الكثافة (تخزين الكمبيوتر)

الكثافة هي مقياس لكمية بتات المعلومات التي يمكن تخزينها في مساحة مادية محددة من وسائط تخزين الحاسوب . وهناك ثلاثة أنواع من الكثافة: طول المسار ( الكثافة الخطية ) ، ومساحة السطح ( الكثافة السطحية )، أو في حجم معين ( الكثافة الحجمية ).

بشكل عام، تُعدّ الكثافة الأعلى مرغوبة أكثر، لأنها تسمح بتخزين المزيد من البيانات في نفس المساحة المادية. ولذلك، ترتبط الكثافة ارتباطًا مباشرًا بسعة التخزين لوسيط معين. كما تؤثر الكثافة عمومًا على أداء هذا الوسيط، بالإضافة إلى سعره.

هناك عدد من التقنيات التي تحاول تجاوز كثافة الوسائط الحالية.

كانت شركة IBM تهدف إلى تسويق نظام ذاكرة Millipede بسعة 1  تيرابت/بوصة ^مربعة في عام 2007، لكن يبدو أن تطويره قد توقف. وتستخدم تقنية أحدث من IBM، وهي ذاكرة Racetrack ، مصفوفة من أسلاك نانوية صغيرة مرتبة ثلاثية الأبعاد، يحمل كل منها عددًا كبيرًا من البتات لتحسين الكثافة. ^{[ 9 ]} ورغم عدم ذكر أرقام دقيقة، إلا أن مقالات IBM الإخبارية تتحدث عن  زيادات تصل إلى "100 ضعف".

تحاول تقنيات التخزين الهولوغرافية أيضًا تجاوز الأنظمة الحالية، لكنها هي الأخرى تخسر السباق، ويُقدر أنها ستوفر 1  تيرابت/بوصة ^مربعة أيضًا، مع كون حوالي 250 جيجابايت /بوصة ^مربعة هو أفضل ما تم إثباته حتى الآن لأنظمة الهولوغرافية غير الكمومية. 

تُتيح تقنيات تجريبية أخرى كثافات تخزين أعلى. فقد أظهرت تقنية تخزين البوليمرات الجزيئية قدرتها على تخزين 10  تيرابت/بوصة ^مربعة . ^{[ 10 ]} وتُعدّ تقنية التصوير المجسم الكمومي الإلكتروني، حتى الآن، أكثر أنواع تخزين الذاكرة كثافةً تجريبياً . ففي عام 2009، حقق فريق بحثي من جامعة ستانفورد، من خلال دمج صور بأطوال موجية مختلفة في نفس الهولوغرام، كثافة بتات بلغت 35 بت/إلكترون (ما يُقارب 3 إكسابايت /بوصة ^مربعة ) باستخدام مجاهر إلكترونية ووسط نحاسي. ^{[ 11 ]}

في عام 2012، استُخدم الحمض النووي بنجاح كوسيط تجريبي لتخزين البيانات، ولكنه تطلب جهازًا لتخليق الحمض النووي ورقائق دقيقة خاصة به لعملية الترميز. اعتبارًا من عام 2012يحمل الحمض النووي (DNA) الرقم القياسي لأعلى كثافة تخزين. ^{[ 12 ]} في مارس 2017، نشر علماء من جامعة كولومبيا ومركز نيويورك للجينوم طريقة تُعرف باسم "نافورة الحمض النووي" (DNA Fountain)، والتي تتيح استرجاع المعلومات بدقة تامة من كثافة تبلغ 215 بيتابايت لكل غرام من الحمض النووي، أي 85% من الحد النظري. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

باستثناء ذاكرة NAND Flash، يؤدي رفع كثافة التخزين في وسيط التخزين عادةً إلى تحسين سرعة نقل البيانات. ويتضح هذا جليًا عند النظر إلى وسائط التخزين القرصية، حيث تتوزع عناصر التخزين على سطح القرص، ويجب تدويرها ميكانيكيًا أسفل رأس القراءة/الكتابة لقراءة البيانات أو كتابتها. تعني الكثافة الأعلى نقل كمية أكبر من البيانات أسفل رأس القراءة/الكتابة مقابل كل حركة ميكانيكية.

