大数据分析和人工智能领域近年来的研究进展，为企业收集有关其业务每一个可衡量方面的信息创造了强大的动机，这应该不足为奇。而且，现在的金融监管条例要求各单位保留相关记录的时间也比过去要长得多。所以，各类公司和机构保存的信息都越来越多。
研究显示，被记录下来的数据在容量上正在以每年30%到40%的速度增长[1]。与此同时，用于存储数据的现代硬盘的容量增长速度还不到这一速度的一半。幸运的是，大部分信息并不需要即时访问。对于这类信息，磁带是完美的解决方案。
真的吗？磁带？这个想法可能会唤起对出现在像《电脑风云》（Desk Set）或《奇爱博士》（Dr. Strangelove）这样的老电影里的那种在大型主机旁断断续续地转动的盘式磁带的回忆。那么，让我们来做个快速的事实核查吧：磁带从未消失！
的确，世界上大部分数据仍然保留在磁带上，包括基础科学（如粒子物理学和射电天文学）、文化遗产和国家档案、电影、银行、保险、石油勘探及其他很多方面的数据等。甚至还有一群人（包括我在内，接受过材料科学、工程或物理学方面的专业训练），他们的工作就是不断改进磁带存储。
是的，磁带已存在很长时间了，但该技术尚未成为历史，而是恰恰相反。像硬盘和晶体管一样，磁带在过去几十年中取得了巨大进步。
第一个商用数字磁带存储系统是IBM推出的Model 726，它可以在一卷磁带上存储大约1.1兆字节数据。今天，一盒时新的磁带可容纳15TB数据。一个机械磁带库可容纳多达278PB的数据，如果是将这么多数据存储在光盘上，那么将需要3.97多亿张光盘（能将它们一张压一张地叠放起来的话，会形成一座高度超过476千米的高塔）。
确实，磁带不能提供如硬盘或半导体存储器那样快速的访问速度。不过，磁带的优势还是很多。首先，磁带存储更节能：一旦所有数据被记录了下来，磁带盒就会安静地呆在机械磁带库的插槽中，根本不消耗任何电量。磁带也非常可靠，错误率比硬盘低四到五个数量级。磁带还是非常安全的，具有内置的、动态加密以及由介质本身的性质所提供的额外安全性。毕竟，如果磁带没有安装在驱动器中，则无法访问或修改其上保存的数据。鉴于通过网络攻击导致的数据窃取在不断增长，这种“air gap”网闸尤其具有吸引力。
磁带的离线特性还为有缺陷的软件提供了额外的防线。例如，在2011年，Google的一次软件更新中，代码里的一个缺陷导致Google意外删除了大约40,000个Gmail帐户的电子邮件。尽管在多个数据中心的硬盘上存储了多个数据副本，但数据仍有所丢失。幸运的是，数据也记录在了磁带上，Google最终从磁带备份中恢复了所有丢失的数据。
2011年的Gmail事件是最早披露的云服务提供商使用磁带进行运营的案例之一。更近一些时候，微软宣布其Azure Archive Storage使用了IBM的磁带存储设备。
1951年：最早被用在计算机（Univac）上记录数据的磁带。照片来源：Bettmann / Getty Images
1952年：推出商用计算机磁带存储系统（IBM 726）。照片来源：IBM。
1964年：推出九轨磁带。照片来源：IBM。
1968年：推出自动穿带磁带机（IBM 2420）。照片来源：IBM。
1974年：最早的自动（机械）磁带库（IBM 3850）。照片来源：IBM。
1974年：最早的自动（机械）磁带库（IBM 3850）。照片来源：IBM。
1984年：推出薄膜磁头技术（IBM 3480）和4×5英寸磁带。照片来源：IBM。
1989年：推出数字化数据存储磁带（螺旋扫描磁带）。照片来源：Kadin2048 /Wikipedia。
1993年：推出数字线性磁带。照片来源：Christian Taube /Wikipedia。
2009年：IBM推出线性磁带文件系统。照片来源：IBM。
2009年： IBM推出线性磁带文件系统。图片来源：Hewlett Packard Enterprise / IBM / Quantum。
2017年：最新一代LTO（LTO-8）发布。照片来源：IBM。
尽管磁带有以上优点，公司使用磁带的主要原因通常还是出于经济上的考虑。磁带存储的成本是将相同数量的数据保存在磁盘上所需成本的六分之一，这就是为什么你几乎可以在任何存储大量数据的地方找到磁带系统的原因。但由于磁带现在已经完全从消费级产品中消失了，大多数人都不知道它的存在，也就更不知道磁带记录技术在近年来所取得的巨大进步以及在可预见的将来会继续取得的进步了。
所有这一切都是在说，磁带已经陪伴我们几十年，并会在未来几十年继续存在。我怎么能这么肯定？继续读下去，你就知道原因了。
磁带之所以能存活这么久，有一个根本原因：它很便宜。而且，它正在变得越来越便宜。但情况会一直如此吗?
