為什麼說，資料儲存的未來屬於磁帶
雖然已經很少能在黑白電影之外看到磁帶的身影了，但這一古老的資料儲存方式或許才是資料儲存的未來。
你可能會發出疑問：真的嗎？磁帶？
1951年，首次被用來儲存資料的磁帶。
這個想法可能會讓你想起一些在老電影中的鏡頭：在一個巨大的主機旁邊，卷輪在斷斷續續地旋轉，像是《電腦風雲（Desk Set）》或《奇愛博士（Dr. Strangelove）》。
然而真相是：磁帶，從未消失！
1957年上映的電影：電腦風雲（Desk set）講述了工程師與電腦的戀愛， 看完文章有沒有像小編一樣很像去看著這部電影？
1958年電影《奇愛博士（Dr. Strangelove）圖片來自維基百科》
實際上，世界上大部分資料仍然保留在磁帶上，包括基礎科學資料，如粒子物理和射電天文學，人類遺產和國家檔案，重要電影，銀行，保險，石油勘探等行業。甚至還有一群人（包括我，在材料科學，工程或物理方面接受過培訓），而這些人的工作就是不斷改進磁帶儲存的效能。
磁帶的確已經存在很長一段時間了，但即使是這樣，這項技術也沒有被時間凍結而停止發展。恰恰相反，像硬碟和電晶體一樣，磁帶在過去幾十年中取得了巨大進步。
第一個IBM的商用數字磁帶儲存系統Model 726可以在一卷磁帶上儲存大約1.1兆位元組。
1972年，IBM首個商用資料儲存磁帶
時至今日，現代磁帶盒可容納15TB。一個機器人磁帶庫最多可包含278PB的資料。儲存這樣的資料量將耗費超過3.97億個光碟，如果把這些磁碟堆疊則將形成超過476公里的高塔。
磁碟驅動器正在達到極限（明顯後勁不足了），但磁帶的效能變得越來越強。
大資料分析和人工智慧的快速發展為企業提供了強大的激勵機制，企業可以利用這些技術來分析其業務方方面面的資訊。現在，財務法規要求公司和機構必須保留記錄的時間比過去更長。所以各種各樣的公司和機構儲存的資料都變得越來越冗雜。
研究顯示，記錄的資料量每年增加30％至40％。但與此同時，廣泛用來儲存資料的現代硬碟的容量增長率還達不到這一速度的一半。不過幸運的是，大部分資訊不需要立即訪問。對於這種情況，使用磁帶儲存資料是完美的解決方案。
確實，磁帶不能提供硬碟或半導體儲存器的快速訪問速度。 不過，磁帶的優勢也有很多。
首先，磁帶儲存更節能：一旦記錄了所有資料，磁帶盒就會安靜地放在磁帶庫的插槽中，根本不消耗任何電量；
然後，磁帶也非常可靠，錯誤率比硬碟低四到五個數量級；
最後，磁帶非常安全，具有內建的動態加密和介質本身提供的額外安全保障。畢竟，如果磁帶未安裝在驅動器中，則無法訪問或修改資料。鑑於通過網路攻擊導致的資料竊取率不斷增長，這種“氣隙”（暗指磁帶優勢）具有強大的吸引力。
磁帶的離線特性還為有缺陷的軟體提供了額外的防線。
例如，在2011年，軟體更新中的一個缺陷導致Google意外刪除了大約40,000個Gmail帳戶中儲存的電子郵件。儘管在多個資料中心的硬碟驅動器上儲存了多個數據副本，但這樣的損失依然發生了。幸運的是，資料同時記錄在了磁帶上，谷歌最終可以從該磁帶備份中恢復所有丟失的資料。
2011年的Gmail事件是雲服務提供商使用磁帶進行操作的首次公開資訊之一。最近，微軟也公開了它的Azure歸檔儲存使用IBM磁帶儲存裝置的資訊。
儘管如此，公司使用磁帶的主要原因通常是因為磁帶比較廉價。
磁帶儲存的成本是磁碟上儲存相同資料量所需支付的六分之一，這就是為什麼你幾乎可以在任何儲存大量資料的地方找到磁帶系統的原因。但由於磁帶現在完全從消費級產品中消失，大多數人都不知道它的存在，更不用說磁帶錄製技術近年來取得的巨大進步，並將在可預見的未來繼續發展。
