Файл: Сравнительный анализ способов и устройств хранения информации.pdf

ВВЕДЕНИЕ

В основе развития культуры, науки и человеческой цивилизации в целом лежит способность накапливать и хранить информацию так, чтобы к ней можно было получить доступ и использовать в будущем. Своеобразные, ограниченные в своих возможностях способы хранения информации использовались ещё в каменном веке: зарубы на деревьях или камнях, изображения, вырезанные на костях животных или нарисованные на стенах пещер сообщали охотникам-собирателям как практическую, так и культурную информацию [Error: Reference source not found]. С развитием научно-технического прогресса и усложнением устройства общества количество информации, которое человечество производило и желало сохранить, начинает возрастать по экспоненте: за пятилетний период с 1997 по 2002 годы было произведено больше информации, чем за всю предшествующую историю [2.], а за последние два года было создано 90% всей информации, доступной человечеству [3.].

Колоссальные объёмы информации, которые мы храним сейчас и производим каждый день, требуют постоянного усовершенствования способов и устройств её хранения. В идеальном случае, нам бы хотелось использовать какой-то способ хранения информации, позволяющий хранить как можно больший её объём как можно дешевле, при этом имея возможность как можно скорее получить доступ к необходимым нам на данный момент сведениям. К сожалению, ограничения законов физики и доступных технологий не позволяют создать идеальный способ или устройство для хранения данных, поэтому каждый раз, когда мы собираемся сохранить информацию для последующего пользования, перед нами встаёт проблема выбора из доступных способов.

Как правило, имея ограниченный бюджет, нам приходится делать выбор между объёмом и долговечностью хранимой информации с одной стороны, и скоростью доступа к ней, с другой. Различные способы и устройства хранения информации могут применяться в разных ситуациях, в зависимости от того, насколько велики объёмы хранимой нами информации, насколько долго нам необходимо её хранить, как часто нам придётся к ней обращаться, нужно ли нам перезаписывать хранимую информацию и требуется ли нам переносить её с места на место.

При написании работы в качестве источников информации использовались академические статьи и обзоры, архивные данные, опубликованные на официальных сайтах производителей устройств, а также новостные и аналитические статьи онлайн-СМИ, посвящённые устройствам и способам хранения информации. В качестве основного источника по докомпьютерным носителям информации использовалась книга «В мире античных свитков» В. Г. Боруховича [10.], в которой на стр. 8-10 введения приводится информация о дописьменных способах передачи информации, а на стр. 10-18 описываются твёрдые носители информации, такие, как глиняные и восковые таблички, дощечки и металлические монеты. Страницы 42-46 посвящены папирусу как писчему материалу, 107-111 – пергаменту как более удобной и долговечной альтернативе папирусу, а на странице 46 указывается, почему бумага вытеснила из употребления эти лёгкие носители информации. Основным источником по ранним компьютерным и некоторым современным способам и устройствам хранения информации являлся веб-проект Музея Американской Истории (Museum of American Heritage) «От мозга к байтам» («Brains to Bytes») [15.], созданный при поддержке IBM, Apple, Музея Компьютерной Истории (Computer History Museum) и других организаций, связанных с информационными технологиями. В разделе «Индустриальная эпоха: с 1650 по 1900 гг.» («The Industrial Age: 1650 AD to 1900 AD») подробно описывается история переходных носителей информации, таких, как перфокарты, а раздел «Эпоха компьютеров» («The Computer Age») посвящён обзору таких ранних компьютерных носителей информации, как магнитная лента и магнитные барабаны, а также описанию носителей информации, в разной степени использующихся и сейчас, таких, как жёсткие диски, дискеты и оптические диски. При описании способов и устройств хранения информации, которые находятся на стадии прототипов или теоретических предположений и потенциально могут быть использованы в будущем в качестве основных источников были использованы научные статьи Джонатана Эшли (Jonathan Ashley) «Голографическое хранение данных» («Holographic Data Storage») [Error: Reference source not found], в которой описывается теоретическое обоснование возможности хранения данных с помощью голографии в кристаллах, и характеристики подобных носителей информации, а также Спарша Миттала (Sparsh Mittal) «Обзор архитектурных подходов к использованию встроенной DRAM и энергонезависимому кэшу процессора» («A Survey Of Architectural Approaches for Managing Embedded DRAM and Non-volatile On-chip Caches») [41.], в которой описываются различные технологии, позволяющие приблизиться к созданию универсальной памяти, обладающей высокой скоростью, надёжностью и энергонезависимостью. В качестве вспомогательных источников информации были использованы периодические и интернет-СМИ, такие, как Forbes [3.], Лента [6.] и др., а также архивные данные IBM [14.] и других компаний.

