Магнитные ленты, из прошлого в будущее

В комнатах, где стоят современные серверы, при всем желании не найти ничего общего с той грудой железа (в прямом смысле этого слова), которым были заполнены огромные машинные залы первого, второго и третьего поколения. Совсем ничего, за исключением одного единственного типа устройств — магнитных лент. Нет ни перфораторов, ни магнитных барабанов, ни гигантских кондиционеров, нет никакой другой экзотики, а вот видоизменившиеся ленты продолжают жить своей скромной жизнью, не привлекая к себе особенного внимания. Видимо, в этом есть «сермяжная правда»: альтернативы лентам для резервного копирования все возрастающих по объему дисковых накопителей на ближайшее десятилетие не предвидится.

Аналитики и производители жестких дисков не раз предрекали лентам кончину — tape must die. Однако их прогнозы оказались столь же достоверны, как и обещания безбумажного общества. Количество выпускаемых ленточных картриджей неуклонно растет, исчислясь уже сотнями миллионов. Размер бизнеса, связанного с производством лентопротяжек, лент и ленточных библиотек в 2002 году оценивается примерно в 3 млрд. долл. И чем больше становятся объемы информации, которые можно сохранить на жестких дисках, тем больше потребность в архивировании и создании резервных копий. На чем? Разумеется, на лентах: экономически оправданной по стоимости хранения альтернативы магнитным лентам пока не найдено.

По уровню технического совершенства нынешние ленточные накопители не идут в сравнение с монстрами прошлого. Чтобы представить себе путь, пройденный за пятьдесят лет, можно мысленно сравнить старинную лентопротяжку, например, такую, как стояла на ЭВМ М-220 в 70-е годы, с современными устройствами. Укомплектованная бобинами весом килограмма в два, эта «античная» лентопротяжка работала в старт-стопном режиме; копировались не только файлы, но и просто содержимое оперативной памяти, а потому для начала работы его нужно было загрузить. Для того чтобы обеспечить такой инертной массе достаточное ускорение, на приводе стояли моторы мощностью по несколько киловатт, а для компенсации рывков лента заправлялась в вакуумные карманы, работа которых поддерживалась мощным компрессором. Это чудо техники весило полтонны, но вместить могло менее одного мегабайта данных — ничто в сравнении с сотнями гигабайт, записываемых на один современный компактный картридж. Да и надежностью это устройство не отличалось. Несмотря на все ухищрения, монстр безбожно рвал ленту; к тому же, часто приходилось вручную корректировать движение ленты по считывающей головке, а это требовало тонких, не всякому доступных навыков владения перфокартой, использовавшейся в качестве вспомогательного инструмента.

Эволюционный путь

Обычно началом истории магнитной ленты как средства хранения компьютерных данных считается весна 1952 года, когда лентопротяжка Model 726 впервые была подключена к машине IBM Model 701, специально предназначенной для научных расчетов. Компьютер этот имел всего 1 Кбайт оперативной памяти на вакуумных лампах; память на ферритовых сердечниках как готовый к использованию продукт появилась чуть позже. Однако, если быть точным, нужно признать, что IBM Model 701 не был первым компьютерным магнитофоном. Верно то, что в нем впервые использовали магнитную ленту для компьютерной цели. А магнитофон, пишущий на стальную струну, годом раньше был подключен к UNIVAC I.

1952 год примечателен еще и тем, что тогда удалось с большой точностью предсказать результаты президентских выборов, используя компьютер UNIVAC I. Вот уж пример «убийственного приложения», отличный незапланированный маркетинговый ход. Усилиями СМИ мгновенно родился общественный интерес к компьютерам, они в одночасье вышли из лабораторий. 1952 год можно назвать годом признания компьютеров, но ради исторической справедливости стоит заметить, что применение компьютера для анализа предвыборной ситуации было вынужденным. На самом деле UNIVAC I создавался на деньги одного из крупнейших американских букмекеров; других спонсоров не нашлось. А делец этот оказался первым из представителей бизнеса, кто распознал значение компьютера в своем бизнесе, в прогнозе результатов в скачках. Но, увы, в силу профессионального риска, присущего такого рода деятельности, этот слишком умный букмекер не дожил до реализации проекта. Создателям UNIVAC I Джону Эккерту и Джону Мочли пришлось срочно искать других покровителей. Вот так странно порой высокое сочетается с низким.

В Model 726 использовали катушки от кинопленки, соответственно ширина ленты оказалось равной одному дюйму, а диаметр бобины — 12 дюймам. Model 726 была способна сохранять 1,4 Мбайт данных, что соответствует емкости одной современной дискеты. Плотность 9–дорожечной записи составляла 800 бит на дюйм; при движении ленты со скоростью 75 дюймов в секунду в компьютер передавалось 7500 байт в секунду. Сама магнитная лента для Model 726 была разработана компанией 3M (теперь Imation). Эта компания сохранила положение одного из главных поставщиков лент до сих пор. Плотность записи была столь мала, а надежность считывания столь низка, что в течение длительного времени существовал несколько странный способ аварийного чтения. Вплоть до 80-х годов в комплект поставки лент входил флакон специальных чернил. Утверждалось, что если ими смочить поверхность ленты, то с помощью увеличительного стекла удастся считать информацию... глазами. (Этот флакон мне пришлось видеть, а вот использование его содержимого — ни разу.)

