硬碟技術已經走到極限,磁帶才是未來最可靠的儲存裝置?

編者按:本文編譯自 spectrum.ieee 原題為「Why the Future of Data Storage is (Still) Magnetic Tape」的文章,作者 Mark Lantz。最近,因為大數據與 AI 技術崛起,企業生成巨量資料,涉及業務的方方面面。金融監管部門提出要求,機構的資料必須保存更長時間。正因如此,企業與機構儲存的資料越來越多。

研究報告證實,人類每年儲存的資料都在以30-40%的速度增長。與此同時,硬體容量也在增長,但是增長速度低了一半。還好,許多資料並沒有立即取得的迫切性,因此,如果想儲存此類資料,磁帶是一個完美的選擇。

一提到磁帶,你可能會想到老電影,裡面有笨重的大型主機,旁邊就有旋轉的磁帶。不過,這不是玩笑,磁帶實際上並沒有從現實生活中退役。事實上,有許多資料就是用磁帶儲存的,包括基礎科學資料,比如粒子物理學、射電天文學、人類文化遺產、國家檔案、重要電影、銀行、保險、石油勘探等資料。

磁帶其實早就出現了,磁帶技術沒有停止進化的步伐,而且正好相反,就像硬碟和積體電路一樣,在過去幾十年裡,磁帶技術進步神速。

第一個商用數位磁帶裝置叫作 Model 726,是 IBM 開發的,一捲磁帶可以存1.1MB 資料。到了今天,一捲現代磁帶可以存15TB 資料,一個磁帶庫可以存最多278PB 資料(1PB=1024TB)。如果用 CD 光碟存放這麼多的資料,需要3.97億張,將這些光盤疊在一起高度超過476公里。

怎麼換算的?278PB 相當於291504128GB,一張普通 CD 容量約為700MB,算下來大約就是3.97億張了。

與硬碟、SSD等儲存裝置相比,磁帶的瀏覽速度的確慢很多。但是,作為儲存媒介,磁帶的優點相當多。首先,磁帶更節能,一旦資料被磁帶記錄,就會放進磁帶庫,靜靜躺著,不會消耗任何電能。其次,磁帶相當穩定,出錯機率比其它儲存設備低4-5個等級。再次,磁帶非常安全。如果磁帶沒有插入讀取機器,資料就不會被讀出,無法修改。

尤其現在網路攻擊流行,大家都擔心資料被竊取,這一特點相當吸引人。

硬碟技術已經走到極限,磁帶才是未來最可靠的儲存裝置?

有時軟體會出現漏洞,傷害資料,磁帶具備離線特點,所以可以提高防禦能力。例如,2011年,因為一個升級,Google誤刪除4萬個 Gmail 帳戶郵件訊息。雖然Google在硬碟中儲存資料,放在多個資料中心,但是還是丟失了。幸好,資料同樣存在磁帶中,Google可以從備份中恢復資料。

2011年的 Gmail 事故告訴我們:就連雲端服務商Google也在使用磁帶。最近,微軟告訴外界,它的 Azure Archive Storage 系統使用了 IBM 磁帶裝置。

雖然有著這樣那樣的優點,不過企業之所以使用磁帶,主要還是因為成本低。同樣的資料,如果用硬碟儲存,成本是磁帶的6倍,所以你會發現,凡是需要儲存大量資料的地方,都會用到磁帶。因為在消費產品中已經看不到磁帶的身影,所以大家才會認為它已經消失。

總之,在過去幾十年裡,磁帶一直沒有遠去,未來幾十年也不會消亡。為什麼如此確定?請繼續閱讀。

之所以斷言磁帶會有很長的生命力,主要出於一個原因:便宜。事實上,磁帶越來越便宜。

硬碟技術已經走到極限,磁帶才是未來最可靠的儲存裝置?

你可能會認為,一旦人類無法再向硬碟擠入更多資料,磁帶同樣無法做到,因為它所使用的技術與硬碟基本上是一樣的,只是更加古老?

