磁帶或許才是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的新時(shí)代

雖然已經(jīng)很少能在黑白電影之外看到磁帶的身影了，但這一古老的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式或許才是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的未來(lái)。

你可能會(huì)發(fā)出疑問(wèn)：真的嗎?磁帶?

1951年，首次被用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的磁帶。

這個(gè)想法可能會(huì)讓你想起一些在老電影中的鏡頭：在一個(gè)巨大的主機(jī)旁邊，卷輪在斷斷續(xù)續(xù)地旋轉(zhuǎn)，像是《電腦風(fēng)云(Desk Set)》或《奇愛(ài)博士(Dr. Strangelove)》。

然而真相是：磁帶，從未消失!

1957年上映的電影：電腦風(fēng)云(Desk set)講述了工程師與電腦的戀愛(ài)， 看完文章有沒(méi)有像小編一樣很像去看著這部電影?

1958年電影《奇愛(ài)博士(Dr. Strangelove)圖片來(lái)自維基百科》

實(shí)際上，世界上大部分?jǐn)?shù)據(jù)仍然保留在磁帶上，包括基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)，如粒子物理和射電天文學(xué)，人類遺產(chǎn)和國(guó)家檔案，重要電影，銀行，保險(xiǎn)，石油勘探等行業(yè)。甚至還有一群人(包括我，在材料科學(xué)，工程或物理方面接受過(guò)培訓(xùn))，而這些人的工作就是不斷改進(jìn)磁帶存儲(chǔ)的性能。

磁帶的確已經(jīng)存在很長(zhǎng)一段時(shí)間了，但即使是這樣，這項(xiàng)技術(shù)也沒(méi)有被時(shí)間凍結(jié)而停止發(fā)展。恰恰相反，像硬盤和晶體管一樣，磁帶在過(guò)去幾十年中取得了巨大進(jìn)步。

第一個(gè)IBM的商用數(shù)字磁帶存儲(chǔ)系統(tǒng)Model 726可以在一卷磁帶上存儲(chǔ)大約1.1兆字節(jié)。

1972年，IBM首個(gè)商用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)磁帶

時(shí)至今日，現(xiàn)代磁帶盒可容納15TB。一個(gè)機(jī)器人磁帶庫(kù)最多可包含278PB的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)這樣的數(shù)據(jù)量將耗費(fèi)超過(guò)3.97億個(gè)光盤，如果把這些磁盤堆疊則將形成超過(guò)476公里的高塔。

磁盤驅(qū)動(dòng)器正在達(dá)到極限(明顯后勁不足了)，但磁帶的性能變得越來(lái)越強(qiáng)。

大數(shù)據(jù)分析和人工智能的快速發(fā)展為企業(yè)提供了強(qiáng)大的激勵(lì)機(jī)制，企業(yè)可以利用這些技術(shù)來(lái)分析其業(yè)務(wù)方方面面的信息。現(xiàn)在，財(cái)務(wù)法規(guī)要求公司和機(jī)構(gòu)必須保留記錄的時(shí)間比過(guò)去更長(zhǎng)。所以各種各樣的公司和機(jī)構(gòu)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都變得越來(lái)越冗雜。

研究顯示，記錄的數(shù)據(jù)量每年增加30%至40%。但與此同時(shí)，廣泛用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的現(xiàn)代硬盤的容量增長(zhǎng)率還達(dá)不到這一速度的一半。不過(guò)幸運(yùn)的是，大部分信息不需要立即訪問(wèn)。對(duì)于這種情況，使用磁帶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是完美的解決方案。

確實(shí)，磁帶不能提供硬盤或半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的快速訪問(wèn)速度。不過(guò)，磁帶的優(yōu)勢(shì)也有很多。

首先，磁帶存儲(chǔ)更節(jié)能：一旦記錄了所有數(shù)據(jù)，磁帶盒就會(huì)安靜地放在磁帶庫(kù)的插槽中，根本不消耗任何電量;

然后，磁帶也非?？煽?，錯(cuò)誤率比硬盤低四到五個(gè)數(shù)量級(jí);

最后，磁帶非常安全，具有內(nèi)置的動(dòng)態(tài)加密和介質(zhì)本身提供的額外安全保障。畢竟，如果磁帶未安裝在驅(qū)動(dòng)器中，則無(wú)法訪問(wèn)或修改數(shù)據(jù)。鑒于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致的數(shù)據(jù)竊取率不斷增長(zhǎng)，這種“氣隙”(暗指磁帶優(yōu)勢(shì))具有強(qiáng)大的吸引力。

