专门存储数据的硬盘推荐：硬盘已经走到极限

专门存储数据的硬盘推荐：硬盘已经走到极限1951年电脑第一次用磁带记录数据与硬盘 、半导体存储装置相比，磁带的访问速度的确慢很多。但是，作为存储媒介，磁带的优点相当多。首先，磁带更节能，一旦数据被磁带记录，就会放进磁带库，静静躺着，不会消耗任何电能。其次，磁带相当稳定，出错概率比其它存储设备低4-5个量级。再次，磁带非常安全。如果磁带没有插入驱动器，数据无法访问，无法修改。现在网络攻击流行，数据老是被窃取，这一特点相当吸引人。事实上，有许多数据就是用磁带存储的，包括基础科学数据，比如粒子物理学、射电天文学、人类文化遗产、国家档案、重要电影、银行、保险、石油勘探等数据。有一批人正在寻找办法提高磁带的存储能力。磁带其实早就出现了，磁带技术没有停止前进的步伐，完全相反，就像硬盘和晶体管一样，在过去几十年里，磁带技术进步神速。第一个商用数字磁带存储装置叫作Model 726，是IBM开发的，一卷磁带可以存储1.1MB数据。到了今天，一卷

编者按：本文编译自 spectrum.ieee 原题为“Why the Future of Data Storage is (Still) Magnetic Tape”的文章，作者 Mark Lantz。

最近，因为大数据与AI技术崛起，企业生成海量数据，涉及业务的方方面面。金融监管部门提出要求，机构的数据必须保存更长时间。正因如此，企业与机构存储的数据越来越多。

研究报告证实，每年存储的数据都在以30-40%的速度增长。与此同时，硬件容量也在增长，但是增长速度低了一半。还好，许多信息并不需要即时访问，如果想存储此类数据，磁带是一个完美的选择。

开玩笑吗？磁带？一提到磁带，你可能会想到老电影，比如《电脑风云》（ Desk Set）或者《奇爱博士》（Dr. Strangelove），里面有笨重的大型主机，旁边就有旋转的磁带。这不是玩笑，磁带并没有远去。

事实上，有许多数据就是用磁带存储的，包括基础科学数据，比如粒子物理学、射电天文学、人类文化遗产、国家档案、重要电影、银行、保险、石油勘探等数据。有一批人正在寻找办法提高磁带的存储能力。

磁带其实早就出现了，磁带技术没有停止前进的步伐，完全相反，就像硬盘和晶体管一样，在过去几十年里，磁带技术进步神速。

第一个商用数字磁带存储装置叫作Model 726，是IBM开发的，一卷磁带可以存储1.1MB数据。到了今天，一卷现代磁带可以存储15TB数据，一个磁带库可以存储最多278PB数据（1PB=1024TB）。如果用CD光碟存储这么多的数据，需要3.97亿张，将这些光盘叠在一起高度超过476公里。怎么换算的？278PB相当于291504128GB，一张普通CD光盘容量约为700MB，算下来大约就是3.97亿张了。

与硬盘 、半导体存储装置相比，磁带的访问速度的确慢很多。但是，作为存储媒介，磁带的优点相当多。首先，磁带更节能，一旦数据被磁带记录，就会放进磁带库，静静躺着，不会消耗任何电能。其次，磁带相当稳定，出错概率比其它存储设备低4-5个量级。再次，磁带非常安全。如果磁带没有插入驱动器，数据无法访问，无法修改。现在网络攻击流行，数据老是被窃取，这一特点相当吸引人。

1951年电脑第一次用磁带记录数据

有时软件会出现漏洞，伤害数据，磁带具备离线特点，所以可以提高防御能力。例如，2011年，因为一个软件升级，谷歌误删除4万个Gmail帐户邮件信息。虽然谷歌在硬盘中存储数据，放在多个数据中心，但是还是丢失了信息。幸好，数据同样存储在磁带中，谷歌可以从备份中恢复数据。

