Хабрахабр

Почему будущее хранения данных всё ещё за магнитной плёнкой

Жёсткие диски приближаются к пределам своего развития, а плёнка становится лишь лучше со временем.

image

Количество данных, которое приходится хранить, каждый год вырастает на 30–40 процентов по сравнению с предыдущим годом. Финансовые институты обязывают компании хранить всё больше данных и всё более долгий период времени. К счастью, вся эта информация не требует мгновенного доступа, поэтому плёнка — отличное решение проблемы.
Вообще, много информации в мире хранится именно на ленте: научные данные о физике частиц, астрономические данные, национальные архивы, культурное наследие, большинство кинофильмов, банковские данные и так далее. Вместительность жёстких дисков тоже растёт, но со вдвое меньшим темпом. Существуют профессионалы (специалисты по материалам, инженеры, физики), чья работа — совершенствовать способы хранения данных на плёнке.

Первая плёнка для хранения информации в цифровом виде — модель 726 производства IBM — могла хранить 1,1 МБ на катушке. За десятилетия плёнка развивалась не меньше, чем жёсткие диски или транзисторы. Сегодня 1 катушка способна хранить 15 терабайтов данных, а одно роботизированное плёночное хранилище — 278 петабайтов.

Но у неё есть свои преимущества. Конечно, плёнка не позволяет так же быстро считывать информацию, как жёсткие диски или полупроводниковая память. Плёнка надёжна: вероятность ошибок при записи или чтении на 4-5 порядков ниже, чем у жёстких дисков. Плёнка энергоэффективна: если данные уже записаны, плёнке не требуется питания для их хранения. Плёнка безопасна: в отличие от дисков, которые, как правило, подключены к компьютеру постоянно, картриджи с катушками могут храниться без подключения к устройствам, что защищает данные на плёнке от чтения или модификации злоумышленниками или от ошибок из-за человеческого фактора.

Удаление произошло на всех резервных копиях на жёстких дисках, потому что ошибочная операция цепочкой прошла и по ним, но письма удалось восстановить с плёнки. В 2011 году из-за ошибки в ПО на серверах Google случайно удалил почту в 40000 ящиках. После этого случая впервые стало известно, что Google делает резервные копии на плёнке, а затем и Microsoft подтвердили, что в их облачном сервисе Azure используют плёночное оборудование IBM.

image
Магнитная плёнка впервые использована для записи данных компьютера Univac в 1951 году.

Так как плёнка практически исчезла с потребительского рынка, большинство и не знает, как стремительно она развивается и будет развиваться в обозримом будущем. Хранить данные на плёнке в 6 раз дешевле, чем на жёстких дисках, поэтому она используется повсеместно, если речь идёт о больших объёмах информации.

Можно предположить, что, раз уплотнение записи данных на жёстких дисках сходит на нет, то то же самое применимо и к плёнке, потому что для неё используется примерно та же технология (только более старая). Плёнка выжила, потому что она ничтожно дешёвая, и дешевеет со временем. Но это не так: с годами темпы уплотнения записи на плёнке не спадают, а сохраняются в районе 33% в год. Это как «закон Мура», но для магнитной плёнки. То есть, удвоение объёма данных, записанных на плёнке, происходит приблизительно каждые 2-3 года.

Информация записывается последовательностью битов. Физически технология записи на жёсткие диски и плёнки одна и та же: данные записываются на намагниченной поверхности узкими дорожками, на которых происходит переключение полярности. Именно из-за того, что производство стараются удешевить, растёт плотность записи на квадратный миллиметр. С момента появления плёнки и жёстких дисков в 50-х, производители того и другого стремятся к большей плотности, скорости и дешевизне, поэтому стоимость хранения в долларах на гигабайт снизилась на порядки.

Сейчас на самых продвинутых жёстких дисках можно записать в 100 раз больше информации, чем на такой же площади плёнки. Чем больше финансирования на исследования и разработку получают компании, производящие магнитные носители, очевидно, тем больше эти носители прогрессируют. При этом габариты картриджа с катушкой плёнки и жёсткого диска примерно одинаковые. Но так как самой этой площади на плёнке в катушке намного больше, на ней помещается до 15 ТБ данных, что больше, чем на любых существующих на рынке дисках.

После установки картриджа плёнка автоматически подаётся на считывающее или записывающее устройство. image
Снаружи и внутри: Современный картридж содержит одну катушку.

В катушках находятся магнитные ленты длиною в несколько сотен метров, среднее время доступа к данным — от 50 до 60 секунд. Кроме вместимости у плёнки и жёстких дисков есть ещё отличие: скорость доступа к данным. Однако, скорость записи на плёнку при этом вдвое выше. У жёстких дисков это время — от  5 до 10 миллисекунд.

