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全球視點(diǎn)！磁帶非但沒(méi)被淘汰容量還比硬盤(pán)大了？

2022-10-23 15:40:57 來(lái)源：量子位

580TB數(shù)據(jù)能存一盤(pán)磁帶上？沒(méi)扯淡，這是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的事。IBM和富士膠片一項(xiàng)技術(shù)突破顯示，他們已找到方法將單盒磁帶容量提升到580TB。這大約等同于12萬(wàn)張DVD存儲(chǔ)量，放256GB的SD存儲(chǔ)卡上，能裝滿(mǎn)2320張。該數(shù)字一舉刷新了磁帶存儲(chǔ)密度的世界紀(jì)錄，且相關(guān)研究已發(fā)表于《IEEE磁學(xué)匯刊》。

不少人印象中，磁帶分AB面，得兩部分加起來(lái)才存得下一張港臺(tái)專(zhuān)輯，容量連CD也沒(méi)法比，再加上速度慢體積大等缺點(diǎn)，相信很多00后都沒(méi)見(jiàn)過(guò)（暴露年齡系列）。

怎么不僅沒(méi)被淘汰，反而突然能存這么多數(shù)據(jù)了？

(資料圖片僅供參考)

新材料疊加納米級(jí)分布Buff

根據(jù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)披露信息，磁帶介質(zhì)應(yīng)用了超細(xì)鍶鐵氧體磁性顆粒。

該材料化學(xué)式為SrFe(12)O(19)，是一種黑色具備永久磁性的物質(zhì)，常用于微波裝置、記錄介質(zhì)、磁光介質(zhì)、電訊和電子工業(yè)。

以往磁帶是將另一種物質(zhì)，鋇鐵氧體顆粒，涂覆在存儲(chǔ)介質(zhì)上。

開(kāi)啟讀取時(shí)，讓磁頭（一塊電磁鐵）接觸磁帶，帶上磁性物質(zhì)變化形成電磁感應(yīng)，進(jìn)而變成數(shù)據(jù)被讀取進(jìn)系統(tǒng)里。

反之，寫(xiě)入則由磁頭施加強(qiáng)磁場(chǎng)，改變盤(pán)帶上磁粉的磁性分布。

△ 圖源：hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/

新成果中，研究人員將材料改換成了鍶鐵氧體。

其顆粒比原材料小60%，使之均勻排列在磁帶介質(zhì)上，可提升存儲(chǔ)密度，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)讀取及更高信噪比。

下圖為電子顯微鏡下，鍶鐵氧體與鋇鐵氧體顆粒大小對(duì)比：

更細(xì)顆粒的磁性材料不僅可存儲(chǔ)更高密度信息，也讓磁帶介質(zhì)表面更光滑。

研究者使用40μm x 40μm原子力顯微鏡觀察鍶鐵氧體與鋇鐵氧體磁帶表面，新材料磁帶面更為光滑，平均粗糙度Ra為1.1nm，原材料Ra為2nm。

更新材料之外，研究團(tuán)隊(duì)還改進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備，讓材料更均勻分布在磁性層與非磁性層上，提升表面光滑度。

磁頭也經(jīng)過(guò)切割處理，變成一個(gè)斜面，再在讀取部分加入一個(gè)20毫米的空氣軸承，進(jìn)一步減小摩擦力。

對(duì)上述改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用超窄的29nm寬度TMR傳感器讀取時(shí)，其線(xiàn)性密度可達(dá)702Kbpi，在電流為22毫安時(shí)，信噪比（SNR）數(shù)值達(dá)到最大：

此外，團(tuán)隊(duì)還用上了一套伺服控制器，該設(shè)備保證了磁頭在讀取時(shí)，可在磁帶面進(jìn)行相對(duì)位置的精確定位，操作精細(xì)度達(dá)3.2nm。

在上述幾種技術(shù)加持下，當(dāng)磁帶開(kāi)啟讀取，整個(gè)帶面介質(zhì)以15km/h速度劃過(guò)，但磁頭仍可精準(zhǔn)找到DNA分子1.5倍寬度的讀取位置。

為減小誤碼率，研究團(tuán)隊(duì)在一塊定制FPGA面板上，實(shí)現(xiàn)了四個(gè)通道同時(shí)讀取，然后對(duì)其求平均，結(jié)構(gòu)如下：

研究團(tuán)隊(duì)基于上述系統(tǒng)，測(cè)試了大約600萬(wàn)個(gè)樣本數(shù)據(jù)，編解碼錯(cuò)誤率隨著更高線(xiàn)性密度而增高，使用64態(tài)D3-NPML檢測(cè)器可得最佳性能。

該情況下，750kbpi線(xiàn)性密度比特誤碼率（BER）為4.5e-2，正好不高于設(shè)定閾值，當(dāng)線(xiàn)性密度為702kbpi，BER為2.8e-2。

值得一提的是，除了EPR4檢測(cè)器外，其他檢測(cè)器錯(cuò)誤率在該線(xiàn)性密度下，誤碼率也均滿(mǎn)足設(shè)定要求：

關(guān)于未來(lái)應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，此項(xiàng)成果成本更低、長(zhǎng)期耐用、能耗低更安全，將成為技術(shù)巨頭、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)及超大規(guī)模數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施公司數(shù)據(jù)歸檔的首選，尤其在安全要求高、數(shù)據(jù)量龐大的混合云領(lǐng)域。

