探討 | 數(shù)據(jù)存儲的未來：磁帶是贏家？！
大數(shù)據(jù)分析和人工智能領域近年來的研究進展，為企業(yè)收集有關其業(yè)務每一個可衡量方面的信息創(chuàng)造了強大的動機，這應該不足為奇。而且，現(xiàn)在的金融監(jiān)管條例要求各單位保留相關記錄的時間也比過去要長得多。所以，各類公司和機構保存的信息都越來越多。
研究顯示，被記錄下來的數(shù)據(jù)在容量上正在以每年30%到40%的速度增長[1]。與此同時，用于存儲數(shù)據(jù)的現(xiàn)代硬盤的容量增長速度還不到這一速度的一半。幸運的是，大部分信息并不需要即時訪問。對于這類信息，磁帶是完美的解決方案。
真的嗎？磁帶？這個想法可能會喚起對出現(xiàn)在像《電腦風云》（Desk Set）或《奇愛博士》（Dr. Strangelove）這樣的老電影里的那種在大型主機旁斷斷續(xù)續(xù)地轉動的盤式磁帶的回憶。那么，讓我們來做個快速的事實核查吧：磁帶從未消失。
的確，世界上大部分數(shù)據(jù)仍然保留在磁帶上，包括基礎科學（如粒子物理學和射電天文學）、文化遺產和國家檔案、電影、銀行、保險、石油勘探及其他很多方面的數(shù)據(jù)等。甚至還有一群人（包括我在內，接受過材料科學、工程或物理學方面的專業(yè)訓練），他們的工作就是不斷改進磁帶存儲。
是的，磁帶已存在很長時間了，但該技術尚未成為歷史，而是恰恰相反。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。
第一個商用數(shù)字磁帶存儲系統(tǒng)是IBM推出的Model 726，它可以在一卷磁帶上存儲大約1.1兆字節(jié)數(shù)據(jù)。今天，一盒時新的磁帶可容納15TB數(shù)據(jù)。一個機械磁帶庫可容納多達278PB的數(shù)據(jù)，如果是將這么多數(shù)據(jù)存儲在光盤上，那么將需要3.97多億張光盤（能將它們一張壓一張地疊放起來的話，會形成一座高度超過476千米的高塔）。
確實，磁帶不能提供如硬盤或半導體存儲器那樣快速的訪問速度。不過，磁帶的優(yōu)勢還是很多。首先，磁帶存儲更節(jié)能：一旦所有數(shù)據(jù)被記錄了下來，磁帶盒就會安靜地呆在機械磁帶庫的插槽中，根本不消耗任何電量。磁帶也非?？煽?/span>，錯誤率比硬盤低四到五個數(shù)量級。磁帶還是非常安全的，具有內置的、動態(tài)加密以及由介質本身的性質所提供的額外安全性。畢竟，如果磁帶沒有安裝在驅動器中，則無法訪問或修改其上保存的數(shù)據(jù)。鑒于通過網絡攻擊導致的數(shù)據(jù)竊取在不斷增長，這種“air gap”網閘尤其具有吸引力。
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，Google的一次軟件更新中，代碼里的一個缺陷導致Google意外刪除了大約40,000個Gmail帳戶的電子郵件。盡管在多個數(shù)據(jù)中心的硬盤上存儲了多個數(shù)據(jù)副本，但數(shù)據(jù)仍有所丟失。幸運的是，數(shù)據(jù)也記錄在了磁帶上，Google最終從磁帶備份中恢復了所有丟失的數(shù)據(jù)。
2011年的Gmail事件是最早披露的云服務提供商使用磁帶進行運營的案例之一。更近一些時候，微軟宣布其Azure Archive Storage使用了IBM的磁帶存儲設備。
1951年：最早被用在計算機（Univac）上記錄數(shù)據(jù)的磁帶。照片來源：Bettmann / Getty Images
1952年：推出商用計算機磁帶存儲系統(tǒng)（IBM 726）。照片來源：IBM。
