Ленточный картридж что это
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).
| 2006 | 2010 | 2014 | 2015 | 2017 | 2020 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Плотность записи (Гбит на дюйм²) | 6,67 | 29,5 | 85,9 | 123 | 201 | 317 |
| Ёмкость картриджа (ТБ) | 8 | 35 | 154 | 220 | 330 | 580 |
| Ширина дорожки | 1,5 мкм | 0,45 мкм | 0,177 мкм | 0,14 мкм | 103 нм | 56,2 нм |
| Линейная плотность (бит на дюйм) | 400 000 | 518 000 | 600 000 | 680 000 | 818 000 | 702 000 |
| Материал магнитного слоя | BaFe | BaFe | BaFe | BaFe | CoPtCr-SiO2 | SrFe |
| Толщина плёнки (мкм) | 6,1 | 5,9 | 4,3 | 4,3 | 4,7 | 4,3 |
| Длина плёнки (м) | 890 | 917 | 1255 | 1255 | 1098 | 1255 |
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 🙂
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
Ленточный накопитель
Ленточный накопитель (так же стример) — запоминающее устройство на принципе магнитной записи на ленточном носителе, с последовательным доступом к данным, по принципу действия аналогичен бытовому магнитофону.
Существует такие области деятельности, где до сих пор отлично чувствуют себя «древние» ленточные накопители, история которых прослеживается с 1972 года – времени появления стримера с кассетой формата QIC (Quarter-Inch tape Cartridge – четвертьдюймовая кассета). С тех пор ни один другой вид носителя не смог превзойти магнитную ленту по сочетанию. Стримеры широко используют в системах разведки, безопасности, связи, навигации и в десятке других областей, где надо непрерывно записывать огромные массивы данных при безусловном обеспечении надежности хранения.
Основное назначение: запись и воспроизведение информации, архивация и резервное копирование данных. При использовании данного метода записи данные записываются на ленту в виде нескольких параллельных дорожек. Лента имеет возможность двигаться в обоих направлениях. Считывающая магнитная головка во время чтения неподвижна, так же, как и записывающая во время записи. По достижении конца ленты считывающая/записывающая головка сдвигается на следующую дорожку, а лента начинает двигаться в противоположном направлении. Технология, по сути, аналогична бытовому аудиомагнитофону. Возможно применение нескольких головок, которые работают с несколькими дорожками одновременно (многодорожечный стример). В современных устройствах этот метод доминирует.
Содержание
Технологии
Впервые магнитная лента была использована для записи компьютерных данных в 1951 году на ЭВМ UNIVAC I. В качестве носителя использовалась тонкая полоска металла шириной 12,65 мм, состоящая из никелированной бронзы. Плотность записи была 128 символов на дюйм (198 микрометров / символ) на восемь дорожек.
В ЭВМ, выпускавшихся до момента появления и широкого распространения жестких дисков, накопители на магнитной ленте, аналогичные стримерам, использовались как основной долговременный носитель информации. В дальнейшем в мейнфреймах стали использоваться в системах иерархического управления носителями для хранения редко используемых данных. Некоторое время они достаточно широко применялись в качестве съёмного ЗУ при переносе большого количества информации. В настоящее время на рынке доминируют стримеры, соответствующие линейке стандартов LTO (Linear Tape-Open). Представленный фирмой IBM стример LTO-5 TS2350 оснащён, помимо двух интерфейсов SAS, также интерфейсом Ethernet.
История
Магнитная лента была впервые использована для записи компьютерных данных в 1951 году в компании Eckert-Mauchly Computer Corporation на ЭВМ UNIVAC I. В качестве носителя использовалась тонкая полоска металла шириной 12,65 мм, состоящая из никелированной бронзы (называемая Vicalloy). Плотность записи была 128 символов на дюйм (198 микрометров / символ) на восемь дорожек.
В ЭВМ, выпускавшихся до момента появления и широкого распространения жесткий диск|жестких дисков, накопители на магнитной ленте (НМЛ), аналогичные стримерам, использовались как основной долговременный носитель информации. В дальнейшем в мейнфреймах НМЛ стали использоваться в системах иерархического управления носителями для хранения редко используемых данных. Некоторое время они достаточно широко применялись в качестве съёмного ЗУ при переносе большого количества информации.
9-дорожечная лента
Широкое распространение ленточных накопителей было связано с большими ЭВМ и, в частности, мейнфреймами IBM. Начиная с представленного в 1964 год у семейства IBM System/360, в фирме IBM был принят стандарт 9-дорожечной ленты с линейной записью, который впоследствии распространился также в системах других производителей и широко использовался до 1980-х годов. В СССР этот стандарт магнитных лент абсолютно доминировал, благодаря использованию ленточных накопителей семейства ЕС ЭВМ, в том числе и в составе компьютеров других архитектур.
