Почему будущее хранения данных всё ещё за магнитной плёнкой

Жёсткие диски приближаются к пределам своего развития, а плёнка со временем становится лишь лучше.

Финансовые институты обязывают компании хранить всё больше данных и всё более долгий период времени. Количество данных, которое приходится хранить, каждый год вырастает на 30-40% по сравнению с предыдущим годом. Вместительность жёстких дисков тоже растёт, но со вдвое меньшим темпом. К счастью, вся эта информация не требует мгновенного доступа, поэтому плёнка — отличное решение проблемы.

Вообще, много информации в мире хранится именно на плёнке: научные данные о физике частиц, астрономические данные, национальные архивы, культурное наследие, большинство кинофильмов и банковские данные. Существуют профессионалы (специалисты по материалам, инженеры, физики), чья работа — совершенствовать способы хранения данных на плёнке.

За десятилетия плёнка развивалась не меньше, чем жёсткие диски или транзисторы. Первая плёнка для хранения информации в цифровом виде — модель 726 производства IBM — могла хранить 1,1 МБ на катушке. Сегодня одна катушка способна хранить 15 терабайтов данных, а одно роботизированное плёночное хранилище — 278 петабайтов.

Конечно, плёнка не позволяет так же быстро считывать информацию, как жёсткие диски или полупроводниковая память. Но у неё есть свои преимущества.

• Плёнка энергоэффективна: если данные уже записаны, плёнке не требуется питания для их хранения;
• Плёнка надёжна: вероятность ошибок при записи или чтении на четыре-пять порядков ниже, чем у жёстких дисков;
• Плёнка безопасна: в отличие от дисков, которые, как правило, подключены к компьютеру постоянно, картриджи с катушками могут храниться без подключения к устройствам, что защищает данные от чтения или модификации злоумышленниками или влияния человеческого фактора.

В 2011 году из-за ошибки в ПО на серверах Google случайно удалил почту в 40 тысячах ящиках. Удаление произошло на всех резервных копиях на жёстких дисках, потому что ошибочная операция цепочкой прошла и по ним, но письма удалось восстановить с плёнки. После этого случая впервые стало известно, что Google делает резервные копии на плёнке, а затем и Microsoft подтвердили, что в их облачном сервисе Azure используется плёночное оборудование IBM.

Хранить данные на плёнке в шесть раз дешевле, чем на жёстких дисках, поэтому она используется повсеместно, если речь идёт о больших объёмах информации. Так как плёнка практически исчезла с потребительского рынка, большинство и не знает, как стремительно она развивается и будет развиваться в обозримом будущем.

Плёнка выжила, потому что она ничтожно дешёвая, и дешевеет со временем. Можно предположить, что раз уплотнение записи данных на жёстких дисках сходит на нет, значит, то же самое применимо и к плёнке, потому что для неё используется примерно та же технология (только более старая). Это как «закон Мура», но для магнитной плёнки. Но это не так: с годами темпы уплотнения записи на плёнке не спадают, а сохраняются в районе 33% в год. То есть удвоение объёма данных, записанных на плёнке, происходит приблизительно каждые два-три года.

Физически технология записи на жёсткие диски и плёнки одна и та же: данные записываются на намагниченной поверхности узкими дорожками, на которых происходит переключение полярности. Информация записывается последовательностью битов. С момента появления плёнки и жёстких дисков в 50-х, производители того и другого стремятся к большей плотности, скорости и дешевизне, поэтому стоимость хранения в долларах на гигабайт снизилась на порядки. Именно из-за того, что производство стараются удешевить, растёт плотность записи на квадратный миллиметр.

Чем больше финансирования на исследования и разработку получают компании, производящие магнитные носители, очевидно, тем больше эти носители прогрессируют. Сейчас на самых продвинутых жёстких дисках можно записать в 100 раз больше информации, чем на такой же площади плёнки. Но так как самой этой площади на плёнке в катушке намного больше, на ней помещается до 15 ТБ данных, что больше, чем на любых существующих на рынке дисках. При этом габариты картриджа с катушкой плёнки и жёсткого диска примерно одинаковые.

Кроме вместимости у плёнки и жёстких дисков есть ещё одно отличие: скорость доступа к данным. В катушках находятся магнитные ленты длиною в несколько сотен метров, среднее время доступа к данным — от 50 до 60 секунд. У жёстких дисков это время — от 5 до 10 миллисекунд. Однако скорость записи на плёнку при этом вдвое выше.

