چرا آينده‌ ذخيره‌سازي داده به نوار مغناطيسي وابسته است

پيشرفت‌هاي اخير در تحليل كلان‌داده و هوش مصنوعي انگيزه‌ي سازمان‌ها را براي جمع‌آوري كل اطلاعات مربوط به كسب‌وكارشان را بالا برده است. بر اساس قوانين مالي كنوني، مدت‌زمان حفظ ركوردها براي سازمان‌ها افزايش يافته است؛ بنابراين شركت‌ها و سازمان‌ها در هر سطحي بايد اطلاعات بيشتري را ذخيره كنند.

بر اساس مطالعه‌ها حجم داده‌هاي ثبت شده سالانه ۲۰ تا ۴۰ درصد افزايش پيدا مي‌كند. درعين‌حال، سرعت افزايش ظرفيت هارد‌درايوهاي مدرن كه اغلب براي ذخيره‌سازي اطلاعات به كار مي‌روند، نصف سرعت افزايش حجم داده‌ها است. خوشبختانه نيازي به دسترسي فوري به بخش زيادي از اين اطلاعات وجود ندارد و براي اين موارد نوار مغناطيسي بهترين گزينه است.

شايد با شنيدن اسم نوار مغناطيسي حلقه‌هاي بزرگ و حجيم فيلم‌هاي قديمي مثل Desk Set يا Dr. Strangelove را به ياد بياوريد؛ اما در واقعيت نوار مغناطيسي هرگز از دور خارج نشده است.

حتي امروز هم اغلب اطلاعات در سراسر دنيا از جمله داده‌هاي علوم بنيادي مثل فيزيك ذرات و ستاره‌شناسي راديويي، وراثت انسان و آرشيوهاي ملي، اغلب فيلم‌هاي سينمايي، بانكداري، بيمه، كاوش‌هاي نفتي و ... هنوز هم روي نوارهاي مغناطيسي نگه‌داري مي‌شوند. حتي شغل بعضي افراد (كه در زمينه‌هاي علوم مواد، مهندسي يا فيزيك تحصيل كرده‌اند) در زمينه‌ي بهبود ذخيره‌سازي نواري است.

نوار مغناطيسي از دور خارج نشده است اما اين فناوري مشابه سال‌هاي گذشته نيست و تغييراتي داشته است. نوار مغناطيسي هم درست مثل ديسك سخت و ترانزيستور در طول ده‌ها سال دستخوش تغيير و تحولاتي شده است. اولين سيستم ذخيره‌سازي نوار ديجيتالي كه به بازار عرضه شد، Model 726 شركت IBM بود كه مي‌توانست تقريبا ۱.۱ مگابايت را روي يك حلقه‌ي نوار ذخيره كند.

امروزه يك كارتريج نوار مدرن مي‌تواند تقريبا ۱۵ ترابايت اطلاعات را ذخيره كنند و يك جزوه رايگانخانه‌ي نواري رباتيك قادر به ذخيره‌سازي ۲۷۸ پتابايت داده است. براي ذخيره‌سازي اين حجم اطلاعات روي ديسك، ۳۹۷ ميليون عدد ديسك لازم است كه اگر روي هم چيده شوند، برجي با ارتفاع ۴۷۶ كيلومتر را مي‌سازند.

البته سرعت دسترسي به ديسك‌هاي سخت يا حافظه‌هاي نيمه‌رسانا بيشتر از نوار است؛ اما ذخيره‌سازي نواري مزاياي زيادي دارد. براي مثال اين روش از انديشه متخصصين انرژي بهينه‌تر است: پس از ضبط تمام داده‌ها، يك كارتريج نوار روي يكي از شيارهاي جزوه رايگانخانه‌ي رباتيك قرار مي‌گيرد و براي اين كار انرژي زيادي لازم نيست. حافظه‌ي نوار بسيار مطمئن است و چهار تا پنج مرتبه كمتر از هارد درايوها دچار خطا مي‌شود.