1964年：推出九軌磁帶。照片來源：IBM。
1968年：推出自動穿帶磁帶機（IBM 2420）。照片來源：IBM。
1974年：最早的自動（機械）磁帶庫（IBM 3850）。照片來源：IBM。
1974年：最早的自動（機械）磁帶庫（IBM 3850）。照片來源：IBM。
1984年：推出薄膜磁頭技術（IBM 3480）和4×5英寸磁帶。照片來源：IBM。
1989年：推出數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲磁帶（螺旋掃描磁帶）。照片來源：Kadin2048 /Wikipedia。
1993年：推出數(shù)字線性磁帶。照片來源：Christian Taube /Wikipedia。
2009年：IBM推出線性磁帶文件系統(tǒng)。照片來源：IBM。
2009年： IBM推出線性磁帶文件系統(tǒng)。圖片來源：Hewlett Packard Enterprise / IBM / Quantum。
2017年：最新一代LTO（LTO-8）發(fā)布。照片來源：IBM。
盡管磁帶有以上優(yōu)點，公司使用磁帶的主要原因通常還是出于經濟上的考慮。磁帶存儲的成本是將相同數(shù)量的數(shù)據(jù)保存在磁盤上所需成本的六分之一，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)在已經完全從消費級產品中消失了，大多數(shù)人都不知道它的存在，也就更不知道磁帶記錄技術在近年來所取得的巨大進步以及在可預見的將來會繼續(xù)取得的進步了。
所有這一切都是在說，磁帶已經陪伴我們幾十年，并會在未來幾十年繼續(xù)存在。我怎么能這么肯定？繼續(xù)讀下去，你就知道原因了。
磁帶之所以能存活這么久，有一個根本原因：它很便宜。而且，它正在變得越來越便宜。但情況會一直如此嗎?
你可能會認為，如果將更多數(shù)據(jù)塞進硬盤的能力正在減弱，那么對于使用相同的基本技術但更老的磁帶來說也會是如此。令人驚訝的現(xiàn)實是，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，其存儲容量應該能以每年約33％的歷史增長速度繼續(xù)增長多年，這意味著大約每兩到三年磁帶的存儲容量就會翻一番。這可以看作是磁帶的摩爾定律。
對于那些不得不在存儲預算不高的情況下應對數(shù)據(jù)爆炸式增長問題的人來說，這是個好消息。要理解為什么磁帶仍然具有比硬盤大的潛力，可以思考下磁帶和硬盤的進化方式。
兩者依賴于相同的基本物理機制來存儲數(shù)字化的數(shù)據(jù)。它們以磁性材料薄膜中的窄軌道來實現(xiàn)存儲，在薄膜中磁性在兩種極性狀態(tài)之間切換。信息被編碼為一系列比特，由沿軌道分布的特定點處存在或不存在磁極轉換來表示。自20世紀50年代推出磁帶和硬盤以來，兩者的制造商一直被“更密集、更快、更便宜”的口號所驅策。發(fā)展結果是兩者的成本（以每千兆字節(jié)容量所需美元計）都已經降低了多個數(shù)量級。
磁性基板每平方毫米上可記錄信息的密度指數(shù)式增長，這導致了硬盤和磁帶成本的降低。面密度（areal density）是沿數(shù)據(jù)軌道的記錄密度和垂直方向上的軌道密度的乘積。
在早期階段，磁帶和硬盤的面密度相似。但是，更大的市場規(guī)模和來自硬盤銷售的收入為更大規(guī)模的研發(fā)工作提供了資金，這使得硬盤的制造商能夠更積極地提高硬盤的面密度。結果是，高容量硬盤目前的面密度大約是最新的磁帶的100倍。
