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硬盘已经走到极限,磁带才是未来可靠的存储设备?

北极蚊子 2018-9-7 14:29

最近,因为大数据与AI技术崛起,企业生成海量数据,涉及业务的方方面面。金融监管部门提出要求,机构的数据必须保存更长时间。正因如此,企业与机构存储的数据越来越多。

研究报告证实,每年存储的数据都在以30-40%的速度增长。与此同时,硬件容量也在增长,但是增长速度低了一半。还好,许多信息并不需要即时访问,如果想存储此类数据,磁带是一个完美的选择。

开玩笑吗?磁带?一提到磁带,你可能会想到老电影,比如《电脑风云》( Desk Set)或者《奇爱博士》(Dr. Strangelove),里面有笨重的大型主机,旁边就有旋转的磁带。这不是玩笑,磁带并没有远去。

事实上,有许多数据就是用磁带存储的,包括基础科学数据,比如粒子物理学、射电天文学、人类文化遗产、国家档案、重要电影、银行、保险、石油勘探等数据。有一批人正在寻找办法提高磁带的存储能力。

磁带其实早就出现了,磁带技术没有停止前进的步伐,完全相反,就像硬盘和晶体管一样,在过去几十年里,磁带技术进步神速。

第一个商用数字磁带存储装置叫作Model 726,是IBM开发的,一卷磁带可以存储1.1MB数据。到了今天,一卷现代磁带可以存储15TB数据,一个磁带库可以存储最多278PB数据(1PB=1024TB)。如果用CD光碟存储这么多的数据,需要3.97亿张,将这些光盘叠在一起高度超过476公里。怎么换算的?278PB相当于291504128GB,一张普通CD光盘容量约为700MB,算下来大约就是3.97亿张了。

与硬盘 、半导体存储装置相比,磁带的访问速度的确慢很多。但是,作为存储媒介,磁带的优点相当多。首先,磁带更节能,一旦数据被磁带记录,就会放进磁带库,静静躺着,不会消耗任何电能。其次,磁带相当稳定,出错概率比其它存储设备低4-5个量级。再次,磁带非常安全。如果磁带没有插入驱动器,数据无法访问,无法修改。现在网络攻击流行,数据老是被窃取,这一特点相当吸引人。

1951年电脑第一次用磁带记录数据

有时软件会出现漏洞,伤害数据,磁带具备离线特点,所以可以提高防御能力。例如,2011年,因为一个软件升级,谷歌误删除4万个Gmail帐户邮件信息。虽然谷歌在硬盘中存储数据,放在多个数据中心,但是还是丢失了信息。幸好,数据同样存储在磁带中,谷歌可以从备份中恢复数据。

2011年的Gmail事故告诉我们:云服务提供商谷歌正在使用磁带。最近,微软告诉外界,它的Azure Archive Storage系统用到了IBM磁带存储装置。

虽然有着这样那样的优点,不过企业之所以使用磁带,主要还是因为成本低。同样大的数据,如果用硬盘存储,成本是磁带的6倍,所以你会发现,凡是需要存储大量数据的地方,都会用到磁带。因为在消费产品中已经看不到磁带的身影,所以大家才会认为它已经消失。最近几年磁带存储技术取得了很大进步,在可预见的未来,它还会继续进步。

总之,在过去几十年里,磁带一直没有远去,未来几十年也不会消亡。为什么如此确定?请继续阅读。

之所以断言磁带会有很长的生命力,主要出于一个原因:便宜。事实上,磁带越来越便宜。

现代LTO(线性磁带开放试技术)磁带

你可能会认为,一旦人类无法再向磁盘挤入更多数据,磁带同样无法做到,因为它所使用的技术与磁盘基本上是一样的,只是更加古老。然而现实却让我们大吃一惊,磁带的容量一直在提升,而且没有止步的迹象。每年增长33%,这是历史数据,而且这一速度有可能会保持下去。换言之,每隔2-3年,磁带的容量就会增加一倍。你可以将它当成是磁带的“摩尔定律”。

数据已经爆炸,在存储预算保持不变的前提下,磁带容量不断提升是一个好消息。如果你想更好理解磁带的潜力,可以看看硬盘,看看磁带与硬盘是怎样进化的。

磁带与硬盘用相同的物理技术存储数据。简单来讲是这样的:在磁性材料薄膜中有许多很窄的轨道,磁性材料的磁性在两种极性之间转换。信息用二进制位编码,在轨道上的某一个特定点通过磁性转换与否来体现。1950年代磁带和硬盘出现,然后制造商就按照“更密、更快、更便宜”的路线前进。最终,两者的成本都下降了很多——按照每GB成本计算。

之所以成本大幅下降,主要是因为我们可以在每平方毫米的磁盘基片上存储更多数据。磁录密度由两个因素决定:一是磁道上存储的数据密度,二是垂直方向的磁道密度。

1952年推出的IBM 726,只能存储几MB数据

最开始时,磁带和磁盘的磁录密度差不多。因为硬盘销量更多,市场更大,所以企业可以投入更多研发资金,导致硬盘市场进步更快。到了今天,高容量硬盘的磁录密度大约是新磁带的100倍。