不過(guò)在何時(shí)量產(chǎn)落地問(wèn)題上，參與方之一的富士膠片認(rèn)為，還需十年左右。

磁帶的默默發(fā)展

多數(shù)人眼中，盒式磁帶淡出我們的視野也已約20年，但它仍在很多我們看不見(jiàn)細(xì)分領(lǐng)域得以應(yīng)用。

就拿互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)來(lái)說(shuō)，由于磁盤(pán)讀寫(xiě)依靠電磁感應(yīng)，且存儲(chǔ)無(wú)需通電，天生處于網(wǎng)絡(luò)離線(xiàn)狀態(tài)，這使得該介質(zhì)安全性高，斷電也無(wú)所謂，常備用于備份數(shù)據(jù)，包括谷歌及微軟Azure。

2011年，谷歌一個(gè)軟件更新意外導(dǎo)致Gmail中4萬(wàn)個(gè)賬戶(hù)電子郵件被刪除，所幸的是，他們使用了磁帶備份，這些數(shù)據(jù)得以恢復(fù)。

國(guó)內(nèi)一些檔案單位也使用磁帶備份，鄭州檔案局一篇微信推文顯示，他們?cè)?017年就做過(guò)磁帶數(shù)據(jù)恢復(fù)演練，幫助工作人員熟悉如何在意外情況下從磁帶將備份數(shù)據(jù)恢復(fù)到磁盤(pán)之中。

去年，部分省份電力一度緊張，也有咨詢(xún)機(jī)構(gòu)建議大型公司考慮將部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到磁帶上存儲(chǔ)，存放時(shí)間可達(dá)30年。

磁帶另一大好處是耐操不易損壞，一盤(pán)磁帶從高處落下不大影響其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，相比之下，硬盤(pán)等介質(zhì)的環(huán)境適應(yīng)性較差。

油氣地震等野外勘探領(lǐng)域中，還有相當(dāng)數(shù)量的數(shù)據(jù)被存在磁帶上，再運(yùn)回?cái)?shù)據(jù)中心處理分析。相應(yīng)地，不少細(xì)分領(lǐng)域IT工程師仍在做磁帶資源管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

△ 圖源：IBM

有需求自然有供給，IBM、索尼、富士膠片、昆騰等技術(shù)公司支撐了磁帶這些年來(lái)發(fā)展與產(chǎn)品推廣。

即使近些年，磁帶容量仍以大約每年33%速度增長(zhǎng)，大約兩到三年翻一倍，業(yè)內(nèi)也有人將其稱(chēng)為磁帶摩爾定律，背后都是這些公司在發(fā)力。

當(dāng)然，藍(lán)色巨人IBM在其中扮演了突出角色。

90年代后期，IBM就同惠普及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)公司希捷成立了LTO聯(lián)盟，推出了一種更開(kāi)放的格式，打開(kāi)終端市場(chǎng)。

2015年他們又與富士膠片合作，使用超小鋇鐵氧體顆粒，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)產(chǎn)品12倍的信息密度存儲(chǔ)紀(jì)錄。

2018年在同索尼合作中，他們將倍數(shù)擴(kuò)大到20倍。

發(fā)展至今，在IBM最新LTO-9格式磁帶盤(pán)上，其原始存儲(chǔ)量已可達(dá)18TB。

這些升級(jí)一方面來(lái)自于磁性材料升級(jí)，也源于讀寫(xiě)軌道增加，磁帶盒內(nèi)及讀取設(shè)備的結(jié)構(gòu)升級(jí)及控制精度優(yōu)化。

△ 圖源：IBM

磁帶雖說(shuō)仍在發(fā)展，且單位GB的存儲(chǔ)成本更低，但我們普通人目前還用不上。

其原因主要在于讀取寫(xiě)入設(shè)備過(guò)于昂貴，設(shè)備價(jià)位至少數(shù)萬(wàn)人民幣，此外，由于單盤(pán)磁帶仍是線(xiàn)性讀寫(xiě)方式，其數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)較低，對(duì)我們大眾，還是機(jī)械硬盤(pán)等存儲(chǔ)設(shè)備更合適。

△ IBM 磁帶驅(qū)動(dòng)設(shè)備

最后想問(wèn)問(wèn)，你看好磁帶的未來(lái)么？

參考鏈接：

[1]https://www.fujifilm.com/us/en/news/data-storage/SrFe_580TB

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/XIEj5JslvVQp-URIxqucCg

[3]https://gizmodo.com/a-new-breakthrough-in-tape-storage-could-squeeze-580-tb-1845851499

[4]https://www.ibm.com/blogs/research/2020/12/tape-density-record/

[5]https://www.techrxiv.org/articles/preprint/317_Gb_in2_Recording_Areal_Density_on_Strontium_Ferrite_Tape/13379594/1

[6]https://spectrum.ieee.org/why-the-future-of-data-storage-is-still-magnetic-tape

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