Por que o futuro do armazenamento de dados ainda é fita magnética

Os discos rígidos estão se aproximando dos limites de seu desenvolvimento, e o filme só melhora com o tempo.



As instituições financeiras obrigam as empresas a armazenar mais dados e um período mais longo. A quantidade de dados que devem ser armazenados aumenta de 30 a 40% a cada ano em comparação com o ano anterior. A capacidade dos discos rígidos também está crescendo, mas pela metade da taxa. Felizmente, todas essas informações não requerem acesso instantâneo, portanto, o filme é uma excelente solução para o problema.

Em geral, muitas informações no mundo são armazenadas em fita: dados científicos sobre física de partículas, dados astronômicos, arquivos nacionais, patrimônio cultural, a maioria dos filmes , dados bancários e assim por diante. Existem profissionais (especialistas em materiais, engenheiros, físicos) cujo trabalho é melhorar os métodos de armazenamento de dados em filme.

Ao longo das décadas, o filme evoluiu não menos do que discos rígidos ou transistores. O primeiro filme para armazenar informações em formato digital - o modelo IBM 726 - pode armazenar 1,1 MB por bobina. Hoje, 1 bobina é capaz de armazenar 15 terabytes de dados e um armazenamento de filme robótico é de 278 petabytes.

Obviamente, o filme não permite a leitura de informações tão rápido quanto os discos rígidos ou a memória semicondutora. Mas ela tem suas próprias vantagens. O filme economiza energia: se os dados já foram gravados, o filme não precisa de energia para armazená-lo. O filme é confiável: a probabilidade de erros ao escrever ou ler é de 4-5 ordens de magnitude inferior à dos discos rígidos. O filme é seguro: ao contrário dos discos, que geralmente são conectados permanentemente a um computador, os cartuchos com bobinas podem ser armazenados sem conexão com dispositivos, o que protege os dados do filme de serem lidos ou modificados por intrusos ou de erros devido a fatores humanos.

Em 2011, devido a um erro no software nos servidores do Google, ele excluiu acidentalmente e-mails em 40.000 caixas de correio. A exclusão ocorreu em todos os backups em discos rígidos, porque uma operação incorreta passou por eles em uma cadeia, mas as cartas foram recuperadas da fita. Após esse incidente, pela primeira vez, soube-se que o Google faz backups em fita e, em seguida, a Microsoft confirmou que seu serviço de nuvem Azure usa equipamento de filme IBM .


A fita magnética foi usada pela primeira vez para gravar dados do computador Univac em 1951.

O armazenamento de dados em filme é 6 vezes mais barato que em discos rígidos, por isso é usado em todos os lugares quando se trata de grandes quantidades de informação. Como o filme quase desapareceu do mercado consumidor, a maioria não sabe com que rapidez está se desenvolvendo e se desenvolverá no futuro próximo.

O filme sobreviveu porque é insignificante e mais barato ao longo do tempo. Podemos assumir que, como a compactação da gravação de dados em discos rígidos desaparece, o mesmo se aplica ao filme, porque utiliza aproximadamente a mesma tecnologia (somente a mais antiga). É como "Lei de Moore", mas para um filme magnético. Mas não é assim: ao longo dos anos, a taxa de compactação das gravações em filme não diminui, mas permanece em torno de 33% ao ano. Ou seja, a duplicação da quantidade de dados gravados no filme ocorre aproximadamente a cada 2-3 anos.

Fisicamente, a tecnologia para gravação em discos rígidos e filmes é a mesma: os dados são gravados em uma superfície magnetizada em faixas estreitas, nas quais a polaridade é alterada. As informações são gravadas em uma sequência de bits. Desde o advento dos filmes e discos rígidos nos anos 50, os fabricantes de ambos têm se esforçado para obter maior densidade, velocidade e baixo custo, de modo que o custo do armazenamento em dólares por gigabyte diminuiu em ordens de magnitude. É pelo fato de eles estarem tentando reduzir o custo de produção que a densidade de gravação por milímetro quadrado aumenta.

Quanto mais financiamento para pesquisa e desenvolvimento é recebido pelas empresas que produzem mídia magnética, obviamente, mais esses meios avançam. Agora, nos discos rígidos mais avançados, você pode gravar 100 vezes mais informações do que na mesma área de filme. Porém, como há muito mais dessa área no filme no rolo, são colocados até 15 TB de dados nele, o que é mais do que em qualquer disco existente no mercado. Ao mesmo tempo, as dimensões do cartucho com o rolo de filme e o disco rígido são aproximadamente as mesmas.


Dentro e fora: Um cartucho moderno contém uma bobina. Após a instalação do cartucho, o filme é alimentado automaticamente para um leitor ou gravador.

Além da capacidade, o filme e os discos rígidos têm outra diferença: a velocidade do acesso aos dados. Nas bobinas existem fitas magnéticas de várias centenas de metros, o tempo médio de acesso aos dados é de 50 a 60 segundos. Para discos rígidos, esse tempo é de 5 a 10 milissegundos. No entanto, a velocidade de gravação na fita é duas vezes maior.