على سبيل المثال، يمكننا حساب سرعة النقل الفعّالة لقرص مرن بتحديد سرعة حركة البتات أسفل رأس القراءة/الكتابة. يدور قرص مرن قياسي بحجم 3.5 بوصة بسرعة 300 دورة في الدقيقة ، ويبلغ طول المسار الداخلي حوالي 66 مم (نصف قطره 10.5 مم). عند 300 دورة في الدقيقة، تكون السرعة الخطية للوسائط أسفل رأس القراءة/الكتابة حوالي 66 مم × 300 دورة في الدقيقة = 19800 مم/دقيقة، أو 330 مم/ثانية. على طول هذا المسار، تُخزّن البتات بكثافة 686 بت/مم، مما يعني أن رأس القراءة/الكتابة يرى 686 بت/مم × 330 مم/ثانية = 226380 بت/ثانية (أو 28.3 كيلوبايت /ثانية).               

والآن، لنفترض تحسينًا للتصميم يُضاعف كثافة البتات بتقليل طول العينة مع الحفاظ على تباعد المسارات نفسه. سيؤدي هذا إلى مضاعفة سرعة النقل لأن البتات ستمر أسفل رأس القراءة/الكتابة بسرعة مضاعفة. صُممت واجهات الأقراص المرنة الأولى  لسرعات نقل تبلغ 250 كيلوبت/ثانية، ولكن سرعان ما تفوقت عليها الأقراص المرنة "عالية الكثافة" بسعة 1.44 ميجابايت (1440 كيلوبايت) في ثمانينيات القرن الماضي. احتوت الغالبية العظمى من أجهزة الكمبيوتر الشخصية على واجهات مصممة لمحركات الأقراص عالية الكثافة التي تعمل بسرعة 500 كيلوبت/ثانية. هذه الأخيرة أيضًا لم تعد قادرة على المنافسة مع الأجهزة الأحدث مثل LS-120 ، التي اضطرت إلى استخدام واجهات أسرع مثل IDE .   

على الرغم من أن تأثير ذلك على الأداء يكون أكثر وضوحًا على الوسائط الدوارة، إلا أن تأثيرات مماثلة تظهر حتى على وسائط الحالة الصلبة مثل ذاكرة الفلاش أو ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) . في هذه الحالة، يُحدد الأداء عمومًا بالوقت الذي تستغرقه الإشارات الكهربائية للانتقال عبر ناقل الكمبيوتر إلى الرقائق، ثم عبر الرقائق إلى "الخلايا" الفردية المستخدمة لتخزين البيانات (تحتوي كل خلية على بت واحد).

إحدى الخصائص الكهربائية الأساسية هي مقاومة الأسلاك داخل الرقائق. مع انخفاض حجم الخلية، بفضل التحسينات في تصنيع أشباه الموصلات التي أدت إلى قانون مور ، تقل المقاومة ويقل استهلاك الطاقة لتشغيل الخلايا. وهذا بدوره يعني انخفاض التيار الكهربائي اللازم للتشغيل، وبالتالي تقليل الوقت اللازم لإرسال الكمية المطلوبة من الشحنة الكهربائية إلى النظام. في ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) تحديدًا، تؤثر كمية الشحنة التي يجب تخزينها في مكثف الخلية بشكل مباشر على هذا الوقت.

مع تطور تقنيات التصنيع، شهدت ذاكرة الحالة الصلبة تحسناً ملحوظاً في الأداء. كانت سرعات تشغيل رقائق DRAM الحديثة تصل إلى 10  نانوثانية أو أقل. ومن الآثار الأقل وضوحاً، أنه مع تحسن كثافة الذاكرة، يقل عدد وحدات DIMM اللازمة لتوفير أي كمية محددة من الذاكرة، مما يعني بدوره تقليل عدد وحدات DIMM المطلوبة في أي جهاز كمبيوتر. غالباً ما يؤدي هذا إلى تحسين الأداء أيضاً، نظراً لانخفاض حركة البيانات على ناقل البيانات. مع ذلك، فإن هذا التأثير ليس خطياً في الغالب.

تؤثر كثافة التخزين أيضًا بشكل كبير على سعر الذاكرة، على الرغم من أن الأسباب في هذه الحالة ليست واضحة تمامًا.

