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(shù)據(jù)與AI技術(shù)崛起，企業(yè)生成海量數(shù)據(jù)，涉及業(yè)務(wù)的方方面面。金融監(jiān)管部門提出要求，機構(gòu)的數(shù)據(jù)必須保存更長時間。正因如此，企業(yè)與機構(gòu)存儲的數(shù)據(jù)越來越多。

研究報告證實，每年存儲的數(shù)據(jù)都在以30-40%的速度增長。與此同時，硬件容量也在增長，但是增長速度低了一半。還好，許多信息并不需要即時訪問，如果想存儲此類數(shù)據(jù)，磁帶是一個完美的選擇。

開玩笑嗎？磁帶？一提到磁帶，你可能會想到老電影，比如《電腦風(fēng)云》（ Desk Set）或者《奇愛博士》（Dr. Strangelove），里面有笨重的大型主機，旁邊就有旋轉(zhuǎn)的磁帶。這不是玩笑，磁帶并沒有遠去。

事實上，有許多數(shù)據(jù)就是用磁帶存儲的，包括基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)，比如粒子物理學(xué)、射電天文學(xué)、人類文化遺產(chǎn)、國家檔案、重要電影、銀行、保險、石油勘探等數(shù)據(jù)。有一批人正在尋找辦法提高磁帶的存儲能力。

磁帶其實早就出現(xiàn)了，磁帶技術(shù)沒有停止前進的步伐，完全相反，就像硬盤和晶體管一樣，在過去幾十年里，磁帶技術(shù)進步神速。

第一個商用數(shù)字磁帶存儲裝置叫作Model 726，是IBM開發(fā)的，一卷磁帶可以存儲1.1MB數(shù)據(jù)。到了今天，一卷現(xiàn)代磁帶可以存儲15TB數(shù)據(jù)，一個磁帶庫可以存儲最多278PB數(shù)據(jù)（1PB=1024TB）。如果用CD光碟存儲這么多的數(shù)據(jù)，需要3.97億張，將這些光盤疊在一起高度超過476公里。怎么換算的？278PB相當(dāng)于291504128GB，一張普通CD光盤容量約為700MB，算下來大約就是3.97億張了。

與硬盤 、半導(dǎo)體存儲裝置相比，磁帶的訪問速度的確慢很多。但是，作為存儲媒介，磁帶的優(yōu)點相當(dāng)多。首先，磁帶更節(jié)能，一旦數(shù)據(jù)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(dāng)穩(wěn)定，出錯概率比其它存儲設(shè)備低4-5個量級。再次，磁帶非常安全。如果磁帶沒有插入驅(qū)動器，數(shù)據(jù)無法訪問，無法修改?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)攻擊流行，數(shù)據(jù)老是被竊取，這一特點相當(dāng)吸引人。

1951年電腦第一次用磁帶記錄數(shù)據(jù)

有時軟件會出現(xiàn)漏洞，傷害數(shù)據(jù)，磁帶具備離線特點，所以可以提高防御能力。例如，2011年，因為一個軟件升級，谷歌誤刪除4萬個Gmail帳戶郵件信息。雖然谷歌在硬盤中存儲數(shù)據(jù)，放在多個數(shù)據(jù)中心，但是還是丟失了信息。幸好，數(shù)據(jù)同樣存儲在磁帶中，谷歌可以從備份中恢復(fù)數(shù)據(jù)。

2011年的Gmail事故告訴我們：云服務(wù)提供商谷歌正在使用磁帶。最近，微軟告訴外界，它的Azure Archive Storage系統(tǒng)用到了IBM磁帶存儲裝置。

雖然有著這樣那樣的優(yōu)點，不過企業(yè)之所以使用磁帶，主要還是因為成本低。同樣大的數(shù)據(jù)，如果用硬盤存儲，成本是磁帶的6倍，所以你會發(fā)現(xiàn)，凡是需要存儲大量數(shù)據(jù)的地方，都會用到磁帶。因為在消費產(chǎn)品中已經(jīng)看不到磁帶的身影，所以大家才會認為它已經(jīng)消失。最近幾年磁帶存儲技術(shù)取得了很大進步，在可預(yù)見的未來，它還會繼續(xù)進步。

