Чому майбутнє зберігання даних все ще за магнітною плівкою

Жорсткі диски наближаються до меж свого розвитку, а плівка стає лише краще з часом.

Фінансові інститути зобов’язують компанії зберігати все більше даних і все більш довгий період часу. Кількість даних, яку доводиться зберігати, кожен рік зростає на 30-40 відсотків порівняно з попереднім роком. Місткість жорстких дисків теж росте, але з вдвічі меншим темпом. На щастя, вся ця інформація не вимагає миттєвого доступу, тому плівка — відмінне рішення проблеми.

Взагалі, багато інформації в світі зберігається саме на стрічці: наукові дані про фізику частиць, астрономічні дані, національні архіви, культурну спадщину, більшість кінофільмів, банківські дані і так далі. Існують професіонали (фахівці з матеріалами, інженери, фізики), чия робота — удосконалювати способи зберігання даних на плівці.

За десятиліття плівка розвивалася не менше, ніж жорсткі диски або транзистори. Перша плівка для зберігання інформації в цифровому вигляді — модель 726 виробництва IBM — могла зберігати 1,1 МБ на котушці. Сьогодні 1 котушка здатна зберігати 15 терабайтів даних, а одне роботизоване плівкове сховище — 278 петабайтыв.

Звичайно, плівка не дозволяє так само швидко зчитувати інформацію, як жорсткі диски або напівпровідникова пам’ять. Але у неї є свої переваги. Плівка енергоефективна: якщо дані вже записані, плівці не потрібне живлення для їх зберігання. Плівка надійна: ймовірність помилок при записі або читанні на 4-5 порядків нижче, ніж у жорстких дисків. Плівка безпечна: на відміну від дисків, які, як правило, підключені до комп’ютера постійно, картриджі з котушками можуть зберігатися без підключення до пристроїв, що захищає дані на плівці від читання чи модифікації зловмисниками або від помилок через людський фактор.

У 2011 році з-за помилки в ПЗ на серверах Google випадково видалив пошту в 40000 ящиках. Видалення сталося на всіх резервних копіях на жорстких дисках, тому що помилкова операція ланцюжком пройшла і за ним, але листи вдалося відновити з плівки. Після цього випадку вперше стало відомо, що Google робить резервні копії на плівці, а потім і Microsoft підтвердили, що в їх хмарному сервісі Microsoft використовують плівкове обладнання IBM.


Магнітна плівка вперше використана для запису даних комп’ютера Univac в 1951 році.

Зберігати дані на плівці в 6 разів дешевше, ніж на жорстких дисках, тому вона використовується повсюдно, якщо мова йде про великі обсяги інформації. Так як плівка практично зникла з споживчого ринку, більшість і не знає, як вона стрімко розвивається і буде розвиватися в найближчому майбутньому.

Читайте також  Демопати в Гельсінкі «Assembly 2018», фотозвіт, день другий

Плівка вижила, тому що вона дуже дешева, і дешевшає з часом. Можна припустити, що, раз ущільнення запису даних на жорстких дисках сходить на немає, то те ж саме стосується і плівці, тому що для неї використовується приблизно та ж технологія (тільки старіша). Це як «закон Мура», але для магнітної плівки. Але це не так: з роками темпи ущільнення запису на плівці не спадають, а зберігаються в районі 33% в рік. Тобто, подвоєння обсягу даних, записаних на плівці, відбувається приблизно кожні 2-3 роки.

Фізично технологія запису на жорсткі диски і плівки одна і та ж: дані записуються на намагнічену поверхню вузькими доріжками, на яких відбувається перемикання полярності. Інформація записується послідовністю бітів. З моменту появи плівки і жорстких дисків в 50-х, виробники того й іншого прагнуть до більшої щільності, швидкості і дешевизни, тому вартість зберігання в доларах на гігабайт знизилася на порядки. Саме з-за того, що намагаються здешевити виробництво, зростає щільність запису на квадратний міліметр.

Чим більше фінансування на дослідження та розробку отримують компанії, що виробляють магнітні носії, очевидно, тим більше ці носії прогресують. Зараз на самих просунутих жорстких дисках можна записати в 100 разів більше інформації, ніж на такій же площі плівки. Але так як самої цієї площі на плівці в котушці набагато більше, на ній поміщається до 15 ТБ даних, що більше, ніж на будь-яких існуючих на ринку дисках. При цьому габарити картриджа з котушкою плівки і жорсткого диска приблизно однакові.


Зовні і всередині: Сучасний картридж містить одну котушку. Після установки картриджа плівка автоматично подається на зчитувальний або записуючий пристрій.

Крім місткості у плівки і жорстких дисків є ще відмінність: швидкість доступу до даних. В котушках знаходяться магнітні стрічки довжиною в кілька сотень метрів, середній час доступу до даних — від 50 до 60 секунд. У жорстких дисків це час — від 5 до 10 мілісекунд. Однак, швидкість запису на плівку при цьому вдвічі вище.

Читайте також  Настройка модема Укртелеком для послуги ОГО!