磁帶的離線特性還為有缺陷的軟件提供了額外的防線。

例如，在2011年，軟件更新中的一個(gè)缺陷導(dǎo)致Google意外刪除了大約40,000個(gè)Gmail帳戶中保存的電子郵件。盡管在多個(gè)數(shù)據(jù)中心的硬盤驅(qū)動(dòng)器上存儲(chǔ)了多個(gè)數(shù)據(jù)副本，但這樣的損失依然發(fā)生了。幸運(yùn)的是，數(shù)據(jù)同時(shí)記錄在了磁帶上，谷歌最終可以從該磁帶備份中恢復(fù)所有丟失的數(shù)據(jù)。

2011年的Gmail事件是云服務(wù)提供商使用磁帶進(jìn)行操作的首次公開(kāi)信息之一。最近，微軟也公開(kāi)了它的Azure歸檔存儲(chǔ)使用IBM磁帶存儲(chǔ)設(shè)備的信息。

盡管如此，公司使用磁帶的主要原因通常是因?yàn)榇艓П容^廉價(jià)。

磁帶存儲(chǔ)的成本是磁盤上存儲(chǔ)相同數(shù)據(jù)量所需支付的六分之一，這就是為什么你幾乎可以在任何存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的地方找到磁帶系統(tǒng)的原因。但由于磁帶現(xiàn)在完全從消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品中消失，大多數(shù)人都不知道它的存在，更不用說(shuō)磁帶錄制技術(shù)近年來(lái)取得的巨大進(jìn)步，并將在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)繼續(xù)發(fā)展。

磁帶存在這么久的根本原因在于:它很便宜，而且它一直在變得越來(lái)越便宜。

但這是未來(lái)的趨勢(shì)嗎?

您可能會(huì)認(rèn)為，如果將更多數(shù)據(jù)塞入磁盤的能力正在減少，那么對(duì)于使用相同存儲(chǔ)技術(shù)但更老的磁帶來(lái)說(shuō)存儲(chǔ)能力也應(yīng)該下降。然而令人驚訝的是，對(duì)于磁帶而言，這種容量的擴(kuò)大并沒(méi)有顯示出放緩的跡象。事實(shí)上，它應(yīng)該會(huì)以每年約33%的歷史速度持續(xù)多年，這意味著你可以預(yù)期大約每?jī)傻饺昃蜁?huì)增加一倍的容量。所以可以把它想象成磁帶的摩爾定律(類似電腦發(fā)展定律)。

對(duì)于那些必須應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)預(yù)算爆炸性增長(zhǎng)的人來(lái)說(shuō)這是個(gè)好消息。要了解磁帶仍然具有相對(duì)于硬盤驅(qū)動(dòng)器的潛力，就要考慮磁帶和硬盤驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展方式。

兩者都依賴于相同的基本物理機(jī)制來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它們以磁性材料薄膜中的窄軌道為存儲(chǔ)介質(zhì)，其中磁性在兩種極性狀態(tài)之間切換。該信息被編碼為一系列比特，由沿軌道的特定點(diǎn)處的磁極的存在或不存在來(lái)表示。自20世紀(jì)50年代引入磁帶和硬盤驅(qū)動(dòng)器以來(lái)，兩者的制造商一直受到“更密集，更快，更便宜”的口頭禪的驅(qū)使。結(jié)果，以每千兆字節(jié)容量計(jì)算的兩者的成本已經(jīng)下降了多個(gè)數(shù)量級(jí)。

這些成本的降低是磁基板每平方毫米上可記錄的信息密度呈指數(shù)增長(zhǎng)的結(jié)果，面密度是沿?cái)?shù)據(jù)軌道的密度和垂直方向上這些軌道的密度的乘積。

早期，磁帶和硬盤驅(qū)動(dòng)器的面密度相似。但由于的市場(chǎng)規(guī)模和硬盤銷售收入的增加，為更大規(guī)模的研發(fā)工作提供了資金，這使得他們的制造商能夠更積極地?cái)U(kuò)大存儲(chǔ)密度。因此，大容量硬盤驅(qū)動(dòng)器的當(dāng)前面密度約為最新磁帶驅(qū)動(dòng)器的100倍。

