IBM Research устанавливает новый рекорд плотности записи данных на магнитную ленту

Осуществленный прорыв доказывает, что технология хранения данных на магнитной ленте сохраняет на ближайшие годы потенциал для дальнейшего наращивания емкости хранения. Этот вывод чрезвычайно важен, поскольку ленточные системы хранения данных более энергетически эффективны и экономически выгодны, чем системы хранения на жестких дисках. Коммерческие и правительственные организации используют магнитную ленту для хранения, защиты и доступа к большим объемам ответственных данных, таким как архивы документов, архивы видеоматериалов, резервные файлы и копии данных для восстановления в аварийных ситуациях, а также архивная информация, хранимая в соответствии с требованиями нормативных актов.

Исследователям из отделения IBM Research в Цюрихе совместно со специалистами японской корпорации FUJIFILM Corporation удалось записать данные на усовершенствованный прототип магнитной ленты с плотностью 29,5 млрд. бит на квадратный дюйм. Этот показатель поверхностной плотности записи данных приблизительно в 39 раз превышает аналогичную характеристику самых популярных сегодня в отрасли стандартных устройств хранения на магнитной ленте.* Достигнутый результат стал возможен благодаря разработке учеными IBM Research ряда новых ключевых технологий, а также трехлетнему тесному сотрудничеству с FUJIFILM по оптимизации ее магнитной ленты следующего поколения с двусторонним покрытием на основе магнитного слоя из частиц феррита бария (BaFe).

«Полученный результат не оставляет сомнений в том, что ленточные устройства хранения не только вполне жизнеспособны сегодня, но и в дальнейшем будут продолжать служить надежными средствами защиты данных с преимуществом в стоимости по сравнению с другими технологиями хранения информации, включая устройства на базе жестких дисков и флэш-памяти», подчеркнула Синди Гроссман (Cindy Grossman), вице-президент подразделения IBM Tape и Archive Storage Systems.

Согласно расчетам IBM, эти новые технологии позволят увеличить емкость картриджей до 35 ТБ (терабайт) несжатых данных.** Это почти в 44 раза*** превышает емкость доступного сегодня картриджа IBM LTO Generation 4. Емкость в 35 ТБ достаточна для хранения текстов 35 млн. книг, для размещения которых потребовались бы книжные полки общей длиной в 248 миль (399 километров).

«Демонстрация такой плотности магнитной записи позволяет сделать следующий значимый шаг в разработке технологий для достижения плотности записи на поверхности магнитной ленты в 100 млрд. бит/кв. дюйм и выше. Такие технологии станут насущной необходимостью, диктуемой стремительным ростом объемов цифровой информации. IBM предоставляет клиентам уникальные возможности, помогая сохранять, обслуживать и анализировать массивы накапливаемых данных, и способствуя, тем самым, достижению эффективности и преимуществ в бизнесе», — отметил ведущий сотрудник IBM Евангелос Элевтериу (Evangelos Eleftheriou), обладающий почетным статусом IBM Fellow.

В настоящее время для хранения критически важных бизнес-данных применяются автоматизированные ленточные библиотеки, содержащие один или нескольких ленточных накопителей, обслуживающих от десятков до тысяч картриджей с магнитной лентой.  Емкость таких систем хранения категории high-end может достигать уровня петабайт (миллионов гигабайт). В пересчете на один гигабайт, ленточные системы хранения данных в настоящее время стоят в 5-10 раз (в зависимости от размера) дешевле дисковых систем хранения. Кроме того, ленточные картриджи не потребляют энергии при отсутствии заданий на запись и запросов на считывание данных – в отличие от жестких дисков, которые, как правило, находятся в постоянном вращении. Это дает пользователям ленточных систем дополнительную возможность экономии затрат и, безусловно, делает магнитную ленту одной из наиболее доступных и энергетически эффективных технологий хранения данных из имеющихся сегодня на рынке.

За последние несколько лет ученые из отделения IBM Research в Цюрихе значительно повысили точность управления позиционированием головок чтения/записи, что привело к более чем 25-кратному увеличению количества дорожек на ленте шириной в полдюйма (1,27 см). Наряду с этим, исследователи разработали новые методы детектирования данных для повышения точности считывания крошечных «магнитных битов», добившись более чем 50%-ного увеличения линейной плотности записи. Еще одной ключевой технологией, позволившей достичь требуемой скорости и точности отслеживания дорожек данных на ленте, стала новая головка чтения/записи с низким показателем трения, разработанная в Альмаденском исследовательском центре IBM (IBM Research – Almaden), который также сотрудничал с корпорацией FUJIFILM в создании носителей информации следующего поколения.

