Назад » » 2019 » Март » 21

Почему магнитная лента остаётся лучшим носителям для хранения данных

  • 5.0 Рейтинг

Неудивительно, что недавние успехи в области анализа больших данных и искусственного интеллекта создали сильные стимулы для компаний собирать информацию обо всех измеримых аспектах своего бизнеса. А финансовые положения теперь требуют от организаций вести учет в течение гораздо более длительных периодов, чем они должны были в прошлом.

Исследования показывают, что количество записываемых данных увеличивается на 30-40 процентов в год. В то же время емкость современных жестких дисков, которые используются для хранения большей части этого, увеличивается менее чем вдвое. К счастью, большая часть этой информации не требует немедленного доступа. И для таких вещей магнитная лента является идеальным решением.

Использование магнитной ленты для хранения информации

Серьёзно? Запись на ленту? Сама идея может вызвать образ барабанов, вращающихся в громоздких мэйнфреймах как в старом фильме, например Desk Set или Dr. Strangelove. Но быстрая проверка реальности одназно подтверждает: лента никогда не уходила!

Действительно, большая часть мировых данных всё ещё хранится на ленте, включая данные по фундаментальной науке, такие как физика элементарных частиц и радиоастрономия, наследие цивилизации и национальные архивы, большинство кинофильмов, банковское дело, страхование, данные по разведки нефти и многое другое. Есть даже группа людей, чья работа заключается в том, чтобы постоянно улучшать хранение данных на ленте.

Да, лента существует уже давно, но технология не была заморожена во времени. Наоборот. Как жесткие диски и транзисторы, магнитная лента значительно продвинулась за десятилетия.

Первая коммерческая система хранения данных на цифровых лентах – модель IBM 726 – могла хранить около 1,1 мегабайта на одной катушке ленты. Сегодня современный ленточный картридж может вместить 15 терабайт. А одна роботизированная ленточная библиотека может содержать до 278 петабайт данных. Хранение такого большого количества данных на компакт-дисках потребовало бы более 397 миллионов пластинок, если их сложить в стопу, образовалась бы башня высотой более 476 километров.

Это правда, что лента не обеспечивает такую высокую скорость доступа, как жесткие диск или полупроводниковая память. Тем не менее, преимуществ у неё много. Начнём с того, что накопитель на магнитной ленте более энергоэффективен: после того, как все данные записаны, кассета с магнитной лентой просто тихо сидит в слоте в роботизированной библиотеке и совсем не потребляет энергии. Лента также чрезвычайно надежна, её частота ошибок на четыре-пять порядков ниже, чем у жестких дисков. Кроме того, лента очень безопасна со встроенным шифрованием «на лету» и дополнительной защитой, предоставляемой самой средой. В конце концов, если картридж не установлен в накопителе, данные не могут быть доступны или изменены. Этот «воздушный зазор» особенно привлекателен в свете растущей скорости кражи данных в результате кибератак.

Автономная природа ленты также обеспечивает дополнительную линию защиты от ошибочного программного обеспечения. Например, в 2011 году из-за ошибки в обновлении программного обеспечения Google случайно удалил сохраненные сообщения электронной почты в 40000 учетных записей Gmail. Эта потеря произошла, несмотря на наличие нескольких копий данных, хранящихся на жестких дисках в нескольких центрах обработки данных. К счастью, данные были также записаны на ленту, и Google смог, в конечном итоге, восстановить все потерянные данные из этой резервной копии.

Инцидент Gmail 2011 года был одним из первых раскрытий того, что поставщик облачных услуг использовал ленту для своих операций. Совсем недавно Microsoft сообщила, что в её хранилище архивов Azure использует оборудование для хранения данных на магнитной ленте IBM.

Магнитная лента – самый надежный хранитель данных

Несмотря на все эти плюсы, главная причина, по которой компании используют магнитные ленты, – это, как правило, экономия. Хранение на магнитной ленте стоит одну шестую суммы, которую вы должны заплатить, чтобы сохранить тот же объём данных на дисках, поэтому ленточные системы можно найти практически везде, где хранятся огромные объемы данных. Но поскольку лента полностью исчезла из продуктов потребительского уровня, большинство людей не знает о её существовании, не говоря уже об огромных успехах, достигнутых в технологиях записи на магнитной ленте в последние годы, и она будет продолжать развиваться в обозримом будущем.

Всё это говорит о том, что магнитная лента была с нами на протяжении десятилетий и будет ещё очень долго.

Лента просуществовала так долго по одной фундаментальной причине: она дешевая. И становится всё дешевле. Но будет ли так всегда?

Вы можете ожидать, что если способность записывать все больше данных на магнитные диски снизиться, то же самое должно произойти и с магнитной лентой, которая использует ту же базовую технологию. Но, удивительная реальность состоит в том, что для ленты это увеличение емкости не показывает никаких признаков замедления. На самом деле, это будет продолжаться ещё много лет с историческим показателем около 33 процентов в год, а это означает, что вы можете ожидать удвоения мощности примерно каждые два-три года. Думайте об этом как о законе Мура для магнитной ленты.

Чтобы понять, почему лента по-прежнему обладает таким большим потенциалом по сравнению с жесткими дисками, рассмотрим, как развивались ленты и жесткие диски.

