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本文轉自丨大數(shù)據(jù)文摘
編譯：羅然、王一丁、萬如苑、云舟

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)存儲方式或許才是數(shù)據(jù)存儲的未來。

你可能會發(fā)出疑問：真的嗎？磁帶？

1951年，首次被用來存儲數(shù)據(jù)的磁帶。

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

然而真相是：磁帶，從未消失！1957年上映的電影：電腦風云（Desk set）講述了工程師與電腦的戀愛， 看完文章有沒有像小編一樣很像去看著這部電影？

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

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

磁帶的確已經(jīng)存在很長一段時間了，但即使是這樣，這項技術也沒有被時間凍結而停止發(fā)展。恰恰相反，像硬盤和晶體管一樣，磁帶在過去幾十年中取得了巨大進步。

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

1972年，IBM首個商用數(shù)據(jù)存儲磁帶

時至今日，現(xiàn)代磁帶盒可容納15TB。一個機器人磁帶庫最多可包含278PB的數(shù)據(jù)。存儲這樣的數(shù)據(jù)量將耗費超過3.97億個光盤，如果把這些磁盤堆疊則將形成超過476公里的高塔。

磁盤驅動器正在達到極限（明顯后勁不足了），但磁帶的性能變得越來越強。

大數(shù)據(jù)分析和人工智能的快速發(fā)展為企業(yè)提供了強大的激勵機制，企業(yè)可以利用這些技術來分析其業(yè)務方方面面的信息�，F(xiàn)在，財務法規(guī)要求公司和機構必須保留記錄的時間比過去更長。所以各種各樣的公司和機構存儲的數(shù)據(jù)都變得越來越冗雜。

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

確實，磁帶不能提供硬盤或半導體存儲器的快速訪問速度。不過，磁帶的優(yōu)勢也有很多。

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

然后，磁帶也非常可靠，錯誤率比硬盤低四到五個數(shù)量級；

最后，磁帶非常安全，具有內置的動態(tài)加密和介質本身提供的額外安全保障。畢竟，如果磁帶未安裝在驅動器中，則無法訪問或修改數(shù)據(jù)。鑒于通過網(wǎng)絡攻擊導致的數(shù)據(jù)竊取率不斷增長，這種“氣隙”（暗指磁帶優(yōu)勢）具有強大的吸引力。

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，軟件更新中的一個缺陷導致Google意外刪除了大約40,000個Gmail帳戶中保存的電子郵件。盡管在多個數(shù)據(jù)中心的硬盤驅動器上存儲了多個數(shù)據(jù)副本，但這樣的損失依然發(fā)生了。幸運的是，數(shù)據(jù)同時記錄在了磁帶上，谷歌最終可以從該磁帶備份中恢復所有丟失的數(shù)據(jù)。

2011年的Gmail事件是云服務提供商使用磁帶進行操作的首次公開信息之一。最近，微軟也公開了它的Azure歸檔存儲使用IBM磁帶存儲設備的信息。

盡管如此，公司使用磁帶的主要原因通常是因為磁帶比較廉價。

磁帶存儲的成本是磁盤上存儲相同數(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)在完全從消費級產(chǎn)品中消失，大多數(shù)人都不知道它的存在，更不用說磁帶錄制技術近年來取得的巨大進步，并將在可預見的未來繼續(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越便宜。

但這是未來的趨勢嗎？

您可能會認為，如果將更多數(shù)據(jù)塞入磁盤的能力正在減少，那么對于使用相同存儲技術但更老的磁帶來說存儲能力也應該下降。然而令人驚訝的是，對于磁帶而言，這種容量的擴大并沒有顯示出放緩的跡象。事實上，它應該會以每年約33％的歷史速度持續(xù)多年，這意味著你可以預期大約每兩到三年就會增加一倍的容量。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）。

對于那些必須應對數(shù)據(jù)存儲預算爆炸性增長的人來說這是個好消息。要了解磁帶仍然具有相對于硬盤驅動器的潛力，就要考慮磁帶和硬盤驅動器的發(fā)展方式。

兩者都依賴于相同的基本物理機制來存儲數(shù)據(jù)。它們以磁性材料薄膜中的窄軌道為存儲介質，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，由沿軌道的特定點處的磁極的存在或不存在來表示。自20世紀50年代引入磁帶和硬盤驅動器以來，兩者的制造商一直受到“更密集，更快，更便宜”的口頭禪的驅使。結果，以每千兆字節(jié)容量計算的兩者的成本已經(jīng)下降了多個數(shù)量級。

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)增長的結果，面密度是沿數(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，磁帶和硬盤驅動器的面密度相似。但由于的市場規(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擴大存儲密度。因此，大容量硬盤驅動器的當前面密度約為最新磁帶驅動器的100倍。

