چرا آینده‌ ذخیره‌سازی داده به نوار مغناطیسی وابسته است

پیشرفت‌های اخیر در تحلیل کلان‌داده و هوش مصنوعی انگیزه‌ی سازمان‌ها را برای جمع‌آوری کل اطلاعات مربوط به کسب‌وکارشان را بالا برده است. بر اساس قوانین مالی کنونی، مدت‌زمان حفظ رکوردها برای سازمان‌ها افزایش یافته است؛ بنابراین شرکت‌ها و سازمان‌ها در هر سطحی باید اطلاعات بیشتری را ذخیره کنند.

بر اساس بررسی‌ها حجم داده‌های ثبت شده سالانه ۲۰ تا ۴۰ درصد افزایش پیدا می‌کند. درعین‌حال، سرعت افزایش ظرفیت هارد‌درایوهای مدرن که اغلب برای ذخیره‌سازی اطلاعات به کار می‌روند، نصف سرعت افزایش حجم داده‌ها است. خوشبختانه نیازی به دسترسی فوری به بخش زیادی از این اطلاعات وجود ندارد و برای این موارد نوار مغناطیسی بهترین گزینه است.

شاید با شنیدن اسم نوار مغناطیسی حلقه‌های بزرگ و حجیم فیلم‌های قدیمی مثل Desk Set یا Dr. Strangelove را به یاد بیاورید؛ اما در واقعیت نوار مغناطیسی هرگز از دور خارج نشده است.

حتی امروز هم اغلب اطلاعات در سراسر دنیا از جمله داده‌های علوم بنیادی مثل فیزیک ذرات و ستاره‌شناسی رادیویی، وراثت انسان و آرشیوهای ملی، اغلب فیلم‌های سینمایی، بانکداری، بیمه، کاوش‌های نفتی و ... هنوز هم روی نوارهای مغناطیسی نگه‌داری می‌شوند. حتی شغل بعضی افراد (که در زمینه‌های علوم مواد، مهندسی یا فیزیک تحصیل کرده‌اند) در زمینه‌ی بهبود ذخیره‌سازی نواری است.

نوار مغناطیسی از دور خارج نشده است اما این فناوری مشابه سال‌های گذشته نیست و تغییراتی داشته است. نوار مغناطیسی هم درست مثل دیسک سخت و ترانزیستور در طول ده‌ها سال دستخوش تغییر و تحولاتی شده است. اولین سیستم ذخیره‌سازی نوار دیجیتالی که به بازار عرضه شد، Model 726 شرکت IBM بود که می‌توانست تقریبا ۱.۱ مگابایت را روی یک حلقه‌ی نوار ذخیره کند.

امروزه یک کارتریج نوار مدرن می‌تواند تقریبا ۱۵ ترابایت اطلاعات را ذخیره کنند و یک کتابخانه‌ی نواری رباتیک قادر به ذخیره‌سازی ۲۷۸ پتابایت داده است. برای ذخیره‌سازی این حجم اطلاعات روی دیسک، ۳۹۷ میلیون عدد دیسک لازم است که اگر روی هم چیده شوند، برجی با ارتفاع ۴۷۶ کیلومتر را می‌سازند.

البته سرعت دسترسی به دیسک‌های سخت یا حافظه‌های نیمه‌رسانا بیشتر از نوار است؛ اما ذخیره‌سازی نواری مزایای زیادی دارد. برای مثال این روش از نظر انرژی بهینه‌تر است: پس از ضبط تمام داده‌ها، یک کارتریج نوار روی یکی از شیارهای کتابخانه‌ی رباتیک قرار می‌گیرد و برای این کار انرژی زیادی لازم نیست. حافظه‌ی نوار بسیار مطمئن است و چهار تا پنج مرتبه کمتر از هارد درایوها دچار خطا می‌شود.

نوارها به دلیل برخورداری از رمزنگاری تعبیه‌شده امنیت بالایی دارند. گذشته از این اگر کارتریج روی یک درایو نصب نشود، داده‌ها قابل دسترسی یا قابل تغییر نخواهند بود. این ویژگی با توجه به نسبت فزاینده‌ی داده‌های به سرقت رفته در حملات سایبری از جذابیت بالایی برخوردار است.

ماهیت آفلاین نوار مغناطیسی مزیتی برای مبارزه با نرم‌افزارهای باگ‌دار و معیوب است. برای مثال، در سال ۲۰۱۱ وجود نقص به‌روزرسانی‌های سخت‌افزاری گوگل منجر به حذف پیام‌های ذخیره‌شده درحدود ۴۰٬۰۰۰ حساب جیمیل شد. این اتفاق در حالی رخ داد که در مراکز داده‌ای مختلف این شرکت نسخه‌های متعددی از داده‌های ذخیره‌شده وجود داشت. خوشبختانه داده‌ها روی نوار هم ذخیره شده بودند و گوگل در نهایت توانست کل داده‌های ازدست‌رفته را از طریق بک‌آپ بازیابی کند.