Оба используют одни и те же базовые физические механизмы для хранения цифровых данных. Они делают это в виде узких дорожек в тонкой пленке магнитного материала, в которой магнетизм переключается между двумя состояниями полярности. Информация кодируется как последовательность битов, представленных наличием или отсутствием перехода магнитной полярности в определенных точках вдоль дорожки. С момента появления ленточных и жестких дисков в 1950-х годах производители обоих устройств руководствовались мантрой «плотнее, быстрее, дешевле». В результате стоимость обеих систем, выраженная в долларах на гигабайт емкости, упала на много порядков.

Эти сокращения затрат являются результатом экспоненциального увеличения плотности информации, которая может быть записана на каждом квадратном миллиметре магнитной подложки. Эта плотность записи является произведением плотности записи вдоль дорожек данных и плотности этих дорожек в перпендикулярном направлении.

Вначале плотность записи магнитных лент и жестких дисков была одинаковой. Но гораздо больший размер рынка и выручка от продажи жестких дисков обеспечили финансирование для более масштабных исследований и разработок, что позволило их производителям более агрессивно расширяться. В результате текущая плотность записи на жестких дисках большой емкости примерно в 100 раз выше, чем у самых последних ленточных накопителей.

Тем не менее, поскольку они имеют гораздо большую площадь поверхности, доступную для записи, современные ленточные системы обеспечивают емкость оригинального картриджа до 15 ТБ –  больше, чем жесткие диски с самой большой емкостью на рынке. Хотя оба типа устройств занимают примерно одинаковое количество места.

Современный ленточный картридж Linear Tape-Open (LTO) состоит из одного барабана

За исключением емкости, характеристики производительности ленточных и жестких дисков, конечно, очень разные. Большая длина ленты, хранящейся в картридже, обычно сотни метров, приводит к тому, что среднее время доступа к данным составляет от 50 до 60 секунд по сравнению с 5-10 миллисекундами для жестких дисков. Но удивительно, что скорость записи данных на ленту более чем вдвое превышает скорость записи на диск.

За последние несколько лет увеличение плотности записи данных на жестких дисках замедлилось со своего исторического среднего уровня, составляющего около 40 процентов в год, до 10-15 процентов. Причина заключается в фундаментальной физике: чтобы записать больше данных в заданной области, вам нужно выделить меньшую область для каждого бита. Это, в свою очередь, уменьшает сигнал, который вы можете получить, когда читаете его. И если вы слишком сильно уменьшите сигнал, он потеряется в шуме, который возникает из-за зернистости магнитных зерен, покрывающих диск.

Можно уменьшить фоновый шум, сделав эти зерна меньше. Но трудно уменьшить магнитные зерна ниже определенного размера, не ставя под угрозу их способность стабильно поддерживать магнитное состояние. Наименьший размер, который практично использовать для магнитной записи, известен как суперпарамагнитный предел. И производители жесткий дисков его уже достигли.

До недавнего времени это замедление не было очевидным для потребителей, поскольку производители дисководов могли компенсировать это, добавляя больше головок и пластин к каждому устройству, что позволяет увеличить емкость в пакете того же размера. Но теперь и доступное пространство, и стоимость добавления дополнительных головок и пластин ограничивают выгоды, которые могут получить производители дисков, и проблема начинает становиться очевидной.

Разрабатывается несколько технологий, которые могут обеспечить масштабирование жесткого диска сверх сегодняшнего суперпарамагнитного предела. К ним относятся магнитная запись при помощи тепла (HAMR) и магнитная запись при помощи микроволнового излучения (MAMR), – методы, которые позволяют использовать более мелкие зерна и, следовательно, позволяют намагничивать меньшие области диска. Но эти подходы увеличивают стоимость и создают неприятные инженерные проблемы. И даже если они будут решены, возможности масштабирования, вероятно, останутся ограниченными. Например, Western Digital Corp, которая недавно объявила о начале поставок жестких дисков MAMR в 2019 году, ожидает, что эта технология позволит масштабировать плотность записи всего лишь на 15 процентов в год.

Напротив, оборудование для хранения данных на магнитной ленте в настоящее время работает при площадных плотностях, которые значительно ниже суперпарамагнитного предела. Таким образом, закон Мура на магнитной ленте может сохранять действие в течение десятилетия или больше, не сталкиваясь с такими препятствиями фундаментальной физики.

В 2015 году промышленный консорциум по хранению информации, – организация, которая включает в себя HP Enterprise, IBM, Oracle и Quantum, – выпустил то, что называется «дорожной картой». Прогноз предсказывает, что к 2025 году плотность записи на ленту может достичь 91 Гб на квадратный дюйм. Экстраполируя эту тенденцию, можно предположить, что к 2028 году она превысит 200 Гб на квадратный дюйм.

Авторы этой дорожной карты заинтересовались будущим хранения на магнитной ленте. Но вам не нужно беспокоиться, что они слишком оптимистичны. Лабораторные эксперименты показывают, что 200 Гб на квадратный дюйм вполне достижимы. Так что возможность удержания ленты на пути роста, который у неё был, вполне гарантирована.

Действительно, лента может быть одной из последних информационных технологий, которые следуют закону Мура. Даже если вы редко можете видеть её за пределами кадров фильмов прошлого века, магнитная лента, какой бы она ни была старой, будет с нами долгие годы.