Аудиокассета
В домашних персональных компьютерах 1970-х и начала 1980-х годов (вплоть до середины 1990-х) в качестве основного внешнего запоминающего устройства во многих случаях использовался обычный бытовой магнитофон или, изредка, специальные устройства на его основе с автоматическим управлением. Эта технология была недостаточно приспособлена для компьютерных нужд, зато была весьма дёшева и доступна для домашнего пользователя (так как сам аудиомагнитофон у многих из них уже имелся). Для промышленных ПК использовались стримеры, такие, как TEAC MT-2ST c кассетами CT-500H, CT-600H 50 и 60 Мб соответственно.
Технология DDS
Формат хранения данных DDS (англ. Digital Data Storage ) был разработан в 1989 году компаниями Hewlett-Packard и Sony на базе формата DAT (Digital Audio Tape), разработанного компаниями Sony и Philips в середине 1980-х. По внешнему виду он напоминает уменьшенную в два раза аудиокассету, поскольку представляет собой четырёхмиллиметровую магнитную ленту, заключённую в защитный пластиковый корпус размера 73 мм × 54 мм × 10,5 мм. Как подсказывает само название, запись на магнитную ленту производится цифровым, а не аналоговым способом, при этом используется 16-битная импульсно-кодовая модуляция (PCM) без сжатия, как у CD, а частота дискретизации может быть как больше, чем у CD (44,1 кГц), так и меньше, а именно: 48, 44,1 или 32 кГц. Это означает, что запись производится без потери качества исходного сигнала, в отличие от более поздних форматов DCC (англ. Digital Compact Cassette ) и MD (англ. MiniDisc ). Накопители DDS используют технику записи, аналогичную применяемой в DAT-аудиомагнитофонах и основанную как на перемещении носителя в горизонтальном направлении, так и головок чтения-записи — в вертикальном направлении.
Технология QIC
В 1990-е годы для систем резервного копирования персональных компьютеров были популярны стандарты QIC-40 и QIC-80, использовавшие небольшие кассеты физической ёмкостью 40 и 80 Мбайт соответственно. Поддерживалось аппаратное сжатие данных. Накопители этих стандартов устанавливались в стандартный 5-дюймовый отсек и подключались к интерфейсу контроллера флоппи-дисков. В дальнейшем появилось большое количество сходных стандартов под торговыми марками QIC и Travan, определяющих носители ёмкостью до 10 Гбайт.
Технология DLT
Технология DLT была представлена фирмой в начале 1990-х годов на основе более ранней технологии CompacTape для компьютеров VAX фирмы Digital Equipment Corporation, ленточное подразделение которой приобрела Quantum. Дальнейшим развитием DLT явилась технология Super DLT (SDLT).
Линейка стандартов CompacTape/DLT/SDLT определяет носители физической ёмкостью от 100 Мбайт до 800 Гбайт.
С 2007 год а развитие стандарта SDLT фирмой Quantum прекращено в пользу LTO, но оборудование и носители записи ещё выпускаются.
Таблица развития
| Год | Производитель | Модель | Объем | Инновации |
|---|---|---|---|---|
| 1951 | Remington Rand | UNISERVO | 224 kB | Первый ленточный накопитель, использующий никель-фосфорную бронзовую ленту |
| 1952 | IBM | 726 | Использование пластиковой ленты (ацетат целлюлозы); |
7-дорожечная лента, которая может хранить каждый 6-битный байт плюс бит четности
Группирование кода восстановления для исправления ошибок
Техника записи «линейного серпантина» [3]
Первая ленточная библиотека с роботизированным доступом [4]
Тонкопленочные магниторезистивные (MR) головки [7]
Устранение «pinch-roller» системы
Сократилось вдвое время доступа (требуется две катушки кассеты) [12]
Секция очистки материала в начале каждой ленты данных
Современные стандарты
Современные стримеры, как правило, подключаются через высокопроизводительный интерфейс SAS, обеспечивающий передачу данных со скоростью 3 или 6 Гбит/с. Старшие модели IBM имеют возможность подключения через интерфейс FICON.
Технология LTO
В настоящее время на рынке доминируют стримеры, соответствующие линейке стандартов LTO (Linear Tape-Open).
Технология IBM 3592
Будучи, в отличие от стандарта LTO, ориентирован не только на архивацию и резервное копирование, но и на произвольный доступ к данным, стандарт IBM 3592 обеспечивает удовлетворение более жёстких требований по количеству перезаписей носителя. Также в IBM 3592 использован ряд решений для оптимизации производительности в старт-стопном режиме записи, такие, как глубокое кеширование данных и многоскоростное движение ленты (6 или 7 скоростей, в зависимости от модели стримера).
