Магниттік таспа құрылғысы және дерек сақтау

Кіріспе

Деректерді сақтау құрылғысы

Таспа жетегі – магниттік таспаға деректерді оқуға және жазуға арналған деректерді сақтау құрылғысы. Магниттік таспадағы деректерді сақтау көбінесе офлайн, архивтік деректерді сақтау үшін пайдаланылады. Таспалық медиа әдетте арзан бірлік құнына және ұзақ мерзімді сақталуға ие. Таспа жетегі қатты дискіге қарағанда, тікелей емес, реттік қол жеткізуді қамтамасыз етеді. Дискілік жетегі бірнеше миллисекунд ішінде дискідегі кез келген позицияға жылжуға мүмкін, ал таспа жетегі кез келген деректерді оқу үшін рулондар арасында таспаны физикалық түрде иіп өтуі керек. Осының салдарынан таспа жетегінде орташа қол жеткізу уақыты өте ұзақ болады. Дегенмен, таспа жетегі қажетті позицияға жеткеннен кейін таспадан деректерді өте жылдам жіберуге қабілетті. Мысалы, 2017 жылғы деректер бойынша Linear Tape Open (LTO) 360 МБ/с-қа дейін үздіксіз деректерді беру жылдамдығын қолдайды, бұл көрсеткіш қатты дискілерге ұқсас.

Дизайн

Бір мегабайттан аз сыйымдылығы бар магниттік таспалы дискілер 1950 жылдары алғаш рет негізгі компьютерлерде деректерді сақтау үшін қолданылды. 2018 жылға қарай, әрбір картридж үшін 20 терабайт немесе одан да көп сығылмаған деректер сыйымдылығы қолжетімді болды. Ерте компьютерлік жүйелерде магниттік таспа негізгі сақтау ортасы ретінде пайдаланылды, себебі дискілер қымбат болса да, таспалар арзан болды. Кейбір компьютерлер операциялық жүйені DECtape сияқты таспа дисктерінде іске қосты. DECtape-те басқа блоктарға зиян келтірмей қайта жазуға болатын, белгілі бір өлшемдегі индекстелген блоктар болды, сондықтан DECtape баяу дискілік дискідей қолданылуы мүмкін. Деректер таспасы дисктері деректерді таспаға жазу үшін көп деңгейлі алдыңғы қателерді түзету, шенглинг және сызықтық серпентин орналасуы сияқты жетілдірілген деректердің сақталуын қамтамасыз ету әдістерін пайдалануы мүмкін. Таспа дисктерін SCSI, Fibre Channel, SATA, USB, FireWire, FICON немесе басқа интерфейстер арқылы компьютерге қосуға болады. Таспа дисктері автоматты жүктеу құрылғыларымен және бірнеше таспаларды автоматты түрде жүктейтін, түсіретін және сақтайтын таспа кітапханаларымен қолданылады, бұл қолмен араласусыз сақталатын деректер көлемін арттырады. Үйдегі компьютерлердің алғашқы күндерінде дискеталар мен қатты дискілер өте қымбат болды. Көптеген компьютерлерде аудиотаспа арқылы, әдетте компакт-кассеталарда, деректерді сақтауға мүмкіндік беретін интерфейс болды. Кәсіби DECtape және үйдегі ZX Microdrive және Rotronics Wafadrive сияқты қарапайым, арнайы таспа дисктері де арзан деректерді сақтау үшін жасалған. Алайда, дискілердің бағасының төмендеуі осындай баламаларды қолданудан шығарды.

Деректерді сығыстыру

Кейбір деректер бастапқы файлдардан кішірек көлемге сығылуы мүмкін болғандықтан, таспа дисктерін сату кезінде 2:1 сығылу коэффициентін ескере отырып сыйымдылықты көрсету кең таралған. Осылайша, 80 ГБ сыйымдылығы бар таспа "80/160" деп сатылуы мүмкін. Нақты сақтау сыйымдылығы – өзіндік немесе шикі сыйымдылық деп те аталады. Қол жеткізілетін сығылу коэффициенті сығылатын деректерге байланысты. Кейбір деректерде қайталану аз болады; мысалы, үлкен бейне файлдары бұрыннан сығылғандықтан, оларды одан әрі сығу мүмкін емес. Ал, қайталама жазбалары бар деректер базасы 10:1-ден де жоғары сығылу коэффициенттерін қамтамасыз ете алады.