總之，在過去幾十年里，磁帶一直沒有遠去，未來幾十年也不會消亡。為什么如此確定？請繼續(xù)閱讀。

之所以斷言磁帶會有很長的生命力，主要出于一個原因：便宜。事實上，磁帶越來越便宜。

現(xiàn)代LTO（線性磁帶開放試技術(shù)）磁帶

你可能會認為，一旦人類無法再向磁盤擠入更多數(shù)據(jù)，磁帶同樣無法做到，因為它所使用的技術(shù)與磁盤基本上是一樣的，只是更加古老。然而現(xiàn)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%，這是歷史數(shù)據(jù)，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(dāng)成是磁帶的“摩爾定律”。

數(shù)據(jù)已經(jīng)爆炸，在存儲預(yù)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，可以看看硬盤，看看磁帶與硬盤是怎樣進化的。

磁帶與硬盤用相同的物理技術(shù)存儲數(shù)據(jù)。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(zhuǎn)換。信息用二進制位編碼，在軌道上的某一個特定點通過磁性轉(zhuǎn)換與否來體現(xiàn)。1950年代磁帶和硬盤出現(xiàn)，然后制造商就按照“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磁盤基片上存儲更多數(shù)據(jù)。磁錄密度由兩個因素決定：一是磁道上存儲的數(shù)據(jù)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數(shù)據(jù)

最開始時，磁帶和磁盤的磁錄密度差不多。因為硬盤銷量更多，市場更大，所以企業(yè)可以投入更多研發(fā)資金，導(dǎo)致硬盤市場進步更快。到了今天，高容量硬盤的磁錄密度大約是新磁帶的100倍。

盡管如此，因為磁帶的存儲表面面積更大，所以先進的磁帶可以存儲最多15TB的容量，比大容量硬盤高很多?？紤]到兩款裝置所占的體積差不多，所以優(yōu)勢更明顯。

除了容量，磁帶和硬盤的特點也有很大不同。磁帶很長，一般有幾百米，所以訪問數(shù)據(jù)的平均時間約為50-60秒，而硬盤只有5-10毫秒。不過數(shù)據(jù)寫入磁帶的速度約為硬盤寫速度的2倍多。

以前，硬盤磁錄密度會以每年40%的速度提升，但最近幾年卻降到了10-15%。為什么？主要是因為受到了物理學(xué)的限制：在給定區(qū)域存儲的數(shù)據(jù)越多，每一個Bit能調(diào)配的空間就會越小。這樣一來，當(dāng)你讀取數(shù)據(jù)時信號就會越弱。如果信號過弱，可能會在噪音中丟失，磁性顆粒涂在盤片上，本來就會有噪音。

縮小顆粒，降低背景噪音，完全有可能做到。但是當(dāng)顆粒到了一定大小，想要繼續(xù)縮小，而且還要保持磁性穩(wěn)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)?，F(xiàn)在硬盤制造商已經(jīng)觸及極限。

就在不久之前，消費者還感受不到放緩的跡象，因為硬盤制造商可以為單個單元增加更多磁頭和盤片，讓相同尺寸的硬盤進一步擴大容量。現(xiàn)在呢？空間受到限制，增加更多磁頭和盤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(fā)幾種技術(shù)，這些技術(shù)也許可以幫助硬盤打破超順磁極限，一種技術(shù)叫作熱輔助磁記錄技術(shù)（HAMR），還有一種叫作微波輔助磁記錄技術(shù)（MAMR），這些技術(shù)使用的顆粒更小，允許磁盤以更小的區(qū)域磁化。