你可能会认为，如果将更多数据塞进硬盘的能力正在减弱，那么对于使用相同的基本技术但更老的磁带来说也会是如此。令人惊讶的现实是，对于磁带而言，这种容量的扩大并没有显示出放缓的迹象。事实上，其存储容量应该能以每年约33％的历史增长速度继续增长多年，这意味着大约每两到三年磁带的存储容量就会翻一番。这可以看作是磁带的摩尔定律。
对于那些不得不在存储预算不高的情况下应对数据爆炸式增长问题的人来说，这是个好消息。要理解为什么磁带仍然具有比硬盘大的潜力，可以思考下磁带和硬盘的进化方式。
两者依赖于相同的基本物理机制来存储数字化的数据。它们以磁性材料薄膜中的窄轨道来实现存储，在薄膜中磁性在两种极性状态之间切换。信息被编码为一系列比特，由沿轨道分布的特定点处存在或不存在磁极转换来表示。自20世纪50年代推出磁带和硬盘以来，两者的制造商一直被“更密集、更快、更便宜”的口号所驱策。发展结果是两者的成本（以每千兆字节容量所需美元计）都已经降低了多个数量级。
磁性基板每平方毫米上可记录信息的密度指数式增长，这导致了硬盘和磁带成本的降低。面密度（areal density）是沿数据轨道的记录密度和垂直方向上的轨道密度的乘积。
在早期阶段，磁带和硬盘的面密度相似。但是，更大的市场规模和来自硬盘销售的收入为更大规模的研发工作提供了资金，这使得硬盘的制造商能够更积极地提高硬盘的面密度。结果是，高容量硬盘目前的面密度大约是最新的磁带的100倍。
尽管如此，由于磁带具有更大的可用于记录的表面积，最先进的磁带系统里的一盒本机磁带可容纳高达15TB的数据——超过了市场上容量最大的硬盘的容量。尽管两种设备占用的空间差不多，但事实的确如此。
照片来源：Victor Prado
内部和外部：一种时新的使用线性磁带开放技术（LTO）的盒式磁带，它只包含一个卷轴，将它插入磁带系统后，磁带会自动卷到传动装置内置的卷轴上。
当然，除容量外，磁带和硬盘的性能特征是非常不同的。盒式磁带中带子的长度通常为数百米，导致平均数据访问时间为50到60秒，而硬盘的平均数据访问时间仅为5到10毫秒。但是，令人惊讶的是，将数据写入磁带的速率是写入磁盘速度的两倍多。
在过去几年中，硬盘上数据的面密度增速已从其历史平均值的每年约40％放缓到10％至15％之间。原因与一些基本物理事实有关：要在给定面积中记录更多数据，就需要为每个比特分配一个更小的区域。这反过来会减弱读取这个比特时可以得到的信号的强度。如果信号在强度上降低过多，它就会消失在硬盘上涂有的磁性颗粒因其颗粒特性而产生的噪音之中。
通过使这些颗粒变小，可以减少背景噪音。但是很难将磁性颗粒缩小到一定的尺寸而不会损害它们以稳定的方式保持磁性状态的能力。在这个行业中，用于磁记录的最小可行尺寸被称为超顺磁极限。而硬盘制造商已经抵达了这个极限尺寸。
直到最近，这种容量增速的放缓对消费者来说都并不明显，因为硬盘制造商能够通过在每个硬盘中添加更多的磁头和盘片来进行补偿，从而在相同尺寸的包装中实现更高的存储容量。但现在，可用的空间和增加更多磁头和盘片的成本都限制了硬盘制造商所能获得的收益。增速放缓开始变得明显。
一些正在研发的技术可以使硬盘突破现今的超顺磁极限的限制。这些技术包括热辅助磁记录技术（HAMR）和微波辅助磁记录技术（MAMR），它们允许使用更小的颗粒，从而使磁盘的更小区域被磁化成为可能。但这些方法增加了成本并带来了棘手的工程挑战。根据制造商的说法，即使这些技术研发成功了，它们能提供的容量增长可能也是有限的。例如，最近宣布将在2019年开始出货MAMR硬盘的西部数据公司预计说，MAMR技术只能使硬盘的面密度每年增加约15％。
相比之下，磁带存储设备目前使用的面密度还远在超顺磁极限之下。因此，磁带的摩尔定律还可以持续十年或更长时间，而不会遇到这些基础物理层面的障碍。
然而，磁带也是一种棘手的技术。它的可拆卸性、使用薄的聚合物基板而不是刚性基片以及同时在多达32个平行轨道上记录，为设计人员带来了很大障碍。这就是我在IBM苏黎世研究实验室的研究团队一直努力寻找能使磁带容量持续扩展的方法（要么适应性采用磁盘技术，要么发明全新的方法）的原因。
