ظرفی پر از صفر و یک

نگاهی کلی بر ذخیره سازی دیجیتال

رایانه یک ماشین محاسبه‌گر است که برای دقت و سرعت بخشیدن به کار انسان به وجود آمد و امروز علاوه بر این اهداف، بسیاری از وظایف دیگر نیز بردوش آن قرار داده شده است. کار رایانه تنها زمانی ارزش پیدا می‌کند که بتوان نتایج آن را به نحوی ثبت و ذخیره کرد و این موضوع باعث شد همگام با طراحی رایانه و زبان آن، رسانه‌های ذخیره‌سازی نیز تعریف شوند.

همان طور که می‌دانید زبان رایانه‌، زبان صفر و یک است؛ البته هیچ چیزی به نام صفر با یک وجود ندارد و از مفهوم ریاضی و منطقی صفر و یک برای انجام محاسبات مربوط به آن استفاده می‌شود. در حقیقت زبان رایانه‌ از یک الفبای دو حالته تشکیل شده است که به دلیل گفته شده به صفر و یک تفسیر می‌شود، اما از هر چیز دو حالته دیگر می‌توان برای مدل‌سازی و حتی استفاده موثر در دنیای رایانه بهره گرفت.

از روشن یا خاموش، بالا یا پایین، وجود یا عدم وجود، سیاه یا سفید و حتی سیب و گلابی نیز می‌توان برای تفسیر داده‌های دیجیتال استفاده کرد! به کاربردن واژه‌های سیب و گلابی در دنیای دیجیتال شاید کمی خنده‌دار به نظر برسد، اما در واقع الفبای رایانه از ۲ چیز متفاوت تشکیل شده است که بتوان به‌گونه‌ای موثر و کارا تفاوت آنها را تشخیص داد. تفاوت این دو چیز هم لزوما نباید مانند خاموش و روشن یا سیاه و سفید، متضاد باشند.

صرفا تفاوتی که بتواند تشخیص داده شود، کافی است، اما چیزی که باعث شده است از سیب و گلابی یا جفت متفاوت دیگر در دنیای دیجیتال استفاده نشود، شرط موثر و کارا بودن آنهاست. در دنیای دیجیتال یک کلید روشن، به دنبال آن ۶ کلید خاموش و سپس یک کلید روشن دیگر در یک استاندارد خاص به حرف A تفسیر می‌شود و این ترتیب را هر رسانه‌ای با توجه به ساختار خود ثبت می‌کند و مستقل از این ساختار، این ترتیبA خواهد بود. جالب است بدانید با یافتن جفت چیزهای متفاوت که بتوانند به شیوه‌ای موثر و کارا کنار هم قرار گیرند، تاکنون رسانه‌های ذخیره‌سازی متفاوتی ساخته شده است که بعضا باعث شگفتی افراد شده و این شگفتی با وجود عادی شدن، همچنان باقی است.

هنوز هم فکر آن‌که جاسوئیچی، یک دیسک فلشی است که می‌تواند هزاران جلد کتاب و عکس و موسیقی را در خود جای دهد ما را متعجب می‌کند. پس از این‌که جفت چیزهای متفاوت کنار هم چیده شدند باید به کمک واسطی آن را به رایانه متصل و با آن ارتباط برقرار کرد تا بتوان این دستگاه را به عنوان یک رسانه ذخیره‌سازی نام برد.

● صفر و یک‌های متفاوت

در دنیای دیجیتال امروز، صفر و یک منطقی رایانه به شکل‌های گوناگون پیاده‌سازی می‌شوند و به دلیل آن که از حجم، سرعت، مانایی و به طور کلی کارایی کافی برخوردارند، ماندگار شده‌اند. داخل سیستم‌های رایانه‌ای اغلب اختلاف سطح ولتاژ به صفر و یک تفسیر می‌شود؛ مثلا ولتاژ مثبت به معنای یک و ولتاژ صفر به معنای صفر است یا مثبت ۳ و منفی ۳ یا توجه به نوع طراحی هر دو سطح ولتاژ دیگر، ممکن است به کار گرفته شده باشد. البته اختلاف ولتاژ زمانی معنی پیدا می‌کند که جریان الکتریکی وجود داشته باشد، بنابر این صفر و یک‌هایی از جنس اختلاف ولتاژ می‌تواند در گذرگاه‌ها، پردازنده یا رسانه‌های ذخیره‌سازی موقت یا فرار به کار گرفته شوند که مسلما با قطع جریان الکتریکی دیگر صفر و یک بی‌معنی شده وکل داده‌ها از میان می‌روند.