不過這些新技術(shù)會抬高成本，在工程上也面臨很大挑戰(zhàn)。即使成功，大規(guī)模量產(chǎn)也是一個問題。例如，西部數(shù)據(jù)最近宣布說，2019年將會出貨MAMR硬盤，照估計，有了MAMR技術(shù)，磁錄密度會以每年15%的速度提升。

現(xiàn)在的磁帶庫可以存儲幾百PB數(shù)據(jù)

反觀磁帶，現(xiàn)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(xù)存活10年甚至更長時間，不會碰到障礙。

不要認為磁帶技術(shù)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(zhì)，以并行方式同時記錄的磁道高達32條，這些都給設(shè)計師帶來很大挑戰(zhàn)。正因如此，IBM團隊才會尋找各種辦法提高磁帶容量，有時會引入硬盤技術(shù)，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于磁帶排列，這樣可以記錄更多的數(shù)據(jù)，相比今天的商用技術(shù)，它的磁錄密度高出12倍還要多。最近，IBM又與索尼存儲媒體解決方案（Sony Storage Media Solutions）合作，用新方法記錄數(shù)據(jù)，磁錄密度約為目前磁帶的20倍。如果新技術(shù)能夠商用，電影工作室就可以用得上，它們制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(biāo)，有幾個技術(shù)障礙要跨越。例如，當(dāng)磁帶的磁道變得越來越窄，必須改進讀寫磁頭，新技術(shù)顯示，磁道的寬度已經(jīng)可以降到100納米左右。

研究人員還要縮小數(shù)據(jù)閱讀器（它是一個磁阻傳感器，用來從磁道上讀取已存入的數(shù)據(jù)）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信號，此時會有很大的噪音。怎么辦？我們可以通過提升信噪比來改進，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(xiàn)。未來，我們還可以引入信號處理技術(shù)和糾錯技術(shù)，進一步提升性能。

一旦新品到來，必須確保數(shù)據(jù)能夠存儲幾十年不丟失，為此，研究人員會在記錄層優(yōu)化磁顆粒，讓它們更穩(wěn)定。不過這樣做會有副作用，它會導(dǎo)致最開始時記錄數(shù)據(jù)變得更困難，從某種程度上說，普通磁帶傳感器無法將數(shù)據(jù)寫入新介質(zhì)。所以研究人員需要發(fā)明新磁頭，能夠產(chǎn)生更強的磁場，這樣才能寫入數(shù)據(jù)。

將多種新技術(shù)結(jié)合在一起，研究人員開發(fā)出實驗系統(tǒng)，它的線密度達到每英寸818000比特（bits）。出于歷史原因，磁帶工程師會用每英寸數(shù)據(jù)密度來描述磁帶存儲能力。引入新技術(shù)，每英寸可以有246200條磁道，換算一下，相當(dāng)于每平方英寸可以存儲201GB數(shù)據(jù)。假設(shè)一盒磁帶的長度是1140米（這種假設(shè)是合理的，因為磁帶的厚度會降低），一盒磁帶可以存儲330TB數(shù)據(jù)。

2015年，信息存儲行業(yè)協(xié)會（Information Storage Industry Consortium）與眾多研究機構(gòu)發(fā)布一份報告，按照預(yù)測，2025年之前磁帶的磁錄密度可以達到每平方英寸91GB。如果趨勢能夠保持，2028年之前就會超過200GB。

報告對磁帶存儲的未來很樂觀。實驗證明，每平方英寸達到200GB是完全可能的。所以說，在未來10年里，磁帶技術(shù)還會繼續(xù)進化。

在信息技術(shù)領(lǐng)域，可能只有磁帶技術(shù)還會遵守摩爾定律一樣的發(fā)展軌跡，在未來10年里繼續(xù)下去。在硬盤及其它存儲技術(shù)面前，磁帶本來就有成本優(yōu)勢，未來這種優(yōu)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(shù)實際上并沒有落伍，未來很多年都不會落伍。

編譯組出品。編輯：郝鵬程