Магнитная лента что это такое

Кто использует магнитную плёнку и почему за ней будущее

В декабре 2020 года IBM Research и Fujifilm представили прототип картриджа LTO на 580 терабайт. Небольшая кассета с магнитной лентой вмещает информации как несколько десятков обычных HDD или 120 000 DVD.

Магнитные ленты появились почти сто лет назад, а компьютерные файлы на них записывают с 1952 года. Ещё наши мамы в советских НИИ меняли катушки на мейнфреймах. И в 2021 году плёнки остаются самым дешёвым накопителем со стоимостью хранения примерно в 6 раз ниже, чем на HDD. Поскольку плёнка практически исчезла с потребительского рынка, многие даже не знают, насколько бурно развивается эта технология.

Катушки с магнитными лентами производства Orwo (ГДР) в советском мейнфрейме ЭВМ ЕС-1020 на кафедре прикладной математики физмата Ленинградского политехнического института, середина 1980-х. Скорость чтения/записи составляла 2 метра (64 килобайта) в секунду, источник

Немножко истории

Вообще, магнитную ленту изобрёл немецкий химик Фриц Пфлёймер в 1928 году, то есть 93 года назад. Он первым догадался сделать напыление магнитным порошком из оксида железа на тонкой бумаге с помощью клея. Первую ленту изготовил немецкий концерн BASF. Сначала её использовали для записи звука, а в 50-е годы начались эксперименты по записи видео, а также цифровых компьютерных данных, причём второй вариант использования считался гораздо перспективнее, потому что магнитные видеокассеты всё равно не могли сравниться с киноплёнкой по качеству изображения.

Первая в мире лента с цифровыми данными была записана и считана магнитными головками Uniservo I для компьютера UNIVAC I в 1951 году. На той ленте шириной полдюйма (12,65 мм) данные записывались с плотностью 100 символов на дюйм.

Магнитные головки Uniservo I

Потом за дело взялась IBM, которая выпустила 7-дорожечные ленты такой же ширины в полдюйма.

Потом были разработаны 9-дорожечные ленты для системы IBM System/360. Девять дорожек позволяли записать в каждом положении ленты ровно один байт (8 информационных разрядов плюс 1 контрольный). Эти катушки на долгие 30 лет стали компьютерным стандартом, в том числе для советских компьютеров.

Накопители IBM 2401 для компьютеров System/360

Плотность записи

Плотность записи постоянно росла: до 200, 556, 800 символов на дюйм, затем у 9-дорожечных лент она составляла 800, 1600 и 6250 байт на дюйм. К 70-м запись достигла такой плотности, что стало возможным уменьшить ширину ленты. Так появились первые компактные кассеты и картриджи.

Стандарт QIC («картридж с лентой в четверть дюйма») представила компания 3M в 1972 году, Journey234

Linear Tape-Open (LTO) — один из современных стандартов для картриджей, который отличается максимальной плотностью записи.

Текущие ленты производятся с покрытием из феррита бария (BaFe). В каждом новом поколении LTO частицы становились всё мельче, компонуясь в более узкие дорожки данных. В декабре 2020 года Fujifilm и IBM анонсировали первую модель с покрытием из феррита стронция (SrFe). Размер частиц уменьшился на 60%.

Слева: строение ленты. Справа: Фотографии частиц из феррита бария и феррита стронция в покрытии. Изображение: Fujifilm

Плотность записи в лентах можно сравнить с аналогичным показателем HDD, потому что там используется схожий принцип хранения намагниченных бит в слое носителя на подложке.

Плотность записи на HDD в последнее десятилетие увеличивается на 9% в год, а у плёнки на 34%. Слайд из презентации IBM

Плотность записи на HDD замедлила рост в последнее десятилетие. Большие надежды возлагают только на термомагнитную запись (HAMR), где показатель превышает 2 Тбита/дюйм². До таких показателей LTO далеко.