برای ذخیره‌سازی دائمی اطلاعات باید از صفر و یک‌هایی استفاده کرد که برای نگهداری آنها نیاز به اعمال دائمی جریان به آنها نباشد. مثلا دیسک‌های مغناطیسی از دو قطبی‌های مغناطیسی و دیسک‌های نوری از صفر و یک‌هایی از جنس برجستگی و فرورفتگی استفاده می‌کنند.

چیزی که امروزه در دنیای رسانه‌های ذخیره‌سازی دیجیتال زیاد استفاده و نام آن بسیار شنیده می‌شود، حافظه‌های فلش است که حجم کم و سرعت بالایی داشته، قابلیت ارتقا به ظرفیت‌های بالای ذخیره‌سازی را دارند. این حافظه‌ها که امروزه در بیشتر تجهیزات دیجیتال همراه به کار گرفته می‌شود، نسبت به دیگر رسانه‌ها مزایایی دارد که موجب شده است بیش از حد انتظار، مورد توجه قرار گیرند. حافظه فلش که در ۲ نوعNOR وNAND است هر ۲ به وسیله دکتر فوجیو ماسواکا که در شرکت توشیبا کار می‌کرد، اختراع شد. نام فلش نیز از سوی همکار ایشان پیشنهاد شد، چرا که فرآیند پاک شدن محتوای حافظه، وی را به یاد فلاش دوربین‌های عکاسی می‌انداخت! حافظه‌هایNAND ازNOR سریع‌تر و از نظر ابعاد، قابلیت کوچک‌تر ساخته شدن را دارند.

در ضمن این امکان را برای تولیدکنندگان سخت‌افزار فراهم می‌آورند تا ظرفیت‌های بالایی را با قیمت پایین‌تر ازNOR ارائه کنند. همچنین دوام آن نیز بیش از ۱۰ برابر حافظه‌هایNOR است. به دلیل ساختار این دو نوع حافظه، از حافظه‌هایNOR می‌توان به عنوان جایگزینی برای حافظه‌های ROM (فقط خواندنی) داخل رایانه همچون بایوس استفاده کرد. به این ترتیب سرعت آنها افزایش یافته و به دلیل توان خواندن و نوشتن، براحتی قابل به روز رسانی خواهند بود، اما حافظه‌هایNAND برای این کار مناسب نیستند و برای تولید رسانه‌های ذخیره‌سازی جانبی و جایگزینی برای دیسک‌های سخت یا دیسک‌های نوری به کار می‌روند.

● هزینه در واحد بیت

چند فاکتور برای یک رسانه ذخیره‌سازی یا نگهداری داده‌های دیجیتال مطرح است. از جمله سرعت خواندن و نوشتن داده‌ها، میزان مصرف انرژی، ظرفیت و نیز مدت زمانی که یک حافظه می‌تواند داده‌ها را در خود نگه دارد. تاکنون فناوری‌های مختلف، محصولاتی را نتیجه داده‌اند که در یک بخش خوب و در بخش دیگر ضعیف عمل کرده‌اند یا در چند بخش متوسط بوده‌اند، اما هرگز حافظه‌ای با داشتن همه ویژگی‌های خوب ساخته نشده است.

در دنیای دیجیتال امروز، صفر و یک منطقی رایانه به شکل‌های گوناگون پیاده‌سازی می‌شوندو به دلیل آن که از حجم‌ سرعت، مانایی و کارایی کافی برخوردارند ‌ماندگار شده‌انددر واقع دلیل آن، ناتوانی در ساخت نیست، بلکه توجه به هزینه ساخت است. حافظه‌های موقتی هستند که سرعت آنها فوق‌العاده زیاد و گاه برابر یا نزدیک به سرعتCPU است، اما به دلیل گرانی ساخت، ظرفیت آنها کم است. در مقابل، دیسک‌های سخت در حد ترابایت تولید شده‌اند که در مقایسه با حافظه‌های یاد شده بسیار کندتر هستند. به همین سبب از آنها برای محاسبات استفاده شده و به منظور ذخیره‌سازی و نگهداری بلندمدت اطلاعات استفاده می‌شود. برای آن که معیاری برای سنجش ارزش حافظه ها داشته باشند نسبت قیمت به ظرفیت آن را محاسبه می‌کنند تا به واحدی تحت عنوانCost per bit برسند. هر چه حافظه سریع‌تر باشد، هزینه در واحد بیت آن هم بیشتر است و در نتیجه ساخت گنجایش‌های بالای آن با وجود امکان ساخت، مقرون به صرفه نخواهد بود.