磁帶存在這麼久的根本原因在於:它很便宜，而且它一直在變得越來越便宜。
但這是未來的趨勢嗎？
您可能會認為，如果將更多資料塞入磁碟的能力正在減少，那麼對於使用相同儲存技術但更老的磁帶來說儲存能力也應該下降。然而令人驚訝的是，對於磁帶而言，這種容量的擴大並沒有顯示出放緩的跡象。事實上，它應該會以每年約33％的歷史速度持續多年，這意味著你可以預期大約每兩到三年就會增加一倍的容量。所以可以把它想象成磁帶的摩爾定律（類似電腦發展定律）。
對於那些必須應對資料儲存預算爆炸性增長的人來說這是個好訊息。要了解磁帶仍然具有相對於硬碟驅動器的潛力，就要考慮磁帶和硬碟驅動器的發展方式。
兩者都依賴於相同的基本物理機制來儲存資料。它們以磁性材料薄膜中的窄軌道為儲存介質，其中磁性在兩種極性狀態之間切換。該資訊被編碼為一系列位元，由沿軌道的特定點處的磁極的存在或不存在來表示。自20世紀50年代引入磁帶和硬碟驅動器以來，兩者的製造商一直受到“更密集，更快，更便宜”的口頭禪的驅使。結果，以每千兆位元組容量計算的兩者的成本已經下降了多個數量級。
這些成本的降低是磁基板每平方毫米上可記錄的資訊密度呈指數增長的結果，面密度是沿資料軌道的密度和垂直方向上這些軌道的密度的乘積。
早期，磁帶和硬碟驅動器的面密度相似。但由於的市場規模和硬碟銷售收入的增加，為更大規模的研發工作提供了資金，這使得他們的製造商能夠更積極地擴大儲存密度。因此，大容量硬碟驅動器的當前面密度約為最新磁帶驅動器的100倍。
然而，由於磁帶有更大的表面積可用於記錄，最先進的磁帶系統提供了高達15 tb的本機容量——比市場上最高容量的硬碟驅動器都要大。這是真的，儘管兩種裝置佔用的空間都差不多。
Victor PradoInside 現代線性磁帶開放式（LTO）磁帶盒由單個卷軸組成。插入盒式磁帶後，磁帶自動送入驅動機構內建的卷軸。
除容量外，磁帶和硬碟驅動器在效能指標上也有很大差異。盒式磁帶中的長帶 - 通常為數百米 – 對應的平均資料訪問時間為50到60秒，而硬碟驅動器的平均資料訪問時間僅為5到10毫秒。
但讓人吃驚的是，就資料寫入的速度來看，寫入磁帶的速率是寫入磁碟速度的兩倍多。
在過去幾年中，硬碟上資料面積密度的平均增長速度已從平均每年約40％放緩至10％至15％。之所以有這樣的情況，與一些物理原理分不開：要想在給定區域中記錄更多資料，就需要為每個位元分配一個較小的區域。 但這樣反過來會減少讀取時獲得的訊號。如果你減少的訊號太多，它就會消失在噪音中，噪音來自於覆蓋在磁碟上的磁性顆粒的顆粒性質。
通過減少這些顆粒可以減少背景噪音。 但是很難做到將磁性顆粒縮小到一定的尺寸又不損害它們以穩定的方式保持磁性狀態的能力。“超順磁極限”是記錄磁性顆粒保有其效能要求條件下最小的尺寸。目前，磁碟製造商所製造的產品已經達到了這個水平。
對消費者來說，磁碟容量增長速度的放緩並不明顯，因為製造商可以通過為每個單元新增更多的磁頭和磁碟來彌補增長速度的不足。但是現在，無論是可用空間，還是增加磁頭和磁碟的成本，都限制了驅動製造商所能獲得的收益。增長放緩這一情況已經開始變得越來越明顯。
包括熱輔助磁記錄（HAMR）和微波輔助磁記錄（MAMR）等正在開發的技術可以使硬碟驅動器的擴充套件超出當今的超順磁極限。這些技術能夠使用更小的顆粒，從而允許磁碟的更小區域被磁化。但同樣的，使用這些技術方法會使成本增加，並且也會帶來棘手的工程挑戰。