За последние годы темпы уплотнения записи на дисках уменьшились с 40% до 15% в год. Причина — фундаментальная физика. Чтобы записать больше данных на прежней площади, нужно уменьшить область для записи каждого бита. Как следствие, это уменьшает силу сигнала во время чтения данных. Если слишком уменьшить силу сигнала, то он может смешаться с магнитным шумом от соседних магнитных гранул, покрывающих поверхность диска. Можно уменьшить и шум, сделав сами гранулы меньше. Но тогда гранула будет уже настолько мала, что едва ли сможет стабильно удерживать своё состояние намагниченности. Самый малый размер гранул, пригодный для магнитной записи, уже достигнут, в профессиональной области его называют супермагнетическим пределом.

До недавнего времени достижение этого предела оставалось для потребителей незаметным, потому что производители добавляли внутрь контейнера дополнительные диски и головки для записи и чтения, делая жёсткий диск прежнего размера, но большего объёма. Однако теперь и больше дисков внутрь контейнера уже сложно добавить, сохранив его размеры, поэтому предел становится заметнее.

Есть альтернативные способы записи на магнитную поверхность, которые теоретически могут преодолеть супермагнетический предел. Это запись, сопровождающаяся нагреванием гранул, и микроволновая запись. Но это сложно в инженерном и финансовом аспекте. Компания Western Digital анонсировала жёсткий диск с микроволновым способом записи, который она собирается выпустить в 2019 году. Ожидается, что такая инновация позволит сохранить темпы уплотнения записи в районе 15% в год.

В то же время хранение на плёнке ещё далеко от достижения супермагнетического предела, поэтому плёнка десятилетиями может эволюционировать, не упираясь в свой «закон Мура» и ограничения фундаментальной физики.

У плёнки хитрая природа. Смена картриджей с катушками в записывающем оборудовании, тонкий полимерный материал, параллельная запись на 32 дорожках — всё это создаёт сложности в дизайне этого носителя информации.

В 2015 году компания IBM в сотрудничестве с корпорацией FujiFilmобнаружила, что при записи с использованием ультрамаленьких барриево-ферритных магнитных частиц, расположенных перпендикулярно поверхности плёнки, можно достичь в 12 раз большей плотности, чем позволяют другие технологии. А в 2017 году в сотрудничестве с Sony удалось достичь плотности, в 20 раз превышающей самые современные жёсткие диски. В перспективе кинокомпаниям, например, это позволит хранить весь материал высокобюджетного фильма всего на одной катушке вместо дюжины.

Чтобы добиться такого прогресса, инженеры приспособили головки для чтения и записи двигаться по крайне узким дорожкам на плёнке — около 100 нанометров шириной. Кроме этого, пришлось сделать считывающие головки более узкими — около 50 нанометров шириной. При считывании уровень сигнала к шуму тоже уменьшился, поэтому пришлось манипулировать размером и положением намагниченных гранул и гладкостью поверхности плёнки, а также усовершенствовать процесс обработки сигнала и ошибок чтения.

Для того, чтобы обеспечить надёжность записанных данных в течение десятилетий, инженеры разработали новые записывающие головки, производящие гораздо более сильные магнитные поля, чем обычные.

Совместив все эти разработки, инженерам IBM удалось достичь плотности записи в 818 тысяч битов на линейный дюйм (такое измерение плотности сложилось исторически). Новая технология позволила уместить на одном дюйме 246,2 тысячи дорожек записи и предоставила место для 201 гигабита на квадратный дюйм. Картридж с 1140 метрами плёнки на катушке способен сохранить 330 терабайтов информации. Это можно сравнить с целой телегой жёстких дисков.

Консорциум индустрии хранения данных, куда входят HP, IBM, Oracle, Quantum и несколько исследовательских групп, в 2015 году выпустил документ о планах развития хранения данных на плёнке. По прогнозу консорциума, к 2025 году плотность записи на квадратный дюйм вырастет до 91 гигабайта, а к 2028 году — до 200 гигабайтов.

Авторы документа профессионально заинтересованы в подобном оптимистичном прогнозе, но он вполне реалистичен. В лаборатории IBM подтверждают, что 200 гигабайтов на квадратный дюйм — выполнимая цель на ближайшее десятилетие.

Плёнка — носитель информации, которого «закон Мура» прижмёт в последнюю очередь. Поэтому выгода от хранения данных на плёнке по сравнению с жёсткими дисками будет увеличиваться в грядущие годы.

Примечание: Автор статьи Марк Ланц работает управляющим в лаборатории IBM в Цюрихе и занимается решением проблем с хранением данных на плёнке.

Статья изначально была издана в печатном виде под заголовком «Tape Storage Mounts a Comeback», а затем опубликована на сайте консорциума IEEE. В переводе используются фото из оригинальной статьи. Автор перевода — Денис Талала — изначально опубликовал его на Medium. На TJ текст опубликован с его разрешения.

#технологии