儲存月報第85期：迎接ZB時代的長期儲存需求：光學儲存技術新進展

對於當前的IT應用來說，PB級的資料量已經不稀奇，開始朝向千倍以上的EB等級前進，而整個IT應用產生的總資料量，更將達到ZB等級，考慮到大多數資料最終都將以靜態歸檔（Archive）形式存放，這也將給歸檔儲存帶來更大的壓力，但同時也促進相關技術的進步，特別是沉寂已久的光學儲存媒體，近來有了重大的技術進展。

ZB資料量時代來臨

在富士軟片半年前舉行的全球IT主管高峰會議中，顧問公司Horison Information Strategies的資深分析師Fred Moore指出，他們預測2025年全球IT應用將產生高達175 ZB的資料量，其中大約11.7 ZB的資料將會實際儲存下來，而這些實際儲存資料中，有80%都將會歸檔方式長期保存，約為9.3 ZB。Fred Moore表示，當資料產生過後90到120天後，存取機率便會降到5%以下，此時便會進入歸檔保存狀態，預估每年歸檔資料量增長將達到25%到35%左右。

要儲存這樣龐大的歸檔資料，將給歸檔系統帶來極大的壓力。舉例來說，要儲存1 ZB的資料，需要5,536萬卷LTO-9磁帶（每卷18TB容量），或是5,000萬臺20TB容量的近線硬碟。

顯然地，無論是磁帶或是近線硬碟，要應對ZB容量時代的歸檔儲存需求都力有未逮。事實上，當前LTO磁帶與近線硬碟各自的年度銷售總容量，也不過略微超過150EB而已，距離ZB等級還有很大的距離。

解決這個問題最有效的辦法，便是引進容量較現有磁帶、硬碟提高數十倍、甚至百倍的儲存媒體，這也是近期問世的新一代光學儲存技術，主要的發展目標。

光學歸檔儲存技術新進展

我們可將歸檔儲存應用細分為2個層級，一為仍有少許存取需求的主動歸檔（Active Archive）層，講求兼顧成本與效能，以便必要時快速檢索與取回資料。另一為標準歸檔層，講求長期靜態保存資料的成本與可靠性。

光學儲存媒體過去在這兩個層面的應用，同時受到硬碟與磁帶的擠壓。相較於只適合循序連續存取的磁帶，光學儲存擁有隨機存取能力，可應用於主動歸檔，但這方面的效能卻又不如硬碟。

光學儲存媒體較小的容量，也在應用上帶來很大限制。磁帶與硬碟的單一媒體容量都已突破20TB，相較下，即便是Sony的歸檔專用光碟Archival Disc，單一碟片最大容量也只達到500GB，必須在光碟匣中容納多張碟片才能獲得足夠容量，至於通用的藍光光碟更只有128GB。也就是說，一臺硬碟或一卷磁帶就能容納的資料，必須耗用幾十張光碟才能容納，將給管理帶來很大的麻煩。

因而當前的主動歸檔應用多選擇近線硬碟作為儲存媒體，有時還搭配SSD作為索引，而標準歸檔應用則以磁帶為主。

儘管如此，光學儲存仍有著不可忽視的優點，特別是擁有遠高於其他儲存媒體的耐久性與環境承受力，無需特別的環境控制措施就能長期保存，擁有更低的碳足跡，有利於未來越來越講求環境友善的IT環境。

但若要讓光學儲存扮演更重要的角色，首先必須大幅提高容量規格，才能在主流歸檔應用領域與磁帶、硬碟競爭。所幸的是，透過材料與製程的進步，光學儲存媒體的容量在這2年有了突破性進展。

玻璃／光學儲存技術

針對長期保存的歸檔應用，已出現一系列新興儲存技術，試圖取代或輔助磁帶的角色，包括DNA儲存、玻璃／光學儲存、3D全像（holography）技術等，而玻璃／光學儲存是其中最接近實用化的一種。

顧名思義，玻璃／光學儲存技術是以玻璃作為儲存媒體，取代過去光學儲存媒體使用的聚合物。目前已有多家廠商與研究單位投入這類技術的開發，其中最重要的，應該是德國新創廠商Cerabyte的奈米陶瓷塗布玻璃儲存技術（ceramic-coated glass storage），以及微軟與南安普頓大學（University of Southampton）在Project Silica計畫合作發展的矽玻璃儲存技術（silica glass）。

其中Cerabyte的技術已經接近上市階段，預定2024年就會推出試用的預量產型產品，並在日前向媒體展示了當前的原型系統。Cerabyte宣稱他們的原型系統是以市售的標準元件打造而成，供應鏈所需的零件都是現成的。