История IBM включает долгие годы инноваций в области систем хранения данных на магнитной ленте. Первый коммерческий ленточный продукт IBM появился почти 60 лет назад. Это была система 726 Magnetic Tape Unit, в которой использовались бобины с магнитной лентой шириной полдюйма (1,27 см) и емкостью около 2 МБ. Достигнутое значение показателя плотности поверхностной записи на магнитной ленте, объявленное сегодня, отражает потенциальный рост емкости устройств хранения данных в 17,5 млн. раз по сравнению с первым ленточным накопителем IBM. Таким образом, сегодняшняя новость является еще одним подтверждением неизменного лидерства IBM в области ленточных технологий хранения информации.

Планета становится все более интеллектуальной, интегрированной и взаимосвязанной, что, несомненно, приведет к взрывному росту объемов генерируемых данных. Большая часть этих данных, которые могут поступать от самых разных источников – таких как системы управления дорожным движением, цепочки поставок продовольственных товаров, системы формирования изображений высокого разрешения, информационные медицинские и финансовые системы и др. – будет сохраняться на магнитной ленте. 

Технические детали: Рекордные показатели IBM были достигнуты благодаря заметным усовершенствованиям технологий хранения данных на магнитной ленте в следующих четырех областях:

1. Новая магнитная лента высокой плотности записи с двойным покрытием — Разработанное японской корпорацией FUJIFILM Corporation в тесном сотрудничестве с учеными IBM Research, это очередное поколение магнитной ленты NANOCUBIC™ использует новый сверхтонкий магнитный слой, состоящий из перпендикулярно-ориентированных частиц феррита бария. Этот слой обеспечивает высокую плотность записи данных без применения дорогостоящих методов напыления металлического покрытия или нанесения покрытия осаждением паров металлов.

2. Усовершенствованные технологии сервоуправления для сверхточного позиционирования головок чтения/записи — Исследовательским центром IBM Research – Zurich были разработаны следующие три новые технологии сервоуправления, которые позволили добиться более чем 25-кратного увеличения числа дорожек данных на ленте шириной в полдюйма (1,27 см): а) новые сервомеханизмы, позволяющие реализовать беспрецедентную точность наноуровня при позиционировании головки чтения/записи на дорожке данных; б) используемый сервомеханизмами новый метод обнаружения и распознавания позиций элементов данных на дорожке; и в) усовершенствованные принципы управления, основанные на методе «анализа в пространстве состояний». Благодаря комбинации этих трех технологий удалось продемонстрировать высочайшую скорость и точность отслеживания дорожек данных на ленте – среднее отклонение при определении сервомеханизмами целевой дорожки не превышало 24 нанометров. Эти технологии также способствовали уменьшению ширины дорожки до менее чем 0,45 микрон.

3. Передовые алгоритмы обработки сигналов в канале чтения данных — Усовершенствованный канал чтения данных построен на базе новой программной технологии обнаружения данных DD-NPML (Data-Dependent Noise-Predictive, Maximum-Likelihood, «информационно зависимой, с прогнозируемым уровнем шумов (ошибок чтения/записи), использующей метод максимального правдоподобия»), которая была разработана в исследовательском центре IBM Research – Zurich. Эта технология обеспечивает точное обнаружение данных несмотря на уменьшение соотношения сигнал/шум в результате использования сверхузкой 0,2-микронной головки чтения данных. Благодаря применению этой методики, которая также учитывает шумовые характеристики барий-ферритовой магнитной ленты FUJIFILM, было достигнуто увеличение линейной плотности записи данных на более чем 50% по сравнению с требованиями стандарта Linear Tape Open (LTO) Generation 4.

4. Блоки «сверхмагниторезистивных» (Giant Magneto-Resistive, GMR) головок чтения/записи с низким коэффициентом трения — Командами исследователей и разработчиков центра IBM Research – Almaden были разработаны следующие две новые технологии головок чтения/записи: а) блок магнитных головок с пониженным трением, который позволяет использовать более «гладкие» магнитные ленты и б) усовершенствованный модуль GMR-головок с оптимизированными сервомеханизмами чтения данных. Эти технологии головок были чрезвычайно важны для достижения требуемой скорости и точности отслеживания дорожек данных на магнитной ленте.

*Демонстрация проводилась на эксплуатационных скоростях движения ленты (порядка 2 м/с). Уровень зарегистрированных ошибок, допускающих исправление с помощью стандартных методов коррекции ошибок, соответствовал требованиям по производительности, которые IBM предъявляет к своим продуктам категории LTO Generation 4.

**Следует иметь в виду, что этот результат учитывает приблизительно 12%-ное увеличение длины магнитной ленты в картридже из-за уменьшенной средней толщины ленты.

***Следует иметь в виду, что этот результат округлен (в большую сторону) со значения 43,75.