過去數十年來,磁帶一直是長期保存資料的歸檔儲存媒體首選,基於光碟的光學儲存技術雖曾一度威脅到磁帶的地位,但由於容量增長追不上磁帶的腳步,最終還是由磁帶取得主導地位,光學儲存只做為輔助角色。不過在未來幾年內,這樣的情況可能會改變。
近10年來,又陸續出現一系列試圖挑戰磁帶的新興儲存技術,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,象徵著光學儲存技術的復甦。
我們在2023年底的儲存月報「光學儲存技術新進展」中,曾初步介紹了當前最接近實用階段的幾種新興光學儲存技術,現在我們從儲存密度與容量增長的視角,進一步討論這些新興技術與磁帶的對比。
既有光學儲存的容量限制
就儲存密度來說,磁帶其實非常低,遠不如BD-XL藍光光碟或從藍光延伸發展而來的Archival Disc,位元密度不到後2者的1/3到1/10。但儲存媒體的可用容量,是儲存密度與儲存面積的相乘,磁帶儘管儲存密度很低,但磁帶是柔性、允許以捲繞方式收納的儲存媒體,只要在磁帶匣中透過捲繞方式容納長度更長的磁帶,便能增加資料記錄面積,彌補密度低的缺點,輕易增加總容量。
當前的兩大磁帶規格LTO與IBM 3592系列,磁帶匣都能容納上千公尺的磁帶,從而獲得極大的資料記錄面積,與龐大的總容量。目前LTO開放規格的單卷磁帶匣已能達到18TB容量,IBM 3592系列則能達到50TB。
相較下,BD-XL與Archival Disc光碟雖然儲存密度遠高於磁帶,但儲存媒體本身的面積是固定的,雖然也能在光碟匣中堆疊多片光碟,藉此提高容量,但即便目前容量最高的Archival Disc光碟匣,也只達到3.3 TB與5.5 TB容量(每個光碟匣含11碟片),與磁帶存在相當大的落差,1卷磁帶能容納的資料量,需要3、4個到10多個光碟匣才能容納,管理上十分不便。
磁帶的儲存密度其實很低,遠不如光碟與硬碟,但可透過捲繞收納,因而只需增加磁帶匣內捲繞的磁帶長度,就能增加資料記錄面積,進而獲得超越硬碟與光碟的總容量。照片LTO磁帶匣的解剖情況,可見到採用單軸捲繞設計,目前最新一代LTO磁帶匣,容納了超過1000公尺長的磁帶。圖片來源:FARLEX
新世代光學儲存技術的誕生
儘管光學儲存因容量較低的缺點,而限制了應用範圍與規模,但有著磁帶不能及的2項獨到優勢,促使業界持續發展新的光學儲存技術。
首先,光學儲存能同時適用於一般歸檔與主動歸檔(Active Archive)等2種應用。磁帶受限於捲繞式架構,適合連續循序存取,而不適合隨機存取,故只適用於長期靜態資料保存、很少有再次存取需求的一般歸檔應用。而光碟儲存裝置擁有隨機存取能力,必要時可快速檢索與取回資料,因而還能兼用於仍有少許存取需求的主動歸檔。
其次,光學儲存在耐久性與環境承受力擁有特殊優勢。磁帶理論上擁有超過10年的耐久性,但必須保存在防潮、控溫、遠離強力磁場的環境中。相較下,光學儲存媒體無需特別的環境控制措施,就能實現長期保存,更符合環保要求。
不過要讓光學儲存具備足以對抗磁帶的競爭力,關鍵還是在於提高容量。由於光學儲存媒體不像磁帶,可簡單地透過增加資料記錄面積來提高容量,唯一可行的方法,便是大幅提高儲存密度,來達到增加容量的目的。
研發中的2種玻璃/光學儲存技術,包括Cerabyte的玻璃陶瓷,以及Project Silica玻璃儲存,都是從儲存材料著手,以玻璃取代以往光碟的聚合物,試圖獲得極高的儲存密度,從而解決光學儲存的容量問題。
除此之外,以玻璃作為儲存材料,還有高度環境承受能力的優勢,可抵禦火、水、電磁脈衝等外界災害與威脅,號稱擁有終身、甚至千年等級的耐久性。
兩種新興光學儲存技術前景可期
Project Silica計畫,是微軟與南安普頓大學(University of Southampton)合作發展的矽玻璃儲存技術(silica glass),採用多層石英玻璃構成的玻璃板作為儲存媒體,然後利用雷射脈衝在玻璃的不同深度與位置產生微細孔洞,藉此記錄資料。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,藉此獲得極高的儲存密度與容量。
南安普頓大學曾在2021年聲稱,Project Silica可以在5吋面積見方的玻璃,也就是類似DVD大小的媒體,達到500TB容量。而在實際能力方面,依照去年底Project Silica透露的新資料,他們已能在一片DVD大小的玻璃片上儲存7TB資料,雖然還遠遠沒有達到500TB的目標,但這樣的儲存密度已經超過現有Archival Disc光碟10倍以上,如果在1個光碟匣中容納數片玻璃,將能獲得接近現有磁帶的容量表現。
至於德國新創廠商Cerabyte的玻璃陶瓷技術,則以不同的方式,來達到提高儲存密度的目的。
雖然我們將Cerabyte與Project Silica一同歸類於玻璃/光學儲存技術,但兩者其實有相當大的差異。Project Silica是直接使用玻璃作為儲存媒體,Cerabyte的技術則稱為奈米陶瓷塗布玻璃儲存(ceramic-coated glass storage),玻璃是作為儲存片的基板,資料則是利用雷射光束,以類似QR二維碼的方式寫入到玻璃儲存片表面塗佈的陶瓷層上。
Cerabyte預期他們的儲存密度可達到每平方公分1 TB等級,這相當於Archival Disc光碟的20倍以上,理論上還有提高到每個儲存匣1 PB容量的潛力,不過這是需要相當長時間,才能逐步實現的目標。