盡管如此，由于磁帶具有更大的可用于記錄的表面積，最先進的磁帶系統(tǒng)里的一盒本機磁帶可容納高達15TB的數(shù)據(jù)——超過了市場上容量最大的硬盤的容量。盡管兩種設備占用的空間差不多，但事實的確如此。
照片來源：Victor Prado
內部和外部：一種時新的使用線性磁帶開放技術（LTO）的盒式磁帶，它只包含一個卷軸，將它插入磁帶系統(tǒng)后，磁帶會自動卷到傳動裝置內置的卷軸上。
當然，除容量外，磁帶和硬盤的性能特征是非常不同的。盒式磁帶中帶子的長度通常為數(shù)百米，導致平均數(shù)據(jù)訪問時間為50到60秒，而硬盤的平均數(shù)據(jù)訪問時間僅為5到10毫秒。但是，令人驚訝的是，將數(shù)據(jù)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)的面密度增速已從其歷史平均值的每年約40％放緩到10％至15％之間。原因與一些基本物理事實有關：要在給定面積中記錄更多數(shù)據(jù)，就需要為每個比特分配一個更小的區(qū)域。這反過來會減弱讀取這個比特時可以得到的信號的強度。如果信號在強度上降低過多，它就會消失在硬盤上涂有的磁性顆粒因其顆粒特性而產生的噪音之中。
通過使這些顆粒變小，可以減少背景噪音。但是很難將磁性顆?？s小到一定的尺寸而不會損害它們以穩(wěn)定的方式保持磁性狀態(tài)的能力。在這個行業(yè)中，用于磁記錄的最小可行尺寸被稱為超順磁極限。而硬盤制造商已經抵達了這個極限尺寸。
直到最近，這種容量增速的放緩對消費者來說都并不明顯，因為硬盤制造商能夠通過在每個硬盤中添加更多的磁頭和盤片來進行補償，從而在相同尺寸的包裝中實現(xiàn)更高的存儲容量。但現(xiàn)在，可用的空間和增加更多磁頭和盤片的成本都限制了硬盤制造商所能獲得的收益。增速放緩開始變得明顯。
一些正在研發(fā)的技術可以使硬盤突破現(xiàn)今的超順磁極限的限制。這些技術包括熱輔助磁記錄技術（HAMR）和微波輔助磁記錄技術（MAMR），它們允許使用更小的顆粒，從而使磁盤的更小區(qū)域被磁化成為可能。但這些方法增加了成本并帶來了棘手的工程挑戰(zhàn)。根據(jù)制造商的說法，即使這些技術研發(fā)成功了，它們能提供的容量增長可能也是有限的。例如，最近宣布將在2019年開始出貨MAMR硬盤的西部數(shù)據(jù)公司預計說，MAMR技術只能使硬盤的面密度每年增加約15％。
相比之下，磁帶存儲設備目前使用的面密度還遠在超順磁極限之下。因此，磁帶的摩爾定律還可以持續(xù)十年或更長時間，而不會遇到這些基礎物理層面的障礙。
然而，磁帶也是一種棘手的技術。它的可拆卸性、使用薄的聚合物基板而不是剛性基片以及同時在多達32個平行軌道上記錄，為設計人員帶來了很大障礙。這就是我在IBM蘇黎世研究實驗室的研究團隊一直努力尋找能使磁帶容量持續(xù)擴展的方法（要么適應性采用磁盤技術，要么發(fā)明全新的方法）的原因。
2015年，我們和富士膠片株式會社的合作伙伴一起展示了通過使用垂直于磁帶的超小鋇鐵氧體顆粒，可以使磁帶的數(shù)據(jù)記錄密度達到目前的商用技術可實現(xiàn)的密度的12倍以上。最近，我們與索尼存儲介質解決方案公司合作展示了以大約20倍于目前最先進磁帶的面密度來記錄數(shù)據(jù)是可能的。如果能將這項技術商業(yè)化，那么現(xiàn)在可能需要一打盒式磁帶來存檔其所有數(shù)字材料的一部大制作電視節(jié)目，將來只用一盒磁帶就能存得下來。
照片來源：David Parker/Science Source; 版權所有： IBM。
數(shù)據(jù)洪流：現(xiàn)代磁帶庫可容納數(shù)百PB，而1952年推出的IBM 726（下圖）僅能存儲幾兆字節(jié)。
我們在技術上取得了很多進步，才實現(xiàn)了這樣規(guī)模的存儲容量。首先，我們提高了讀寫磁頭沿著磁帶上的細長磁道移動的能力。在我們最新的演示中，磁道寬度只有100納米左右。
我們還不得不減小數(shù)據(jù)讀取器——用于讀取記錄數(shù)據(jù)的磁道的磁阻傳感器——的寬度，使從其當前的微米尺寸縮小到了小于50納米的程度。結果是，我們用這么小的讀取器獲取到的信號非常嘈雜。我們通過提高介質本身的信噪比（它是磁性顆粒的尺寸和方向以及它們的成分、磁帶表面的平滑度和光滑度的函數(shù)）來補償。為了進一步解決這個問題，我們改進了設備所采用的信號處理和糾錯方案。
為了確保我們的新原型介質能夠將數(shù)據(jù)保存數(shù)十年，我們改變了記錄層中的磁性顆粒的性質以使其更加穩(wěn)定。但是，這一改變使得記錄數(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將數(shù)據(jù)寫入新介質。為此，我們使用了一種能產生比傳統(tǒng)磁頭強得多的磁場的特殊寫磁頭。
結合使用這些技術，我們能夠在我們的實驗室系統(tǒng)中以每英寸818,000比特的線性密度讀寫數(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衡量數(shù)據(jù)密度）。結合使用新技術可以處理的每英寸246,200個磁道，我們的原型裝置達到了每平方英寸201千兆比特的面密度。假設一個磁帶盒可以容納1,140米長的磁帶（鑒于我們所使用的新磁帶介質厚度小于以前的，這是一個合理的假設），這一面密度對應于高達330 TB的單盒磁帶容量。這意味著一盒磁帶可以記錄的數(shù)據(jù)與裝滿一輛手推車的硬盤所能容納的一樣多。
在2015年，信息存儲產業(yè)聯(lián)盟（一個由惠普、IBM、甲骨文、昆騰及若干學術研究團體共同成立的組織）發(fā)布了《國際磁帶存儲路線圖》（International Magnetic Tape Storage），文中預測說，到2025年，磁帶存儲的面密度將達到每平方英寸91 Gb。根據(jù)這一趨勢推斷，到2028年，磁帶存儲的面密度將超過每平方英寸200 Gb。
該路線圖的作者們都對磁帶存儲的未來感興趣。但你不必擔心他們過于樂觀。我和我的同事們最近進行的實驗室實驗表明，每平方英寸200 Gb的面密度完全有可能實現(xiàn)。因此，在我看來，在未來至少十年內，磁帶完全有把握保持過去的容量增速。
實際上，磁帶可能屬于最后一批仍然遵循摩爾定律的信息技術——至少在未來十年內，它仍能遵循這一定律。而這反過來只會增加磁帶相對于硬盤和其他存儲技術的成本優(yōu)勢。因此，即使你可能很少在黑白電影之外看到它，磁帶在未來數(shù)年里依然會發(fā)揮重要作用。
本文將刊登在2018年9月期印刷版的IEEE SPECTRUM上，標題為“Tape Storage Mounts a Comeback”。
本文作者Mark Lantz是IBM蘇黎世研究實驗室的先進磁帶技術經理。
參考文獻：
[1]John Gantz, David Reinsel. The Digital Unviserse in 2020: Big Data, Bigger Digital Shadows, and Biggest Growth in the Far East - United States. Februry 2013. Available at https://www.emc.com/collateral/analyst-reports/idc-digital-universe-united-states.pdf .
