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利用鍶鐵氧體磁性粒子,現在一捲磁帶可以儲存580 TB的資料

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580TB資料能存一捲磁帶上? 沒開玩笑,這是已經實現的事。951d9cf0aabbfc39ce64432b16982884

580 TB資料能存一捲盤磁帶上?沒開玩笑,這是已經是事實了。 

IBM和富士軟片一項技術突破顯示,他們已找到方法將單盒磁帶容量提升到580 TB。 

這大約相當於12萬張DVD儲存量,如果要存在256GB的SD記憶卡上,那得拿來2320張。這個數字一舉刷新了磁帶儲存密度的世界紀錄,且相關研究已發表於《IEEE磁學彙刊》。

利用鍶鐵氧體磁性粒子,現在一捲磁帶可以儲存580 TB的資料

在不少人印象中,磁帶分AB面,得兩部分加起來才存得下一張音樂專輯,容量連CD也沒法比,再加上速度慢體積大等缺點,2000年出生的人,大概沒看過這東西了。 

而磁帶為什麼不僅沒被淘汰,反而突然能存這麼多資料了? 

新材料疊加奈米級分布Buff

根據研發團隊披露資訊,磁帶介質應用了超細鍶鐵氧體磁性顆粒。 

該材料化學式為SrFe(12)O(19),是一種黑色具備永久磁性的物質,常用於微波裝置、記錄介質、磁光介質、電訊和電子工業。 

以往磁帶是將另一種物質,鋇鐵氧體顆粒,塗覆在儲存介質上。

利用鍶鐵氧體磁性粒子,現在一捲磁帶可以儲存580 TB的資料

 

開啟讀取時,讓磁頭(一塊電磁鐵)接觸磁帶,帶上磁性物質變化形成電磁感應,進而變成資料被讀取進系統裡。反之,寫入則由磁頭施加強磁場,改變磁帶上磁粉的磁性分布。

圖片來源:hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/

新成果中,研究人員將材料改換成了鍶鐵氧體。 

其顆粒比原材料小60%,使之均勻排列在磁帶介質上,可提升儲存密度,實現奈米等級讀取及更高訊號雜訊比。 

下圖為電子顯微鏡下,鍶鐵氧體與鋇鐵氧體顆粒大小對比:

利用鍶鐵氧體磁性粒子,現在一捲磁帶可以儲存580 TB的資料

更細顆粒的磁性材料不僅可儲存更高密度資訊,也讓磁帶介質表面更光滑。 

研究者使用40μm × 40μm原子力顯微鏡觀察鍶鐵氧體與鋇鐵氧體磁帶表面,新材料磁帶面更為光滑,平均粗糙度Ra為1.1nm,原材料Ra為2nm。

利用鍶鐵氧體磁性粒子,現在一捲磁帶可以儲存580 TB的資料

更新材料之外,研究團隊還改進生產設備,讓材料更均勻分布在磁性層與非磁性層上,提升表面光滑度。 

磁頭也經過切割處理,變成一個斜面,再在讀取部分加入一個20毫米的空氣軸承,進一步減小摩擦力。 

對上述改進系統進行測試,團隊發現,當使用超窄的29nm寬度TMR感測器讀取時,其線性密度可達702Kbpi,在電流為22毫安培時,訊號雜訊比(SNR)數值達到最大:

利用鍶鐵氧體磁性粒子,現在一捲磁帶可以儲存580 TB的資料

此外,團隊還用上了一套伺服控制器,該設備保證了磁頭在讀取時,可在磁帶面進行相對位置的精確定位,操作精細度達3.2nm。 

在上述幾種技術加持下,當磁帶開啟讀取,整個帶面介質以15km/h速度劃過,但磁頭仍可精準找到DNA分子1.5倍寬度的讀取位置。 

為減小誤碼率,研究團隊在一塊定制FPGA面板上,實現了四個通道同時讀取,然後對其求平均,結構如下:

利用鍶鐵氧體磁性粒子,現在一捲磁帶可以儲存580 TB的資料

研究團隊基於上述系統,測試了大約600萬個樣本資料,編解碼錯誤率隨著更高線性密度而增高,使用64態D3-NPML檢測器可得最佳性能。 

該情況下,750kbpi線性密度位元錯誤率(BER)為4.5e-2,正好不高於設定閾值,當線性密度為702kbpi,BER為2.8e-2。 

值得一提的是,除了EPR4檢測器外,其他檢測器錯誤率在該線性密度下,誤碼率也均滿足設定要求:

利用鍶鐵氧體磁性粒子,現在一捲磁帶可以儲存580 TB的資料

關於未來應用,研究團隊認為,此項成果成本更低、長期耐用、能耗低更安全,將成為技術巨頭、學術機構及超大規模數位基礎設施公司資料歸檔的首選,尤其在安全要求高、資料量龐大的混合雲領域。 

不過在何時量產進入實用階段,參與方之一的富士軟片認為,還需十年左右。 

磁帶的默默發展

多數人眼中,卡式磁帶淡出我們的視野也已約20年,但它仍在很多我們看不見細分領域得以應用。 

就拿網路行業來說,由於磁片讀寫依靠電磁感應,且儲存無需通電,天生處於網路離線狀態,這使得該介質安全性高,斷電也無所謂,常備用於備份資料,包括Google及微軟Azure。 

2011年,Google一個軟體更新意外導致Gmail中4萬個帳戶電子郵件被刪除,所幸的是,他們使用了磁帶備份,這些資料得以恢復。

利用鍶鐵氧體磁性粒子,現在一捲磁帶可以儲存580 TB的資料

也有諮詢機構建議大型公司考慮將部分資料轉移到磁帶上儲存,存放時間可達30年。

現代磁帶庫。圖片來源:spectrum.ieee.org

磁帶另一大好處是耐操不易損壞,一捲磁帶從高處落下不太會影響其資料儲存,相比之下,硬碟等介質的環境適應性較差。 

油氣地震等野外勘探領域中,還有相當數量的資料被存在磁帶上,再運回資料中心處理分析。相應地,不少細分領域IT工程師仍在做磁帶資源管理系統開發。

圖片來源:IBM

有需求自然有供給,IBM、索尼、富士軟片、昆騰等技術公司支撐了磁帶這些年來發展與產品推廣。 

即使近些年,磁帶容量仍以大約每年33%速度增長,大約兩到三年翻一倍,業內也有人將其稱為磁帶摩爾定律,背後都是這些公司在發力。 

當然,藍色巨人IBM在其中扮演了突出角色。 

90年代後期,IBM就和惠普及資料儲存公司希捷成立了LTO聯盟,推出了一種更開放的格式,打開終端市場。

利用鍶鐵氧體磁性粒子,現在一捲磁帶可以儲存580 TB的資料

2015年他們又與富士軟片合作,使用超小鋇鐵氧體顆粒,實現了商業產品12倍的資訊密度儲存紀錄。 

2018年在和索尼合作中,他們將倍數擴大到20倍。 

發展至今,在IBM最新LTO-9格式磁帶上,其原始儲存量已可達18TB。 

這些升級一方面來自於磁性材料升級,也源於讀寫軌道增加,磁帶盒內及讀取設備的結構升級及控制精度最佳化。

圖片來源:IBM

磁帶雖說仍在發展,且單位GB的儲存成本更低,但我們普通人目前還用不到。 

其原因主要在於讀取寫入設備過於昂貴,而且單捲磁帶仍是線性讀寫方式,其資料傳輸速度相對較低,對大眾來說,還是機械硬碟等存放裝置更合適。

IBM 磁帶驅動設備 

 

資料來源:

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