【新興技術挑戰磁帶地位】長期歸檔儲存媒體出現多個新競爭者

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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