2015年，我们和富士胶片株式会社的合作伙伴一起展示了通过使用垂直于磁带的超小钡铁氧体颗粒，可以使磁带的数据记录密度达到目前的商用技术可实现的密度的12倍以上。最近，我们与索尼存储介质解决方案公司合作展示了以大约20倍于目前最先进磁带的面密度来记录数据是可能的。如果能将这项技术商业化，那么现在可能需要一打盒式磁带来存档其所有数字材料的一部大制作电视节目，将来只用一盒磁带就能存得下来。
照片来源：David Parker/Science Source; 版权所有： IBM。
数据洪流：现代磁带库可容纳数百PB，而1952年推出的IBM 726（下图）仅能存储几兆字节。
我们在技术上取得了很多进步，才实现了这样规模的存储容量。首先，我们提高了读写磁头沿着磁带上的细长磁道移动的能力。在我们最新的演示中，磁道宽度只有100纳米左右。
我们还不得不减小数据读取器——用于读取记录数据的磁道的磁阻传感器——的宽度，使从其当前的微米尺寸缩小到了小于50纳米的程度。结果是，我们用这么小的读取器获取到的信号非常嘈杂。我们通过提高介质本身的信噪比（它是磁性颗粒的尺寸和方向以及它们的成分、磁带表面的平滑度和光滑度的函数）来补偿。为了进一步解决这个问题，我们改进了设备所采用的信号处理和纠错方案。
为了确保我们的新原型介质能够将数据保存数十年，我们改变了记录层中的磁性颗粒的性质以使其更加稳定。但是，这一改变使得记录数据变得更加困难，以至于普通的磁带传感器无法可靠地将数据写入新介质。为此，我们使用了一种能产生比传统磁头强得多的磁场的特殊写磁头。
结合使用这些技术，我们能够在我们的实验室系统中以每英寸818,000比特的线性密度读写数据（由于历史原因，世界各地的磁带工程师以英寸为单位衡量数据密度）。结合使用新技术可以处理的每英寸246,200个磁道，我们的原型装置达到了每平方英寸201千兆比特的面密度。假设一个磁带盒可以容纳1,140米长的磁带（鉴于我们所使用的新磁带介质厚度小于以前的，这是一个合理的假设），这一面密度对应于高达330 TB的单盒磁带容量。这意味着一盒磁带可以记录的数据与装满一辆手推车的硬盘所能容纳的一样多。
在2015年，信息存储产业联盟（一个由惠普、IBM、甲骨文、昆腾及若干学术研究团体共同成立的组织）发布了《国际磁带存储路线图》（International Magnetic Tape Storage），文中预测说，到2025年，磁带存储的面密度将达到每平方英寸91 Gb。根据这一趋势推断，到2028年，磁带存储的面密度将超过每平方英寸200 Gb。
该路线图的作者们都对磁带存储的未来感兴趣。但你不必担心他们过于乐观。我和我的同事们最近进行的实验室实验表明，每平方英寸200 Gb的面密度完全有可能实现。因此，在我看来，在未来至少十年内，磁带完全有把握保持过去的容量增速。
实际上，磁带可能属于最后一批仍然遵循摩尔定律的信息技术——至少在未来十年内，它仍能遵循这一定律。而这反过来只会增加磁带相对于硬盘和其他存储技术的成本优势。因此，即使你可能很少在黑白电影之外看到它，磁带在未来数年里依然会发挥重要作用。
本文刊登在2018年9月期印刷版的IEEE SPECTRUM上，标题为“Tape Storage Mounts a Comeback”
本文转自“IEEE电气电子工程师学会”。
本文作者Mark Lantz是IBM苏黎世研究实验室的先进磁带技术经理。
参考文献：
John Gantz, David Reinsel. The Digital Unviserse in 2020: Big Data, Bigger Digital Shadows, and Biggest Growth in the Far East – United States. Februry 2013. Available at
https://www.emc.com/collateral/analyst-reports/idc-digital-universe-united-states.pdf
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