2011年的Gmail事故告诉我们：云服务提供商谷歌正在使用磁带。最近，微软告诉外界，它的Azure Archive Storage系统用到了IBM磁带存储装置。

虽然有着这样那样的优点，不过企业之所以使用磁带，主要还是因为成本低。同样大的数据，如果用硬盘存储，成本是磁带的6倍，所以你会发现，凡是需要存储大量数据的地方，都会用到磁带。因为在消费产品中已经看不到磁带的身影，所以大家才会认为它已经消失。最近几年磁带存储技术取得了很大进步，在可预见的未来，它还会继续进步。

总之，在过去几十年里，磁带一直没有远去，未来几十年也不会消亡。为什么如此确定？请继续阅读。

之所以断言磁带会有很长的生命力，主要出于一个原因：便宜。事实上，磁带越来越便宜。

现代LTO（线性磁带开放试技术）磁带

你可能会认为，一旦人类无法再向磁盘挤入更多数据，磁带同样无法做到，因为它所使用的技术与磁盘基本上是一样的，只是更加古老。然而现实却让我们大吃一惊，磁带的容量一直在提升，而且没有止步的迹象。每年增长33%，这是历史数据，而且这一速度有可能会保持下去。换言之，每隔2-3年，磁带的容量就会增加一倍。你可以将它当成是磁带的“摩尔定律”。

数据已经爆炸，在存储预算保持不变的前提下，磁带容量不断提升是一个好消息。如果你想更好理解磁带的潜力，可以看看硬盘，看看磁带与硬盘是怎样进化的。

磁带与硬盘用相同的物理技术存储数据。简单来讲是这样的：在磁性材料薄膜中有许多很窄的轨道，磁性材料的磁性在两种极性之间转换。信息用二进制位编码，在轨道上的某一个特定点通过磁性转换与否来体现。1950年代磁带和硬盘出现，然后制造商就按照“更密、更快、更便宜”的路线前进。最终，两者的成本都下降了很多——按照每GB成本计算。

之所以成本大幅下降，主要是因为我们可以在每平方毫米的磁盘基片上存储更多数据。磁录密度由两个因素决定：一是磁道上存储的数据密度，二是垂直方向的磁道密度。

1952年推出的IBM 726，只能存储几MB数据

最开始时，磁带和磁盘的磁录密度差不多。因为硬盘销量更多，市场更大，所以企业可以投入更多研发资金，导致硬盘市场进步更快。到了今天，高容量硬盘的磁录密度大约是新磁带的100倍。

尽管如此，因为磁带的存储表面面积更大，所以先进的磁带可以存储最多15TB的容量，比大容量硬盘高很多。考虑到两款装置所占的体积差不多，所以优势更明显。

除了容量，磁带和硬盘的特点也有很大不同。磁带很长，一般有几百米，所以访问数据的平均时间约为50-60秒，而硬盘只有5-10毫秒。不过数据写入磁带的速度约为硬盘写速度的2倍多。

以前，硬盘磁录密度会以每年40%的速度提升，但最近几年却降到了10-15%。为什么？主要是因为受到了物理学的限制：在给定区域存储的数据越多，每一个Bit能调配的空间就会越小。这样一来，当你读取数据时信号就会越弱。如果信号过弱，可能会在噪音中丢失，磁性颗粒涂在盘片上，本来就会有噪音。

缩小颗粒，降低背景噪音，完全有可能做到。但是当颗粒到了一定大小，想要继续缩小，而且还要保持磁性稳定，就会变得很困难。磁记录的最小尺寸被称为超顺磁极限(superparamagnetic limit)。现在硬盘制造商已经触及极限。

就在不久之前，消费者还感受不到放缓的迹象，因为硬盘制造商可以为单个单元增加更多磁头和盘片，让相同尺寸的硬盘进一步扩大容量。现在呢？空间受到限制，增加更多磁头和盘片的成本进一步增加，厂商无法获得很高的收益，而且这种限制越来越明显。