然而,現實卻讓我們大吃一驚,磁帶的容量一直在提升,而且沒有止步的跡象。每年增長33%,這是歷史資料,而且這一速度有可能會保持下去。換言之,每隔2-3年,磁帶的容量就會增加一倍。你可以將它當成是磁帶的「摩爾定律」。

資料已經爆炸,在預算保持不變的前提下,磁帶容量不斷提升是一個好消息。如果你想更好理解磁帶的潛力,可以看看硬碟,比較看看磁帶與硬碟是怎樣進化的。

磁帶與硬碟用相同的物理技術存儲資料。簡單來講是這樣的:在磁性材料薄膜中有許多很窄的軌道,磁性材料的磁性在兩種極性之間轉換。資料用二進制位編碼,在軌道上的某一個特定點透過磁性轉換與否來體現。1950年代磁帶和硬碟出現,然後製造商就按照「更密、更快、更便宜」的路線前進。最終,兩者的成本都下降了很多——按照每 GB 成本計算。

之所以成本大幅下降,主要是因為我們可以在每平方毫米的硬碟基片上存放更多資料。磁錄密度由兩個因素決定:一是磁道上儲存的資料密度,二是垂直方向的磁道密度。

硬碟技術已經走到極限,磁帶才是未來最可靠的儲存裝置?

最開始時,磁帶和硬碟的磁錄密度差不多。因為硬碟銷量更多,市場更大,所以企業可以投入更多研發資金,導致硬碟銷市場進步更快。到了今天,高容量硬碟銷的磁錄密度大約是新磁帶的100倍。

儘管如此,因為磁帶的儲存表面面積更大,所以新一代的磁帶可以存最多15TB 的容量,比大容量硬碟高很多。考慮到兩款裝置所佔的體積差不多,所以優勢更明顯。

除了容量,磁帶和硬碟的特點也有很大不同。磁帶很長,一般有幾百公尺,所以讀取速度的平均時間約為50-60秒,而硬碟只有5-10毫秒。資料寫入磁帶的速度約為硬碟速度的2倍多。

以前,硬碟磁錄密度會以每年40%的速度提升,但最近幾年卻降到了10-15%。為什麼?主要是因為受到了物理學的限制:在限定區域存的資料越多,每一個Bit能調配的空間就會越小。這樣一來,當你讀取資料時訊號就會越弱。如果訊號過弱,可能會在雜訊中丟失,磁性顆粒塗在碟片上,本來就會有雜訊。

縮小顆粒,降低背景雜訊,完全有可能做到。但是當顆粒到了一定大小,想要繼續縮小,而且還要保持磁性穩定,就會變得很困難。磁記錄的最小尺寸被稱為超順磁極限(superparamagnetic limit)。現在硬碟製造商已經觸及極限。

就在不久之前,消費者還感受不到放緩的跡象,因為硬碟製造商可以為單個單元增加更多磁頭和碟片,讓相同尺寸的硬碟進一步擴大容量。現在呢?空間受到限制,增加更多磁頭和碟片的成本進一步增加,廠商無法獲得很高的收益,而且這種限制越來越明顯。

廠商正在開發幾種技術,這些技術也許可以幫助硬碟打破超順磁極限,不過這些新技術會抬高成本,在工程上也面臨很大挑戰。即使成功,大規模量產也是一個問題。例如,WD最近宣佈說,2019年將會出貨 MAMR 硬碟,照估計,有了 MAMR 技術,磁錄密度會以每年15%的速度提升。

硬碟技術已經走到極限,磁帶才是未來最可靠的儲存裝置?