然而，由于磁帶有更大的表面積可用于記錄，最先進(jìn)的磁帶系統(tǒng)提供了高達(dá)15 tb的本機(jī)容量——比市場(chǎng)上最高容量的硬盤驅(qū)動(dòng)器都要大。這是真的，盡管兩種設(shè)備占用的空間都差不多。

Victor PradoInside 現(xiàn)代線性磁帶開(kāi)放式(LTO)磁帶盒由單個(gè)卷軸組成。插入盒式磁帶后，磁帶自動(dòng)送入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)置的卷軸。

除容量外，磁帶和硬盤驅(qū)動(dòng)器在性能指標(biāo)上也有很大差異。盒式磁帶中的長(zhǎng)帶 - 通常為數(shù)百米 – 對(duì)應(yīng)的平均數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間為50到60秒，而硬盤驅(qū)動(dòng)器的平均數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間僅為5到10毫秒。

但讓人吃驚的是，就數(shù)據(jù)寫入的速度來(lái)看，寫入磁帶的速率是寫入磁盤速度的兩倍多。

在過(guò)去幾年中，硬盤上數(shù)據(jù)面積密度的平均增長(zhǎng)速度已從平均每年約40%放緩至10%至15%。之所以有這樣的情況，與一些物理原理分不開(kāi)：要想在給定區(qū)域中記錄更多數(shù)據(jù)，就需要為每個(gè)比特分配一個(gè)較小的區(qū)域。 但這樣反過(guò)來(lái)會(huì)減少讀取時(shí)獲得的信號(hào)。如果你減少的信號(hào)太多，它就會(huì)消失在噪音中，噪音來(lái)自于覆蓋在磁盤上的磁性顆粒的顆粒性質(zhì)。

通過(guò)減少這些顆?？梢詼p少背景噪音。 但是很難做到將磁性顆粒縮小到一定的尺寸又不損害它們以穩(wěn)定的方式保持磁性狀態(tài)的能力?！俺槾艠O限”是記錄磁性顆粒保有其性能要求條件下最小的尺寸。目前，磁盤制造商所制造的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了這個(gè)水平。

對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，磁盤容量增長(zhǎng)速度的放緩并不明顯，因?yàn)橹圃焐炭梢酝ㄟ^(guò)為每個(gè)單元添加更多的磁頭和磁盤來(lái)彌補(bǔ)增長(zhǎng)速度的不足。但是現(xiàn)在，無(wú)論是可用空間，還是增加磁頭和磁碟的成本，都限制了驅(qū)動(dòng)制造商所能獲得的收益。增長(zhǎng)放緩這一情況已經(jīng)開(kāi)始變得越來(lái)越明顯。

包括熱輔助磁記錄(HAMR)和微波輔助磁記錄(MAMR)等正在開(kāi)發(fā)的技術(shù)可以使硬盤驅(qū)動(dòng)器的擴(kuò)展超出當(dāng)今的超順磁極限。這些技術(shù)能夠使用更小的顆粒，從而允許磁盤的更小區(qū)域被磁化。但同樣的，使用這些技術(shù)方法會(huì)使成本增加，并且也會(huì)帶來(lái)棘手的工程挑戰(zhàn)。

即使他們成功了，根據(jù)制造商的說(shuō)法，他們提供的規(guī)?？赡苋匀挥邢蕖＠?，西部數(shù)據(jù)公司(Western Digital Corp.)最近宣布它將在2019年開(kāi)始出貨MAMR硬盤，預(yù)計(jì)該技術(shù)將使面密度每年僅增加約15%(仍低于之前的年平均40%的增長(zhǎng)率)。

相比之下，磁帶存儲(chǔ)設(shè)備目前的區(qū)域密度遠(yuǎn)低于超順磁極限。 因此，磁帶的摩爾定律可以持續(xù)十年或更長(zhǎng)時(shí)間，而不會(huì)遇到基礎(chǔ)物理學(xué)方面的障礙。

磁帶是仍然一種棘手的技術(shù)。它的可拆卸性，使用薄的聚合物基板而不是剛性盤，并行同時(shí)記錄多達(dá)32個(gè)軌道，為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了重大障礙。 這就是為什么我在IBM Research-Zurich實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)一直在努力尋找能夠通過(guò)調(diào)整硬盤技術(shù)或發(fā)明全新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)磁帶持續(xù)擴(kuò)展方法的重要原因。