Причина — фундаментальная физика. За последние годы темпы уплотнения записи на дисках уменьшились с 40% до 15% в год. Как следствие, это уменьшает силу сигнала во время чтения данных. Чтобы записать больше данных на прежней площади, нужно уменьшить область для записи каждого бита. Можно уменьшить и шум, сделав сами гранулы меньше. Если слишком уменьшить силу сигнала, то он может смешаться с магнитным шумом от соседних магнитных гранул, покрывающих поверхность диска. Самый малый размер гранул, пригодный для магнитной записи, уже достигнут, в профессиональной области его называют супермагнетическим пределом. Но тогда гранула будет уже настолько мала, что едва ли сможет стабильно удерживать своё состояние намагниченности.

Однако теперь и больше дисков внутрь контейнера уже сложно добавить, сохранив его размеры, поэтому предел становится заметнее. До недавнего времени достижение этого предела оставалось для потребителей незаметным, потому что производители добавляли внутрь контейнера дополнительные диски и головки для записи и чтения, делая жёсткий диск прежнего размера, но большего объёма.

Это запись, сопровождающаяся нагреванием гранул, и микроволновая запись. Есть альтернативные способы записи на магнитную поверхность, которые теоретически могут преодолеть супермагнетический предел. Компания Western Digital анонсировала жёсткий диск с микроволновым способом записи, который она собирается выпустить в 2019 году. Но это сложно в инженерном и финансовом аспекте. Ожидается, что такая инновация позволит сохранить темпы уплотнения записи в районе 15% в год.

В то же время хранение на плёнке ещё далеко от достижения супермагнетического предела, поэтому плёнка десятилетиями может эволюционировать, не упираясь в свой «закон Мура» и ограничения фундаментальной физики.

Смена картриджей с катушками в записывающем оборудовании, тонкий полимерный материал, параллельная запись на 32 дорожках — всё это создаёт сложности в дизайне этого носителя информации. У плёнки хитрая природа.

А в 2017 году в сотрудничестве с Sony удалось достичь плотности, в 20 раз превышающей самые современные жёсткие диски. В 2015 году компания IBM в сотрудничестве с корпорацией FujiFilm обнаружила, что при записи с использованием ультрамаленьких барриево-ферритных магнитных частиц, расположенных перпендикулярно поверхности плёнки, можно достичь в 12 раз большей плотности, чем позволяют другие технологии. В перспективе кинокомпаниям, например, это позволит хранить весь материал высокобюджетного фильма всего на одной катушке вместо дюжины.

image
Наводнение данными: современные плёночные хранилища содержат сотни петабайтов данных, а модель 726 от IBM, представленная в 1952 году, могла сохранить лишь пару мегабайтов.

Кроме этого, пришлось сделать считывающие головки более узкими — около 50 нанометров шириной. Чтобы добиться такого прогресса, инженеры приспособили головки для чтения и записи двигаться по крайне узким дорожкам на плёнке — около 100 нанометров шириной. При считывании уровень сигнала к шуму тоже уменьшился, поэтому пришлось манипулировать размером и положением намагниченных гарнул и гладкостью поверхности плёнки, а также усовершенствовать процесс обработки сигнала и ошибок чтения.

Для того, чтобы обеспечить надёжность записанных данных в течение десятилетий, инженеры разработали новые записывающие головки, производящие гораздо более сильные магнитные поля, чем обычные.

Новая технология позволила уместить на одном дюйме 246200 дорожек записи и предоставила место для 201 гигабита на квадратный дюйм. Совместив все эти разработки, инженерам IBM удалось достичь плотности записи в 818000 битов на линейный дюйм (такое измерение плотности сложилось исторически). Это можно сравнить с целой телегой жёстких дисков. Картридж с 1140 метрами плёнки на катушке способен сохранить 330 терабайтов информации.

По прогнозу консорциума к 2025 году плотность записи на квадратный дюйм вырастет до 91 гигабайта, а к 2028 году — до 200 гигабайтов. Консорциум индустрии хранения данных, куда входят HP, IBM, Oracle, Quantum и несколько исследовательских групп, в 2015 году выпустили документ о планах развития хранения данных на плёнке.

В лаборатории IBM подтверждают, что 200 гигибайтов на квадратный дюйм — выполнимая цель на ближайшее десятилетие. Авторы документа профессионально заинтересованы в подобном оптимистичном прогнозе, но он вполне реалистичен.

Поэтому выгода от хранения данных на плёнке по сравнению с жёсткими дисками будет увеличиваться в грядущие годы. Плёнка — носитель информации, которого «закон Мура» прижмёт в последнюю очередь.

Автор статьи Марк Ланц работает управляющим в лаборатории IBM в Цюрихе и занимается решением проблем с хранением данных на плёнке.

В переводе используются фото из оригинальной статьи. Статья изначально была издана в печатном виде под заголовком “Tape Storage Mounts a Comeback”, а затем опубликована на сайте консорциума IEEE.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть