为什么数据存储的未来是磁带

磁盘驱动器的发展遇到瓶颈，但磁带发展前景却越来越好

为什么数据存储的未来是磁带

毫无悬念的是，大数据分析和人工智能的最新研究为企业提供了强大的分析处理机制，并能帮助企业储备有关其业务的各个可衡量方面的信息。现在，财务法规要求组织保留的记录时间比过去更长。所以，公司和机构对记录数据的需求越来越多。

研究显示记录的数据量每年增加30％至40％。与此同时，用于存储的大部分硬盘的容量增长率不到这一速度的一半。幸运的是，大部分信息不需要立即访问。对于这样的现状，磁带是完美的解决方案。

真的吗？ 胶带？ 这个想法可能会使你联想到卷轴，这些卷轴在像Desk Set或Dr. Strangelove这样的老电影中，在一个庞大的主机旁边旋转。 所以，我们能快速的惊觉：磁带从未消失！

实际上，世界上大部分数据仍然保留在录像带上，包括基础科学数据，如粒子物理和射电天文学，人类遗产资料和国家档案，电影，银行数据，保险数据，石油勘探信息等。 甚至还有一群人（包括我，在材料科学、工程或物理研究领域接受过系统培训），他们的工作就是不断改进磁带存储。

磁带已存在很长一段时间了，是的，但该技术的发展并未止步。 恰恰相反，像硬盘和晶体管一样，磁带的发展在过去几十年中取得了巨大进步。

确实，磁带不能提供如硬盘或半导体存储器一样的快速访问速度。不过，这种媒介的优势很多。首先，磁带存储更节能：一旦记录了所有数据，磁带盒就会安静地放在磁带库的插槽中，根本不消耗任何电量。磁带也非常可靠，错误率比硬盘低四到五个数量级。磁带非常安全，具有内置的动态加密介质本身提供的额外安全性。毕竟，如果磁带未安装在驱动器中，则无法访问或修改数据。鉴于通过网络攻击导致的数据窃取率不断增长，这种特性尤其具有吸引力。

磁带的离线特性还为有缺陷的软件提供了额外的防线。例如，在2011年，软件更新中的一个缺陷导致Google意外删除了大约40,000个Gmail帐户中保存的电子邮件。尽管在多个数据中心的硬盘驱动器上存储了多个数据副本，但仍然发生了这种损失。幸运的是，数据也记录在磁带上，谷歌最终可以从该备份中恢复所有丢失的数据。

2011年的Gmail事件是云服务提供商首次使用磁带进行操作的披露案件之一。最近，微软也公开了它的Azure归档存储使用IBM磁带存储设备事实。

尽管如此，公司使用磁带的主要原因通常是成本低廉。磁带存储的成本是磁盘上保持相同数据量所需支付成本的六分之一，这就是为什么您几乎可以在任何存储大量数据的地方找到磁带的原因。但由于磁带现在完全从消费级产品中消失，大多数人都不知道它的存在，更不用说磁带录制技术近年来取得的巨大进步，并将在可预见的未来继续发展。

所有这一切都是说磁带已经存在了几十年，并将在未来几十年内继续存在。我怎么能这么肯定？请继续阅读。

磁带有一个根本原因就能存活下来：它很便宜。而且它一直在变得越来越便宜。但总会如此吗？

您可能期望，如果将更多数据塞入磁盘的能力正在减少，那么对于使用相同基本技术但更老的磁带也是如此。令人惊讶的是，对于磁带而言，这种容量的扩大并没有显示出放缓的迹象。实际上，在过去，它应该以每年约33％的速度保持持续增长多年，这意味着你可以预期大约每两到三年就会增加一倍的容量。也可以把它想象成摩尔定律的磁带。

对于那些必须应对存储预算有限，数据爆炸性增长的人来说，这是个好消息。要了解为什么磁带仍然具有相对于硬盘驱动器而言较大的发展潜力，可以考虑磁带和硬盘驱动器的发展方式。

两者都依赖于相同的基本物理机制来存储数字数据。它们以磁性材料薄膜中的窄轨道的形式这样做，其中，磁性在两种极性状态之间切换。该信息被编码为一系列比特码，由沿轨道的特定点处的磁极过渡的存在或不存在来表示。 自20世纪50年代引入磁带和硬盘驱动器以来，两者的制造商一直受到“更密集、更快、更便宜”的口头禅的驱使。也因此，以每千兆字节容量计算的两者的成本已经下降了多个数量级。

这些成本降低是可以记录在每平方毫米磁性基板上的信息密度指数增加的结果。面密度是沿数据轨道的记录密度和垂直方向上这些轨道的密度的乘积。

早期，磁带和硬盘驱动器的面密度相似。 但更大的市场规模和硬盘销售收入为更大规模的研发工作注入了资金，这使得他们的制造商能够更积极地扩大规模。 因此，大容量硬盘驱动器的当前面密度约为最新磁带驱动器的100倍。

尽管如此，由于它们具有更大的可用于记录的表面区域，因此最先进的磁带系统可提供比市场上容量最大的硬盘高出15 TB的本机磁带盒容量。 即使两种设备占用大约相同的空间，也是如此。

为什么数据存储的未来是磁带

磁带：现代线性磁带开放（LTO）磁带盒由单个卷轴组成。插入盒式磁带后，磁带自动送入驱动机构内置的卷轴。

除容量外，磁带和硬盘驱动器的性能特征不同。盒式磁带中的长带 --- 通常为数百米 --- 导致平均数据访问时间为50到60秒，而硬盘驱动器的平均数据访问时间仅为5到10毫秒。但是，令人惊讶的是，将数据写入磁带的速率是写入磁盘速度的两倍多。

在过去几年中，硬盘上数据的面密度缩放已从其历史平均值每年约40％放缓至10％至15％之间。原因与一些物理定理有关：要在给定区域中记录更多数据，您需要为每个位分配一个较小的区域。这反过来会减少您阅读时可以获得的信号。如果你过多地减少信号，它会因磁盘上涂有磁性颗粒的粒状特性而产生噪音。

通过减少这些颗粒，可以减少背景噪音。但是很难将磁性颗粒缩小到一定的尺寸而不会损害它们以稳定的方式保持磁性状态的能力。用于磁记录的最小尺寸在该业务中被称为超顺磁极限。而磁盘制造商已经掌握这种技术。

直到最近，这种技术瓶颈使磁盘消费放缓的势头并不明显，因为磁盘驱动器制造商能够通过为每个单元添加更多的磁头和盘片来弥补弱势，从而在相同尺寸的封装中实现更高的容量。但是，可用空间和增加更多磁头和盘片的成本制约了驱动器制造商的收益，并且成本增加趋势明显。

正在开发的一些技术可以使硬盘驱动器扩展超出当今的超顺磁极限，包括热辅助磁记录（HAMR）和微波辅助磁记录（MAMR），这些技术能够使用较小的颗粒，从而允许磁盘的较小区域被磁化。但这些方法增加了成本并引入了令人烦恼的工程的挑战。即使它们是成功的，根据制造商的说法，它们提供的扩展可能依然有限。例如，西部数据公司（Western Digital Corp.）最近宣布它将在2019年开始供货MAMR硬盘，预计该技术将使面密度每年增加约15％。

相比之下，磁带存储设备目前以远低于超顺磁极限的面密度工作。因此，磁带的摩尔定律可以持续十年或更长时间，而不会遇到基础物理学的这些障碍。

磁带是一种棘手的技术。它的可拆卸性，使用薄的聚合物基板而不是刚性盘，并行同时记录多达32个轨道，使设计人员面临重大障碍。这就是为什么我所在的IBM Research-Zurich实验室的研究团队一直在努力寻找能够通过调整硬盘技术或发明全新方法来实现磁带持续扩展的方法。

2015年，我们和FujiFilm公司的合作伙伴一起，通过使用垂直于胶带定向的超小型钡铁氧体颗粒，可以将数据记录提高到当今商业技术可达到的密度的12倍以上。最近，我们也与索尼存储媒体解决方案部合作，我们展示了以面密度记录数据的可能性，该密度是目前最先进磁带驱动器数量的20倍。正确看待这一点，如果将这项技术商业化，那么现在可能需要十几个磁带盒来存档所有数字组件的电影工作室，将能够使用这些技术把所有信息整合到一个单一的胶带上。

    为了实现这种程度的扩展，我们需要一系列先进技术的支持。首先，我们需要提高读写磁头跟随磁带上细长磁道的能力，在我们最新的演示中，磁道只有100纳米左右。

我们还必须减小数据读取器的宽度----用于读回记录数据轨道的磁阻传感器 --- 从其当前的微米尺寸到小于50纳米。由此导致的结果是，我们用这么小的读卡器拾取的信号非常嘈杂。我们需要通过增加介质固有的信噪比来补偿，这是磁性颗粒的尺寸和取向，它们的组成，以及磁带表面的光滑度和光滑度的函数。另外，我们需要改进设备所采用的信号处理和纠错方案。

为了确保我们的新原型介质能够保留记录数据数十年，我们改变了记录层中磁性颗粒的性质，使其更加稳定。但是，这种改变使得记录数据变得更加困难，以至于普通的磁带传感器无法可靠地写入新媒介。因此，我们使用了一种特殊的写头，可以产生比传统磁头强得多的磁场。

结合这些技术，我们能够在我们的实验室系统中以每英寸818,000位的线性密度读取和写入数据。（由于历史原因，世界各地的磁带工程师以英寸为单位测量数据密度。）结合新技术可以处理每英寸246,200的磁道，我们的原型单元的面密度达到每平方英寸201千兆位。假设一个墨盒可以容纳1,140米的胶带 --- 这只是一个合理的假设，基于我们使用的新磁带介质的厚度减小 ---- 这种面密度对应于高达330 TB的墨盒容量。这意味着单个磁带盒可以记录与装满硬盘的独轮车一样多的数据。

2015年，包括惠普、IBM、甲骨文和昆腾在内的信息存储产业联盟及一系列学术研究团体发布了所谓的“国际磁带存储路线图”。该预测预测到2025年，磁带存储的面密度将达到每平方英寸91 Gb。根据趋势推断，到2028年，它将超过每平方英寸200 Gb。

该路线图的作者对磁带存储的未来持非常乐观的态度。但你不必担心他们过于乐观。我和我的同事最近进行的实验室实验表明，每平方英寸200 Gb是完全可能的。因此，在我看来，对于保持磁带在未来至少十年的增长的可行性上，我们是非常有把握的。

实际上，磁带可能是遵循摩尔定律规模扩展的最后一种信息技术之一。在未来十年，即使不是超越，也能保持这种技术。而这种连续性反过来只会增加磁带相对于硬盘驱动器和其他存储技术的成本优势。因此，即使你可能很少在黑白电影之外看到它，磁带也会在未来几年继续存在。

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