Но уже при существующей плотности картриджи значительно обгоняют HDD по общему объёму информации, ведь площадь ленты на катушке гораздо больше площади блинов в винчестере. Конструкция картриджа позволяет задействовать одновременно 32 считывающие головки, что даёт преимущество по скорости чтения и записи, по сравнению с HDD.

Главное, что плотность записи на плёнку продолжает расти в геометрической прогрессии, примерно на 33% в год. То есть удвоение объёма накопителей происходит примерно раз в два-три года. Для сравнения, прогресс в производстве жёстких дисков сильно замедлился (если HAMR не оправдает надежд).

Увеличение плотности записи и ёмкости картриджей LTO. Источник: IBM

Выходит, что плёночные картриджи сейчас — более перспективная технология, чем жёсткие диски. Плёнка развивается, рынок растёт, разработчики не жалеют денег на научные исследования и строят планы на десятилетия вперёд.

Особенности ленты

Надёжность

У ленточных накопителей относительно высокий срок гарантированного сохранения данных. Производители современных картриджей типа LTO обычно гарантируют сохранность информации от 15 до 30 лет.

Устройство картриджа в принципе проще, чем у SSD и HDD, где механизм для чтения и записи информации встроен внутрь накопителя, и этот механизм чрезвычайно сложный и подвержен поломкам. Например, распространённая причина выхода из строя SSD и HDD — сбой электроники в контроллере, а в HDD ещё повреждения головки. Плёночным картриджам в этом случае ничего не грозит. Вероятность ошибок при записи или чтении плёнки на 4-5 порядков ниже, чем у жёстких дисков.

Ещё одно преимущество картриджей — безопасность, поскольку накопители физически изолированы от сети.

Низкая стоимость

В отличие от домохозяйств, в корпоративных хранилищах выгода очевидна. Дополнительная экономия достигается за счёт сокращения капитальных затрат на строительство хранилища, сокращения административных расходов и оплаты электричества, поскольку для хранения кассет не требуется электропитание, как в случае с серверами. См. калькулятор стоимости владения (TCO) для корпоративного дата-центра.

Диски DVD в таких системах даже не рассматриваются. Например, для хранения хотя бы 5 ТБ требуется сотня дисков Blu-ray со смехотворной скоростью записи.

Скорость чтения и записи

Перемотка магнитной ленты — это механический процесс, который никак невозможно произвести за миллисекунды. Представьте, что для поиска файла требуется отмотать 200 метров ленты… Вообще, в современных картриджах LTO длина ленты превышает 1 километр. Поэтому среднее время доступа к данным — десятки секунд, тогда как у жёстких дисков — от 5 до 10 миллисекунд. В реальности кроме перемотки кассеты нужно ещё найти нужную кассету в хранилище, что тоже нетривиальная задача (см. КДПВ).

В последней модели LTO скорость прокрутки ленты во время чтения/записи составляет около 15 км/ч (4 м/с), а головки позиционируется с точностью 3,2 нанометра.

Скорость последовательного чтения и записи на плёнку выше, чем у современных HDD. В последнем поколении LTO-9 чтение/запись происходит параллельно на 32 дорожки, а скорость достигает 400 мегабайт в секунду в несжатом виде или 1 ГБ/с в сжатом.

Ниши использования

Исходя из достоинств и недостатков плёнки понятны варианты её использования. Это надёжные накопители для дешёвого долговременного хранения с хорошей скоростью чтения/записи, но отсутствием мгновенного доступа. Таким образом, они лучше всего подходят для «холодного» хранения бэкапов.

Бэкапы

В 2011 году компания Google случайно удалила почту в 40 тысячах почтовых ящиках. Пострадали резервные копии на всех серверах. Данные удалось восстановить только с плёнки. Тогда и выяснилось, что Google тоже использует плёнку для резервного копирования, также как Microsoft и другие облачные провайдеры, не говоря уже об их клиентах.