厂商正在开发几种技术，这些技术也许可以帮助硬盘打破超顺磁极限，一种技术叫作热辅助磁记录技术（HAMR），还有一种叫作微波辅助磁记录技术（MAMR），这些技术使用的颗粒更小，允许磁盘以更小的区域磁化。

不过这些新技术会抬高成本，在工程上也面临很大挑战。即使成功，大规模量产也是一个问题。例如，西部数据最近宣布说，2019年将会出货MAMR硬盘，照估计，有了MAMR技术，磁录密度会以每年15%的速度提升。

现在的磁带库可以存储几百PB数据

反观磁带，现在它的磁录密度离超顺磁极限还有很远距离。所以说磁带的“摩尔定律”可以继续存活10年甚至更长时间，不会碰到障碍。

不要认为磁带技术就很简单，不是的。磁带天生具有可以擦除的属性，而且使用超薄聚合物基质，以并行方式同时记录的磁道高达32条，这些都给设计师带来很大挑战。正因如此，IBM团队才会寻找各种办法提高磁带容量，有时会引入硬盘技术，有时会寻找新方法。

2015年，IBM与富士胶片合作，让超小钡铁氧体颗粒垂直于磁带排列，这样可以记录更多的数据，相比今天的商用技术，它的磁录密度高出12倍还要多。最近，IBM又与索尼存储媒体解决方案（Sony Storage Media Solutions）合作，用新方法记录数据，磁录密度约为目前磁带的20倍。如果新技术能够商用，电影工作室就可以用得上，它们制作一部大片需要十几个磁带，未来全部装进一个磁带就行了。

想达成目标，有几个技术障碍要跨越。例如，当磁带的磁道变得越来越窄，必须改进读写磁头，新技术显示，磁道的宽度已经可以降到100纳米左右。

研究人员还要缩小数据阅读器（它是一个磁阻传感器，用来从磁道上读取已存入的数据）的宽度，目前的宽度用微米计算，有必要降到50纳米之下。到了这一步，我们会用超小阅读器读取信号，此时会有很大的噪音。怎么办？我们可以通过提升信噪比来改进，改变磁性粒子的尺寸和方向、改变组成成份、改变磁带表面的平滑度和厚度来实现。未来，我们还可以引入信号处理技术和纠错技术，进一步提升性能。

一旦新品到来，必须确保数据能够存储几十年不丢失，为此，研究人员会在记录层优化磁颗粒，让它们更稳定。不过这样做会有副作用，它会导致最开始时记录数据变得更困难，从某种程度上说，普通磁带传感器无法将数据写入新介质。所以研究人员需要发明新磁头，能够产生更强的磁场，这样才能写入数据。

将多种新技术结合在一起，研究人员开发出实验系统，它的线密度达到每英寸818000比特（bits）。出于历史原因，磁带工程师会用每英寸数据密度来描述磁带存储能力。引入新技术，每英寸可以有246200条磁道，换算一下，相当于每平方英寸可以存储201GB数据。假设一盒磁带的长度是1140米（这种假设是合理的，因为磁带的厚度会降低），一盒磁带可以存储330TB数据。

2015年，信息存储行业协会（Information Storage Industry Consortium）与众多研究机构发布一份报告，按照预测，2025年之前磁带的磁录密度可以达到每平方英寸91GB。如果趋势能够保持，2028年之前就会超过200GB。

报告对磁带存储的未来很乐观。实验证明，每平方英寸达到200GB是完全可能的。所以说，在未来10年里，磁带技术还会继续进化。

在信息技术领域，可能只有磁带技术还会遵守摩尔定律一样的发展轨迹，在未来10年里继续下去。在硬盘及其它存储技术面前，磁带本来就有成本优势，未来这种优势会进一步扩大。你也许很少看到磁带，只在老电影中看到过，但是磁带技术实际上并没有落伍，未来很多年都不会落伍。

编译组出品。编辑：郝鹏程