而我們從Cerabyte提供的資料來看，Cerabyte的原型系統十分類似既有的LTO磁帶櫃產品，具備相似的機櫃、磁帶匣、磁帶架與機械臂等機構，不同之處主要有兩點：

其一，以Cerabyte的玻璃儲存片取代LTO磁帶匣內的磁帶卷，每個儲存匣可容納3張方形玻璃儲存片，玻璃作為儲存片的基板，而陶瓷層除了用於記錄資料外，也提供了高度的環境承受能力，可抵禦火、水、電磁脈衝等外界威脅，號稱擁有千年等級的耐久性。使用時，機械手臂會將玻璃儲存片從儲存匣中取出，送到讀寫站中存取，使用後再送回儲存匣。

其二，以基於雷射光束矩陣（laser beam matrix）與數位鏡元件（Digital Mirror Device，DMD）的讀寫站，取代磁帶機的讀寫磁頭。讀寫站透過雷射光束，將資料以類似QR二維碼的方式寫入玻璃儲存片表面塗佈的陶瓷層（推測應該是以雷射將資料燒蝕紀錄到陶瓷層上），比起基於旋轉馬達的傳統光碟讀取技術，號稱可提供50倍的速度。

Cerabyte聲稱他們的玻璃儲存片可提供每儲存匣1PB的容量，這是當前LTO-9磁帶的50倍以上，未來還可提升到每儲存匣10PB甚至100PB。不過2024年推出的初始試用機型容量較小，只達到每個機櫃1PB容量，但很快就會在2025與2027年提高到每機櫃5PB與30PB容量。

而微軟的Project Silica計畫，主要目的是為Azure雲端平臺發展長期歸檔儲存媒體，使用多層石英玻璃構成的玻璃板，透過雷射脈衝在玻璃板的不同深度與位置產生微細孔洞，從而記錄資料。理論上可堆疊多達100層玻璃，構成龐大的3D結構資料儲存層，用於保存大量的資料，也同樣宣稱擁有千年等級的耐久性。

Project Silica在2019年展示的玻璃儲存板，可在3吋見方的玻璃板上保存75.6GB資料，對於實用環境來說，這個容量仍略嫌偏小。後來在2021年的進一步發展中，南安普頓大學展示0.3吋見方玻璃板儲存6GB資料的能力，並聲稱可在5吋見方玻璃板中儲存500TB資料，是LTO-9磁帶的27倍以上。

不過，比起已有明確上市規畫的Cerabyte，微軟的Project Silica目前仍未提出具體的實用化時程。

Cerabyte的玻璃陶瓷儲存媒體

Cerabyte的儲存匣外型十分類似標準的LTO磁帶匣，其中含有3片玻璃儲存片，儲存片表面塗佈了奈米陶瓷層，透過雷射在陶瓷層上紀錄資料，理論上擁有每個儲存匣1PB容量的潛力。

圖片來源：Cerabyte

新世代主動歸檔系統

除了採用玻璃這類全新儲存媒體的光學儲存技術外，傳統的聚合物型式光學儲存媒體，近來也有容量規格的突破。

其中最引人注目的，是致力於光學歸檔儲存技術的新創廠商Folio Photonics，在2022年發表的多層薄膜光碟，相較於當前藍光光碟每一面最多只有3到4個光學層，Folio的多層薄膜光碟每一面則能提供8到16個光學層，從而能大幅提高儲存容量。

在Folio提出的發展路線圖中，預定於2024年後推出的第1代多層薄膜光碟只使用8層光學層，可提供每張光碟500 GB到1 TB容量，雖不及磁帶，但已高於藍光光碟與歸檔專用光碟，目前容量最高的BDXL藍光光碟只有128 GB容量，Archival Disc的每張碟片也只有300 GB與500 GB。

Folio預定以每2年升級一代的速度持續更新多層薄膜光碟產品，預計於2030年推出的第4代產品將採用32層以上的光學層，可擁有4 TB到10 TB容量，已能與磁帶或硬碟相比擬。而且Folio聲稱多層薄膜光碟還有著製造成本較低、利於長期保存的優勢，並具備隨機存取能力與更快的存取速度，因而也適用於主動歸檔領域。

Folio已於實驗室中驗證了多層薄膜光碟技術，並於2023年年初組成新的團隊，開發配套的光碟機與光碟櫃，藉此構成完整的產品。

Folio Photonics的多層薄膜光碟

Folio Photonics的多層薄膜光碟每一面有8到16個光學儲存層，比起僅3到4個光學儲存層的現有光碟，可提升數倍的容量。

圖片來源：Folio Photonics