Необычный пример долговременного резервного хранилища — GitHub Arctic World Archive на Шпицбергене. Причём это холодное хранилище и в прямом, и в переносном смысле. Оно размещается на глубине 250 метров в вечной мерзлоте и рассчитано на тысячу лет хранения.

Правда, там не магнитная лента, а фотоплёнка с галогенидами серебра в полиэфире производства норвежской компании Piql. У такой плёнки срок жизни минимум 500 лет.

Один кадр на фотоплёнке из бэкапа репозиториев GitHub, источник

Облачные сервисы

Тарифы на холодное хранение данных предлагает Amazon и другие облачные провайдеры. Холодное хранилище гораздо дешевле, но извлечение данных дорогое. Например, в сервисе S3 Glacier Deep Archive хранение 1 терабайта стоит всего 1 доллар в месяц (доступ в течение 12-48 часов). Для сравнения, стандартное хранилище S3 в 23 раза дороже.

Информация в мировой инфраструктуре растёт как снежный ком по мере подключения миллиардов новых устройств. Согласно недавнему исследованию IDC, общий объём накопителей в глобальной мировой инфраструктуре вырастет с 16 до 163 зеттабайт за период 2016−2025 гг.

Сейчас число сверхкрупных дата-центров в мире достигло 597. Для них используется особый термин: Hyperscale Data Center (HSDC). В прошлом году было построено 52 подобных сооружения.

На Amazon, Microsoft и Google приходится более половины всех крупных ЦОД.

Наука

Некоторые современные научные инструменты генерируют такой огромный объём данных, что их невозможно хранить иначе, кроме как на ленточных накопителях. Например, Большой адронный коллайдер генерирует 140 ТБ в сутки, а гигантский распределённый радиотелескоп SKA (Square Kilometre Array) с тысячами параболических антенн будет выдавать до 1 экзабайта в день. Это сравнимо с объёмом трафика во всём мировом интернете (5,3 экзабайта в сутки в 2020 году).

Художественное представление массива антенн SKA. Изображение: SPDO/TDP/DRAO/Swinburne Astronomy Productions

Для таких научных инструментов два важнейших параметра — высокая ёмкость носителей и высокая скорость записи, а время доступа уже не так принципиально. Поэтому здесь и используются ленточные накопители.

По оценке IBM, сегодня в мире на магнитной плёнке хранится примерно 345 000 экзабайт данных. Получается, что плёнка в данный момент является основным накопителем человеческой цивилизации. И очень похоже, что в ближайшее время такое положение сохранится.

На правах рекламы

Закажите и сразу работайте! Создайте виртуальный сервер любой конфигурации в течение минуты, в том числе для хранения большого объёма данных до 4000 ГБ. Для хранения данных используем быстрое CEPH хранилище на NVMe дисках от Intel. Эпичненько 🙂

Источник

История хранения данных: вспоминаем магнитные ленты

В прошлый речь шла про то, как появились перфокарты. Сегодня попробуем разобраться в истории технологии магнитных лент.

В конце XIX века датский инженер Вальдемар Поульсен разработал метод магнитной записи звука на стальную проволоку.

Первые приборы на базе этого метода, которые назывались телеграфонами, не пользовались коммерческим успехом. Их недостатки были очевидны: качество звука страдало, а гаджеты сами по себе были далеки от совершенства и часто ломались.

В период Второй мировой войны какое-то время использовались «проволочные» диктофоны, однако и их популярность сошла на нет с появлением магнитной плёнки.

Первая магнитная лента была создана в 1928 году немцем Фрицем Пфлюмером. Изобретатель нанёс на бумажную ленту слой из оксида железа, который позволил ей сохранять заряд.

Успешной разработка стала далеко не сразу — первые версии магнитной пленки легко рвались и сильно шуршали. Технологии потребовалось несколько лет, чтобы «дозреть» и стать массовой.

Первые высококачественные магнитофоны были стратегическими инструментами немецкой машины пропаганды. Технологию держали в секрете, и уже после поражения Германии американские солдаты обнаружили немецкие магнитофоны и привезли их на родину, где магнитная плёнка зажила новой жизнью.

