不少對于數(shù)據(jù)安全性有較高要求的企業(yè)和機(jī)構(gòu)其實(shí)也還在用磁盤儲存數(shù)據(jù)。比如銀行、保險(xiǎn)公司、國家檔案館，以及科研機(jī)構(gòu)，其中就包括美國國家航空航天局（NASA）。

但磁帶并不是因?yàn)榘踩统杀径鵂奚实臄?shù)據(jù)儲存載體，磁帶技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)超出很多人的想象。

索尼在 2014 年利用自主開發(fā)的濺射薄層沉積技術(shù)，將 7.7nm 的極細(xì)磁顆粒鋪設(shè)在磁帶上，實(shí)現(xiàn)了高密度磁存儲，儲存容量可以達(dá)到 185TB。

▲IBM 容量 330TB 的磁帶

IBM 在瑞士蘇黎世有一個專門的研究團(tuán)隊(duì)來負(fù)責(zé)推進(jìn)磁帶技術(shù)，據(jù)團(tuán)隊(duì)科學(xué)家 Mark A. Lantz 介紹，IBM 在 2017 解決了每平方英寸儲存 201 千兆字節(jié)的難題，并通過引進(jìn)索尼的濺射薄層沉積技術(shù)，將單盒磁帶的容量提升至 330 TB。

編者注：1 平方英寸=0.00064516 平方米

更重要的是，磁帶的儲存容量已經(jīng)以每年 33% 的速度增長了多年，而且并沒有放緩的跡象。信息存儲行業(yè)協(xié)會（INSIC）預(yù)測 2025 年磁帶儲存密度能達(dá)到每平方英寸 91 GB，到 2028 年將突破每平方英寸 200 GB。

▲ 圖片來自：Quartz

而硬盤的磁錄密度增長速度卻已經(jīng)降到了 10-15%，因?yàn)楫?dāng)硬盤的儲存密度達(dá)到一定極限后，要再縮小磁性顆粒大小，就難以保持磁性穩(wěn)定，這就是所謂的。

根據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)上的大數(shù)據(jù)正以每年 30%-40% 的速度增長，而目前硬盤容量增長的速度不到大數(shù)據(jù)增長速度的一半，磁帶卻可能成為遵循摩爾定律的最后一種信息技術(shù)。

眾多廠商在嘗試突破儲存技術(shù)的極限，但沒那么容易

正如上文所述，企業(yè)級的數(shù)據(jù)儲存設(shè)備至少要兼顧下面這些因素：成本、安全、耐用和儲存密度。那么除了磁帶，我們真的沒有別的選擇嗎？

只能說，現(xiàn)階段磁帶是性價(jià)比最高的大數(shù)據(jù)儲存介質(zhì)之一，但很多廠商也一直在研究新的儲存技術(shù)。比如硬盤廠商希捷和西數(shù)開發(fā)出的和，就有望讓硬盤打破超順磁極限。

▲ 圖片來自：Fstoppers

這兩種技術(shù)分別通過激光和微波來降低介質(zhì)的矯頑力，在超高密度的數(shù)據(jù)存儲中時保證足夠的穩(wěn)定性。但這兩種技術(shù)都還未完全成熟，需要更多時間才能完全商用。

另外一種可能像磁帶一樣被忽略的就是光儲存技術(shù)，CD 和 DVD 都是光儲存介質(zhì)的一種。但過去的 CD 容易老化，同時由于衍射極限的限制（可以看作光盤里的超順磁極限），儲存密度也十分有限。

▲圖片來自：

但藍(lán)光光盤改變了這一切，據(jù)華錄光存儲研究院營銷中心副總經(jīng)理胡冰，藍(lán)光光盤同樣具有可靠穩(wěn)定和使用壽命長的特點(diǎn)，使用壽命能達(dá)到約 50 年，單張藍(lán)光光盤的容量已達(dá) 500 GB，未來有望突破 TB 級。

▲圖片來自：ssdfans

同時藍(lán)光儲存對溫度等環(huán)境溫度要求較低，不需要空調(diào)冷卻系統(tǒng)，這大大降低了成本。，與硬盤相比節(jié)省了超過一半的成本，耗電量則降低了 80% 以上。

微軟最近曝光的 項(xiàng)目其實(shí)也基于光儲存技術(shù)，是通過飛秒激光技術(shù)（一種以脈沖形式發(fā)射的激光，常用于近視矯正手術(shù)）在一塊玻璃上形成一個納米尺度光柵層結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生不同深度和角度的變形，有點(diǎn)像刻錄光盤，不過密度更高也更復(fù)雜，一塊 2 毫米厚的玻璃可以包含 100 多個數(shù)據(jù)層。

目前微軟已經(jīng)和華納兄弟公司合作，成功將 1978 年的《超人》電影母帶儲存在一塊 75 x 75 x 2mm 的玻璃中，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)對于玻璃中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了非順序的讀取，只不過讀取速度還有待提升。

跟光盤不一樣的是， Project Silica 的數(shù)據(jù)是儲存在玻璃內(nèi)部而非表面，因此數(shù)據(jù)不會因?yàn)椴Ａp而丟失。研究人員將這種「玻璃光盤」放進(jìn) 500 ℃ 的烤箱、用微波爐加熱、廢水煮泡，甚至用鋼絲擦洗后，數(shù)據(jù)依然能順利讀取。

雖然這項(xiàng)技術(shù)仍處于初期階段，但英國微軟劍橋研究院的實(shí)驗(yàn)室副主任表示，這種「玻璃光盤」可以持續(xù)使用上千年。此外玻璃對溫度和濕度也沒什么要求，這能大幅降低數(shù)據(jù)儲存的成本