Техникалық шектеулер

Оқу/жазу кезінде деректерді беру жылдамдығы таспалық жеккенің деректерді үздіксіз қозғалатын таспаға немесе одан беруге арналған ең төменгі шектен төмен түссе, «туфліні шағылыстыру» деп аталатын зиянды әсер пайда болады. Мұндай жағдайда, қазіргі заманғы жылдам таспалық жеккен таспаны дереу тоқтата алмайды. Оның орнына, жеккен жылдамдықты төмендетіп, таспаны тоқтатуы, оны қысқа қашықтыққа кері орауы, қайта іске қосып, ағын тоқтаған жерге қайта орналастырып, содан кейін операцияны жалғастыруы керек. Егер бұл жағдай қайталаса, таспаның алға-артқа қозғалысы туфліні матамен жылтыратуға ұқсайды. Туфліні шағылыстыру деректерді берудің қолжетімді жылдамдығын, жеккеннің және таспаның қызмет ету мерзімін, сондай-ақ таспаның сыйымдылығын төмендетеді. Ескі таспалық жеккендерде үздіксіз емес деректер беру қалыпты жағдай еді және одан қашу мүмкін емес еді. Компьютерлік өңдеу қуаты мен қол жетімді жад тұрақты ағынды қамтамасыз етуге жеткіліксіз болғандықтан, таспалық жеккендер көбінесе іске қосып-тоқтату режимінде жұмыс істеу үшін жасалған. Ескі жеккендер өте үлкен катушкаларды пайдаланған, олардың инерциясы жоғары болғандықтан, жылдам қозғалуы және тоқтауы қиын болған. Жылдам іске қосу, тоқтату және іздеу үшін бірнеше метр бос таспа ойнатылып, сору желдеткішімен таспалық жеккеннің басы мен катушкалардың екі жағындағы екі терең ашық каналға тартылатын. Бұл вакуумдық каналдардағы таспаның ұзын, жіңішке тізбектері екі катушкаға қарағанда әлдеқайда аз инерцияға ие болғандықтан, оларды жылдам іске қосуға, тоқтатуға және қайта орналастыруға болады. Үлкен катушкалар вакуумдық каналдардағы бос таспаны ұстау үшін қажет болған жағдайда қозғалатын. Кейіннен, 1980-ші жылдардың көптеген таспалық жеккендері ішкі деректер буферін пайдалана бастады, бұл іске қосып-тоқтату жағдайларын азайтуға көмектесті. Бұл жеккендер көбінесе таспалық стримерлер деп аталады. Таспа тек буферде жазуға дерек болмағанда немесе оқу кезінде буфер толып кеткенде тоқтатылатын. Жылдам таспалық жеккендер пайда болған сайын, буферлеуге қарамастан, жеккендер туфліні шағылыстыру тізбегінен – тоқтату, кері орау, іске қосудан зардап көре бастады. Кейбір жаңа жеккендер бірнеше жылдамдыққа ие және таспа жылдамдығын компьютердің дерек беру жылдамдығына динамикалық түрде бейімдейтін алгоритмдерді қолданады. Мысалы, жылдамдық деңгейлері 50%, 75% және 100% толық жылдамдық болуы мүмкін. Компьютер ең төменгі жылдамдық деңгейінен (мысалы, 49%) баяу деректерді жіберсе, туфліні шағылыстыру әлі де пайда болады.

A disadvantageous effect termed shoe shining occurs during read/write if the data transfer rate falls below the minimum threshold at which the tape drive heads were designed to transfer data to or from a continuously running tape. In this situation, the modern fast running tape drive is unable to stop the tape instantly. Instead, the drive must decelerate and stop the tape, rewind it a short distance, restart it, position back to the point at which streaming stopped and then resume the operation. If the condition repeats, the resulting back and forth tape motion resembles that of shining shoes with a cloth. Shoe shining decreases the attainable data transfer rate, drive and tape life, and tape capacity. In early tape drives, non continuous data transfer was normal and unavoidable. Computer processing power and available memory were usually insufficient to provide a constant stream, so tape drives were typically designed for start stop operation. Early drives used very large spools, which necessarily had high inertia and did not start and stop moving easily. To provide high start, stop and seek performance, several feet of loose tape was played out and pulled by a suction fan down into two deep open channels on either side of the tape head and capstans. The long thin loops of tape hanging in these vacuum columns had far less inertia than the two reels and could be rapidly started, stopped and repositioned. The large reels would move as required to keep the slack tape in the vacuum columns. Later, most tape drives of the 1980s introduced the use of an internal data buffer to somewhat reduce start stop situations. These drives are often referred to as tape streamers. The tape was stopped only when the buffer contained no data to be written, or when it was full of data during reading. As faster tape drives became available, despite being buffered, the drives started to suffer from the shoe shining sequence of stop, rewind, start. Some newer drives have several speeds and implement algorithms that dynamically match the tape speed level to the computer's data rate. Example speed levels could be 50 percent, 75 percent and 100 percent of full speed. A computer that streams data slower than the lowest speed level (e. g., at 49 percent) will still cause shoe shining.