نوارها به دليل برخورداري از رمزنگاري تعبيه‌شده امنيت بالايي دارند. گذشته از اين اگر كارتريج روي يك درايو نصب نشود، داده‌ها قابل دسترسي يا قابل تغيير نخواهند بود. اين ويژگي با توجه به نسبت فزاينده‌ي داده‌هاي به سرقت رفته در حملات سايبري از جذابيت بالايي برخوردار است.

ماهيت آفلاين نوار مغناطيسي مزيتي براي مبارزه با نرم‌افزارهاي باگ‌دار و معيوب است. براي مثال، در سال ۲۰۱۱ وجود نقص به‌روزرساني‌هاي سخت‌افزاري گوگل منجر به حذف پيام‌هاي ذخيره‌شده درحدود ۴۰٬۰۰۰ حساب جيميل شد. اين اتفاق در حالي رخ داد كه در مراكز داده‌اي مختلف اين شركت نسخه‌هاي متعددي از داده‌هاي ذخيره‌شده وجود داشت. خوشبختانه داده‌ها روي نوار هم ذخيره شده بودند و گوگل در نهايت توانست كل داده‌هاي ازدست‌رفته را از طريق بك‌آپ بازيابي كند.

حادثه‌ي جيميل سال ۲۰۱۱ براي اولين بار افشا مي‌كرد كه ارائه‌كنندگان سرويس‌هاي ابري از نوار براي ذخيره‌سازي استفاده مي‌كنند. اخيرا مايكروسافت هم اعلام كرده است Azure Archive Storage از تجهيزات ذخيره‌سازي نواري IBM استفاده مي‌كند.

نوار به يك دليل نجات پيدا كرد: ارزان بودن. اين واسطه‌ي ذخيره‌سازي نسبت به گذشته ارزان‌تر شده است؛ اما آيا اين تنها دليل بقاي نوار است؟ شايد فكر كنيد اگر قابليت ذخيره‌سازي داده‌هاي بيشتر روي ديسك‌هاي مغناطيسي كاهش پيدا كند، نوار هم با توجه به اين‌كه فناوري قديمي‌تري است به همين سرنوشت دچار خواهد شد؛ اما به طرز شگفت‌آوري هيچ علائمي از كاهش ظرفيت نوار ديده نمي‌شود.

بر اساس نسبت تاريخي (۳۳ درصد در سال) افزايش ظرفيت ادامه پيدا مي‌كند، به اين معني كه هر دو تا سه سال يك‌بار مي‌توان شاهد دو برابر شدن ظرفيت ذخيره‌سازي نوار بود. در اين مورد به قانون مور در مورد نوار مغناطيسي مراجعه كنيد. در عصر انفجار داده‌اي ثابت ماندن هزينه‌ي ذخيره‌سازي خبر خوبي است؛ اما براي پاسخ به اين سؤال كه چرا نوار از پتانسيل بيشتري نسبت به هارد درايوها برخوردار است درك چگونگي ظهور نوار و هارد درايو ضروري است.

داخل و بيرون: يك كارتريج نوار خطي Tape Open يا نوار باز (LTO) از يك حلقه تشكيل شده است. پس از ورود كارتريج، نوار به صورت خودكار وارد حلقه‌اي مي‌شود كه در مكانيزم درايو تعبيه شده است.