في حالة وسائط التخزين القائمة على الأقراص، تُشكّل الأجزاء المتحركة داخل محرك الأقراص التكلفة الأساسية. وهذا يُحدّد حدًا أدنى ثابتًا، ولذلك تراوح متوسط ​​سعر البيع لدى كبرى شركات تصنيع محركات الأقراص الصلبة بين 45 و75 دولارًا أمريكيًا منذ عام 2007. ^{[ 15 ]} ومع ذلك، انخفض سعر محركات الأقراص ذات السعات العالية بسرعة، وهذا في الواقع نتيجة لزيادة كثافة التخزين. تستخدم محركات الأقراص ذات السعات الأعلى عددًا أكبر من الأقراص، وهي في الأساس محركات أقراص صلبة فردية داخل الهيكل. ومع زيادة كثافة التخزين، يُمكن تقليل عدد الأقراص، مما يؤدي إلى انخفاض التكاليف.

غالبًا ما تُقاس محركات الأقراص الصلبة بتكلفة البت الواحد. على سبيل المثال، كان أول محرك أقراص صلبة تجاري، وهو RAMAC من شركة IBM عام 1957، يوفر سعة 3.75  ميجابايت بسعر 34,500 دولار، أي 9,200 دولار للميجابايت الواحد. وفي عام 1989،  بلغ سعر محرك أقراص صلبة بسعة 40 ميجابايت 1200 دولار، أي 30 دولارًا للميجابايت. أما في عام 2018، فقد بيعت محركات أقراص بسعة 4 تيرابايت بسعر 75 دولارًا، أي 1.9 سنتًا للجيجابايت، بزيادة قدرها 1.5 مليون وحدة منذ عام 1989 و520 مليون وحدة منذ ظهور RAMAC. هذا دون احتساب التضخم، الذي رفع الأسعار تسعة أضعاف بين عامي 1956 و2018.

شهدت تقنية التخزين ذات الحالة الصلبة انخفاضًا مماثلًا في تكلفة البت الواحد. في هذه الحالة، تُحدد التكلفة بناءً على الإنتاجية ، أي عدد الرقائق الصالحة للاستخدام المنتجة في وحدة زمنية. تُنتج الرقائق على دفعات مطبوعة على سطح رقاقة سيليكون كبيرة واحدة، تُقطع وتُستبعد العينات غير الصالحة. وقد حسّنت عمليات التصنيع الإنتاجية بمرور الوقت باستخدام رقائق أكبر حجمًا، وإنتاج رقائق ذات عيوب أقل. يبلغ الحد الأدنى لهذه العملية حوالي دولار واحد لكل رقاقة مكتملة، وذلك بسبب تكاليف التغليف وغيرها. ^{[ 16 ]}

يمكن توضيح العلاقة بين كثافة المعلومات وتكلفة البت الواحد كما يلي: شريحة ذاكرة بحجم نصف الحجم الفعلي تعني إمكانية إنتاج ضعف عدد الوحدات على نفس الرقاقة، مما يُخفض سعر الوحدة الواحدة إلى النصف. وللمقارنة، طُرحت ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) تجاريًا لأول مرة عام 1971، وكانت  سعة 1 كيلوبت تُكلف حوالي 50 دولارًا أمريكيًا في الدفعات الكبيرة، أو حوالي 5 سنتات للبت الواحد. أما سعة 64  ميغابت فكانت شائعة عام 1999، حيث بلغت تكلفتها حوالي 0.00002 سنت للبت الواحد (20 ميكروسنت/بت). ^{[ 16 ]}

• مقيد ببيكنشتاين
• خلية البت - الطول أو المساحة أو الحجم المطلوب لتخزين بت واحد 
• توقع مارك كرايدر في عام 2009 أنه إذا استمرت محركات الأقراص الصلبة في التقدم بوتيرتها الحالية آنذاك والتي تبلغ حوالي 40٪ سنويًا، فإن محرك الأقراص ذو القرصين بحجم 2.5 بوصة سيخزن ما يقرب من 40 تيرابايت (TB) ويكلف حوالي 40 دولارًا في عام 2020.
• الوسائط المزخرفة
• التسجيل المغناطيسي المتداخل (SMR)