密度（コンピュータストレージ）

密度は、コンピュータ記憶媒体の特定の物理スペースに保存できる情報ビットの量を測定するものです。密度には、トラックの長さ (線密度) 、表面積(面密度)、または特定の体積(体積密度)の 3 種類があります。

一般的に、密度が高いほど、同じ物理スペースに多くのデータを保存できるため、望ましいと言えます。したがって、密度は特定のメディアのストレージ容量と直接関係しています。また、密度は一般的に、特定のメディア内のパフォーマンスや価格にも影響します。

ソリッド ステート ドライブは、不揮発性メディアの保存にフラッシュ メモリを使用します。これは最新の大量生産ストレージであり、磁気ディスク メディアに匹敵します。ソリッド ステート メディアのデータは、NAND フラッシュのプールに保存されます。NAND 自体は、フローティング ゲート トランジスタと呼ばれるもので構成されています。1 秒間に複数回更新する必要があるDRAMで使用されるトランジスタ設計とは異なり、NAND フラッシュは、電源が入っていないときでも充電状態を維持するように設計されています。市販されている最も容量の大きいドライブは、Nimbus Data Exadrive© DC シリーズ ドライブで、これらのドライブの容量は 16 TBから 100 TBの範囲です。Nimbus によると、100 TB SSDのサイズでは、ニアライン HDD の 6:1 のスペース節約比になります^[1]

ハードディスクドライブは、ディスクの表面コーティングの小さなパッチの磁気分極にデータを保存します。最大面密度は、表面の磁性粒子のサイズと、データの読み取りと書き込みに使用される「ヘッド」のサイズによって決まります。1956年、最初のハードドライブであるIBM 350の面密度は2,000ビット/平方^インチでした。それ以来、密度の増加はムーアの法則と一致し、 2014年には1テラビット/平方^{インチに達しました。[2]} 2015年に、シーゲイトは1.34テラビット/平方^インチの密度のハードドライブを発表しました。^[3]これはIBM 350の6億倍以上です。現在の記録技術は、近い将来に少なくとも5テラビット/平方^インチに「実現可能」に拡張できると予想されています 。 ^{[3] [4]}熱アシスト磁気記録（HAMR）やマイクロ波アシスト磁気記録（MAMR）などの新技術が開発中であり、磁気面密度の継続的な増加が可能になると期待されています。^[5]

光ディスクは、プラスチック表面の小さなピットにデータを保存し、その表面は薄い反射金属層で覆われています。コンパクト ディスク(CD) は、長さ 0.83 マイクロメートル、幅 0.5 マイクロメートルのピットを 1.6 マイクロメートル間隔のトラックに配置して、約 0.90 Gbit/in ²の密度を実現します。DVDディスクは、基本的に高密度の CD で、ディスク表面をより広く使用し、より小さなピット (0.64 マイクロメートル) とより密なトラック (0.74 マイクロメートル) を使用し、約 2.2 Gbit/in ²の密度を実現します。単層HD DVDおよびBlu-rayディスクは、それぞれ約 7.5 Gbit/in ²と 12.5 Gbit/in ²の密度を実現します。

1982 年に CD が導入されたとき、CD の密度はハードディスク ドライブよりもかなり高かったのですが、ハードディスク ドライブはその後急速に進歩し、面密度とデバイスあたりの容量の両方で光メディアを上回りました。

最初の磁気テープドライブであるUnivac Uniservoは、0.5インチの磁気テープに128ビット/インチの密度で記録し、面密度は256ビット/平方^インチとなった。^[6] 2015年にIBMと富士フイルムは、磁気テープ面密度123ギガビット/平方^インチの新記録を主張した。[ ^7]一方、2015年に出荷された最高密度の生産テープであるLTO-6は、面密度0.84ギガビット/平方^インチを実現している。^[8]

