Не секрет, что магнитные диски систем хранения в последние годы достигают своих физических пределов, однако магнитные ленты продолжают совершенствоваться.

Преимущества и перспективы хранения данных на магнитных лентах

Техника

Развитие анализа больших данных и искусственного интеллекта побуждает предприятия и организации хранить у себя огромные объемы данных, поскольку их ценность нарастает со временем и объемом хранения.

Кроме того, силовые структуры и финансовые регуляторы часто требуют хранить контент в течение длительного времени с обеспечением невозможности его редактирования. Исследования показывают, что объемы данных, подлежащих хранению, растут на 30–40 % ежегодно.

А вот объемы дисковых накопителей растут в два раза медленнее. И ленточные библиотеки для такой цели подходят гораздо лучше, чем диски, – по ряду причин.

  • Удельная стоимость хранения: на ленте хранить данные в несколько раз дешевле, чем на дисках.
  • Сохранность данных во времени: количество искажений данных на ленте в несколько раз меньше, чем на дисках.
  • Физическая невозможность редактирования хранимой информации: для лент это обеспечить гораздо легче, чем для дисков.
  • Не требуется быстрый доступ: большая часть информации на лентах хранится в архивном режиме.
  • Энергоэффективность: при хранении картриджи не потребляют энергии.
  • Устойчивость против кибератак: ленты и сети передачи данных разделены физически.

Большинство накопленных в мире данных, вопреки устоявшемуся мнению, хранится именно на лентах. Это и данные для фундаментальных наук, например, ядерной физики и астрономии, оцифрованные данные по истории человечества, национальные архивы, а также банковская, финансовая и страховая информация, данные геофизических исследований, библиотеки медиаконтента и много другое.

Первая коммерческая система хранения на магнитной ленте, Model 726 компании IBM, созданная в начале 50-х годов, могла хранить до 1,1 мегабайт на одной бобине с магнитной лентой. Сегодня на картридж с магнитной лентой можно записать до нескольких десятков терабайт данных. Роботизированная ленточная библиотека может хранить до 278 петабайт данных.

Ленточная СХД Model 726 компании IBM (источник: IBM)

Ленточная СХД Model 726 компании IBM (источник: IBM)

К перечисленным выше преимуществам лент следует добавить еще один немаловажный плюс – защищенность информации от ошибок в ПО. Например, в 2011 году в результате ошибки в новой версии ПО на серверах Google были случайно удалены 40 000 писем в аккаунтах Gmail. Причем их не спасло даже многократное резервирование в разных дата-центрах. К счастью, имелась еще и архивная копия на ленте, поэтому потерянные письма были быстро восстановлены. Microsoft также использует для архивного хранения данных своей облачной платформы Azure ленточные библиотеки.

Экономика

Однако основные причины популярности магнитных лент – экономические. Ленточные накопители стоят менее 20 % дисковых того же объема. Поэтому ленты продолжают использоваться и совершенствоваться. Напротив, накопители на жестких дисках уже вплотную приблизились к физическим пределам своих характеристик.

Следует отметить, что сами приводы с лентопротяжными механизмами для лент довольно дорогие: они стоят от 1 000 до 12 000 долларов. Однако если суммарную стоимость приводов и лент пересчитать на один гигабайт данных при больших объемах хранения, то ленты выходят намного дешевле.

Привод TS2900 (источник: IBM)

Привод TS2900 (источник: IBM)

Несмотря на технические усовершенствования, ленты продолжают дешеветь. Причем, в отличие от магнитных дисков, где плотность записи уже практически не увеличивается, плотность данных на магнитных лентах растет на 33 % в год, увеличиваясь вдвое каждые 2–3 года. Для дисков мы уже давно такого не видим. Дело в том, что в случае с лентами плотность магнитных доменов растет не только вдоль движения ленты относительно магнитной головки, но также и в поперечном направлении.

Именно поэтому емкость одного картриджа с лентой может составлять несколько десятков терабайт, что в разы больше самого емкого жесткого диска на рынке. А по размерам они отличаются не сильно.

Картридж LTO-8 (Linear Tape-Open) емкостью 30 Тбайт (источник: IEEE Spectrum)

Картридж LTO-8 (Linear Tape-Open) емкостью 30 Тбайт (источник: IEEE Spectrum)

Если говорить о других характеристиках, то по многим из них диски впереди лент. Например, время доступа к данным у диска – 5–10 мс против 15–60 секунд у ленты (и то если лента предварительно вставлена в привод). Однако, если говорить об архивном хранении, для чего и предназначены ленты, то это преимущество несущественно. Кроме того, как ни странно, скорость записи на ленту в два раза выше, чем на диск (конечно, если лента предварительно установлена в начало свободного фрагмента для записи).