尽管如此,因为磁带的存储表面面积更大,所以先进的磁带可以存储最多15TB的容量,比大容量硬盘高很多。考虑到两款装置所占的体积差不多,所以优势更明显。

除了容量,磁带和硬盘的特点也有很大不同。磁带很长,一般有几百米,所以访问数据的平均时间约为50-60秒,而硬盘只有5-10毫秒。不过数据写入磁带的速度约为硬盘写速度的2倍多。

以前,硬盘磁录密度会以每年40%的速度提升,但最近几年却降到了10-15%。为什么?主要是因为受到了物理学的限制:在给定区域存储的数据越多,每一个Bit能调配的空间就会越小。这样一来,当你读取数据时信号就会越弱。如果信号过弱,可能会在噪音中丢失,磁性颗粒涂在盘片上,本来就会有噪音。

缩小颗粒,降低背景噪音,完全有可能做到。但是当颗粒到了一定大小,想要继续缩小,而且还要保持磁性稳定,就会变得很困难。磁记录的最小尺寸被称为超顺磁极限(superparamagnetic limit)。现在硬盘制造商已经触及极限。

就在不久之前,消费者还感受不到放缓的迹象,因为硬盘制造商可以为单个单元增加更多磁头和盘片,让相同尺寸的硬盘进一步扩大容量。现在呢?空间受到限制,增加更多磁头和盘片的成本进一步增加,厂商无法获得很高的收益,而且这种限制越来越明显。

厂商正在开发几种技术,这些技术也许可以帮助硬盘打破超顺磁极限,一种技术叫作热辅助磁记录技术(HAMR),还有一种叫作微波辅助磁记录技术(MAMR),这些技术使用的颗粒更小,允许磁盘以更小的区域磁化。

不过这些新技术会抬高成本,在工程上也面临很大挑战。即使成功,大规模量产也是一个问题。例如,西部数据最近宣布说,2019年将会出货MAMR硬盘,照估计,有了MAMR技术,磁录密度会以每年15%的速度提升。

现在的磁带库可以存储几百PB数据

反观磁带,现在它的磁录密度离超顺磁极限还有很远距离。所以说磁带的“摩尔定律”可以继续存活10年甚至更长时间,不会碰到障碍。

不要认为磁带技术就很简单,不是的。磁带天生具有可以擦除的属性,而且使用超薄聚合物基质,以并行方式同时记录的磁道高达32条,这些都给设计师带来很大挑战。正因如此,IBM团队才会寻找各种办法提高磁带容量,有时会引入硬盘技术,有时会寻找新方法。

2015年,IBM与富士胶片合作,让超小钡铁氧体颗粒垂直于磁带排列,这样可以记录更多的数据,相比今天的商用技术,它的磁录密度高出12倍还要多。最近,IBM又与索尼存储媒体解决方案(Sony Storage Media Solutions)合作,用新方法记录数据,磁录密度约为目前磁带的20倍。如果新技术能够商用,电影工作室就可以用得上,它们制作一部大片需要十几个磁带,未来全部装进一个磁带就行了。

想达成目标,有几个技术障碍要跨越。例如,当磁带的磁道变得越来越窄,必须改进读写磁头,新技术显示,磁道的宽度已经可以降到100纳米左右。

研究人员还要缩小数据阅读器(它是一个磁阻传感器,用来从磁道上读取已存入的数据)的宽度,目前的宽度用微米计算,有必要降到50纳米之下。到了这一步,我们会用超小阅读器读取信号,此时会有很大的噪音。怎么办?我们可以通过提升信噪比来改进,改变磁性粒子的尺寸和方向、改变组成成份、改变磁带表面的平滑度和厚度来实现。未来,我们还可以引入信号处理技术和纠错技术,进一步提升性能。

一旦新品到来,必须确保数据能够存储几十年不丢失,为此,研究人员会在记录层优化磁颗粒,让它们更稳定。不过这样做会有副作用,它会导致最开始时记录数据变得更困难,从某种程度上说,普通磁带传感器无法将数据写入新介质。所以研究人员需要发明新磁头,能够产生更强的磁场,这样才能写入数据。

将多种新技术结合在一起,研究人员开发出实验系统,它的线密度达到每英寸818000比特(bits)。出于历史原因,磁带工程师会用每英寸数据密度来描述磁带存储能力。引入新技术,每英寸可以有246200条磁道,换算一下,相当于每平方英寸可以存储201GB数据。假设一盒磁带的长度是1140米(这种假设是合理的,因为磁带的厚度会降低),一盒磁带可以存储330TB数据。

2015年,信息存储行业协会(Information Storage Industry Consortium)与众多研究机构发布一份报告,按照预测,2025年之前磁带的磁录密度可以达到每平方英寸91GB。如果趋势能够保持,2028年之前就会超过200GB。

报告对磁带存储的未来很乐观。实验证明,每平方英寸达到200GB是完全可能的。所以说,在未来10年里,磁带技术还会继续进化。

在信息技术领域,可能只有磁带技术还会遵守摩尔定律一样的发展轨迹,在未来10年里继续下去。在硬盘及其它存储技术面前,磁带本来就有成本优势,未来这种优势会进一步扩大。你也许很少看到磁带,只在老电影中看到过,但是磁带技术实际上并没有落伍,未来很多年都不会落伍。

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