硬碟技術已經走到極限，磁帶才是未來最可靠的儲存裝置？

編者按：本文編譯自 spectrum.ieee 原題為「Why the Future of Data Storage is (Still) Magnetic Tape」的文章，作者 Mark Lantz。最近，因為大數據與 AI 技術崛起，企業生成巨量資料，涉及業務的方方面面。金融監管部門提出要求，機構的資料必須保存更長時間。正因如此，企業與機構儲存的資料越來越多。

研究報告證實，人類每年儲存的資料都在以30-40%的速度增長。與此同時，硬體容量也在增長，但是增長速度低了一半。還好，許多資料並沒有立即取得的迫切性，因此，如果想儲存此類資料，磁帶是一個完美的選擇。

一提到磁帶，你可能會想到老電影，裡面有笨重的大型主機，旁邊就有旋轉的磁帶。不過，這不是玩笑，磁帶實際上並沒有從現實生活中退役。事實上，有許多資料就是用磁帶儲存的，包括基礎科學資料，比如粒子物理學、射電天文學、人類文化遺產、國家檔案、重要電影、銀行、保險、石油勘探等資料。

磁帶其實早就出現了，磁帶技術沒有停止進化的步伐，而且正好相反，就像硬碟和積體電路一樣，在過去幾十年裡，磁帶技術進步神速。

第一個商用數位磁帶裝置叫作 Model 726，是 IBM 開發的，一捲磁帶可以存1.1MB 資料。到了今天，一捲現代磁帶可以存15TB 資料，一個磁帶庫可以存最多278PB 資料（1PB=1024TB）。如果用 CD 光碟存放這麼多的資料，需要3.97億張，將這些光盤疊在一起高度超過476公里。

怎麼換算的？278PB 相當於291504128GB，一張普通 CD 容量約為700MB，算下來大約就是3.97億張了。

與硬碟、SSD等儲存裝置相比，磁帶的瀏覽速度的確慢很多。但是，作為儲存媒介，磁帶的優點相當多。首先，磁帶更節能，一旦資料被磁帶記錄，就會放進磁帶庫，靜靜躺著，不會消耗任何電能。其次，磁帶相當穩定，出錯機率比其它儲存設備低4-5個等級。再次，磁帶非常安全。如果磁帶沒有插入讀取機器，資料就不會被讀出，無法修改。

尤其現在網路攻擊流行，大家都擔心資料被竊取，這一特點相當吸引人。

▲ 1951年電腦第一次用磁帶記錄資料

有時軟體會出現漏洞，傷害資料，磁帶具備離線特點，所以可以提高防禦能力。例如，2011年，因為一個升級，Google誤刪除4萬個 Gmail 帳戶郵件訊息。雖然Google在硬碟中儲存資料，放在多個資料中心，但是還是丟失了。幸好，資料同樣存在磁帶中，Google可以從備份中恢復資料。

2011年的 Gmail 事故告訴我們：就連雲端服務商Google也在使用磁帶。最近，微軟告訴外界，它的 Azure Archive Storage 系統使用了 IBM 磁帶裝置。

雖然有著這樣那樣的優點，不過企業之所以使用磁帶，主要還是因為成本低。同樣的資料，如果用硬碟儲存，成本是磁帶的6倍，所以你會發現，凡是需要儲存大量資料的地方，都會用到磁帶。因為在消費產品中已經看不到磁帶的身影，所以大家才會認為它已經消失。

總之，在過去幾十年裡，磁帶一直沒有遠去，未來幾十年也不會消亡。為什麼如此確定？請繼續閱讀。

之所以斷言磁帶會有很長的生命力，主要出於一個原因：便宜。事實上，磁帶越來越便宜。

▲ 現代 LTO（線性磁帶開放試技術）磁帶

你可能會認為，一旦人類無法再向硬碟擠入更多資料，磁帶同樣無法做到，因為它所使用的技術與硬碟基本上是一樣的，只是更加古老？

然而，現實卻讓我們大吃一驚，磁帶的容量一直在提升，而且沒有止步的跡象。每年增長33%，這是歷史資料，而且這一速度有可能會保持下去。換言之，每隔2-3年，磁帶的容量就會增加一倍。你可以將它當成是磁帶的「摩爾定律」。

資料已經爆炸，在預算保持不變的前提下，磁帶容量不斷提升是一個好消息。如果你想更好理解磁帶的潛力，可以看看硬碟，比較看看磁帶與硬碟是怎樣進化的。

磁帶與硬碟用相同的物理技術存儲資料。簡單來講是這樣的：在磁性材料薄膜中有許多很窄的軌道，磁性材料的磁性在兩種極性之間轉換。資料用二進制位編碼，在軌道上的某一個特定點透過磁性轉換與否來體現。1950年代磁帶和硬碟出現，然後製造商就按照「更密、更快、更便宜」的路線前進。最終，兩者的成本都下降了很多——按照每 GB 成本計算。

之所以成本大幅下降，主要是因為我們可以在每平方毫米的硬碟基片上存放更多資料。磁錄密度由兩個因素決定：一是磁道上儲存的資料密度，二是垂直方向的磁道密度。

▲ 1952年推出的 IBM 726，只能存儲幾MB資料

最開始時，磁帶和硬碟的磁錄密度差不多。因為硬碟銷量更多，市場更大，所以企業可以投入更多研發資金，導致硬碟銷市場進步更快。到了今天，高容量硬碟銷的磁錄密度大約是新磁帶的100倍。

