Super-AIT — прорыв в области наклонно-строчной записи

Александр Горловой
«Экспресс-Электроника», #10/2003

Несмотря на все многообразие, устройства записи-чтения магнитных лент делятся на два типа: с линейной записью и с наклонно-строчной. Первая технология (принцип магнитной записи с неподвижной головкой) была изобретена на рубеже 1870–1880 годов, а наклонно-строчная магнитная запись появилась лет на 60–70 позже. Появлением первой практической реализации (для видеозаписи) технологии магнитной записи блоком вращающихся головок при относительно небольшой линейной скорости движения ленты можно считать конец 50-х — начало 60-х годов прошлого столетия. Строго говоря, в то же время, и даже несколько раньше, появились первые видеомагнитофоны, где запись производилась неподвижной многоканальной головкой на быстро протягиваемую ленту (около 2 м/с). Некоторое время противостояние технологий продолжалось, но кто сейчас об этом вспомнит? Наклонно-строчная технология раз и навсегда вытеснила линейную из видеозаписи. Не наблюдаем ли мы сейчас повторение той же истории, но в новом качестве?

Мы уже привыкли, что любой товар преподносится с эпитетом «супер»: «суперчистящее, моющее, отбеливающее или красящее средство», «суперпылесос» или «суперхолодильник, телевизор» и т. д. С накопителями на магнитных лентах дело обстоит примерно так же. Если взять рекламный буклет любого ленточного устройства — можно прочитать, что это самое лучшее, надежное, емкое и высокоскоростное устройство. Но давайте попробуем разобраться, кто есть кто.

Цифровая наклонно-строчная запись появилась в 80-х годах прошлого столетия (Ampex D2). С того же времени и началось соперничество двух технологий. Поставки приводов DLT под маркой Quantum начались после1980 года (год основания компании Quantum). Сама же технология была предложена несколько раньше компанией DEC. Еще раньше линейная магнитная запись начала применяться в мейнфреймах в виде громоздких устройств с большими сменными катушками (например, советские ЭВМ ЕС). Эти устройства существовали еще в 1960-х годах.

В силу более раннего появления инсталляционная база устройств с линейной записью (DLT, SDLT, LTO, Travan, SLR/MLR и т. д.) значительно превосходит инсталляционную базу устройств с наклонно-строчной записью (8 мм — Eliant, Mammoth, VXA, AIT, 4 мм — DDS). Обе технологии имеют как достоинства, так и недостатки, а также сдерживающие факторы развития. Попробуем их сравнить.

1. Основным аргументом, который приводят изготовители устройств с линейной записью, является простота тракта движения ленты и лентопротяжного механизма.

Так ли это?

На первый взгляд, так оно и есть. На рис. 1 приведены схематичные тракты движения ленты для приводов DLT/LTO и для приводов с наклонно-строчной записью (DDS, AIT, Mammoth, VXA). Лента в тракте DLT (для простоты изложения под DLT будем понимать весь класс устройств с линейной записью) делает небольшой изгиб, проходя через несколько направляющих роликов (причем нерабочей стороной, рабочая сторона контактирует только с головкой), а путь движения ленты в случае механизма с наклонно-строчной записью более сложный, с большим количеством перегибов и направляющих роликов.

Но есть пара моментов, о которых особенно никто не говорит. Это собственно лентопротяжный узел и система заправки ленты.

Лентопротяжный узел

Есть два способа заставить ленту равномерно двигаться мимо магнитных головок. Это отработанный уже десятилетиями тонвал с резиновым прижимным роликом или непосредственное вращение приемной катушки с прецизионной системой сервоконтроля. Первый способ проще по своей сути, но требует очень точного изготовления и расположения тонвала, так как малейший перекос приведет к порче ленты. Накопление грязи на тонвале тоже ведет к порче ленты. Поскольку более 95% загрязнений как головок, так и всего тракта протяжки обусловлено в основном «выдавливанием» связывающей магнитные частицы субстанции, то для применяемых в наклонно-строчных механизмах лент AME этой проблемы нет, так как нет самой этой субстанции (магнитный рабочий слой напылен прямо на подложку).

Второй способ красивее с инженерной точки зрения, но требует более прецезионных (а следовательно, дорогих) электродвигателей, более сложных систем слежения и управления, что существенно повышает стоимость всей системы. Примером помимо приводов DLT/LTO могут служить приводы Mammoth от Exabyte.

С точки зрения пользования устройством оба способа одинаково эффективны, но второй гораздо сложнее и дороже. В приводах с линейной записью узел «тонвал-прижимной ролик» из-за слишком высокой скорости протяжки ленты не применяется. Зато все 4-мм приводы DDS от Sony и практически все 8-мм приводы (кроме Mammoth от Exabyte) имеют именно этот узел.

Узел заправки ленты

У всех устройств с наклонно-строчной записью этот узел работает примерно одинаково. Специальными направляющими из кассеты вытягивается некоторое количество ленты, частично огибающей блок вращающихся головок. Такой способ заправки применяется давно и хорошо отработан.

Для устройств с линейной записью, где используются однокатушечные картриджи, ситуация другая. Лента в картридже заканчивается особой петлей (из более толстого и прочного материала, чем сама лента), за которую специальным крючком («лидер»), закрепленным на приемной катушке, лента вытягивается из картриджа и заправляется в тракт. При всей кажущейся простоте способ этот достаточно капризный, что подтверждено огромным количеством обращений в сервис для старых DLT4000. Следующие модели, DLT7000, имели более надежный узел заправки.

Новое поколение SDLT имеет усовершенствованный узел заправки, но принцип остается прежний. Поэтому говорить о том, что механизм на базе линейной записи более простой, было бы не совсем верно.

Износ ленты и износ головок

За счет довольно высокой скорости вращения головок при наклонно-строчной записи, между лентой и головкой создается воздушная прослойка, которая существенно снижает трение. Кроме того, современные металлонапыленные ленты (AME) имеют специальное углеродное защитное покрытие (DLC, diamond-like coating) и слой сухой поверхностной смазки, что еще значительнее снижает абразивность ленты.

Применение тонких магнитных лент AME в устройствах с линейной записью недопустимо из-за высоких нагрузок при старте и остановке. Для линейной записи используют металлопорошковые ленты (MP). Эти ленты более толстые и с точки зрения технологии принадлежат к предыдущему поколению.

Срок службы носителя

В любом рекламном буклете DLT/SDLT/LTO (в этом отношении разницы между ними нет) указано: 1,000,000 проходов. Но для того чтобы полностью записать или считать картридж, требуется не одна сотня полных проходов ленты, поэтому срок службы носителя на самом деле меньше, чем для привода с наклонно-строчной записью, где вся лента считывается или записывается за один проход.

Время готовности, время доступа к файлам

По этим критериям устройства с наклонно-строчной записью существенно превосходят устройства с линейной записью. У устройств с наклонно-строчной записью сам процесс заправки ленты происходит быстрее. А если учесть наличие твердотельной памяти в картридже AIT — процесс ускоряется еще больше, так как информация о содержимом картриджа доступна практически мгновенно (AIT-3 предоставляет бесконтактный доступ к твердотельной памяти). Превосходство над линейными устройствами более чем в два раза.

Масштабирование производительности

Вот здесь как раз и скрываются подводные камни. Заявленная в рекламных проспектах производительность измеряется в Мбайт/с и является, вообще говоря, максимально возможным значением производительности. В реальных условиях производительность любого устройства несколько ниже. Практика показывает, что у линейных устройств производительность сильно падает, когда сервер вырабатывает неравномерный прерывающийся поток данных (так работает большинство серверов резервного копирования). Связано это с тем, что старт и остановка ленты занимает относительно много времени. Причина — высокая линейная скорость ленты. Кроме того, при реверсировании лентопротяжного механизма и переходе с дорожки на дорожку происходит калибровка головок. Процесс этот занимает 5–10 секунд, а при том, что для полного считывания картриджа DLT требуется больше сотни проходов — время набирается приличное.

У систем с наклонно-строчной записью за счет малой линейной скорости ленты старт-стопный режим работы мало влияет на производительность (лучше всего в этом отношении приводы VXA от Exabyte, где не тратится время даже на последовательность обратного отката ленты перед возобновлением записи). Поэтому в реальных условиях приводы с наклонно-строчной записью могут (это и происходит на самом деле) иметь производительнсть выше, чем устройства с линейной записью, обладающие более высокой паспортной производительностью.

Эффективность использования поверхности ленты

Наклонно-строчная технология предполагает наличие коротких дорожек на поверхности ленты, поэтому можно получить значительно более высокую плотность расположения дорожек. А за счет применения более совершенных лент AME плотность записи на самих дорожках тоже выше, чем при линейной записи (таблица 1).

Из всего перечисленного можно сделать вывод о значительном технологическом превосходстве наклонно-строчной технологии магнитной записи над линейной. В пользу этого вывода свидетельствует также то, что уже давно устройства, обладающие наибольшей емкостью и производительностью (DTF-2 от Sony и D-2 от Ampex) используют именно наклонно-строчную технологию магнитной записи.

Современный картридж с магнитной лентой легко вмещает 100 Гбайт данных, а картриджи второго поколения LTO имеют емкость (без сжатия) даже 200 Гбайт. Но емкость дисков растет тоже, и растет довольно быстро. Поэтому, чтобы не потерять своей привлекательности, аналогично должны эволюционировать и ленточные системы, сохраняя при этом доступные цены.

Из тенденций развития современных магнитных лент видно, что ленточные системы продолжают терять свои преимущества перед недорогими дисковыми массивами. Логично говорить о том, что к 2004 году они практически сравняются в стоимости хранения. Подобная картина возникает при сравнении емкостей картриджей магнитных лент и дисковых накопителей.

Согласно оценкам аналитиков, для того, чтобы сохранить жизнеспособность решения, ленточные устройства должны наращивать емкость, по меньшей мере, теми же темпами, что и дисковые системы, но сохраняя низкую удельную стоимость хранения данных.

Несмотря на то что плотность записи на дисках будет продолжать расти, ожидается замедление темпов роста по мере приближения к границам, определяемым суперпарамагнитными эффектами. Так как для магнитной записи на ленту характерна гораздо меньшая плотность и гораздо большая рабочая поверхность, то ленточные устройства имеют возможность развиваться более быстрыми темпами, чем дисковые накопители. Результатом этого развития станет уменьшение удельной стоимости хранения на лентах.

Предсказывают также, что в самое ближайшее время пользователям потребуются емкости картриджей заметно превышающие значение 200 Гбайт. Сейчас уже существуют ленточные устройства высокой емкости, как на базе линейной записи, так и на базе наклонно-строчной записи. Устройства с линейной записью работают с металлопорошковой лентой (MP). Сегодня на одном картридже с такой лентой можно хранить 100 и 200 Гбайт несжатых данных. Имеется и перспективный план развития, предполагающий поэтапное увеличение емкости картриджа. Однако технология линейной записи не в состоянии обеспечить необходимой конкурентоспособности удельной стоимости хранения данных (стоимость в пересчете на 1 Гбайт). Для этого требуется определенный технологический прорыв в области производства носителей и создание новых устройств магнитной записи.

Фактически до конца десятилетия технологии линейной записи не в состоянии преодолеть барьер плотности записи 1 Гбит/кв. дюйм. Соответственно, нативная емкость картриджа едва ли превысит 1 Tбайт. В то время как для сохранения превосходства магнитных лент над дисковыми накопителями в сегменте корпоративных систем требуется достичь к 2011 году емкости 10 Тбайт, при существенно более низкой стоимости хранения данных.

Таким образом, назрела необходимость появления новой технологии, способной преодолеть ограничения емкости и скорости, присущие современным ленточным устройствам.

Новая технология Super-AIT, предложенная компанией Sony, собственно говоря, является дальнейшим развитием фирменной технологии AIT (advanced intelligent tape) и предполагает достичь нативной емкости картриджа 1 Tбайт до 2006 года. Super-AIT, взявшему более широкую и длинную, чем у обычных устройств AIT, ленту, удалось увеличить нативную емкость картриджа в пять раз (по сравнению с последними моделями AIT).

Итак, устройство S-AIT создано фирмой Sony, имеет форм-фактор 5,25 дюйма (как и DLT/LTO), как и у DLT/LTO, приемная катушка размещена в самом приводе, картридж — однокатушечный, а лента тоже имеет ширину 0,5 дюйма (вот она, эффективность использования физического объема картриджа!). Благодаря этому у изготовителей библиотек магнитных лент не будет сложностей с установкой новых устройств в спроектированные под DLT/LTO системы (существующие роботизированные механизмы без переделки смогут работать с новыми картриджами, сам привод Super-AIT легко встанет на место привода DLT/LTO). Большинство же современных библиотек (например, Overland Storage, Spectra Logic) позволяют устанавливать внутри одной системы разные приводы. Эта особенность позволяет разделить одну физическую библиотеку на несколько виртуальных библиотек, каждая из которых будет работать со своей группой серверов в собственной программной среде.

На этом сходство и заканчивается, так как используется наиболее совершенная в настоящее время металлонапыленная лента и наклонно-строчная запись.

Приведем технические характеристики формата S-AIT первого поколения (таблица 2).

Привод Super-AIT имеет систему мониторирования состояния магнитных головок и при необходимости активизирует «Активный очиститель головок». Поэтому чистка головок происходит только тогда, когда это действительно необходимо (слишком частая чистка сокращает срок службы магнитных головок).

Еще одна интересная особенность механизма — две скорости поиска. Поиск при небольшой скорости происходит обычным образом, а когда нужно просмотреть/пропустить большой объем — петля, охватывающая блок вращающихся головок, сматывается, и лента с большой скоростью перематывается, проходя весь тракт практически по прямой линии без изгибов. В результате снижается время доступа к файлам, а срок службы головок увеличивается.

Как и для любой другой технологии, для S-AIT имеется перспективный план развития вплоть до 2010 года (рис. 5). Отличия новой технологии Super-AIT от существующих AIT скорее количественное (однокатушечный картридж, более широкая и длинная лента). Методы и плотности записи соответствуют показателям приводов AIT, начиная с текущего AIT-3. По тем же причинам появление новых поколений AIT и S-AIT будет происходить практически в одно и то же время.

Теперь, когда новая технология S-AIT стала реальностью, из тенденции развития ленточных и дисковых систем видно, что применение ленточных систем по-прежнему остается экономически привлекательным.

Стоит прибавить, что помимо Sony выпуском устройств и носителей данного типа будут заниматься компании Matsushita Kotobuki Electronics Industries и Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Сомневаться, что так оно и будет, не приходится.

Устройства первого поколения S-AIT уже поставляются OEM-партнерам. Начало поставок библиотек магнитных лент на базе новых устройств предполагается в конце текущего или в начале следующего года. Соответственно, в то же время (а возможно, и раньше) можно ожидать S-AIT первого поколения и в дистрибьюторском канале.

Кроме того, примерно в то же время ожидается появление приводов AIT четвертого поколения — AIT4, с нативной емкостью картриджа 200 Гбайт. Все это существенно укрепит позиции технологии наклонно-строчной записи.

В таблице 3 приведено сравнение технологии S-AIT первого поколения с современными форматами LTO (Ultrium) второго поколения и SDLT320 (промежуточный формат между первым и вторым поколениями SDLT). Из сравнения видно, что по надежности представители лагеря устройств с линейной записью уступают новой технологии. По скорости SDLT320 проигрывает почти вдвое, а LTO-2 примерно соответствует. Учитывая, что скорость (производительность) устройств с линейной записью зависит от условий использования в гораздо большей степени, чем скорость (производительность) устройств с наклонно-строчной записью, можно предположить, что в реальных условиях производительность S-AIT-1 будет выше, чем производительность LTO-2.

Емкость же картриджа S-AIT-1 превосходит емкость картриджа LTO-2 в 2,5 раза. Если учитывать сжатую емкость, разрыв получается еще больше, так как возможно аппаратное сжатие до 2.6:1.

По времени загрузки носитель S-AIT-1 превосходит SDLT, но немного отстает от LTO-2 (все-таки более сложный тракт движения ленты). Но учитывая дополнительную потерю времени на реверс лентопротяжного механизма, характерную для линейной записи, и перекалибровку магнитных головок, преимущества все равно окажутся на стороне S-AIT-1.

Единственный параметр, по которому S-AIT-1 отстает от LTO-2, — среднее время доступа к файлу. Тут уже сказывается структура расположения данных при линейной записи, и даже несколько большая абсолютная скорость поиска S-AIT-1 не может полностью это компенсировать.

Итак, можно сказать, что у линейных форматов SDLT и LTO Ultrium появился очень серьезный конкурент, а значит, даже у стойких приверженцев SDLT/LTO есть повод всерьез призадуматься.