Цель работы – определить преимущества и недостатки различных способов хранения информации, выделить основные ниши использования устройств носителей информации и выявить оптимальные технологии для использования в каждой из этих ниш.

Задачи работы:

1. Выделить параметры, по которым возможно сравнение способов и устройств хранения информации.

2. Провести исторический обзор способов и устройств хранения информации и определить тенденции их развития.

3. Описать современные способы и устройств хранения информации, определив их преимущества, недостатки и контексты использования.

4. Описать перспективные, экспериментальные и теоретические способы и устройств хранения информации, которые могут решить существующие и потенциальные проблемы хранения информации.

Глава 1. Проблема сравнения способов и устройств хранения информации

1.1 Сравнение разнообразных носителей информации

От молекул ДНК до узелков на верёвках, от кремниевых чипов до изображений, высеченных на камне – множество вариантов ответа на вопрос «как хранить информацию?» ставит нас перед проблемой: по каким общим критериям можно сравнить эти бесконечно разнообразные способы и устройства хранения информации? Имеет ли смысл сравнивать их всех или правильнее будет выделить какое-то их подмножество, например, те из них, с которыми может работать компьютер?

На самом деле, у этих способов и устройств больше общего, чем кажется на первый взгляд. Все они имеют определённую плотность кодирования информации на единицу объёма, все они характеризуются скоростью записи, считывания информации, а также надёжностью и долговечностью. С развитием современных технологий распознавания изображений и образов любые носители информации, предназначенные для визуального восприятия человеком, могут быть считаны компьютером. Даже более экзотические способы хранения информации вроде молекул ДНК вполне успешно переводятся в цифровую форму с помощью специализированных устройств – для компьютера нет никакой принципиальной разницы между такими устройствами ввода как оптический дисковод или секвенатор ДНК.

Таким образом, в рамках этой работы имеет смысл рассматривать и сравнивать любые способы и устройства хранения информации, уделяя больше внимания наиболее часто используемым.

В рамках этой работы предлагается использовать два набора параметров, которыми может характеризоваться носитель информации. Первый набор – параметры, которые могут принимать спектр значений:

• Ёмкость: параметр, определяющий, какой объём информации может содержать носитель без ущерба для практичности его использования. У каждого носителя есть некоторый потолок объёма сохранённых данных, после достижения которого использовать его становится невозможно либо в силу технических ограничений (например, объёма адресного пространства), либо из-за затруднения процессов записи и доступа к информации, либо в силу очень высокой стоимости.
• Долговечность: параметр, определяющий, как долго информация может храниться без невосполнимого ущерба для содержания при использовании этого носителя. Следует отметить, что долговечность носителя не является строгим ограничением: при своевременной перезаписи информацию можно сохранять намного дольше, чем значение этого показателя.
• Скорость записи: параметр, определяющий, какой объём информации можно записать на этот носитель за определённый фиксированный период времени. В рамках этого обзора свойства носителей информации анализируются с точки зрения пользователя, а не изготовителя, поэтому предполагается, что устройства «только для чтения» обладают нулевой скоростью записи.
• Скорость чтения: параметр, определяющий, какой объём информации можно считать с этого носителя за определённый фиксированный период времени.

Второй набор параметров – бинарные, параметры, которыми носитель информации либо обладает, либо не обладает:

• Энергонезависимость: параметр, определяющий, способен ли носитель информации хранить данные без постоянного доступа электричества.
• Возможность перезаписи: параметр, определяющий, есть ли у пользователя возможность удалять существующие на носителе данные и записывать новые.
• Портативность: параметр, определяющий, есть ли у пользователя возможность хранить носитель информации отдельно от устройства, отвечающего за чтение, анализ и запись информации и переносить носитель от одного устройства к другому.