نوار و هارد درايو هر دو مكانيزم فيزيكي ابتدايي و ساده‌اي براي ذخيره‌سازي داده‌هاي ديجيتال دارند. هر دو داده‌ها را در ترك‌هاي باريك موجود در ديواره‌ي نازك مواد مغناطيسي ذخيره مي‌كنند، در اين مواد خاصيت مغناطيسي بين دو وضعيت قطبي جابه‌جا مي‌شود. اطلاعات هم به صورت يك مجموعه از بيت‌ها رمزنگاري مي‌شوند كه بر اساس وجود يا عدم وجود گذار قطبي، مغناطيسي در نقاط مشخص ترك ظاهر مي‌شوند. از زمان معرفي نوار و هارد درايوها در دهه‌ي ۱۹۵۰، سازندگان هردو فناوري تابع شعار فشرده‌تر، سريع‌تر، ارزان‌تر  بودند. در نتيجه، هزينه‌ي هر دو (بر اساس دلار به ازاي هر گيگابايت ظرفيت) چندين مرتبه كاهش پيدا كرده است.

اين كاهش هزينه‌ها نتيجه‌ي افزايش نمايي تراكم اطلاعات قابل ضبط روي هر ميلي‌متر مربع از لايه‌ي مغناطيسي است. تراكم ناحيه‌اي هم حاصل تراكم ضبط در ترك‌هاي داده‌اي و تراكم ترك‌‌ها در جهت عمود است.

در ابتدا تراكم ناحيه‌اي نوارها و هارد درايوها يكسان بود، اما توسعه‌ي بازار و درآمد حاصل از فروش هارددرايوها سرمايه‌ي بيشتري را براي اقدامات بزرگ‌تر تحقيق و توسعه فراهم كرد و به‌اين‌ترتيب سازندگان توانستند مقياس ذخيره‌سازي را افزايش دهند. در نتيجه، تراكم ناحيه‌اي فعلي هارد درايوها تقريبا ۱۰۰ برابر بيشتر از جديدترين درايوهاي نواري است.

نوار و هارد درايو به غير از ظرفيت، ويژگي‌هاي عملكردي بسيار متفاوتي دارند. طول زياد نوار داخل كارتريج (كه در حالت عادي به چند صد متر مي‌رسد) باعث مي‌شود سرعت دسترسي ميانگين بين ۵۰ تا ۶۰ ثانيه باشد در حالي كه سرعت دسترسي ميانگين در هارد درايوها ۵ الي ۱۰ ميلي‌ثانيه است؛ اما سرعت نوشتن در نوار به طرز شگفت‌انگيزي بالا است و دو برابر سرعت نوشتن در ديسك است.

در طي سال‌هاي گذشته، تغيير تراكم ناحيه‌اي داده‌ها روي ديسك‌هاي سخت از مقدار ميانگين ۴۰ درصد در سال به ۱۰ الي ۱۵ درصد كاهش پيدا كرده است. دليل اين رفتار به ويژگي‌هاي فيزيكي برمي‌گردد: براي ثبت داده‌هاي بيشتر در يك ناحيه‌ي مشخص، بايد به هر بيت بخش كوچك‌تري تخصيص داده شود. به‌اين‌ترتيب سيگنال قابل دريافت هنگام خواندن داده‌ها كاهش پيدا مي‌كند و اگر اين كاهش سيگنال بيش‌ از حد باشد در بين نويزهاي بافت‌هاي مغناطيسي ديسك از بين مي‌رود.

با كوچك كردن بافت‌ها مي‌توان نويز پس‌زمينه را كاهش داد؛ اما درصورتي‌كه اندازه‌ي بافت‌هاي مغناطيسي بيشتر از يك حد مشخص كاهش پيدا كند، توانايي آن براي حفظ ثبات مغناطيسي هم تحت تأثير قرار مي‌گيرد. كوچك‌ترين واحد قابل‌استفاده براي ضبط مغناطيسي محدوده‌ي سوپرپارامغناطيسي ناميده مي‌شود.

تا همين چندي پيش اين كاهش سرعت براي مصرف‌كنندگان واضح نبود، زيرا توليدكنندگان ديسك درايو مي‌توانستند آن را با اضافه كردن هدها و پلترهاي بيشتر به هر واحد خنثي كنند و به اين صورت ظرفيت كلي را افزايش دهند؛ اما فضاي قابل دسترسي و هزينه‌ي اضافه كردن هدها و پلاترها تا حدودي توليدكنندگان درايو را محدود كرده است.