Nos últimos anos, o ritmo de compactação da gravação em discos diminuiu de 40% para 15% ao ano. O motivo é a física fundamental. Para gravar mais dados na mesma área, você precisa reduzir a área para gravar cada bit. Como resultado, isso reduz a força do sinal durante a leitura dos dados. Se a intensidade do sinal for reduzida demais, ela poderá se misturar com o ruído magnético dos grânulos magnéticos vizinhos que cobrem a superfície do disco. O ruído pode ser reduzido, tornando os grânulos menores. Mas então o grânulo já será tão pequeno que dificilmente conseguirá manter de forma estável seu estado de magnetização. O menor tamanho de grânulo adequado para gravação magnética já foi alcançado; no campo profissional, é chamado limite supermagnético .

Até recentemente, a conquista desse limite permanecia invisível para os consumidores, porque os fabricantes adicionavam discos e cabeças adicionais para escrever e ler no interior do contêiner, tornando o disco rígido do mesmo tamanho, mas maior. No entanto, agora já é difícil adicionar mais discos dentro do contêiner, preservando seu tamanho, para que o limite se torne mais visível.

Existem métodos alternativos de gravação em uma superfície magnética que teoricamente podem superar o limite supermagnético. Esta gravação, acompanhada de aquecimento dos grânulos , e gravação de microondas . Mas é difícil nos aspectos de engenharia e financeiro. A Western Digital anunciou um disco rígido com um método de gravação por microondas, que planeja lançar em 2019 . Espera-se que essa inovação mantenha uma taxa de compactação recorde de cerca de 15% ao ano.

Ao mesmo tempo, o armazenamento do filme ainda está longe de atingir o limite super-magnético; portanto, o filme pode evoluir por décadas sem repousar na sua "lei de Moore" e nas limitações da física fundamental.

O filme tem uma natureza astuta. Trocar cartuchos com bobinas em equipamentos de gravação, material de polímero fino, gravação paralela em 32 faixas - tudo isso cria dificuldades no design deste suporte de informações.

Em 2015, a IBM, em colaboração com a FujiFilm Corporation , descobriu que, ao gravar usando partículas magnéticas de ferrite de bário ultra-pequenas, perpendiculares à superfície do filme , é possível obter uma densidade 12 vezes maior do que outras tecnologias. E em 2017, em colaboração com a Sony, foi possível atingir uma densidade 20 vezes maior que as unidades de fita mais modernas. No futuro, as empresas de cinema, por exemplo, permitirão armazenar todo o material de um filme de alto orçamento em apenas um rolo, em vez de uma dúzia.


Inundação de dados: os modernos armazenamentos de filmes contêm centenas de petabytes de dados, e o modelo 726 da IBM, lançado em 1952, só podia armazenar alguns megabytes.

Para alcançar esse progresso, os engenheiros adaptaram as cabeças para leitura e escrita para se moverem por trilhas extremamente estreitas no filme - com cerca de 100 nanômetros de largura. Além disso, era necessário tornar as cabeças de leitura mais estreitas - cerca de 50 nanômetros de largura. Ao ler, o nível de sinal para ruído também diminuiu, então tive que manipular o tamanho e a posição dos grânulos magnetizados e a suavidade da superfície do filme, além de melhorar o processamento do sinal e os erros de leitura.

Para garantir a confiabilidade dos dados gravados por décadas, os engenheiros desenvolveram novas cabeças de gravação que produzem campos magnéticos muito mais fortes do que os convencionais.

Combinando todos esses desenvolvimentos, os engenheiros da IBM conseguiram atingir uma densidade de gravação de 818.000 bits por polegada linear (essa medição de densidade se desenvolveu historicamente). A nova tecnologia permitiu que 246.200 faixas de gravação se ajustassem a uma polegada e forneceu espaço para 201 gigabits por polegada quadrada. Um cartucho com 1140 metros de filme por bobina pode armazenar 330 terabytes de informação. Isso pode ser comparado a um carrinho inteiro de discos rígidos.

Um consórcio da indústria de armazenamento , que inclui HP, IBM, Oracle, Quantum e vários grupos de pesquisa, lançou em 2015 um documento sobre os planos para o desenvolvimento do armazenamento de filmes. De acordo com a previsão do consórcio, em 2025 a densidade de gravação por polegada quadrada aumentará para 91 gigabytes e em 2028 para 200 gigabytes.

Os autores do documento estão interessados ​​profissionalmente em uma previsão tão otimista, mas é bastante realista. Os laboratórios da IBM dizem que 200 gigabytes por polegada quadrada é uma meta viável para a próxima década.

O filme é um veículo de informação, que a "Lei de Moore" pressionará por último. Portanto, os benefícios de armazenar dados em fita em comparação com os discos rígidos aumentarão nos próximos anos.

O autor do artigo, Mark Lanz, trabalha como gerente em um laboratório da IBM em Zurique e lida com problemas no armazenamento de dados em filme.

O artigo foi publicado originalmente na forma impressa sob o título "Armazenamento em fita monta um retorno" e, em seguida, publicado no site do IEEE Consortium . A tradução usa fotos do artigo original.