حادثه‌ی جیمیل سال ۲۰۱۱ برای اولین بار افشا می‌کرد که ارائه‌کنندگان سرویس‌های ابری از نوار برای ذخیره‌سازی استفاده می‌کنند. اخیرا مایکروسافت هم اعلام کرده است Azure Archive Storage از تجهیزات ذخیره‌سازی نواری IBM استفاده می‌کند.

نوار به یک دلیل نجات پیدا کرد: ارزان بودن. این واسطه‌ی ذخیره‌سازی نسبت به گذشته ارزان‌تر شده است؛ اما آیا این تنها دلیل بقای نوار است؟ شاید فکر کنید اگر قابلیت ذخیره‌سازی داده‌های بیشتر روی دیسک‌های مغناطیسی کاهش پیدا کند، نوار هم با توجه به این‌که فناوری قدیمی‌تری است به همین سرنوشت دچار خواهد شد؛ اما به طرز شگفت‌آوری هیچ علائمی از کاهش ظرفیت نوار دیده نمی‌شود.

بر اساس نسبت تاریخی (۳۳ درصد در سال) افزایش ظرفیت ادامه پیدا می‌کند، به این معنی که هر دو تا سه سال یک‌بار می‌توان شاهد دو برابر شدن ظرفیت ذخیره‌سازی نوار بود. در این مورد به قانون مور در مورد نوار مغناطیسی مراجعه کنید. در عصر انفجار داده‌ای ثابت ماندن هزینه‌ی ذخیره‌سازی خبر خوبی است؛ اما برای پاسخ به این سؤال که چرا نوار از پتانسیل بیشتری نسبت به هارد درایوها برخوردار است درک چگونگی ظهور نوار و هارد درایو ضروری است.

داخل و بیرون: یک کارتریج نوار خطی Tape Open یا نوار باز (LTO) از یک حلقه تشکیل شده است. پس از ورود کارتریج، نوار به صورت خودکار وارد حلقه‌ای می‌شود که در مکانیزم درایو تعبیه شده است.

نوار و هارد درایو هر دو مکانیزم فیزیکی ابتدایی و ساده‌ای برای ذخیره‌سازی داده‌های دیجیتال دارند. هر دو داده‌ها را در ترک‌های باریک موجود در دیواره‌ی نازک مواد مغناطیسی ذخیره می‌کنند، در این مواد خاصیت مغناطیسی بین دو وضعیت قطبی جابه‌جا می‌شود. اطلاعات هم به صورت یک مجموعه از بیت‌ها رمزنگاری می‌شوند که بر اساس وجود یا عدم وجود گذار قطبی، مغناطیسی در نقاط مشخص ترک ظاهر می‌شوند. از زمان معرفی نوار و هارد درایوها در دهه‌ی ۱۹۵۰، سازندگان هردو فناوری تابع شعار فشرده‌تر، سریع‌تر، ارزان‌تر  بودند. در نتیجه، هزینه‌ی هر دو (بر اساس دلار به ازای هر گیگابایت ظرفیت) چندین مرتبه کاهش پیدا کرده است.

این کاهش هزینه‌ها نتیجه‌ی افزایش نمایی تراکم اطلاعات قابل ضبط روی هر میلی‌متر مربع از لایه‌ی مغناطیسی است. تراکم ناحیه‌ای هم حاصل تراکم ضبط در ترک‌های داده‌ای و تراکم ترک‌‌ها در جهت عمود است.

در ابتدا تراکم ناحیه‌ای نوارها و هارد درایوها یکسان بود، اما توسعه‌ی بازار و درآمد حاصل از فروش هارددرایوها سرمایه‌ی بیشتری را برای اقدامات بزرگ‌تر تحقیق و توسعه فراهم کرد و به‌این‌ترتیب سازندگان توانستند مقیاس ذخیره‌سازی را افزایش دهند. در نتیجه، تراکم ناحیه‌ای فعلی هارد درایوها تقریبا ۱۰۰ برابر بیشتر از جدیدترین درایوهای نواری است.

نوار و هارد درایو به غیر از ظرفیت، ویژگی‌های عملکردی بسیار متفاوتی دارند. طول زیاد نوار داخل کارتریج (که در حالت عادی به چند صد متر می‌رسد) باعث می‌شود سرعت دسترسی میانگین بین ۵۰ تا ۶۰ ثانیه باشد در حالی که سرعت دسترسی میانگین در هارد درایوها ۵ الی ۱۰ میلی‌ثانیه است؛ اما سرعت نوشتن در نوار به طرز شگفت‌انگیزی بالا است و دو برابر سرعت نوشتن در دیسک است.

