数据流量暴增需要新的计量单位
随着人类产生的数据达到难以想象的量,需要新的术语来描述它。
Carl Sagan(卡尔·萨根),美国著名的天文学家、行星科学家、宇宙学家、天体物理学家、科学传播者、作家和教授,提议人们去想象我们星系中大量的恒星。他阐述“数十亿颗星星”是试图让普通公民理解一个难以理解的数字。
多年来,电子系统的带宽以令人难以置信的速度增长。数据传输速度从以每秒100万比特(兆比特/秒)逐渐发展为每秒10亿比特(千兆比特/秒)。市场上有产品可达到每秒1万亿位(Tb/s)。
数据中心的迭代是数据交换速度更高的主要案例。在12年里,最先进数据交换中心的速度已经从640千兆比特/秒上升到51.2兆比特/秒,102.4 Tb/s已经在路线图上。
随着数据中心的带宽继续每两年翻一番,这些数字将继续增加,这需要新的方式来表达这个庞大的数据。国际度量局加强了现有的命名法,包括petabytes (quadrillion), exabytes (quintillion), zettabytes, (sextillion), 和 yottabytes (septillion)等。据粗略估计,地球上有七千五百万亿颗沙粒。一兆字节(yottabyte)相当于1个septillion(一千的八次方)字节的信息。试着想象一下这个数字!
对这些极端数字的必要性已经出现在预测数据中。到2025年,全球创建和消耗的数据总量预计将达到175 zettabytes 。
电子电路和器件特性数量级的定义优势极大量或极小量。诸如电容和电感的数值通常比较小。
要了解每个迭代设备所发生的性能升级,人们很快就会遇到新的命名法。例如,信号从电压电平切换到另一个电压电平所需的时间被称为上升时间。信号在状态之间切换得越快,每秒可以传输的比特数就越多,信道效率提高,但也产生更多的失真。它已经从纳秒(十亿分之一秒)发展到了皮秒(十亿分之一秒)。其它如光速(3×10-4米/皮秒)或电子的运动,以飞秒为单位测量,即皮秒的1/1000或1亿秒。
目前领先的超级计算机的性能通常是用千万浮点(petaflops)运算来衡量,这样计算速度等于每秒1万亿次浮点运算的一个衡量单位。
延迟是电子或光信号在通过传输系统时遇到的时间延缓,以毫秒为单位测量。需要实时监控的应用,如过程自动化或自动运输,将需要极短的延迟。这些数字在某些应用中很重要,比如高频自动股票交易,其操作位于股票交易所附近,减少纳秒级别延迟。
面积密度是对存储介质上可以存储数据的物理空间上的度量单位,并以每平方英寸的千兆比特为单位进行度量。最先进的磁盘驱动器接近每平方英寸1太位。目前,3.5英寸硬盘的最大存储容量是26tb,比2021年增长了26%。
超大型数据中心大致定义为包含超过10万台服务器和10,000台交换机,每年需要1000亿美元的资本支出。带宽增长正在接近40%的CAGR。
半导体行业每年生产的芯片数量是惊人的。2021年,半导体出货量为1.15万亿美元。在美国,《2022年联邦芯片和科学法案》将为新芯片的开发和制造提供527亿美元。《欧洲芯片法案》将投资430亿美元(公共和私人基金)进行芯片生产。高端芯片的制造不但晶体管数量巨大,而且尺寸微小。增加芯片上晶体管的密度可以提高性能,降低功耗,并降低成本。IBM Telum芯片是基于一个7纳米(nm)的制造工艺,可以在单个芯片上制造225亿个晶体管。TSMC目前正在改进一个3 nm的过程,目标是改进2n甚至1 nm的器件。随着开发和制造过程的成本呈指数级增长,我们可能正在接近微小芯片几何结构的极限。
与大多数数字标准不同的是,外围组件接口表达(PCIe)选择定义每秒千兆传输(GT/s)的性能,而不是每秒千兆传输。由于包含了编解码,这两者之间略有不同。
数据中心目前消耗全球能源总量的1.5%,其中一半用于冷却。典型的数据中心以英亩为单位测量,每平方米可消耗1000千瓦时。尽管人们正在努力减少电力消耗,但目前的服务器和交换机正在推动强制空气冷却的极限。
焦耳是能量的测量。每比特皮焦耳(Pj/b)已成为衡量功率效率的关键指标。一个运行在1 Tb/s,每位1 Pj的系统将消耗1瓦的功率。乘以一个典型数据中心包含的数千台服务器,功耗和由此产生的热量迅速增加。
信道速率是指高速数据信道中各信道的信令速率。它已经发展到200 Gb/s,下一代800 Gb/s以太网。1.6 Gb/s以太网已经出现在路线图上了。
科学家们最近计算出了一个光电通道的绝对速度极限,即100万千兆赫/秒。
对表达数量的探索仍在继续。2022年11月底,引入了几个新的前缀。数字10²⁷现在的正式名称是ronna,10³现在是quetta。还有sagan(萨根)——一个用来纪念sagan的计量单位,它定义了40亿——20亿加20亿,或者是可能等于“数十亿美元”的最小数字。新的术语在不久的将来就会出现。
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