Современные ленты LTO-8 могут обеспечивать скорость записи до 720 МБ/с. Однако жесткий диск со скоростью вращения 7200 об/мин может обеспечить скорость записи максимум до 160 МБ/с. Даже если говорить о твердотельных накопителях SSD, то пока они могут записывать данные со скоростью не выше 300 МБ/с.

Почему диски подошли к пределам возможностей

В течение последних лет плотность записи на диск сильно не растет. Темп роста плотности данных на дисках от своих обычных 40 % в год снизился до 10–15 %. Причины – чисто физические: чтобы записать больше данных на единицу площади, нужно уменьшить площадь записи одного бита. Однако сигнал считывания с уменьшением площади ослабевает. Если площадь снизить слишком сильно, то отношение «сигнал/шум» при считывании данных выйдет за допустимые пределы и появится много ошибок.

Фоновый шум, который обусловлен гранулярной природой магнитных диполей («зерен»), можно уменьшить, если уменьшить размеры этих зерен. Но уменьшать их можно только до определенного размера, не жертвуя при этом намагниченностью зерна (это называется «суперпарамагнитный предел»). Сейчас этот предел производителями жестких дисков уже достигнут.

Пользователи не замечали достижения суперпарамагнитного предела в дисках до последнего времени, поскольку производители компенсировали это добавлением головок и магнитных пластин в устройство диска. Но сейчас доступное место внутри устройства и стоимость добавления головок и дисков подошли к стоимостным пределам разработок и возможностей технологии.

Есть, однако, технологии повышения плотности записи: HAMR (heat-assisted magnetic recording) и MAMR (microwave-assisted magnetic recording), предусматривающие температурное воздействие на магнитную поверхность диска при записи. Это позволяет снизить размер зерна с сохранением стабильности записи/считывания. Однако такие подходы увеличивают стоимость дисков и создают дополнительные технические проблемы. Кроме того, возможности увеличения плотности записи этих методов также ограничены и скоро будут полностью исчерпаны.

А что ленты?

У лент суперпарамагнитный предел еще далеко не достигнут. Это означает, что закон Мура для лент может выполняться еще, по крайней мере, лет десять.

Технология лент имеет свои особенности. Во-первых, в отличие от дисков, ленты должны быть съемными. Во-вторых, полимерная пленка ленты гораздо тоньше, чем диск. В-третьих, запись до 32 параллельных дорожек на ленте создает для конструкторов ленточных СХД определенные механические проблемы.

Режим записи 8х4 группы дорожек на ленту LTO-8 (источник: LTO Consortium)

Режим записи 8х4 группы дорожек на ленту LTO-8 (источник: LTO Consortium)

Конструкторы из IBM и FujiFilm разработали для лент технологию сверхмалых частиц из феррита бария, ориентированных перпендикулярно движению ленты. Это позволяет увеличить плотность записи на ленту до 12 раз. В компании Sony Storage Media Solutions были предложены методы еще большего увеличения плотности записи на ленту (до 20 раз). В результате последние разработки позволяют достигать плотности записи на ленте до 200 Гбайт на квадратный дюйм. Длина ленты в картридже может быть более 1000 метров, поэтому емкость одного картриджа может составить до 300–500 Тбайт.

Это позволяет, например, киностудиям, производящим фильмы в супервысоком разрешении, использовать только один картридж на фильм вместо 10–20, как это было раньше.

Перспективы

Конечно, физические пределы плотности записи будут когда-нибудь достигнуты и для лент. Но в обозримой перспективе ближайших 10–15 лет преимущества лент перед дисками и возможности повышения плотности записи на ленту будут сохраняться. Поэтому, как бы ни была стара технология ленточных СХД, она будет жить еще долго.

В октябре 2017 LTO Consortium анонсировал программу развития стандарта LTO (Linear Tape Open) до поколения LTO-12, реализация которого планируется к 2025 году.

Дорожная карта стандарта LTO (источник: LTO Consortium)

Дорожная карта стандарта LTO (источник: LTO Consortium)

Технология LTO, впервые анонсированная в 2000 году, в настоящий момент находится на 8 поколении развития. LTO-8 поддерживает картриджи до 30 Тбайт (со сжатием), скорость записи 750 МБ/с, что позволяет записать 2,7 Тбайт за один час. Спецификации LTO обеспечивают обратную совместимость по чтению и записи с предыдущими двумя поколениями.

Технология LTO позволяет записывать данные в режиме WORM (write once, read many), что обеспечивает их сохранность и невозможность случайного стирания или перезаписи. Это часто требуется регулятивными органами, например, в финансовой сфере, где надо сохранять данные финансовых документов до трех лет с гарантией их неприкосновенности. LTO также позволяет производить сильное шифрование данных при записи, чтобы обеспечить их защиту и конфиденциальность во время хранения и транспортировки картриджей с лентами.

Последние поколения LTO обладают возможностью разбиения на тома (partitioning), что облегчает управления файлами и свободным пространством в файловой системе LTFS.