密度（コンピュータのストレージ）

密度とは、コンピュータ記憶媒体の一定の物理空間に格納できる情報ビットの量を表す尺度です。密度には、トラックの長さ（線密度）、表面積（面積密度）、または一定体積（体積密度）の3種類があります。

一般的に、高密度の方が望ましい。なぜなら、同じ物理スペースにより多くのデータを保存できるからである。したがって、密度は特定の媒体の記憶容量と直接的な関係がある。また、密度は一般的に、特定の媒体内でのパフォーマンスや価格にも影響を与える。

既存のメディアの密度を超えることを目指す技術が数多く存在する。

IBMは2007年に1 Tbit/in ^2のMillipedeメモリシステムを商用化することを目指したが、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、密度を向上させるために、それぞれが多数のビットを保持する3Dに配置された多数のナノスケールワイヤのアレイを使用する。^{[ 9 ]}正確な数値は言及されていないが、IBMのニュース記事では「100倍」の増加について語られている。  

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試みているが、それらも競争に敗れており、1  Tbit/in ^{2 の}容量しか提供できないと推定されている。非量子ホログラフィーシステムでこれまでに実証された最高値は約 250 GB /in ^{2である。} 

他の実験的な技術では、さらに高い密度が実現されています。分子ポリマーストレージでは、10  Tbit/in ²のデータを格納できることが示されています。^{[ 10 ]}これまでのところ、実験的に最も高密度なメモリストレージは、電子量子ホログラフィーです。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ました。^{[ 11 ]}

2012年、DNAは実験的なデータ保存媒体として成功裏に使用されたが、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あった。2012年現在DNAは、最も高密度な記憶媒体として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たちは、 DNAファウンテンと呼ばれる方法を発表しました。これは、1グラムあたり215ペタバイトの密度（理論上の限界の85%）から情報を完全に取り出すことを可能にするものです。^{[ 13 ] [ 14 ]}

NANDフラッシュメモリという例外を除けば、一般的に、記録媒体の記憶密度を高めることで、その記録媒体の転送速度は向上します。これは、記憶素子がディスク表面に分散しており、読み書きのために「ヘッド」の下で物理的に回転させる必要がある、様々なディスクベースの記録媒体を考える際に最も顕著に表れます。密度が高いほど、一定の機械的な動きに対して、ヘッドの下を移動するデータ量が多くなります。

例えば、フロッピーディスクの実効転送速度は、ヘッドの下でビットが移動する速度を調べることで計算できます。標準的な3.5インチフロッピーディスクは300rpmで回転し、最も内側のトラックは約66mmの長さ（半径10.5mm）です。300rpmでは、ヘッドの下のメディアの線速度は約66mm × 300rpm ＝19800mm /分、つまり330mm /秒です。このトラックに沿ってビットは686ビット/mmの密度で記録されているため、ヘッドは686ビット/mm ×330mm /秒＝226,380ビット/秒（または28.3KB /秒）を見ていることになります。               

ここで、サンプル長を短くして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倍の速さで通過するため、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ースは250  kbit/sの転送速度用に設計されていましたが、1980年代に「高密度」1.44 MB (1,440 KB) フロッピーが登場すると、すぐに性能で追い越されました。大多数のPC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ースが搭載されていました。これらも、 LS-120のような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ースを使用せざるを得なくなりました。   

パフォーマンスへの影響は回転式記録媒体で最も顕著に現れるが、フラッシュRAMやDRAMのような固体記録媒体でも同様の影響が見られる。この場合、パフォーマンスは一般的に、電気信号がコンピュータバスを通ってチップに到達し、さらにチップを通ってデータを格納する個々の「セル」（各セルは1ビットを保持する）に到達するまでの時間によって決まる。

チップ内部の配線抵抗は、チップの電気特性を決定づける重要な要素の一つです。ムーアの法則につながった半導体製造技術の進歩によりセルサイズが縮小するにつれて、抵抗は減少し、セルの動作に必要な電力も少なくなります。これは、動作に必要な電流が少なくなり、システムに必要量の電荷を送り込むのに必要な時間も短縮されることを意味します。特にDRAMにおいては、セルのコンデンサに蓄積する必要のある電荷量も、この時間に直接影響を与えます。

製造技術の向上に伴い、ソリッドステートメモリの性能は劇的に向上しました。最新のDRAMチップは、10ナノ秒以下の動作速度を実現しています。あまり知られていない効果として、メモリ密度の向上に伴い、特定のメモリ容量を供給するために必要なDIMM の数が減少し、結果としてコンピュータ全体のDIMM数も減少します。バストラフィックが減少するため、多くの場合、パフォーマンスの向上にもつながります。ただし、この効果は一般的に線形ではありません。

記憶密度もメモリの価格に大きな影響を与えるが、この場合、その理由はそれほど明確ではない。

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部の可動部品です。これにより固定の下限が設定され、そのため、2007 年以降、主要な HDD メーカー 2 社の平均販売価格は 45 ～ 75 米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、これは確かに密度の影響です。最大容量のドライブは、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、コストが下がります。

ハードディスクの価格は、ビットあたりのコストで測られることが多い。例えば、最初の商用ハードディスクであるIBMのRAMACは1957年に発売され、3.75MB の容量で34,500ドル、つまり1MBあたり9,200ドルだった。1989年には、40MBの ハードディスクが1,200ドル、つまり1MBあたり30ドルだった。そして2018年には、4TBのハードディスクが75ドル、つまり1GBあたり1.9セントで販売され、1989年以降150万セント、RAMAC以降5億2,000万セントのコスト削減となった。これはインフレ調整前の数値であり、インフレによって1956年から2018年の間に価格は9倍に上昇した。

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は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使用可能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ハの表面に印刷されたバッチで生産され、ウェハは切断され、動作しないサンプルは廃棄されます。製造工程では、より大きなウェハを使用し、不良の少ないウェ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ています。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、同じウェハ上に2倍の数のユニットを製造できるため、各ユニットの価格が半分になります。比較として、DRAMは1971年に初めて商用化され、1k ビットの部品は大量生産で約50ドル、つまり1ビットあたり約5セントでした。 1999年には64Mビットの部品が一般的になり、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 ]}

• ベッケンシュタインは縛られている
• 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・クライダーは2009年に、ハードディスクが当時の年間約40％のペースで進歩し続けるとすれば、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は約40テラバイト（TB）の容量を持ち、価格は約40ドルになると予測した。
• パターンメディア
• 瓦状磁気記録法（SMR）