● قدرت در فناوری

فناوری هم‌اکنون در حال حرکت به سمتی است که بتواند حجم بیشتری از اطلاعات را در ابعاد کوچک‌تری ذخیره کند با این امکان که سرعت خواندن و نوشتن اطلاعات زیاد بوده و دوام داده‌ها روی حافظه زیاد باشد. ضمن آن که تا حد امکان هزینه تولید را کم کنند تا خرید آن برای همه ممکن شود. چیزی که بتازگی بیشتر مورد توجه محققان قرار گرفته است، دوام داده‌ها روی رسانه است. به این معنا که اگر آن رسانه را از منبع جریان جدا کنیم و دیگر از آن استفاد نکنیم، اطلاعات موجود برآن برای چه مدت باقی خواهد ماند. دوام داده‌ها در بسیاری از دیسک‌ها از طول عمر یک انسان بیشتر است. به این معنا که اگر حافظه را مثلا برای ۱۰۰ سال بدون استفاده در گوشه‌ای قرار دهیم، پس از این مدت همچنان بدون کوچک‌ترین تغییری قابل استفاده باشد که البته این مساله هم به تئوری ساخت حافظه و هم به مواد مصرفی در ساخت آن و البته به فناوری ساخت وابسته است.

جالب است بدانید محققان آزمایشگاه انرژی لارنس برکلی، به فناوری ساخت حافظه‌ا‌ی دست یافته‌اند که قادر است اطلاعات را تا یک میلیارد سال در خود نگه دارد! یعنی خیلی خیلی بیشتر از عمر ما و شما! این تراشه حافظه شامل ذرات آهن متبلور شده در مقیاس نانو است که در یک کانال چند لایه از الیاف کربنی در حرکت خواهند بود. یکی از فیزیکدانان متفکر این گروه بر این عقیده است که اگر بتواند دما را تا حد بیشتری تحت کنترل در آورد، بازه زمانی نگهداری اطلاعات در این تراشه حافظه از یک میلیارد سال نیز بیشتر خواهد شد.

● آینده رسانه‌های ذخیره‌سازی

هم‌اکنون مدل‌های مفهومی و نمونه‌های آزمایشگاهی مختلفی از رسانه‌های ذخیره‌سازی کوچک و پرظرفیت ارائه شده است که حتی تصور عرضه برخی از آنها نیز غیرقابل باور است. یکی از این مدل‌های مفهومی، ۳ MP پلیری با ظرفیت ۳۰۰۰ ترابایت است که با استفاده از فناوری نانو طراحی شده است.

اشتباه نکردید! ۳۰۰۰ ترابایت! یعنی یک تراشه کوچک به حجم یک ۳ MP پلیر که ظرفیتی‌ معادل ۳۰۰۰ دیسک سخت یک ترابایتی امروزی دارد. از دیگر رسانه‌های ذخیره‌سازی آینده که می‌تواند جایگزین دیسک‌های سخت امروزی که رفته رفته به پایان عمر خود نزدیک می‌شوند شود، حافظه های هولوگرافیک و دیسک‌های نوری سه‌بعدی است. این فناوری‌ها آخرین دستاوردهای دنیای حافظه‌ها تا به اینجا هستند که امکان ساخت دیسک‌های پرظرفیت را فراهم خواهند آورد. امروزه سرعت تولید اطلاعات با شتاب زیادی در حال رشد است که یکی از بزرگ‌ترین عوامل آن، محبوب شدن و عرضه زیاد دوربین‌های دیجیتال و فناوری‌های بصری دیگر است که در زمان مناسبی به این مساله نیز خواهیم پرداخت. بنابر این نیاز به رسانه‌های پرظرفیت کم حجم برای نگهداری این حجم از اطلاعات بیشتر شده و ضرورت وجود آنها بیشتر حس خواهد شد.

پارسا ستوده‌نیا