實(shí)際上「玻璃光盤」并不是微軟的首創(chuàng)，早在 2016 年英國南安普敦大學(xué)成功用類似的技術(shù)將數(shù)據(jù)編碼到玻璃中，可以承受 1000 ℃的高溫 ，號稱在常溫下壽命接近無限，即便在 190°C 下也可使用 138 億年 ，要知道地球的歷史也才大約 46 億年。

值得一提的是，微軟的 Project Silica 項(xiàng)目正是和南安普敦大學(xué)合作開發(fā)的，這種玻璃光盤又被稱為 5 維光盤，由納米結(jié)構(gòu)的三維，再加上整體尺寸和方向構(gòu)成。同等尺寸的玻璃光盤儲存容量是藍(lán)光光盤的 3000 倍。

如果成功，真的可能像南安普敦大學(xué)研究人員所說的，開創(chuàng)一個數(shù)據(jù)永久儲存的新時代。

最好的數(shù)據(jù)儲存載體，可能就是我們自己

數(shù)據(jù)儲存領(lǐng)域里一個更大膽的設(shè)想，是生物質(zhì)硬盤，就是將信息儲存在 DNA 中。

DNA 是如何儲存數(shù)據(jù)的？其實(shí)原理不算復(fù)雜，所有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)都是以 0 和 1 組成的二進(jìn)制數(shù)存儲和運(yùn)算的，而 DNA 儲存技術(shù)則是用四種堿基來代替 0 和 1 ，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為化學(xué)信號。

2017 年，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院就利用 CRISPR DNA 編輯技術(shù)，將一張賽馬的動圖錄入大腸桿菌的基因組中，并以超過 90% 的準(zhǔn)確率讀取出來。

近兩年也出現(xiàn)了不少探索 DNA 儲存技術(shù)的創(chuàng)業(yè)公司，前段時間初創(chuàng)企業(yè) Catalog 宣布將維基百科英文版一共 16G 的所有文本存儲在一個 DNA 分子中，通過一臺超大型 DNA 書寫器完成，數(shù)據(jù)寫入速度能達(dá)到 4 MB/s 。

▲ 里面就是儲存了 16G 維基百科的 DNA

而另一家叫做 Twist Bioscience 的生物科技公司，是目前全球最大合成基因的供應(yīng)商之一。據(jù)其創(chuàng)始人 Emily Leproust 介紹，該公司一粒膠囊中的 DNA 可以儲存相當(dāng)于整個 Facebook 數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)。

目前 Twist Bioscience 已經(jīng)向客戶推出 DNA 儲存的服務(wù)，但價(jià)格卻很感人。儲存 12 MB 數(shù)據(jù)的價(jià)格就高達(dá) 10 萬美元，但 Emily Leproust 表示未來這一價(jià)格將降到 10 美分。

2016 年哈佛大學(xué)在學(xué)術(shù)期刊 Nature Materials 發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于 DNA 儲存技術(shù)的研究成果，指出 DNA 的儲存密度遠(yuǎn)超目前任何一種儲存介質(zhì)，經(jīng)過換算，1kg 的 DNA 就能儲存全球一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

但 DNA 儲存目前還遠(yuǎn)不是理想的數(shù)據(jù)儲存技術(shù)，除了昂貴的成本，由于 DNA 存儲的數(shù)據(jù)只能通過測序來讀取，讀寫速度非常緩慢。有人計(jì)算過如果要將 2017 年全球產(chǎn)生的 16 ZB 數(shù)據(jù)儲存到 DNA 中，需要花費(fèi) 。

今年年初微軟首次實(shí)現(xiàn)，讓 DNA 儲存技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室邁向商業(yè)化更進(jìn)了一步，但僅僅是編碼「hello」五個字母，從轉(zhuǎn)換到讀取就要花費(fèi) 21 小時，同時讀取的準(zhǔn)確度也有待提高。

由此可見，雖然 DNA 儲存技術(shù)確實(shí)有可能徹底解決全球數(shù)據(jù)儲存的問題，但這個未來還有一段不短的距離。

數(shù)據(jù)永久儲存有可能實(shí)現(xiàn)嗎？

隨著各種技術(shù)成熟，人類正在追求信息儲存在時間和空間兩個維度的極致：超高的儲存密度和永恒的儲存時間。

沒有知道這是否能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闆]人能活到永遠(yuǎn)，人類最早的文字記錄也只是 5200 年前蘇美爾人留下的楔形文字，然而互聯(lián)網(wǎng)誕生僅僅 50 年，50 年前的數(shù)據(jù)有多少至今仍保存完整呢？

在科幻小說《三體》中的未來世界里，即便一粒米大小的量子儲存器就可以放下一座大型圖書館的數(shù)據(jù)，但最多也只能保存 2000 年。最后人們發(fā)現(xiàn)把信息儲存 1 億年的唯一可行方法，就是「把字刻在石頭上」。劉慈欣總結(jié)得好：

文明像一場五千年的狂奔，不斷的進(jìn)步推動著更快的進(jìn)步，無數(shù)的奇跡催生出更大的奇跡，人類似乎擁有了神一般的力量?但最后發(fā)現(xiàn)，真正的力量在時間手里，留下腳印比創(chuàng)造世界更難，在這文明的盡頭，他們也只能做遠(yuǎn)古的嬰兒時代做過的事，把字刻在石頭上。