در طی سال‌های گذشته، تغییر تراکم ناحیه‌ای داده‌ها روی دیسک‌های سخت از مقدار میانگین ۴۰ درصد در سال به ۱۰ الی ۱۵ درصد کاهش پیدا کرده است. دلیل این رفتار به ویژگی‌های فیزیکی برمی‌گردد: برای ثبت داده‌های بیشتر در یک ناحیه‌ی مشخص، باید به هر بیت بخش کوچک‌تری تخصیص داده شود. به‌این‌ترتیب سیگنال قابل دریافت هنگام خواندن داده‌ها کاهش پیدا می‌کند و اگر این کاهش سیگنال بیش‌ از حد باشد در بین نویزهای بافت‌های مغناطیسی دیسک از بین می‌رود.

با کوچک کردن بافت‌ها می‌توان نویز پس‌زمینه را کاهش داد؛ اما درصورتی‌که اندازه‌ی بافت‌های مغناطیسی بیشتر از یک حد مشخص کاهش پیدا کند، توانایی آن برای حفظ ثبات مغناطیسی هم تحت تأثیر قرار می‌گیرد. کوچک‌ترین واحد قابل‌استفاده برای ضبط مغناطیسی محدوده‌ی سوپرپارامغناطیسی نامیده می‌شود.

تا همین چندی پیش این کاهش سرعت برای مصرف‌کنندگان واضح نبود، زیرا تولیدکنندگان دیسک درایو می‌توانستند آن را با اضافه کردن هدها و پلترهای بیشتر به هر واحد خنثی کنند و به این صورت ظرفیت کلی را افزایش دهند؛ اما فضای قابل دسترسی و هزینه‌ی اضافه کردن هدها و پلاترها تا حدودی تولیدکنندگان درایو را محدود کرده است.

تعداد کمی از فناوری‌های تحت توسعه می‌توانند مقیاس هارد درایو را فراتر از محدوده‌ی سوپرپارامغناطیسی ببرند. برای مثال می‌توان به فناوری‌هایی مثل ضبط مغناطیسی به کمک گرما (HAMR) و ضبط مغناطیسی به کمک مایکروویو (MAMR) اشاره‌ کرد، در این روش‌ها از بافت‌ها و دانه‌های کوچک‌تری استفاده می‌شود و ازاین‌رو امکان مغناطیسی شدن بخش‌های کوچک‌تر دیسک هم فراهم می‌شود؛ اما این روش‌ها هم هزینه‌ها و مشکلاتی را به دنبال دارند و حتی در صورت موفقیت مقیاس ارائه‌شده محدود خواهد بود.

برای مثال بر اساس پیش‌بینی شرکت وسترن دیجیتال  ( که اخیرا برای عرضه‌ی هارد درایوهای MAMR در سال ۲۰۱۹ اعلام آمادگی کرده است) مقیاس تراکم ناحیه‌ای این فناوری تقریبا ۱۵ درصد در سال خواهد بود. در مقابل، تراکم ناحیه‌ی تجهیزات ذخیره‌سازی نواری زیر محدوده‌ی پارامغناطیسی است؛ بنابراین قانون مور برای نوارها بدون برخورد با بن‌بست‌های فیزیک پایه می‌تواند به مدت یک دهه یا بیشتر ادامه پیدا کند.

نوار هنوز هم فناوری دشواری است. ماهیت قابل حذف آن، استفاده از لایه‌ی پلیمری باریک به‌جای یک دیسک سخت و یکپارچه و ضبط هم‌زمان تا ۳۲ ترک به صورت موازی از موانع قابل توجه برای طراحان هستند. به همین دلیل تیم پژوهشی آزمایشگاه زوریخ IBM از دو راه می‌تواند مقیاسی پیوسته را برای نوار پیدا کند: تطبیق فناوری‌های هارد درایو یا اختراع روش‌های کاملا جدید.

در سال ۲۰۱۵ تیم پژوهشی فوجی فیلم ثابت کرد که می‌توان با استفاده از ذرات بسیار کوچک باریم در جهت عمود بر نوار، داده‌ها را با سرعتی ۱۲ برابر تراکم قابل دستیابی در فناوری‌های کنونی ضبط کرد؛ اخیرا یک تیم پژوهشی در همکاری با سونی نشان داده است که احتمال ضبط داده‌ها با تراکم ناحیه‌ای یکسان ۲۰ برابر بیشتر از جدیدترین درایوهای نواری است. اگر این فناوری در مقیاس تجاری عرضه شود، یک استودیوی فیلم که در حالت عادی برای ذخیره‌سازی کل آرشیو خود به امکانات ذخیره‌سازی دیجیتال با بودجه‌ای زیاد نیاز دارد، می‌تواند همان آرشیو را تنها روی یک نوار ذخیره کند.