تعداد كمي از فناوري‌هاي تحت توسعه مي‌توانند مقياس هارد درايو را فراتر از محدوده‌ي سوپرپارامغناطيسي ببرند. براي مثال مي‌توان به فناوري‌هايي مثل ضبط مغناطيسي به كمك گرما (HAMR) و ضبط مغناطيسي به كمك مايكروويو (MAMR) اشاره‌ كرد، در اين روش‌ها از بافت‌ها و دانه‌هاي كوچك‌تري استفاده مي‌شود و ازاين‌رو امكان مغناطيسي شدن بخش‌هاي كوچك‌تر ديسك هم فراهم مي‌شود؛ اما اين روش‌ها هم هزينه‌ها و اشكالاتي را به دنبال دارند و حتي در صورت موفقيت مقياس ارائه‌شده محدود خواهد بود.

براي مثال بر اساس پيش‌بيني شركت وسترن ديجيتال  ( كه اخيرا براي عرضه‌ي هارد درايوهاي MAMR در سال ۲۰۱۹ اعلام آمادگي كرده است) مقياس تراكم ناحيه‌اي اين فناوري تقريبا ۱۵ درصد در سال خواهد بود. در مقابل، تراكم ناحيه‌ي تجهيزات ذخيره‌سازي نواري زير محدوده‌ي پارامغناطيسي است؛ بنابراين قانون مور براي نوارها بدون برخورد با بن‌بست‌هاي فيزيك پايه مي‌تواند به مدت يك دهه يا بيشتر ادامه پيدا كند.

نوار هنوز هم فناوري دشواري است. ماهيت قابل حذف آن، استفاده از لايه‌ي پليمري باريك به‌جاي يك ديسك سخت و يكپارچه و ضبط هم‌زمان تا ۳۲ ترك به صورت موازي از موانع قابل توجه براي طراحان هستند. به همين دليل تيم پژوهشي آزمايشگاه زوريخ IBM از دو راه مي‌تواند مقياسي پيوسته را براي نوار پيدا كند: تطبيق فناوري‌هاي هارد درايو يا اختراع روش‌هاي كاملا جديد.

در سال ۲۰۱۵ تيم پژوهشي فوجي فيلم ثابت كرد كه مي‌توان با استفاده از ذرات بسيار كوچك باريم در جهت عمود بر نوار، داده‌ها را با سرعتي ۱۲ برابر تراكم قابل دستيابي در فناوري‌هاي كنوني ضبط كرد؛ اخيرا يك تيم پژوهشي در همكاري با سوني نشان داده است كه احتمال ضبط داده‌ها با تراكم ناحيه‌اي يكسان ۲۰ برابر بيشتر از جديدترين درايوهاي نواري است. اگر اين فناوري در مقياس تجاري عرضه شود، يك استوديوي فيلم كه در حالت عادي براي ذخيره‌سازي كل آرشيو خود به امكانات ذخيره‌سازي ديجيتال با بودجه‌اي زياد نياز دارد، مي‌تواند همان آرشيو را تنها روي يك نوار ذخيره كند.

سيل داده‌ها: جزوه رايگانخانه‌هاي مدرن نواري مي‌توانند صدها پتابايت داده را ذخيره كنند (سمت راست) در حالي كه IBM 726 (سمت چپ) كه در سال ۱۹۵۲ معرفي شد تنها قادر به ذخيره‌سازي چند مگابايت اطلاعات بود.

براي رسيدن به اين درجه از مقياس ذخيره‌سازي، پيشرفت‌هاي متخصص زيادي لازم است. براي مثال يكي از كارهاي انجام‌شده بهبود قابليت خواندن و نوشتن هدها و رديابي ترك‌هاي باريك روي نوار بود كه عرض آن‌ها در آخرين نمونه‌ي نمايشي به ۱۰۰ نانومتر مي‌رسيد.