Медиа

Магниттік таспа көбінесе кассета немесе картридж деп аталатын корпуста сақталады, мысалы, 4 тректік картридж және компакт-кассета. Кассетада магниттік таспа болады, ол бір ойнатқыш арқылы әртүрлі аудио мазмұнын ұсынуға мүмкіндік береді. Пластмассадан жасалған сыртқы қабық, кейде металл пластиналар мен детальдармен, нәзік таспаны оңай пайдалануға және сақтауға мүмкіндік береді, бұл оны ашық таспаның түйіршіктеріне қарағанда әлдеқайда ыңғайлы және берік етеді. Флопи-дискілердің өте қымбат болған кезде, үй компьютерлерінде деректерді сақтау және тарату үшін қарапайым аналогтық кассеталық аудио тіркегіштер жиі қолданылды. Commodore Datasette – осы медианы пайдаланатын арнайы деректерге арналған құрылғы.

Тарих

Жыл Өндіруші Модель Сыйымдылығы Жаңарулар1951Remington RandUNISERVO224 КБ Бірінші компьютерлік таспа құрылғысы, 1/2 дюймдік никель қапталған фосфорлы мыс таспа қолданылды.1952IBM726 Пластикалық таспаны (целлюлоза ацетаты) қолдану; 7 жолға бөлінген таспа, әр 6 биттік байтты және бір теңгерім бітін сақтай алатын.1958IBM729 Жеке оқу/жазу бастары, жазудан кейін дереу оқуды қамтамасыз етеді.1964IBM2400 9 жолға бөлінген таспа, әр 8 биттік байтты және бір теңгерім бітін сақтай алатын.1970 жылдар IBM3400 Автоматты түрде таспа орамасын және құрылғыны жүктеу, қолмен таспаны орнату қажеттілігін жою. Қателерді қалпына келтіру үшін топтық кодтау.1972 3M Quarter Inch Cartridge (QIC 11) 20 МБ Таспа кассеті (екі орамасымен) Сызықты жылан тәрізді жазу.1974IBM3850 Таспа кассеті (бір орамасымен) Роботты қолжеткізуі бар алғашқы таспа кітапханасы.1975 (әртүрлі) Канзас-Сити стандарты. Стандартты аудио кассеттерді пайдалану.1977 Commodore International Commodore Datasette.1978 KB1980Cipher(F880?) Бастау-тоқтату кешігуін жасыру үшін RAM буфері.1984IBM3480200 МБ Ішкі жинағыш катушка, автоматты таспа жинау механизмімен. Жұқа пленкалық магниттік кедеріс (MR) басы.1984DECTK5094 МБ Цифрлік сызықтық таспа (DLT) өнімдерінің желісі.1986IBM3480400 МБ Аппараттық деректерді сығу (IDRC алгоритмі).1987Exabyte/SonyEXB 82002.4 ГБ Бірінші спиральдік цифрлік таспа құрылғысы. Капстан және қысқыш ролик жүйесін жою.1993DECTx87 Таспа каталогы (әр спиральдік өтудегі бірінші таңбалық нөмірмен дерекқор).1995IBM3570 Серво жолдары – бастың дәл позициялануы үшін зауытта жазылған жолдар (Уақытқа негізделген сервистің немесе TBS). Таспаны шығару кезінде ортаға дейін кері орау – қолжеткізу уақытын екі есеге азайту (екі орамалы кассетті қажет етеді).1996HPDDS312 ГБ Ішінара жауап максималды ықтималдық (PRML) оқу әдісі – бекітілген шегі жоқ.1997IBMVTS Виртуалды таспа – таспа құрылғысын имитациялайтын дискілік кэш.2000Linear Tape OpenLTO 1100 ГБ.2003IBM3592300 ГБ Виртуалды кері оралу.2003Linear Tape OpenLTO 2200 ГБ.2003SonySAIT 1500 ГБ Спиральдік жазуға арналған бір орамалы кассет.2005IBMTS1120700 ГБ.2005Linear Tape OpenLTO 3400 ГБ.2006StorageTekT10000500 ГБ Құрылғы басына бірнеше бастар және серволар.2007Linear Tape OpenLTO 4800 ГБ.2008IBMTS11301 ТБ Құрылғыға енгізілген шифрлау мүмкіндігі.2008StorageTekT10000B1 ТБ.2010Linear Tape OpenLTO 5 1.5 ТБ Таспадағы файлдарға тікелей файл жүйесі арқылы қол жеткізуге мүмкіндік беретін Сызықтық таспа файлдық жүйесі (LTFS) (дискілік файлдық жүйелерге ұқсас), қосымша таспа кітапханасы дерекқоры болмайды.2011IBMTS11404 ТБ LTFS қолдауы бар.2011StorageTekT10000C5 ТБ LTFS қолдауы бар.2012Linear Tape OpenLTO 62.5 ТБ.2013StorageTekT10000D8.5 ТБ.2014IBMTS115010 ТБ.2015Linear Tape OpenLTO 76 ТБ.2017IBMTS115515 ТБ.2017Linear Tape OpenLTO 812 ТБ.2018IBMTS116020 ТБ.2021Linear Tape OpenLTO 918 ТБ.