Довольно скоро от дюймовых лент по понятным причинам отказались, и на длительный период установилось почти монопольное господство полудюймовых «открытых лент» (open reel), в которых перемотка осуществлялась с одной бобины на другую (reel-to-reel). Плотность записи повышалась с 800 до 1600 и даже 6250 бит на дюйм. Эти ленты со съемными кольцами для защиты от записи были популярны на компьютерах типа ЕС и СМ ЭВМ. Они широко использовались до середины 90-х годов и, судя по тому, что наличествуют в номенклатуре производителей лент, где-то используются и до сих пор. Объем записываемых на полудюймовые ленты данных измерялся сначала несколькими десятками мегабайт, а в последних версиях вырос до 250 Мбайт. Когда такие устройства снимали с эксплуатации, информацию приходилось скачивать на более современные носители. Было занятно наблюдать, как содержимое нескольких огромных бобин умещалось на одной ленте стримера QIC размером с обычную аудиокассету. Надо заметить, полудюймовые ленты широко использовались не только для резервирования и архивирования, но и для переноса данных с машины на машину. Они были стандартом, поэтому прочитать на EC ЭВМ ленту, записанную на СМ, не составляло труда. Они были распространенным средством транспортировки программ и данных. Кстати, на этих лентах в стенах советских институтов начиналось пиратское копирование системных и прикладных программ, правда, тогда никто не знал этого слова.

Говоря о магнитных летах, нельзя не вспомнить еще одно чрезвычайно изящное устройство, предшествовавшее современному оборудованию. «Крошки» DECtape, не имевшие аналогов среди накопителей, в 60-е и 70-е годы были очень популярны на DEC-овских «мини». Их распространенность объяснялась тем, что с появлением недорогих миниЭВМ оказалось востребованным устройство, похожее по своему назначению на флоппи-диски. Пользователям был необходим легкий сменный носитель «индивидуального пользования», но первые 8-дюймовые гибкие диски появились на свет лет на десять позже. Решение на основе имеющихся в ту пору технологий было найдено инженерами из DEC, и называлось оно DECtape.

В накопителе IBM, которое увидело свет в 1953 году, использовалась оксидированная неметаллическая пленка, шириной чуть больше сантиметра. Информация записывалась в шести каналах, располагавшихся вдоль ленты. Седьмой канал применялся для контроля при записи и считывании методом контроля четности с введением избыточности. Плотность записи на ленте составляла 100 бит на дюйм длины ленты. Ленты можно было переставлять с устройства на устройство. Получили распространение два варианта лентопротяжных устройств — с двумя 1200-футовыми и двумя 200-футовыми катушками

Однако никогда не бывает ничего на 100% оригинального; всегда обнаруживается определенная преемственность. В основу DECtape было положено устройство, которым комплектовалась, выпущенная малой серией машина LINC. Об этой машине тоже стоит вспомнить, ведь именно ее сообщество IEEE Computer Society признало в качестве первого персонального интерактивного компьютера. LINC в 1962 году спроектировали Весли Кларк и Северо Орнштейн, первопроходцы из Линкольновской лаборатории. Проект был доступен всем — он, как говорят, был помещен в public domain — поэтому клонировался несколькими компаниями, широко использовался военными, в том числе, устанавливался на атомных подводных лодках. LINC имел операционную систему, экран, напоминавшее мышь четырехкнопочное устройство и своеобразный накопитель на ленте. Этот компьютер оказал влияние на появление PDP-8, был даже некий гибрид LINC-8. Последний LINC был снят с эксплуатации только в 1995 году и помещен в музей МТИ. В усовершенствованном виде лента с LINC получила новое воплощение в виде серийного накопителя TU56 и нескольких его вариаций.

Использованный в DECtape носитель, диаметром четыре дюйма, а шириной три четверти дюйма, был предварительно форматирован, разделен на 1474 блока по 129 12-разрядных слов; таким образом, всего на нем можно было хранить до 184 килослов. Запись и чтение можно было выполнять в режиме, близком к прямому доступу к данным.

Необходимость в принципиально новых накопителях возникла в середине 80-х. Размеры жестких дисков, устанавливаемых на машинах, стали измеряться сотнями мегабайт или даже гигабайтами. Понадобились резервные накопители, соответствующие этим дискам по емкости. Неудобства открытых лент были понятны, даже в быту кассетные магнитофоны быстро вытеснили катушечные. Естественный переход к картриджам происходил двумя путями. По одному пути шли те компьютерные компании, которые создавали свои собственные специализированные устройства, специально ориентированные на компьютеры решения (в основном, по линейной технологии). По второму — компании, пришедшие к выводу, что технологии с вращающимися головками (в основном, по винтовой технологии), изобретенные для видеозаписи и цифровой аудиозаписи, могут быть адаптированы для компьютеров. Естественно, приспособленные устройства быстро превращались в специализированные; но именно с тех пор и сложилось такое странное технологическое разделение на два лагеря, которое придает рынку накопителей неповторимую специфику.