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

Victor PradoInside 現(xiàn)代線性磁帶開放式（LTO）磁帶盒由單個卷軸組成。插入盒式磁帶后，磁帶自動送入驅動機構內置的卷軸。

除容量外，磁帶和硬盤驅動器在性能指標上也有很大差異。盒式磁帶中的長帶 - 通常為數(shù)百米 – 對應的平均數(shù)據(jù)訪問時間為50到60秒，而硬盤驅動器的平均數(shù)據(jù)訪問時間僅為5到10毫秒。

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

在過去幾年中，硬盤上數(shù)據(jù)面積密度的平均增長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：要想在給定區(qū)域中記錄更多數(shù)據(jù)，就需要為每個比特分配一個較小的區(qū)域。但這樣反過來會減少讀取時獲得的信號。如果你減少的信號太多，它就會消失在噪音中，噪音來自于覆蓋在磁盤上的磁性顆粒的顆粒性質。

通過減少這些顆�？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�順磁極限”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)達到了這個水平。

對消費者來說，磁盤容量增長速度的放緩并不明顯，因為制造商可以通過為每個單元添加更多的磁頭和磁盤來彌補增長速度的不足。但是現(xiàn)在，無論是可用空間，還是增加磁頭和磁碟的成本，都限制了驅動制造商所能獲得的收益。增長放緩這一情況已經(jīng)開始變得越來越明顯。

包括熱輔助磁記錄（HAMR）和微波輔助磁記錄（MAMR）等正在開發(fā)的技術可以使硬盤驅動器的擴展超出當今的超順磁極限。這些技術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，使用這些技術方法會使成本增加，并且也會帶來棘手的工程挑戰(zhàn)。

即使他們成功了，根據(jù)制造商的說法，他們提供的規(guī)�？赡苋匀挥邢�。例如，西部數(shù)據(jù)公司（Western Digital Corp.）最近宣布它將在2019年開始出貨MAMR硬盤，預計該技術將使面密度每年僅增加約15％（仍低于之前的年平均40%的增長率）。

相比之下，磁帶存儲設備目前的區(qū)域密度遠低于超順磁極限。因此，磁帶的摩爾定律可以持續(xù)十年或更長時間，而不會遇到基礎物理學方面的障礙。

磁帶是仍然一種棘手的技術。它的可拆卸性，使用薄的聚合物基板而不是剛性盤，并行同時記錄多達32個軌道，為設計人員帶來了重大障礙。這就是為什么我在IBM Research-Zurich實驗室的研究團隊一直在努力尋找能夠通過調整硬盤技術或發(fā)明全新方法來實現(xiàn)磁帶持續(xù)擴展方法的重要原因。

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)記錄為當今商業(yè)技術可達到的密度的12倍以上。最近，在與索尼存儲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磁帶驅動器數(shù)值的20倍。舉例來說，如果這項技術成功商業(yè)化，那么現(xiàn)在需要十幾個磁帶盒來存檔大預算功能的數(shù)字組件的電影工作室將能夠將所有這些東西整合到一個磁帶之中。

全球首個自動化數(shù)據(jù)存儲資料庫（IBM）

為了實現(xiàn)這種程度的擴展，我們必須在技術上實現(xiàn)一系列的進步。首先，我們提高了讀寫磁頭跟隨磁帶上的細長磁道的能力，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 - 從其當前的微米級尺寸到小于50nm。但結果是我們用這么小的讀卡器獲取的信號非常嘈雜。所以我們通過增加介質固有的信噪比來補償，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。為了進一步提升效果，我們改進了設備所采用的信號處理和糾錯方案。

為確保我們的新原型介質能夠長久地保留記錄數(shù)據(jù)，我們改變了記錄層中磁性顆粒的性質，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，寫入時可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)磁頭強得多的磁場。

結合這些技術，我們能夠在我們的實驗室系統(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量數(shù)據(jù)密度）結合新技術可以處理的每英寸246,200磁道，我們的原型單元的面密度達到了每平方英寸201千兆位。

假設一個盒式磁帶可以容納1,140米的膠帶 -考慮到我們使用的新磁帶介質的厚度將減小， 這是一個合理的假設- 這種面密度對應于高達330 TB的墨盒容量。這意味著單個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、IBM、甲骨文和Quantum在內的信息存儲產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟以及一系列學術研究團體發(fā)布了“國際磁帶存儲路線圖”。該預測稱到2025年，磁帶存儲的面密度將達到每平方英寸91 Gb。按照此趨勢推斷，到2028年面密度將超過每平方英寸200 Gb。

該路線圖的作者們對磁帶存儲未來的樂觀態(tài)度是值得相信的，按照我和我的同事最近進行的實驗室實驗，每平方英寸200 Gb是完全可能的。因此，在我看來，使磁帶在當前速率上增長至少十年是完全可能的。

實際上，磁帶可能是遵循摩爾定律規(guī)模擴展的最后幾種信息技術之一。這種持續(xù)發(fā)展會增加磁帶相對于硬盤驅動器和其他存儲技術的成本優(yōu)勢。

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

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