2015年，我們和FujiFilm公司的合作伙伴表示，通過(guò)使用垂直于膠帶的定向超小型鋇鐵氧體顆粒，可以將數(shù)據(jù)記錄為當(dāng)今商業(yè)技術(shù)可達(dá)到的密度的12倍以上。 最近，在與索尼存儲(chǔ)媒體解決方案部門的合作中，我們展示了以面密度記錄數(shù)據(jù)的可能性，該密度是目前最先進(jìn)磁帶驅(qū)動(dòng)器數(shù)值的20倍。 舉例來(lái)說(shuō)，如果這項(xiàng)技術(shù)成功商業(yè)化，那么現(xiàn)在需要十幾個(gè)磁帶盒來(lái)存檔大預(yù)算功能的數(shù)字組件的電影工作室將能夠?qū)⑺羞@些東西整合到一個(gè)磁帶之中。

全球首個(gè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資料庫(kù)(IBM)

為了實(shí)現(xiàn)這種程度的擴(kuò)展，我們必須在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)一系列的進(jìn)步。 首先，我們提高了讀寫磁頭跟隨磁帶上的細(xì)長(zhǎng)磁道的能力，在我們最新的演示中，磁道只有100納米左右。

我們還必須減小數(shù)據(jù)讀取器的寬度，用于回讀記錄的數(shù)據(jù)軌道的磁阻傳感器 - 從其當(dāng)前的微米級(jí)尺寸到小于50nm。但結(jié)果是我們用這么小的讀卡器獲取的信號(hào)非常嘈雜。所以我們通過(guò)增加介質(zhì)固有的信噪比來(lái)補(bǔ)償，這是磁性顆粒的尺寸和取向、它們的組成、磁帶表面的光滑度和光滑度的函數(shù)共同決定的功能。 為了進(jìn)一步提升效果，我們改進(jìn)了設(shè)備所采用的信號(hào)處理和糾錯(cuò)方案。

為確保我們的新原型介質(zhì)能夠長(zhǎng)久地保留記錄數(shù)據(jù)，我們改變了記錄層中磁性顆粒的性質(zhì)，使其更加穩(wěn)定。 但是這種改變使得首次記錄數(shù)據(jù)變得更加困難，以至于普通的磁帶傳感器無(wú)法可靠地向新媒體寫入數(shù)據(jù)。因此，我們使用了一種特殊的磁頭，寫入時(shí)可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)磁頭強(qiáng)得多的磁場(chǎng)。

結(jié)合這些技術(shù)，我們能夠在我們的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中以每英寸818,000位的線性密度讀取和寫入數(shù)據(jù)。(由于歷史原因，世界各地的磁帶工程師以英寸為單位測(cè)量數(shù)據(jù)密度)結(jié)合新技術(shù)可以處理的每英寸246,200磁道，我們的原型單元的面密度達(dá)到了每平方英寸201千兆位。

假設(shè)一個(gè)盒式磁帶可以容納1,140米的膠帶 -考慮到我們使用的新磁帶介質(zhì)的厚度將減小， 這是一個(gè)合理的假設(shè)- 這種面密度對(duì)應(yīng)于高達(dá)330 TB的墨盒容量。 這意味著單個(gè)磁帶盒可以記錄與裝滿硬盤的手推車一樣多的數(shù)據(jù)。

2015年，包括惠普集團(tuán)、IBM、甲骨文和Quantum在內(nèi)的信息存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟以及一系列學(xué)術(shù)研究團(tuán)體發(fā)布了“國(guó)際磁帶存儲(chǔ)路線圖”。該預(yù)測(cè)稱到2025年，磁帶存儲(chǔ)的面密度將達(dá)到每平方英寸91 Gb。按照此趨勢(shì)推斷，到2028年面密度將超過(guò)每平方英寸200 Gb。

該路線圖的作者們對(duì)磁帶存儲(chǔ)未來(lái)的樂(lè)觀態(tài)度是值得相信的，按照我和我的同事最近進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，每平方英寸200 Gb是完全可能的。 因此，在我看來(lái)，使磁帶在當(dāng)前速率上增長(zhǎng)至少十年是完全可能的。

實(shí)際上，磁帶可能是遵循摩爾定律規(guī)模擴(kuò)展的最后幾種信息技術(shù)之一。 這種持續(xù)發(fā)展會(huì)增加磁帶相對(duì)于硬盤驅(qū)動(dòng)器和其他存儲(chǔ)技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)。

因此，雖然可能你很少在黑白電影之外看到磁帶的身影，但磁帶也會(huì)在未來(lái)幾年出現(xiàn)在我們的生活之中。