Разумеется, существует множество других способов классифицировать устройства и способы хранения информации: например, по физическим принципам записи данных (перфорационные, магнитные, оптические, магнитооптические и т.д.), по геометрическому исполнению носителей (диск, лента, барабан, карта и т.д.), но для выполнения целей данной работы разумнее всего ограничиться вышеперечисленным набором параметров.

Оценка параметров сравнения носителей информации

При попытке использования предложенных параметров для сравнения носителей информации возникает вопрос: в каких единицах они должны измеряться? Один из вариантов – использовать устоявшиеся меры, например, измерять ёмкость в байтах, долговечность – в секундах, а скорость чтения и записи – в байтах в секунду. У этого варианта есть несколько недостатков. Во-первых, различные носители информации, такие, как жёсткие диски или оперативная память, могут обладать огромным разбросом между параметрами в зависимости от модели и технологии изготовления. Так, ранние модели жёстких дисков обладали объёмом в 3,75 мегабайт [4.], в то время как современные модели превосходят их на несколько порядков, достигая объёма в 16 терабайт [5.], но и среди современных моделей в различных ценовых диапазонах разброс может достигать двух-трёх порядков. Во-вторых, числа без контекста не очень наглядны. В-третьих, для некоторых носителей информации (докомпьютерных или перспективных экспериментальных) очень сложно определить перечисленные нами параметры с какой-либо точностью.

В рамках данной работы предлагается оценивать параметры, которые могут принимать спектр значений, по относительной шестибалльной шкале:

«5» - максимальный балл, означающий, что данный носитель информации превосходит все аналоги по этому параметру

«4» - высокий балл, означающий, что данный носитель информации превосходит большую часть по этому параметру

«3» - средний балл, означающий, что данный носитель информации превосходит некоторые аналоги по этому параметру

«2» - низкий балл, означающий, что большая часть аналогов превосходит данный носитель информации по этому параметру

«1» - минимальный балл, означающий, что данный носитель информации слабее почти всех аналогов по этому параметру

«0» - специальный балл, использующийся для наиболее слабых по данному параметру носителей информации

Бинарные параметры будут оцениваться в «+», если носитель информации обладает данным параметрм, и в «-», если не обладает. Специальное значение «++» будет использоваться в случае, если устройство или носитель специально предназначены для максимизации возможностей данного бинарного параметра: так, жёсткий диск возможно переносить с одного компьютера на другой, поэтому он получит «+» в параметре «переносимость», а флеш-накопитель и оптический диск предназначены и очень удобны для переноса информации между компьютерами и получат «++» в этом же параметре.

Используя такую систему оценки, будет проведён сравнительный анализ различных способов и устройств хранения данных.

Глава 2. Исторические способы и устройства хранения информации

2.1 Докомпьютерные носители информации

В этом разделе работы будут рассмотрены некоторые носители информации, применявшиеся человеком задолго до изобретения компьютеров и любой вычислительной техники. Данные, зафиксированные на этих носителях, предназначались для анализа человеком без использования какой-либо специальной аппаратуры, хотя, как правило, требовали специальных навыков и знаний.

Самыми ранними носителями информации, используемыми человеком, являлись наскальные рисунки. Изображения, нарисованные на каменной поверхности или вырезанные в камне несут для нынешних поколений художественную и историческую ценность. Невозможно с точностью утверждать, какую роль они играли для людей, которые их создали, однако очевидна их роль как носитель информации, будь то иллюстрации к знаменательным событиям, легендам, описание ритуалов, пособия начинающим охотникам или календари и карты созвездий [6.][7.][8.]. Очевиден ограниченный объём информации, который можно сохранить и передать следующим поколениям с помощью наскальных изображений. Однако преимуществом этого носителя является крайняя долговечность: в виде наскальных изображений информация может храниться десятки тысяч лет. Скорость записи информации в виде рисунков минимальна, а скорость чтения ограничена возможностями человека осознать образы и сделать выводы о том, что на них изображено. Наскальные рисунки не зависят от электричества и, при желании, их можно стереть и использовать каменную поверхность заново. Перемещать с места на место их практически невозможно.

Таблица 1

Оценка наскальных изображений как носителя информации