Cerabyte預定於2024年推出的第一代產品,儲存密度只達到每機櫃1 PB,還遠不如現有的磁帶櫃(目前最高規格的磁帶櫃,已能達到每機櫃10到30 PB以上的儲存密度)。
Cerabyte預期他們到2025年,可將儲存密度提高到每機櫃5PB,然後在2026到2027年提高為每機櫃10到30 PB,這時候才具備與磁帶相比的競爭力。Cerabyte預期2030年以前可達到每機櫃60到100 PB,不過在此時,磁帶容量預期也會有顯著進步,單就容量,磁帶未必會遜色於這些新興技術。
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
磁帶與傳統光碟仍有容量成長潛力
磁帶雖然是數十年歷史的老技術,但仍擁有相當高的成長潛力,富士軟片、IBM與Sony等主要磁帶供應商,已備妥了容量密度遠高於現有產品的磁帶技術。
以IBM為例,過去10年來,便先後在2014、2017與2020年,發表了新世代磁帶技術驗證成果,藉由以鍶鐵氧體磁粒,取代目前使用的鋇鐵氧體磁粒,讓磁帶的儲存密度依序提高到123 Gb/in2、207 Gb/in2與317 Gb/in2,其中最新的2020年技術驗證成果,足可讓磁帶的容量密度較當前提升10倍以上,進而實現單卷磁帶580TB容量。
而這樣的成長潛力,也正是LTO磁帶聯盟之所以能夠在現有的LTO-9之後,一口氣將發展路線圖規畫到5個世代以後的LTO-14,將容量從現有LTO-9的18TB逐步提高到576TB。
不僅是磁帶,在傳統的聚合物光碟儲存媒體方面,也有進步的空間。新創廠商Folio Photonics在2022年發表的多層薄膜光碟,便宣稱能提供較現有光碟技術高出20倍以上的儲存容量。
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,最終可達到32個光學儲存層,從而大幅提高儲存容量。
依照Folio的發展路線圖,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500GB到1TB容量,與目前的Archival Disc光碟同級。接下來Folio打算以每2年升級一代的速度持續更新,預計於2030年推出的第4代多層薄膜光碟產品將採用32層以上的光學層,可擁有4TB到10TB容量。
磁帶仍具有不可取代的優勢
儘管磁帶面臨各式各樣新興技術的挑戰,但從目前的情勢來看,近期內這些技術還無法撼動磁帶的地位。
Cerabyte與Project Silica這類玻璃/光學儲存技術,或是華為近期發表的「磁—電」儲存技術(詳見後文),雖然在規格上頗具吸引力,但也存在技術風險,2030年之前恐怕還無法成熟到足以威脅磁帶。歸檔應用領域不僅看重規格,更看重穩定與可靠,正是這些新興技術缺乏的。
華為的「磁—電碟」歸檔儲存系統
華為發展的「磁—電碟」號稱是兼具硬碟與磁帶特性的嶄新儲存裝置,每臺可提供驚人的72TB容量。圖片來源/華為
歸檔儲存技術領域近日最引人注目的新聞,便是華為在2024年初的MWC大會,針對歸檔應用發表的OceanStore Arctic「磁—電」(Magneto-Electric)儲存系統。
OceanStore Arctic是以稱作「磁—電碟」(Magneto-Electric Disk,MED)的裝置為核心,這個命名十分含糊,廣義來說,磁帶與硬碟也都是使用磁性與電氣機構運作的磁-電儲存裝置,但華為當時並未說明MED的運作原理與規格,而只聲稱這種裝置的總成本比磁帶低20%,功耗則比硬碟低80%,暫定2025年下半年於海外推出,第一代產品將擁有每機櫃10PB容量。
稍後分析師Tom Coughlin取得華為的簡報,從而讓外界得知更多MED裝置的細節。
在簡報中,華為將MED描述為「硬碟+磁帶」的裝置,每組MED擁有72 TB容量,成本比磁帶低20%,功耗比硬碟低90%。每座MED機櫃的傳輸率則比磁帶高出2.5倍,而且MED裝置是密封的,機櫃中不包含機械手臂等裝置,因而可減少故障機率。
從這些資訊,我們可以初步判斷MED的特色:
●就單一媒體儲存容量來說,提供72 TB容量的MED,將超越IBM TS-1170磁帶,成為容量最大的歸檔儲存媒體。
●MED是密封式裝置、且無須依靠機械手臂來搬運,這意味著MED應該是類似硬碟的「讀寫頭+儲存媒體合一」設計,儲存媒體自備讀寫功能,而不像磁帶是「儲存媒體與讀寫頭分離」設計——磁帶裝置分為抽取式的磁帶媒體,以及含有讀寫頭的磁帶機等2部分,必須藉由人工或機械手臂將磁帶置入磁帶機內,才能存取磁帶中的資料。
●MED功耗比硬碟低90%這——每PB容量只耗71W,而硬碟則為每PB消耗450W,我們推測MED或許具備類似過往硬碟MAID節能技術的運作特性,閒置時採用節電模式(例如進入降速或停止旋轉模式),必要時,才讓要存取的指定裝置啟用全功率運作。先前曾有人推測MED或許使用SSD,但實際上,大容量SSD的功耗並未顯著低於硬碟,所以單純依靠SSD,不太可能讓MED達到比硬碟省電90%的指標。
整體來說,MED不明之處仍然很多,但華為如果能實現前述指標,那麼將是頗具革命性的歸檔儲存技術。
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