IBM 3592 использует линейный метод записи.
Компания IBM поставляет в настоящее время, помимо оборудования LTO, стримеры собственного закрытого стандарта IBM 3592 (Jaguar), представленные современной моделью IBM TS1140, а также совместимые ленточные библиотеки. Это оборудование используется в серверах и мейнфреймах. К линейке IBM 3592 относятся модели стримеров собственно 3592 (1 поколение), TS1120 (2 поколение), TS1130 (3 поколение) и TS1140, а также ленточные библиотеки на их основе. Картриджи имеют физическую ёмкость до 4 Тбайт. Будучи, в отличие от стандарта LTO, ориентирован не только на архивацию и резервное копирование, но и на произвольный доступ к данным, стандарт IBM 3592 обеспечивает удовлетворение более жёстких требований по количеству перезаписей носителя. Также в IBM 3592 использован ряд решений для оптимизации производительности в старт-стопном режиме записи, такие, как глубокое кеширование данных и многоскоростное движение ленты (6 или 7 скоростей, в зависимости от модели стримера). IBM 3592 использует линейный метод записи.
Отличительной особенностью стандарта IBM 3592 является заложенная в него возможность переформатирования магнитных носителей старого поколения под формат более новых устройств с соответствующим повышением информационной ёмкости (в отличие от других современных стандартов, обеспечивающих совместимость новых устройств со старыми носителями только в старом формате). В общем случае предусматривается совместимость на 2 поколения вперёд, конкретные допустимые режимы использования конкретного носителя в конкретном устройстве определяются по таблице:
| Название | Длина ленты (м) | Стример 3592 J1A | Стример TS1120 | Стример TS1130 | Стример TS1140 |
|---|---|---|---|---|---|
| Картридж 3592 JJ/JR | 610 м | 60 GB | 100 GB | 128 GB | |
| Картридж 3592 JA/JW | 610 м | 300 GB | 500 GB | 640 GB | |
| Картридж 3592 JB/JX | 825 м | 700 GB | 1 TB | 1,6 TB | |
| Картридж 3592 JC/JY | 4 TB | ||||
| Картридж 3592 JK (short JC) | 500 GB |
В настоящее время компаниями IBM Research и FujiFilm представлена технология, позволяющая записывать до 35 терабайт данных на ленточном картридже, сопоставимом по размерам с LTO. Открытым, однако, пока остаётся вопрос об обеспечении достаточной пропускной способности интерфейса подключения устройства и блоков самого устройства: современным устройствам LTO-5, ориентированным на подключение по интерфейсу 6 Гбит/с SAS с фактической пропускной способностью 140 Мбайт/с, потребовалось бы около 3 суток для записи 35 терабайт данных.
Программное обеспечение
В UNIX-подобных операционных системах простейшая, но достаточная во многих случаях, работа со стримером поддерживается из командной строки при помощи команд tar и mt (исключением является Mac OS X, в которой mt отсутствует, а tar не поддерживает стримеры). Более развитые средства резервного копирования обеспечиваются специальными программами, доступными для всех распространённых операционных систем.
Ленточная библиотека
Ленточной библиотекой называют работу ленточного накопителями с несколькими лентами одновременно. Роботизированные библиотеке могут содержать вплоть до тысяч магнитных лент, из которых роботам сам достает и устанавливает нужную магнитную ленту.
С программной точки зрения такая библиотека выглядит, как один накопитель с огромной ёмкостью и значительным временем произвольного доступа. Кассеты в ленточной библиотеке идентифицируются специальными наклейками со штрих-кодом, который считывает робот.
Ленточная библиотека имеет значительные преимущества перед дисковым массивом по стоимости и энергопотреблению при больших объёмах хранимых данных. Например, для поддержания в постоянном доступе архива размером 6,6 петабайт в течение 5 лет стоимость дисковой системы (RAID-массивов, контроллеров, разветвителей, дисков, питания, охлаждения и пр.) составит 14,7 млн долларов (в том числе стоимость электроэнергии — 550 тыс. долларов), в то время как стоимость ленточной библиотеки — менее 700 тыс. долларов (в том числе стоимость электроэнергии — 304 доллара). Недостатком ленточной библиотеки является время произвольного доступа к данным, которое в нормальном режиме функционирования может достигать нескольких минут, а также падение производительности на порядки при увеличении количества различных одновременных запросов более числа наличествующих устройств чтения-записи (когда кассеты оказываются стоящими в очереди на чтение/запись).