既存のメディアの密度を超えようとする技術が数多くあります。

IBMは2007年に1Tbit/in ^2のミリピードメモリシステムの商品化を目指していたが、開発は停滞しているようだ。IBMの新しい技術であるレーストラックメモリは、密度を高めるために、3Dに配置された多数の小さなナノスケールのワイヤのアレイを使用し、各ワイヤに多数のビットを保持しています。^[9]正確な数字は言及されていませんが、IBMのニュース記事では「100倍」の増加について言及しています。

ホログラフィック ストレージ技術も既存のシステムを飛び越えようとしていますが、この技術も競争に負けており、1 テラビット/平方^インチを提供すると推定されています。非量子ホログラフィー システムでは、現在までに実証された最高値は 約 250  GB /平方^{インチです。}

他の実験的技術では、さらに高密度の記録が可能だ。分子ポリマーストレージは、10 Tbit/in 2 の記録が可能であることが実証されている。^{[ 10]}現在までに実験的に最も高密度のメモリストレージは、電子量子ホログラフィーである。2009年、スタンフォード大学の研究チームは、異なる波長の画像を同じホログラムに重ね合わせることで、電子顕微鏡と銅媒体を使用して、35ビット/電子（約3エクサバイト/in ²）のビット密度を達成した。^[11]

2012年、DNAは実験的なデータ記憶媒体としてうまく使用されましたが、トランスコーディングにはDNA合成装置とDNAマイクロチップが必要でした。2012年現在^{[アップデート]}、DNAは最高密度の記憶媒体の記録を保持しています。^[12] 2017年3月、コロンビア大学とニューヨークゲノムセンターの科学者は、DNAファウンテンと呼ばれる方法を発表しました。これは、DNA1グラムあたり215ペタバイトの密度から情報を完全に取得することを可能にし、理論上の限界の85％です。^{[13] [14]}

NAND フラッシュ メモリという顕著な例外を除き、メディアのストレージ密度が増加すると、通常、そのメディアが動作できる転送速度が向上します。これは、ストレージ要素がディスクの表面に分散され、読み取りまたは書き込みを行うために「ヘッド」の下で物理的に回転する必要があるさまざまなディスクベースのメディアを考えると最も明らかです。密度が高いということは、特定の機械的動作に対してヘッドの下で移動するデータが増えることを意味します。

たとえば、フロッピー ディスクの実効転送速度は、ヘッドの下をビットがどのくらいの速さで移動するかによって計算できます。標準的な 3.5インチフロッピー ディスクは 300  rpmで回転し、最も内側のトラックの長さは約 66 mm (半径 10.5 mm) です。したがって、300 rpm では、ヘッドの下のメディアの線速度は約 66 mm × 300 rpm = 19800 mm/分、つまり 330 mm/秒になります。そのトラックに沿って、ビットは686 ビット/mm の密度で保存されます。つまり、ヘッドは 686 ビット/mm × 330 mm/秒 = 226,380 ビット/秒 (または 28.3 KB /秒)を認識します 。

ここで、サンプル長を短くし、トラック間隔を同じにすることでビット密度を 2 倍にする設計の改良について考えてみましょう。これにより、ビットがヘッドの下を 2 倍の速度で通過するため、転送速度が 2 倍になります。初期のフロッピー ディスク インターフェイスは 250 kbit/s の転送速度で設計されていましたが、1980 年代に「高密度」の 1.44  MB (1,440 KB) フロッピーが導入されると、すぐに性能が追い抜かれました。PC の大半には、代わりに 500 kbit/s で動作する高密度ドライブ用に設計されたインターフェイスが搭載されていました。これらも、LS -120などの新しいデバイスに完全に圧倒され、 IDEなどのより高速なインターフェイスの使用を余儀なくされました。

パフォーマンスへの影響は回転メディアで最も顕著ですが、フラッシュ RAMやDRAMなどのソリッド ステート メディアでも同様の効果が表れます。この場合、パフォーマンスは一般に、電気信号がコンピュータバスを経由してチップに伝わり、チップを経由してデータの保存に使用される個々の「セル」(各セルは 1 ビットを保持) に伝わるまでの時間によって定義されます。