За останні роки темпи ущільнення записи на дисках зменшилаися з 40% до 15% в рік. Причина — фундаментальна фізика. Щоб записати більше даних на колишній площі, потрібно зменшити область для запису кожного біта. Як наслідок, це зменшує силу сигналу під час читання даних. Якщо занадто зменшити силу сигналу, то він може змішатися з магнітним шумом від сусідніх магнітних гранул, що покривають поверхню диска. Можна зменшити шум, зробивши самі гранули менше. Але тоді гранула буде вже настільки мала, що навряд чи зможе стабільно утримувати свій стан намагніченості. Найменший розмір гранул, придатний для магнітного запису, вже досягнуто, в професійній області його називають супермагнетичною межею.

До недавнього часу досягнення цієї межі залишалося для споживачів непомітним, тому що виробники додавали всередину контейнера додаткові диски та головки для запису і читання, роблячи жорсткий диск колишнього розміру, але більшого обсягу. Однак тепер і більше дисків всередину контейнера вже складно додати, зберігши його розміри, тому межа стає помітнішою.

Є альтернативні способи запису на магнітну поверхню, які теоретично можуть подолати супермагнетичну межу. Це запис, що супроводжується нагріванням гранул, і мікрохвильовий запис. Але це складно в інженерному та фінансовому аспекті. Компанія Western Digital анонсувала жорсткий диск з мікрохвильовим способом запису, який вона збирається випустити в 2019 році. Очікується, що така інновація дозволить зберегти темпи ущільнення запису в районі 15% в рік.

У той же час зберігання на плівці ще далеко від досягнення супермагнетичної межі, тому плівка десятиліттями може еволюціонувати, не впираючись у свій «закон Мура» і обмеження фундаментальної фізики.

У плівки хитра природа. Заміна картриджів з котушками в записуючому обладнанні, тонкий полімерний матеріал, паралельний запис на 32 доріжках — все це створює складності в дизайні цього носія інформації.

У 2015 році компанія IBM у співпраці з корпорацією FujiFilm виявила, що при запису з використанням ультрамаленьких баррієво-феритних магнітних частинок, розташованих перпендикулярно поверхні плівки, можна досягти в 12 разів більшої щільності, ніж дозволяють інші технології. А в 2017 році у співпраці з Sony вдалося досягти щільності, в 20 разів перевищує самі сучасні жорсткі диски. У перспективі кінокомпаніям, наприклад, це дозволить зберігати весь матеріал високобюджетного фільму всього на одній котушці замість дюжини.

Читайте також  Як використовувати коми в англійській: 15 правил і приклади помилок


Повінь даними: сучасні плівкові сховища містять сотні петабайтів даних, а модель 726 від IBM, представлена в 1952 році, могла зберегти лише кілька мегабайтів.

Щоб досягти такого прогресу, інженери пристосували головки для читання і запису рухатися по вкрай вузьких доріжках на плівці — близько 100 нанометрів шириною. Крім цього, довелося зробити зчитувальні головки більш вузькими — близько 50 нанометрів шириною. При зчитуванні рівень сигналу до шуму теж зменшився, тому довелося маніпулювати розміром і положенням намагнічених гранул і гладкістю поверхні плівки, а також удосконалити процес обробки сигналу і помилок читання.

Для того, щоб забезпечити надійність записаних даних протягом десятиліть, інженери розробили нові записуючі головки, що виробляють набагато більш сильні магнітні поля, ніж звичайні.

Поєднавши всі ці розробки, інженерам IBM вдалося досягти щільності запису в 818000 бітів на лінійний дюйм (таке вимірювання щільності склалося історично). Нова технологія дозволила вмістити на одному дюймі 246200 доріжок запису і надала місце для 201 гігабіта на квадратний дюйм. Картридж з 1140 метрами плівки на котушці здатний зберегти 330 терабайтів інформації. Це можна порівняти з цілим возом жорстких дисків.

Консорціум індустрії зберігання даних, куди входять HP, IBM, Oracle, Quantum і кілька дослідницьких груп, в 2015 році випустили документ про плани розвитку зберігання даних на плівці. За прогнозом консорціуму до 2025 року щільність запису на квадратний дюйм зросте до 91 гігабайта, а до 2028 року — до 200 гб.

Автори документа професійно зацікавлені в такому оптимістичному прогнозі, але він цілком реалістичний. В лабораторії IBM підтверджують, що 200 гб на квадратний дюйм — здійснена мета на найближче десятиліття.

Плівка — носій інформації, яку «закон Мура» притисне в останню чергу. Тому вигода від зберігання даних на плівці в порівнянні з жорсткими дисками буде збільшуватися в прийдешні роки.

Автор статті Марк Ланц працює керуючим в лабораторії IBM в Цюріху і займається вирішенням проблем зі зберіганням даних на плівці.

Стаття спочатку була видана в друкованому вигляді під заголовком “Tape Storage Mounts a Comeback”, а потім опублікована на сайті консорціуму IEEE. У перекладі використовуються фото з оригінальної статті.

Степан Лютий

Обожнюю технології в сучасному світі. Хоча частенько і замислююся над тим, як далеко вони нас заведуть. Не те, щоб я прям і знаюся на ядрах, пікселях, коллайдерах і інших парсеках. Просто приходжу в захват від того, що може в творчому пориві вигадати людський розум.

You may also like...

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *