Магнитные ленточные накопители: принцип работы и применение.

Введение

Устройство хранения данных

Ленточный накопитель – это устройство хранения данных, которое считывает и записывает данные на магнитную ленту. Хранение данных на магнитной ленте обычно используется для автономного, архивного хранения данных. Носители на магнитной ленте, как правило, имеют выгодную стоимость за единицу и длительную архивную стабильность. Ленточный накопитель обеспечивает последовательный доступ к данным, в отличие от жесткого диска, который обеспечивает прямой доступ к данным. Жесткий диск может переместиться в любую позицию на диске за несколько миллисекунд, но ленточному накопителю необходимо физически перемотать ленту между катушками, чтобы прочитать конкретный фрагмент данных. В результате, ленточные накопители имеют очень большое среднее время доступа. Однако ленточные накопители могут очень быстро передавать данные с ленты, когда достигнута требуемая позиция. Например, по состоянию на 2017 год Linear Tape Open (LTO) поддерживает непрерывную скорость передачи данных до 360 МБ/с, что сопоставимо со скоростью жестких дисков.

Дизайн

Магнитные ленточные накопители с емкостью менее одного мегабайта впервые использовались для хранения данных на больших ЭВМ в 1950-х годах. По состоянию на 2018 год были доступны накопители емкостью 20 терабайт и более несжатых данных на картридж. В ранних компьютерных системах магнитная лента служила основным носителем информации, поскольку, хотя сами накопители были дорогими, ленты стоили недорого. Некоторые компьютерные системы запускали операционную систему с ленточных накопителей, таких как DECtape. DECtape имела блоки фиксированного размера с индексацией, которые можно было перезаписывать, не затрагивая другие блоки, поэтому DECtape можно было использовать как медленный дисковод. Ленточные накопители данных могут использовать передовые методы обеспечения целостности данных, такие как многоуровневая коррекция ошибок, черепичная запись и линейная змеевидная компоновка для записи данных на ленту. Ленточные накопители можно подключать к компьютеру через интерфейсы SCSI, Fibre Channel, SATA, USB, FireWire, FICON или другие. Ленточные накопители используются с автозагрузчиками и библиотеками лент, которые автоматически загружают, выгружают и хранят несколько лент, увеличивая объем хранимых данных без ручного вмешательства. В первые дни домашнего компьютинга дискеты и жесткие диски были очень дорогими. Многие компьютеры имели интерфейс для хранения данных через магнитофон, обычно на компакт-кассетах. Простые специализированные ленточные накопители, такие как профессиональный DECtape и домашние ZX Microdrive и Rotronics Wafadrive, также были разработаны для недорогого хранения данных. Однако снижение цен на дисководы сделало такие альтернативы устаревшими.

Сжатие данных

Поскольку некоторые данные можно сжать до размера, меньшего, чем исходные файлы, при рекламе магнитных ленточных накопителей стало обычной практикой указывать емкость, исходя из предположения о коэффициенте сжатия 2:1; таким образом, лента емкостью 80 ГБ может продаваться как "80/160". Фактическая емкость хранения также известна как нативная или необработанная емкость. Реально достижимый коэффициент сжатия зависит от сжимаемых данных. Некоторые данные обладают небольшим избыточностью; например, большие видеофайлы уже сжаты и не подлежат дальнейшему сжатию. С другой стороны, база данных с повторяющимися записями может обеспечивать коэффициент сжатия лучше, чем 10:1.

Технические ограничения

Неблагоприятный эффект, известный как "эффект полировки обуви" (или "шлифовка"), возникает во время чтения/записи, если скорость передачи данных падает ниже минимального порога, при котором головки ленточного привода были рассчитаны на передачу данных на ленту или с ленты в непрерывном режиме. В этой ситуации современный быстродействующий ленточный привод не может мгновенно остановить ленту. Вместо этого, привод должен замедлить и остановить ленту, немного перемотать ее назад, перезапустить, вернуть в точку, где прервался поток данных, и затем возобновить операцию. Если это состояние повторяется, результирующее движение ленты вперед и назад напоминает полировку обуви тканью. "Эффект полировки обуви" снижает достижимую скорость передачи данных, срок службы привода и ленты, а также емкость ленты. В ранних ленточных приводах прерывистая передача данных была нормальной и неизбежной. Вычислительная мощность и доступная память обычно были недостаточны для обеспечения постоянного потока данных, поэтому ленточные приводы обычно проектировались для работы с началом-остановкой. Ранние приводы использовали очень большие катушки, которые неизбежно обладали высокой инерцией и не могли легко начинать и останавливать движение. Для обеспечения высокой производительности при старте, остановке и поиске, несколько футов свободной ленты разматывались и притягивались всасывающим вентилятором вниз в два глубоких открытых канала по обе стороны от головки ленты и направляющих роликов. Длинные тонкие петли ленты, висящие в этих вакуумных каналах, имели гораздо меньшую инерцию, чем две катушки, и могли быстро запускаться, останавливаться и перепозиционироваться. Большие катушки перемещались по мере необходимости, чтобы поддерживать свободную ленту в вакуумных каналах. Позже, в большинстве ленточных приводов 1980-х годов, было введено использование внутреннего буфера данных для частичного снижения количества остановок и запусков. Эти приводы часто называют ленточными стримерами. Лента останавливалась только тогда, когда буфер не содержал данных для записи или был полон данных во время чтения. С появлением более быстрых ленточных приводов, несмотря на наличие буфера, приводы стали страдать от последовательности остановки, перемотки и запуска, известной как "эффект полировки обуви". Некоторые новые приводы имеют несколько скоростей и реализуют алгоритмы, которые динамически подстраивают скорость ленты под скорость передачи данных компьютера. Примерами уровней скорости могут быть 50 процентов, 75 процентов и 100 процентов от максимальной скорости. Компьютер, передающий данные медленнее, чем самый низкий уровень скорости (например, на 49 процентов), все равно будет вызывать "эффект полировки обуви".

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

Магнитная лента обычно помещается в корпус, известный как кассета или картридж, например, 4-трековый картридж и компакт-кассета. Кассета содержит магнитную ленту, позволяющую воспроизводить различный аудиоконтент на одном и том же проигрывателе. Внешняя оболочка, изготовленная из пластика, иногда с металлическими пластинами и деталями, облегчает обращение с хрупкой лентой, делая её гораздо более удобной и надежной, чем работа с открытыми катушками ленты. Простые аналоговые магнитофоны на кассетах широко использовались для хранения и распространения данных на домашних компьютерах, когда дисководы были очень дорогими. Commodore Datasette представляла собой специализированное устройство для работы с данными, использующее тот же носитель.

История

Год Производитель Модель Емкость Достижения1951Remington RandUNISERVO224 КБПервый компьютерный магнитофон, использовал 1/2" никелированную фосфорную бронзовую ленту1952IBM726Использование пластиковой ленты (ацетат целлюлозы); 7-дорожечная лента, способная хранить каждый 6-битный байт плюс бит четности1958IBM729Раздельные головки чтения/записи, обеспечивающие прозрачную проверку записи после записи.1964IBM24009-дорожечная лента, способная хранить каждый 8-битный байт плюс бит четности1970-еIBM3400Автоматическая загрузка ленточных катушек и накопителей, исключающая ручную намотку лентыГрупповое кодирование для восстановления после ошибок1972 3M Quarter Inch Cartridge (QIC 11) 20 МБЛенточный картридж (с двумя катушками)Линейная змеевидная запись1974IBM3850Ленточный картридж (с одной катушкой)Первая ленточная библиотека с роботизированным доступом1975 (разные)Стандарт Kansas City Использование стандартных аудиокассет1977Commodore InternationalCommodore Datasette1978KB1980Cipher(F880?)Буфер оперативной памяти для маскировки задержек запуска и остановки1984IBM3480200 МБВнутренняя принимающая катушка с автоматическим механизмом намотки ленты. Тонкопленочная магниторезистивная (MR) головка1984DECTK5094 МБЛинейная цифровая лента (DLT)1986IBM3480400 МБАппаратное сжатие данных (алгоритм IDRC)1987Exabyte/SonyEXB 82002,4 ГБПервый цифровой ленточный накопитель на геликоидной записиОтсутствие направляющей роликовой системы1993DECTx87Каталог ленты (база данных с номером первой метки на каждом проходе змеиной траектории)1995IBM3570Серводорожки – заводские дорожки для точного позиционирования головки (Time Based Servoing или TBS)Лента при выгрузке перемотана до середины – уменьшение времени доступа вдвое (требуется кассета с двумя катушками)1996HPDDS312 ГБМетод чтения с максимальным правдоподобием по частичной реакции (PRML) – отсутствие фиксированных порогов1997IBMVTSВиртуальная лента – дисковый кэш, эмулирующий ленточный накопитель2000Linear Tape OpenLTO 1100 ГБ2003IBM3592300 ГБВиртуальный возврат2003Linear Tape OpenLTO 2200 ГБ2003SonySAIT 1500 ГБКартридж с одной катушкой для геликоидной записи2005IBMTS1120700 ГБ2005Linear Tape OpenLTO 3400 ГБ2006StorageTekT10000500 ГБНесколько голов и сервоприводов на накопитель2007Linear Tape OpenLTO 4800 ГБ2008IBMTS11301 ТБИнтегрированная в накопитель функция шифрования2008StorageTekT10000B1 ТБ2010Linear Tape OpenLTO 5 1,5 ТБФайловая система линейной ленты (LTFS), позволяющая получать доступ к файлам на ленте непосредственно в файловой системе (аналогично дисковым файловым системам) без дополнительной базы данных ленточной библиотеки2011IBMTS11404 ТБПоддержка файловой системы линейной ленты (LTFS)2011StorageTekT10000C5 ТБПоддержка файловой системы линейной ленты (LTFS)2012Linear Tape OpenLTO 62,5 ТБ2013StorageTekT10000D8,5 ТБ2014IBMTS115010 ТБ2015Linear Tape OpenLTO 76 ТБ2017IBMTS115515 ТБ2017Linear Tape OpenLTO 812 ТБ2018IBMTS116020 ТБ2021Linear 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

Пропускная способность

Производители часто указывают емкость лент, используя методы сжатия данных; степень сжимаемости варьируется для разных типов данных (обычно от 2:1 до 8:1), и заявленная емкость может быть недостижима для некоторых видов реальных данных. По состоянию на 2014 год продолжалась разработка накопителей на лентах с большей емкостью. В 2011 году компании Fujifilm и IBM объявили, что им удалось записать 29,5 миллиардов бит на квадратный дюйм с использованием магнитной ленты, разработанной с применением частиц бариевого феррита (BaFe) и нанотехнологий, что позволило создать накопители с фактической (несжатой) емкостью ленты 35 ТБ. Ожидалось, что технология станет коммерчески доступной не ранее чем через десять лет. В 2014 году компании Sony и IBM объявили, что им удалось записать 148 миллиардов бит на квадратный дюйм с использованием магнитной ленты, разработанной с применением новой технологии вакуумного нанесения тонких пленок, способной формировать чрезвычайно мелкие кристаллические частицы, что позволило достичь фактической емкости ленты 185 ТБ. 15 декабря 2020 года компании Fujifilm и IBM объявили о технологии стронциевого феррита (SrFe), теоретически способной хранить 580 ТБ на одну кассету.