反觀磁帶,現在它的磁錄密度離超順磁極限還有很遠距離。所以說磁帶的「摩爾定律」可以繼續存活10年甚至更長時間,不會碰到障礙。

不要認為磁帶技術就很簡單,不是的。磁帶天生具有可以擦除的屬性,而且使用超薄聚合物基質,以並行方式同時記錄的磁道高達32條,這些都為設計師帶來很大挑戰。正因如此,IBM 團隊才會尋找各種辦法提高磁帶容量,有時會引入硬碟技術,有時會尋找新方法。

2015年,IBM 與富士膠片合作,讓超小鋇鐵氧體顆粒垂直於磁帶排列,這樣可以記錄更多的資料,相比今天的商用技術,它的磁錄密度高出12倍還要多。最近,IBM 又與索尼媒體解決方案(Sony Storage Media Solutions)合作,用新方法記錄資料,磁錄密度約為目前磁帶的20倍。如果新技術能夠商用,電影工作室就可以用得上,它們製作一部大片需要十幾個磁帶,未來全部裝進一個磁帶就行了。

想達成目標,有幾個技術障礙要跨越。例如,當磁帶的磁道變得越來越窄,必須改進讀寫磁頭,新技術顯示,磁道的寬度已經可以降到100奈米左右。

研究人員還要縮小資料閱讀器(它是一個磁阻傳感器,用來從磁道上讀取已存入的資料)的寬度,目前的寬度用微米計算,有必要降到50納米之下。到了這一步,我們會用超小閱讀器讀取訊號,此時會有很大的雜訊。怎麼辦?我們可以透過提升訊噪比來改進,改變磁性粒子的尺寸和方向、改變組成成份、改變磁帶表面的平滑度和厚度來實現。未來,我們還可以引入訊號處理技術和糾錯技術,進一步提升性能。

一旦新品到來,必須確保資料能夠存放幾十年不丟失,為此,研究人員會在記錄層最佳化磁顆粒,讓它們更穩定。不過這樣做會有副作用,它會導致最開始時記錄資料變得更困難,從某種程度上說,普通磁帶傳感器無法將資料寫入新介質。所以研究人員需要發明新磁頭,能夠產生更強的磁場,這樣才能寫入資料。

2015年,資訊儲存工業協會(Information Storage Industry Consortium)與眾多研究機構發佈一份報告,按照預測,2025年之前磁帶的磁錄密度可以達到每平方英吋91GB。如果趨勢能夠保持,2028年之前就會超過200GB。

報告對磁帶的未來很樂觀。實驗證明,每平方英吋達到200GB是完全可能的。所以說,在未來10年裡,磁帶技術還會繼續進化。

在資訊技術領域,可能只有磁帶技術還會遵守摩爾定律一樣的發展軌跡,在未來10年裡繼續下去。在硬碟及其它儲存技術面前,磁帶本來就有成本優勢,未來這種優勢會進一步擴大。你也許很少看到磁帶,只在老電影中看到過,但是磁帶技術實際上並沒有落伍,未來很多年都不會落伍。

 

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洪英賓
1.  洪英賓 (發表於 2018年9月12日 13:53)
磁帶每重新覆寫一次,可靠度便會下降很多!
重要資料就只敢寫一次 ..
那,多買個幾捲來存資料後,就會發現 ..... 很貴!
KoGaSenRx
3.  KoGaSenRx (發表於 2018年9月13日 09:07)
額外補充知識

電腦達人養成計畫 7-1:早期儲存裝置簡介 (磁帶與軟碟片)
https://isite.tw/2018/08/05/19462
MAX
4.  MAX (發表於 2018年9月14日 05:48)
儲放不耗電、不插機器無法修改讀取的優點其實硬碟也有。

很多文章吹噓磁帶多省空間多便宜多省電,其實大多都是和連線的硬碟比,差異主要來自散熱和讀取設備的空間和成本。

如果是和離機的硬碟比,那目前磁帶的成本和空間優勢其實差不多2倍而已。
在先進的備份算法下,可靠度的優勢其實影響也很小,但是讀取便利性的劣勢太嚴重。
這就是為什麼到現在也幾乎只有企業存放冷資料會用。

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