即使他們成功了，根據製造商的說法，他們提供的規模可能仍然有限。例如，西部資料公司（Western Digital Corp.）最近宣佈它將在2019年開始出貨MAMR硬碟，預計該技術將使面密度每年僅增加約15％（仍低於之前的年平均40%的增長率）。
相比之下，磁帶儲存裝置目前的區域密度遠低於超順磁極限。 因此，磁帶的摩爾定律可以持續十年或更長時間，而不會遇到基礎物理學方面的障礙。
磁帶是仍然一種棘手的技術。它的可拆卸性，使用薄的聚合物基板而不是剛性盤，並行同時記錄多達32個軌道，為設計人員帶來了重大障礙。 這就是為什麼我在IBM Research-Zurich實驗室的研究團隊一直在努力尋找能夠通過調整硬碟技術或發明全新方法來實現磁帶持續擴充套件方法的重要原因。
2015年，我們和FujiFilm公司的合作伙伴表示，通過使用垂直於膠帶的定向超小型鋇鐵氧體顆粒，可以將資料記錄為當今商業技術可達到的密度的12倍以上。 最近，在與索尼儲存媒體解決方案部門的合作中，我們展示了以面密度記錄資料的可能性，該密度是目前最先進磁帶驅動器數值的20倍。 舉例來說，如果這項技術成功商業化，那麼現在需要十幾個磁帶盒來存檔大預算功能的數字元件的電影工作室將能夠將所有這些東西整合到一個磁帶之中。
全球首個自動化資料儲存資料庫（IBM）
為了實現這種程度的擴充套件，我們必須在技術上實現一系列的進步。 首先，我們提高了讀寫磁頭跟隨磁帶上的細長磁軌的能力，在我們最新的演示中，磁軌只有100奈米左右。
我們還必須減小資料讀取器的寬度，用於回讀記錄的資料軌道的磁阻感測器 - 從其當前的微米級尺寸到小於50nm。但結果是我們用這麼小的讀卡器獲取的訊號非常嘈雜。所以我們通過增加介質固有的信噪比來補償，這是磁性顆粒的尺寸和取向、它們的組成、磁帶表面的光滑度和光滑度的函式共同決定的功能。 為了進一步提升效果，我們改進了裝置所採用的訊號處理和糾錯方案。
為確保我們的新原型介質能夠長久地保留記錄資料，我們改變了記錄層中磁性顆粒的性質，使其更加穩定。 但是這種改變使得首次記錄資料變得更加困難，以至於普通的磁帶感測器無法可靠地向新媒體寫入資料。因此，我們使用了一種特殊的磁頭，寫入時可以產生比傳統磁頭強得多的磁場。
結合這些技術，我們能夠在我們的實驗室系統中以每英寸818,000位的線性密度讀取和寫入資料。（由於歷史原因，世界各地的磁帶工程師以英寸為單位測量資料密度）結合新技術可以處理的每英寸246,200磁軌，我們的原型單元的面密度達到了每平方英寸201千兆位。
假設一個盒式磁帶可以容納1,140米的膠帶 -考慮到我們使用的新磁帶介質的厚度將減小， 這是一個合理的假設- 這種面密度對應於高達330 TB的墨盒容量。 這意味著單個磁帶盒可以記錄與裝滿硬碟的手推車一樣多的資料。
2015年，包括惠普集團、IBM、甲骨文和Quantum在內的資訊儲存產業聯盟以及一系列學術研究團體釋出了“國際磁帶儲存路線圖”。該預測稱到2025年，磁帶儲存的面密度將達到每平方英寸91 Gb。按照此趨勢推斷，到2028年面密度將超過每平方英寸200 Gb。
該路線圖的作者們對磁帶儲存未來的樂觀態度是值得相信的，按照我和我的同事最近進行的實驗室實驗，每平方英寸200 Gb是完全可能的。 因此，在我看來，使磁帶在當前速率上增長至少十年是完全可能的。
實際上，磁帶可能是遵循摩爾定律規模擴充套件的最後幾種資訊科技之一。 這種持續發展會增加磁帶相對於硬碟驅動器和其他儲存技術的成本優勢。
因此，雖然可能你很少在黑白電影之外看到磁帶的身影，但磁帶也會在未來幾年出現在我們的生活之中。