電気特性を定義する要素の 1 つは、チップ内部の配線の抵抗です。ムーアの法則につながった半導体製造の改良によりセル サイズが小さくなると、抵抗が減り、セルの動作に必要な電力が少なくなります。つまり、動作に必要な電流が少なくなり、必要な量の電荷をシステムに送るのに必要な時間が短くなります。特に DRAM では、セルのコンデンサに蓄えられる電荷の量も、この時間に直接影響します。

製造技術の向上に伴い、ソリッド ステート メモリのパフォーマンスは劇的に向上しました。最新の DRAM チップの動作速度は 10 ns 以下です。目立たない効果としては、密度が向上すると、特定の量のメモリを供給するために必要なDIMMの数が減り、その結果、特定のコンピューターの全体的な DIMM の数が少なくなるという点があります。これにより、バス トラフィックが減るため、パフォーマンスも向上することがよくあります。ただし、この効果は一般に直線的ではありません。

ストレージ密度もメモリの価格に大きな影響を与えますが、この場合、その理由はそれほど明白ではありません。

ディスクベースのメディアの場合、主なコストはドライブ内の可動部品です。これにより下限が決まるため、2007年以降、大手HDDメーカー2社の平均販売価格は45～75ドルとなっています。^[15]とはいえ、大容量ドライブの価格は急速に低下しており、これは密度の影響です。最高容量のドライブは、ケース内の個々のハードドライブであるプラッタをより多く使用します。密度が増加すると、プラッタの数を減らすことができ、コスト削減につながります。

ハード ドライブは、多くの場合、ビットあたりのコストで測定されます。たとえば、1957 年に発売された最初の商用ハード ドライブであるIBM の RAMAC は、3.75 MB を 34,500 ドルで提供しました。つまり、1 MB あたり 9,200 ドルです。1989 年には、40 MB のハード ドライブの価格は 1,200 ドル、つまり 1 MB あたり 30 ドルでした。そして 2018 年には、4 Tb ドライブの販売価格は 75 ドル、つまり 1 GB あたり 1.9 セントで、1989 年以降 150 万台、RAMAC 以降 5 億 2,000 万台の増加です。これは、1956 年から 2018 年にかけて価格が 9 倍に上昇したインフレ調整前の値です。

ソリッドステートストレージでも、ビットあたりのコストが同様に低下しています。この場合、コストは歩留まり、つまり単位時間あたりに生産される有効なチップの数によって決まります。チップは、1枚の大きなシリコンウェーハの表面に印刷されたバッチで生産され、ウェーハは切り分けられ、機能しないサンプルは廃棄されます。製造では、より大きなウェーハを使用し、不良品の少ないウェーハを生産することで、時間の経過とともに歩留まりが向上しました。このプロセスの下限は、パッケージングやその他のコストのため、完成したチップ1個あたり約1ドルです。^[16]

情報密度とビットあたりのコストの関係は、次のように説明できます。メモリ チップの物理サイズが半分になると、同じウェハーで 2 倍のユニットを製造できるため、1 個あたりの価格が半分になります。比較すると、DRAM が初めて商業的に導入されたのは 1971 年で、1 kbit の部品は大量生産で約 50 ドル、1 ビットあたり約 5 セントでした。64 Mbit の部品は 1999 年に普及し、1 ビットあたり約 0.00002 セント (20 マイクロセント/ビット) でした。^[16]

• ベケンシュタイン行き
• ビットセル – 1ビットを格納するために必要な長さ、面積、または体積
• マーク・クライダー氏は2009年に、ハードドライブが当時の年間約40%のペースで進歩し続ければ、2020年には2枚のプラッタを持つ2.5インチのディスクドライブが約40テラバイト（TB）を保存でき、価格が約40ドルになると予測した。
• パターンメディア
• シングル磁気記録(SMR)