Первые американские магнитофоны, основанные на немецких разработках, выпускались под брендом Ampex. Технология совершила переворот в радиовещании, сделав возможными идентичные трансляции передач в разных часовых поясах.

И не прошло много времени, как магнитные ленты начали использоваться для хранения данных.

Первым устройством c поддержкой чтения и вывода данных на магнитную плёнку, и по совместительству первым коммерчески доступным компьютером американского производства, был UNIVAC 1. Он увидел свет в 1951 году. Один такой компьютер поддерживал до десяти цифровых «магнитофонов» UNISERVO.

Плёнка, совместимая с мейнфреймами IBM больше напоминала своих аудиособратьев: она состояла из ацетата целлюлозы, покрытого тонким слоем оксида железа. IBM представили её в 1952 году вместе с компьютерным магнитофоном IBM 726.

Преимущества такого формата были очевидны, поэтому «тяжелые» пленки не получили дальнейшего распространения.

С 50-х годов до конца эпохи мейнфреймов было создано большое количество плёночных форматов. Внешних различий между ними было мало. Стандартная полудюймовая плёнка распространялась на больших бобинах диаметром до 10,5 дюймов.

На одну бобину помещалось до 730 метров плёнки толщиной в 1,5 миллиметра, и до 1100 метров тонкой майларовой плёнки — после её распространения в 80-е. Однако форматы отличало следующее:

Покрытие. На протяжении всей истории магнитной ленты производители искали надёжный базовый материал и покрытие для него. Ленты создавались из различных видов пластика, включая поливинил и полиэтилен. Вариантов покрытия тоже было много: от различных оксидов железа и хрома до тонкого слоя чистого железа.

Дорожки. В эпоху мейнфреймов большая часть магнитных носителей предназначалась для линейной записи с дорожками, параллельно пролегающими по всей длине ленты. Ранние ленты имели семь дорожек, а в 1964 году IBM представило формат с девятью дорожками. Несмотря на больший объём таких лент, они не захватили рынок целиком — плёнка с семью дорожками продолжала совершенствоваться и выпускаться ещё долго.

Кодирование. Для записи цифровой информации на дорожку передавался либо отрицательный, либо положительный заряд. Способ определения «нулей» и «единиц» на магнитной ленте влиял на плотность записи и срок службы носителя.

Первая коммерчески доступная плёнка IBM вмещала в себя чуть больше мегабайта, и имела плотность записи в 100 символов на дюйм. Она и другие ранние ленты производства IBM использовали модуляцию NRZI (Non Return to Zero Invertive).

Заряд менялся только тогда, когда на плёнку записывалась единица. При записи нуля ничего не происходило.

Плёнки UNIVAC, а впоследствии и 9-трековые ленты производства IBM, использовали кодировку, известную как PE (phase encoding) или манчестерский код. В отличие от NRZI, и нули и единицы в такой кодировке представлялись изменением заряда.

Логическая единица обозначалась сменой заряда с положительного на отрицательный, а логический ноль наоборот.

Пишущие головки и плотность записи. Способность головок быстрее и точнее прикладывать к ленте заряд напрямую влияла на объём носителя. За первые десять лет существования формата плотность записи магнитных лент возросла в сотни раз.

Учитывая количество факторов, выбор магнитофона и магнитных лент для работы с ним в основном зависел от компьютера, с которым его собирались использовать. Мало кто мог себе позволить просто переключиться с одного формата на другой.

Большая часть периферийных устройств имели очень ограниченную совместимость, переход на другой мейнфрейм стоил больших денег, а перевод данных в новый формат также занимал много времени.

По мере развития магнитных технологий появлялись всевозможные компактные плёночные форматы. Но ни один из них не был таким распространенным, как кассета Phillips. Поначалу кассеты обошли компьютерный рынок стороной, но с уменьшением размеров вычислительных машин, они также нашли свою нишу.

Источник