سیل داده‌ها: کتابخانه‌های مدرن نواری می‌توانند صدها پتابایت داده را ذخیره کنند (سمت راست) در حالی که IBM 726 (سمت چپ) که در سال ۱۹۵۲ معرفی شد تنها قادر به ذخیره‌سازی چند مگابایت اطلاعات بود.

برای رسیدن به این درجه از مقیاس ذخیره‌سازی، پیشرفت‌های فنی زیادی لازم است. برای مثال یکی از کارهای انجام‌شده بهبود قابلیت خواندن و نوشتن هدها و ردیابی ترک‌های باریک روی نوار بود که عرض آن‌ها در آخرین نمونه‌ی نمایشی به ۱۰۰ نانومتر می‌رسید.

 پژوهشگرها عرض قرائت‌گر داده‌ای (سنسور مقاوم مغناطیسی که برای خواندن ترک‌های ضبط‌شده‌ی داده‌ای به کار می‌رود) را از چند میکرومتر به کمتر از ۵۰ نانومتر رساندند. در نتیجه، نویز سیگنال قابل دریافت در قرائت‌گرهای باریک افزایش یافت. نویز به دست آمده با افزایش نسبت سیگنال به نویز واسطه خنثی شد. این نسبت برابر است با تابعی از اندازه و جهت‌گیری ذرات مغناطیسی و همین‌طور ترکیب‌، میزان هوار بودن و صیقلی بودن سطح نوار. پژوهشگرها علاوه بر کارهای قبلی توانستند پردازش سیگنال و طرح تصحیح خطا را هم بهبود دهند.

 علاوه بر این پژوهشگرها برای اطمینان از دوام داده‌ها روی واسطه‌های ذخیره‌سازی جدید، ماهیت ذرات مغناطیسی را در لایه‌ی ضبط داده‌ها تغییر دادند و به‌این‌ترتیب ثبات آن‌ها را افزایش دادند؛ اما این تغییر ضبط داده‌ها را دشوارتر کرد تا جایی که مبدل نوار نمی‌توانست در واسطه‌ی ذخیره‌سازی جدید چیزی بنویسد؛ بنابراین از یک هد نوشتاری ویژه استفاده شد که میدان مغناطیسی آن از میدان مغناطیسی هدهای معمولی قوی‌تر بود.

در سال ۲۰۱۵، کنسرسیوم ذخیره‌سازی اطلاعات شامل شرکت‌هایی HP، IBM، اوراکل و کوانتوم با همکاری گروه‌های پژوهشی نقشه‌ی راه بین‌المللی ذخیره‌سازی نوار مغناطیسی را منتشر کردند. بر اساس پیش‌بینی آن‌ها تراکم ناحیه‌ای واسطه‌های ذخیره‌سازی نواری تا سال ۲۰۲۵ به ۹۱ گیگابایت بر اینچ مربع خواهد رسید. این روند نشان می‌دهد این میزان تا سال ۲۰۲۸ از ۲۰۰ گیگابایت در اینچ مربع هم بیشتر شود.

مؤلفین این نقشه‌ی راه به آینده‌ی حافظه‌ی نواری امیدوار بودند اما بر اساس تصور برخی،  آن‌ها بیش از حد خوش‌بین هستند. بر اساس آزمایش‌های اخیر رسیدن به مقیاس ذخیره‌سازی ۲۰۰ گیگابایت در اینچ مربع کاملا امکان‌پذیر خواهد شد؛ بنابراین در صورت ثابت ماندن روند توسعه این آمار در کمتر از یک دهه به حقیقت تبدیل خواهد شد.

نوار را می‌توان از آخرین فناوری‌های اطلاعاتی در نظر گرفت که تابع قانون مور است و این قانون را برای دهه‌ی آینده حفظ خواهد کرد نه بیشتر. این روند مزیت هزینه‌ای نوار نسبت به هارد درایو و دیگر فناوری‌های ذخیره‌سازی را افزایش می‌دهد. اگرچه تصور افراد نسبت به نوار، بیشتر در فیلم‌های سیاه و سفید خلاصه شده است، اما استفاده از نوار مغناطیسی در سال‌های آینده همچنان ادامه خواهد داشت. اگرچه به‌ندرت نوار را خارج از حوزه‌ی فیلم‌های سیاه و سفید دیده باشید و برایتان قدیمی باشد، اما آینده‌ی ذخیره‌سازی به آن وابسته است.