儘管如此，因為磁帶的儲存表面面積更大，所以新一代的磁帶可以存最多15TB 的容量，比大容量硬碟高很多。考慮到兩款裝置所佔的體積差不多，所以優勢更明顯。

除了容量，磁帶和硬碟的特點也有很大不同。磁帶很長，一般有幾百公尺，所以讀取速度的平均時間約為50-60秒，而硬碟只有5-10毫秒。資料寫入磁帶的速度約為硬碟速度的2倍多。

以前，硬碟磁錄密度會以每年40%的速度提升，但最近幾年卻降到了10-15%。為什麼？主要是因為受到了物理學的限制：在限定區域存的資料越多，每一個Bit能調配的空間就會越小。這樣一來，當你讀取資料時訊號就會越弱。如果訊號過弱，可能會在雜訊中丟失，磁性顆粒塗在碟片上，本來就會有雜訊。

縮小顆粒，降低背景雜訊，完全有可能做到。但是當顆粒到了一定大小，想要繼續縮小，而且還要保持磁性穩定，就會變得很困難。磁記錄的最小尺寸被稱為超順磁極限(superparamagnetic limit)。現在硬碟製造商已經觸及極限。

就在不久之前，消費者還感受不到放緩的跡象，因為硬碟製造商可以為單個單元增加更多磁頭和碟片，讓相同尺寸的硬碟進一步擴大容量。現在呢？空間受到限制，增加更多磁頭和碟片的成本進一步增加，廠商無法獲得很高的收益，而且這種限制越來越明顯。

廠商正在開發幾種技術，這些技術也許可以幫助硬碟打破超順磁極限，不過這些新技術會抬高成本，在工程上也面臨很大挑戰。即使成功，大規模量產也是一個問題。例如，WD最近宣佈說，2019年將會出貨 MAMR 硬碟，照估計，有了 MAMR 技術，磁錄密度會以每年15%的速度提升。

▲ 現在的磁帶庫可以存儲幾百 PB 資料

反觀磁帶，現在它的磁錄密度離超順磁極限還有很遠距離。所以說磁帶的「摩爾定律」可以繼續存活10年甚至更長時間，不會碰到障礙。

不要認為磁帶技術就很簡單，不是的。磁帶天生具有可以擦除的屬性，而且使用超薄聚合物基質，以並行方式同時記錄的磁道高達32條，這些都為設計師帶來很大挑戰。正因如此，IBM 團隊才會尋找各種辦法提高磁帶容量，有時會引入硬碟技術，有時會尋找新方法。

2015年，IBM 與富士膠片合作，讓超小鋇鐵氧體顆粒垂直於磁帶排列，這樣可以記錄更多的資料，相比今天的商用技術，它的磁錄密度高出12倍還要多。最近，IBM 又與索尼媒體解決方案（Sony Storage Media Solutions）合作，用新方法記錄資料，磁錄密度約為目前磁帶的20倍。如果新技術能夠商用，電影工作室就可以用得上，它們製作一部大片需要十幾個磁帶，未來全部裝進一個磁帶就行了。

想達成目標，有幾個技術障礙要跨越。例如，當磁帶的磁道變得越來越窄，必須改進讀寫磁頭，新技術顯示，磁道的寬度已經可以降到100奈米左右。

研究人員還要縮小資料閱讀器（它是一個磁阻傳感器，用來從磁道上讀取已存入的資料）的寬度，目前的寬度用微米計算，有必要降到50納米之下。到了這一步，我們會用超小閱讀器讀取訊號，此時會有很大的雜訊。怎麼辦？我們可以透過提升訊噪比來改進，改變磁性粒子的尺寸和方向、改變組成成份、改變磁帶表面的平滑度和厚度來實現。未來，我們還可以引入訊號處理技術和糾錯技術，進一步提升性能。

一旦新品到來，必須確保資料能夠存放幾十年不丟失，為此，研究人員會在記錄層最佳化磁顆粒，讓它們更穩定。不過這樣做會有副作用，它會導致最開始時記錄資料變得更困難，從某種程度上說，普通磁帶傳感器無法將資料寫入新介質。所以研究人員需要發明新磁頭，能夠產生更強的磁場，這樣才能寫入資料。

2015年，資訊儲存工業協會（Information Storage Industry Consortium）與眾多研究機構發佈一份報告，按照預測，2025年之前磁帶的磁錄密度可以達到每平方英吋91GB。如果趨勢能夠保持，2028年之前就會超過200GB。

報告對磁帶的未來很樂觀。實驗證明，每平方英吋達到200GB是完全可能的。所以說，在未來10年裡，磁帶技術還會繼續進化。

在資訊技術領域，可能只有磁帶技術還會遵守摩爾定律一樣的發展軌跡，在未來10年裡繼續下去。在硬碟及其它儲存技術面前，磁帶本來就有成本優勢，未來這種優勢會進一步擴大。你也許很少看到磁帶，只在老電影中看到過，但是磁帶技術實際上並沒有落伍，未來很多年都不會落伍。

• 本文翻譯自 spectrum.ieee.org，原文鏈接。
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