Year Manufacturer Model Capacity Advancements1951Remington RandUNISERVO224 KBFirst computer tape drive, used 1/2" nickel plated phosphor bronze tape1952IBM726Use of plastic tape (cellulose acetate);7 track tape that could store every 6 bit byte plus a parity bit1958IBM729Separate read/write heads providing transparent read after write verification.1964IBM24009 track tape that could store every 8 bit byte plus a parity bit1970sIBM3400Auto loading tape reels and drives, avoiding manual tape threadingGroup coded recording for error recovery1972 3M Quarter Inch Cartridge (QIC 11) 20 MB Tape cassette (with two reels)Linear serpentine recording1974IBM3850Tape cartridge (with single reel)First tape library with robotic access 1975 (various) Kansas City standard Use of standard audio cassettes 1977 Commodore International Commodore Datasette 1978 KB1980Cipher(F880? )RAM buffer to mask start stop delays1984IBM3480200 MBInternal takeup reel with automatic tape takeup mechanism. Thin film magnetoresistive (MR) head1984DECTK5094 MBDigital Linear Tape (DLT) line of products1986IBM3480400 MBHardware data compression (IDRC algorithm)1987Exabyte/SonyEXB 82002.4 GBFirst helical digital tape drive
Elimination of the capstan and pinch roller system1993DECTx87Tape directory (database with first tapemark nr on each serpentine pass)1995IBM3570Servo tracks factory recorded tracks for precise head positioning (Time Based Servoing or TBS)Tape on unload rewound to the midpoint—halving access time (requires two reel cassette)1996HPDDS312 GBPartial response maximum likelihood (PRML) reading method—no fixed thresholds1997IBMVTSVirtual tape—disk cache that emulates tape drive2000Linear Tape OpenLTO 1100 GB2003IBM3592300 GBVirtual backhitch2003Linear Tape OpenLTO 2200 GB2003SonySAIT 1500 GBSingle reel cartridge for helical recording2005IBMTS1120700 GB2005Linear Tape OpenLTO 3400 GB2006StorageTekT10000500 GBMultiple head assemblies and servos per drive2007Linear Tape OpenLTO 4800 GB2008IBMTS11301 TBEncryption capability integrated into the drive2008StorageTekT10000B1 TB2010Linear Tape OpenLTO 5 1.5 TBLinear Tape File System (LTFS), which allows accessing files on tape in the file system directly (similar to disk filesystems) without an additional tape library database2011IBMTS11404 TBLinear Tape File System (LTFS) supported2011StorageTekT10000C5 TBLinear Tape File System (LTFS) supported2012Linear Tape OpenLTO 62.5 TB2013StorageTekT10000D8.5 TB2014IBMTS115010 TB2015Linear Tape OpenLTO 76 TB2017IBMTS115515 TB2017Linear Tape OpenLTO 812 TB2018IBMTS116020 TB2021Linear Tape OpenLTO 918 TB

Қуаттылығы

Өндірушілер көбінесе таспалардың сыйымдылығын деректерді сығыстыру техникаларын қолдана отырып көрсетеді; деректердің қысылу деңгейі әртүрлі деректер үшін өзгеше (әдетте 2:1-ден 8:1-ге дейін), сондықтан көрсетілген сыйымдылықтың кейбір нақты дерек түрлері үшін қол жеткізілмеуі мүмкін. 2014 жылға дейін жоғары сыйымдылыққа ие таспа жетегі әлі де әзірленуде болды. 2011 жылы Fujifilm және IBM компаниялары барий ферриті (BaFe) бөлшектері мен нанотехнологияларды пайдаланып жасалған магниттік таспалармен шаршы дюймге 29,5 миллиард бит жазуға қол жеткізгендерін хабарлады, бұл 35 ТБ нақты (сығылмаған) сыйымдылыққа ие жетегіне мүмкіндік береді. Бұл технология кем дегенде он жыл бойы коммерциялық қолжетімді болмайды деп күтілді. 2014 жылы Sony және IBM компаниялары жаңа вакуумдық жұқа пленка жасау технологиясын қолдана отырып, шаршы дюймге 148 миллиард бит жазуға қол жеткізгендерін жариялады, бұл технология өте ұсақ кристалдық бөлшектерді құруға мүмкіндік береді, соның арқасында 185 ТБ нақты сыйымдылыққа қол жеткізіледі. 2020 жылдың 15 желтоқсанында Fujifilm және IBM компаниялары теориялық тұрғыдан бір таспа картриджінде 580 ТБ сақтауға қабілетті стронций ферриті (SrFe) технологиясын жариялады.