磁带非但没被淘汰，容量还比硬盘大了？

詹士 发自 凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

580TB数据能存一盘磁带上？？？

没扯淡，这是已经实现的事。

IBM和富士胶片一项技术突破显示，他们已找到方法将单盒磁带容量提升到580TB。

这大约等同于12万张DVD存储量，放256GB的SD存储卡上，能装满2320张。该数字一举刷新了磁带存储密度的世界纪录，且相关研究已发表于《IEEE磁学汇刊》。

不少人印象中，磁带分AB面，得两部分加起来才存得下一张港台专辑，容量连CD也没法比，再加上速度慢体积大等缺点，相信很多00后都没见过（暴露年龄系列）。

怎么不仅没被淘汰，反而突然能存这么多数据了？

新材料叠加纳米级分布Buff

根据研发团队披露信息，磁带介质应用了超细锶铁氧体磁性颗粒。

该材料化学式为SrFe(12)O(19)，是一种黑色具备永久磁性的物质，常用于微波装置、记录介质、磁光介质、电讯和电子工业。

以往磁带是将另一种物质，钡铁氧体颗粒，涂覆在存储介质上。

开启读取时，让磁头（一块电磁铁）接触磁带，带上磁性物质变化形成电磁感应，进而变成数据被读取进系统里。

反之，写入则由磁头施加强磁场，改变盘带上磁粉的磁性分布。

△ 图源：hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/

新成果中，研究人员将材料改换成了锶铁氧体。

其颗粒比原材料小60%，使之均匀排列在磁带介质上，可提升存储密度，实现纳米级读取及更高信噪比。

下图为电子显微镜下，锶铁氧体与钡铁氧体颗粒大小对比：

更细颗粒的磁性材料不仅可存储更高密度信息，也让磁带介质表面更光滑。

研究者使用40μm × 40μm原子力显微镜观察锶铁氧体与钡铁氧体磁带表面，新材料磁带面更为光滑，平均粗糙度Ra为1.1nm，原材料Ra为2nm。

更新材料之外，研究团队还改进生产设备，让材料更均匀分布在磁性层与非磁性层上，提升表面光滑度。

磁头也经过切割处理，变成一个斜面，再在读取部分加入一个20毫米的空气轴承，进一步减小摩擦力。

对上述改进系统进行测试，团队发现，当使用超窄的29nm宽度TMR传感器读取时，其线性密度可达702Kbpi，在电流为22毫安时，信噪比（SNR）数值达到最大：

此外，团队还用上了一套伺服控制器，该设备保证了磁头在读取时，可在磁带面进行相对位置的精确定位，操作精细度达3.2nm。

在上述几种技术加持下，当磁带开启读取，整个带面介质以15km/h速度划过，但磁头仍可精准找到DNA分子1.5倍宽度的读取位置。

为减小误码率，研究团队在一块定制FPGA面板上，实现了四个通道同时读取，然后对其求平均，结构如下：

研究团队基于上述系统，测试了大约600万个样本数据，编解码错误率随着更高线性密度而增高，使用64态D3-NPML检测器可得最佳性能。

该情况下，750kbpi线性密度比特误码率（BER）为4.5e-2，正好不高于设定阈值，当线性密度为702kbpi，BER为2.8e-2。

值得一提的是，除了EPR4检测器外，其他检测器错误率在该线性密度下，误码率也均满足设定要求：

关于未来应用，研究团队认为，此项成果成本更低、长期耐用、能耗低更安全，将成为技术巨头、学术机构及超大规模数字基础设施公司数据归档的首选，尤其在安全要求高、数据量庞大的混合云领域。

不过在何时量产落地问题上，参与方之一的富士胶片认为，还需十年左右。

磁带的默默发展

多数人眼中，盒式磁带淡出我们的视野也已约20年，但它仍在很多我们看不见细分领域得以应用。

就拿互联网行业来说，由于磁盘读写依靠电磁感应，且存储无需通电，天生处于网络离线状态，这使得该介质安全性高，断电也无所谓，常备用于备份数据，包括谷歌及微软Azure。

2011年，谷歌一个软件更新意外导致Gmail中4万个账户电子邮件被删除，所幸的是，他们使用了磁带备份，这些数据得以恢复。

国内一些档案单位也使用磁带备份，郑州档案局一篇微信推文显示，他们在2017年就做过磁带数据恢复演练，帮助工作人员熟悉如何在意外情况下从磁带将备份数据恢复到磁盘之中。

去年，部分省份电力一度紧张，也有咨询机构建议大型公司考虑将部分数据转移到磁带上存储，存放时间可达30年。

△ 现代磁带库 图源：spectrum.ieee.org

磁带另一大好处是耐操不易损坏，一盘磁带从高处落下不大影响其数据存储，相比之下，硬盘等介质的环境适应性较差。

油气地震等野外勘探领域中，还有相当数量的数据被存在磁带上，再运回数据中心处理分析。相应地，不少细分领域IT工程师仍在做磁带资源管理系统开发。

△ 图源：IBM

有需求自然有供给，IBM、索尼、富士胶片、昆腾等技术公司支撑了磁带这些年来发展与产品推广。

即使近些年，磁带容量仍以大约每年33%速度增长，大约两到三年翻一倍，业内也有人将其称为磁带摩尔定律，背后都是这些公司在发力。

当然，蓝色巨人IBM在其中扮演了突出角色。

90年代后期，IBM就同惠普及数据存储公司希捷成立了LTO联盟，推出了一种更开放的格式，打开终端市场。

2015年他们又与富士胶片合作，使用超小钡铁氧体颗粒，实现了商业产品12倍的信息密度存储纪录。

2018年在同索尼合作中，他们将倍数扩大到20倍。

发展至今，在IBM最新LTO-9格式磁带盘上，其原始存储量已可达18TB。

这些升级一方面来自于磁性材料升级，也源于读写轨道增加，磁带盒内及读取设备的结构升级及控制精度优化。

△ 图源：IBM

磁带虽说仍在发展，且单位GB的存储成本更低，但我们普通人目前还用不上。

其原因主要在于读取写入设备过于昂贵，设备价位至少数万人民币，此外，由于单盘磁带仍是线性读写方式，其数据传输速度相对较低，对我们大众，还是机械硬盘等存储设备更合适。

△ IBM 磁带 驱动设备

最后想问问，你看好磁带的未来么？

参考链接：
[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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