 پژوهشگرها عرض قرائت‌گر داده‌اي (سنسور مقاوم مغناطيسي كه براي خواندن ترك‌هاي ضبط‌شده‌ي داده‌اي به كار مي‌رود) را از چند ميكرومتر به كمتر از ۵۰ نانومتر رساندند. در نتيجه، نويز سيگنال قابل دريافت در قرائت‌گرهاي باريك افزايش يافت. نويز به دست آمده با افزايش نسبت سيگنال به نويز واسطه خنثي شد. اين نسبت برابر است با تابعي از اندازه و جهت‌گيري ذرات مغناطيسي و همين‌طور تركيب‌، ميزان هوار بودن و صيقلي بودن سطح نوار. پژوهشگرها علاوه بر كارهاي قبلي توانستند پردازش سيگنال و طرح تصحيح خطا را هم بهبود دهند.

 علاوه بر اين پژوهشگرها براي اطمينان از دوام داده‌ها روي واسطه‌هاي ذخيره‌سازي جديد، ماهيت ذرات مغناطيسي را در لايه‌ي ضبط داده‌ها تغيير دادند و به‌اين‌ترتيب ثبات آن‌ها را افزايش دادند؛ اما اين تغيير ضبط داده‌ها را دشوارتر كرد تا جايي كه مبدل نوار نمي‌توانست در واسطه‌ي ذخيره‌سازي جديد چيزي بنويسد؛ بنابراين از يك هد نوشتاري ويژه استفاده شد كه ميدان مغناطيسي آن از ميدان مغناطيسي هدهاي معمولي قوي‌تر بود.

در سال ۲۰۱۵، كنسرسيوم ذخيره‌سازي اطلاعات شامل شركت‌هايي HP، IBM، اوراكل و كوانتوم با همكاري گروه‌هاي پژوهشي نقشه‌ي راه بين‌المللي ذخيره‌سازي نوار مغناطيسي را منتشر كردند. بر اساس پيش‌بيني آن‌ها تراكم ناحيه‌اي واسطه‌هاي ذخيره‌سازي نواري تا سال ۲۰۲۵ به ۹۱ گيگابايت بر اينچ مربع خواهد رسيد. اين روند نشان مي‌دهد اين ميزان تا سال ۲۰۲۸ از ۲۰۰ گيگابايت در اينچ مربع هم بيشتر شود.

مؤلفين اين نقشه‌ي راه به آينده‌ي حافظه‌ي نواري اميدوار بودند اما بر اساس تصور برخي،  آن‌ها بيش از حد خوش‌بين هستند. بر اساس آزمايش‌هاي اخير رسيدن به مقياس ذخيره‌سازي ۲۰۰ گيگابايت در اينچ مربع كاملا امكان‌پذير خواهد شد؛ بنابراين در صورت ثابت ماندن روند توسعه اين آمار در كمتر از يك دهه به حقيقت تبديل خواهد شد.

نوار را مي‌توان از آخرين فناوري‌هاي اطلاعاتي در انديشه متخصصين گرفت كه تابع قانون مور است و اين قانون را براي دهه‌ي آينده حفظ خواهد كرد نه بيشتر. اين روند مزيت هزينه‌اي نوار نسبت به هارد درايو و ديگر فناوري‌هاي ذخيره‌سازي را افزايش مي‌دهد. اگرچه تصور افراد نسبت به نوار، بيشتر در فيلم‌هاي سياه و سفيد خلاصه شده است، اما استفاده از نوار مغناطيسي در سال‌هاي آينده همچنان ادامه خواهد داشت. اگرچه به‌ندرت نوار را خارج از حوزه‌ي فيلم‌هاي سياه و سفيد ديده باشيد و برايتان قديمي باشد، اما آينده‌ي ذخيره‌سازي به آن وابسته است.