В 80-е годы, во время первой ленточной революции, существовали две крупные компьютерные компании — IBM и DEC, и обе они решили строить новые накопители по линейной технологии. В IBM разрабатывались мощные устройства 3480/3490 и 3590 Magstar, от которых ведет свое генеалогическое древо и стандарт LTO Tape Cartridge. В DEC было создано устройство, которое по замыслу должно было конкурировать с ними; оно послужило началом для формата DLT. На первых порах это устройство называлось CompacTape и предназначалось для создания резервных копий на компьютерах собственного производства DEC, прежде всего на VAX. Не имея достаточного опыта работы с магнитными лентами, DEC обратилась за сотрудничеством к японской корпорации Fujifilm. Вместе они разработали устройство TF85 CompacTape cartridge, продемонстрированное DEC в 1991 году, которое было способно хранить 2,6 Гбайт. Спустя год появилось 6-гигабайтное устройство TF86 CompacTape cartridge. Но вскоре, в 1993 году, DEC продала эту продуктовую линейку известному производителю жестких дисков, компании Quantum. В отличие от DEC, в Quantum быстро поняли потенциал стандарта DLT и решили распространить подобные устройства на более широкий спектр компьютеров. Это компании вполне удалось: уже в 1994 году Quantum выпустила протяжку и картридж DLT-4000 емкостью 20 Гбайт. К 2002 году Quantum выпустила боле 1,6 млн. устройств DLT и свыше 70 млн. картриджей для них. В свою очередь, Fujifilm на базе совместных исследований создала технологию ATOMM (Advanced Super-Thin-Layer and High-Output Magnetic Media), на основе которой, строятся, например, диски Iomega ZIP.

Другая группа компаний занялась адаптацией известных способов записи на ленту к компьютерам. Большого успеха на этом направлении добились в 3M. Еще в начале 70-х годов компания разрабатывала кассетные ленточные устройства стандарта QIC (Quarter-Inch-tape-Cartrige), предназначенные для телекоммуникационных приложений. В 3M вовремя сориентировались, изменив предназначение своего изделия; формат QIC оказался одним из наиболее дешевых и практичных для использования на ПК. Он прошел целый ряд трансформаций; всего насчитывается около 120 разновидностей. Есть его версия под названием Travan, поддерживаемая до сих пор.

В середине 80-х группа инженеров из Storage Technology, вдохновленная доступностью видеолент форматов 8mm и VHS, основали известную теперь компанию Exabyte. Им удалось использовать преимущества винтовой технологии. Работая вместе с Sony, они уже в 1987 году смогли поставить на развивающийся рынок Unix-серверов накопитель емкостью 2,4 Гбайт и скоростью обмена 240 Кбайт/с. В следующей версии на том же формате ленты скорость возросла до 1 Мбайт/с, а емкость составила 7 Гбайт.

Третья попытка адаптации известных продуктов состоялась в 1989 году, когда усилиями компаний Hewlett-Packard и Sony был адаптирован для хранения данных формат Digital Audio Tape (DAT); на его основе возник стандарт Digital Data Storage (DDS).

В конце 90-х наметились предпосылки к очередной революционной перемене. Появилось еще насколько многообещающих, новых форматов, в том числе AIT, VXA и ADT, затем S-AIT, наконец, в нынешнем году ожидается еще один — O-Mass.

Картриджи используются либо в автономных устройствах, либо в составе ленточных библиотек. При попытке вспомнить интерьер вычислительных центров 70-х перед глазами непременно встанут ряды магнитофонов. Их было много по разным причинам, но главные — низкая скорость и необходимость участия оператора в процессе установки ленты. С появлением картриджей открылась возможность создания автоматизированных ленточных библиотек. Первой роботизированную библиотеку на 6 тыс. картриджей выпустила компания StorageTek в 1987 году.

Технологии записи

На технологии, используемые при создании ленточных накопителей, оказывают влияние несколько обстоятельств. Во-первых, лента — это, по всей видимости, самое механическое, если так можно сказать, устройство из всей компьютерной периферии. Поэтому создателям новых устройств приходится решать целый ряд специфических проблем механического свойства. Им нужно выбрать оптимальную ширину ленты и метод размещения записи на ленте, обеспечить максимальную динамику движения и минимальное число перегибов при перематывании, найти способ минимизации трения ленты с головками чтения/записи (от этого зависят ключевые параметры — долговечность головки и срок жизни кассеты) и т.д. Вторая проблема — собственно способ записи на ленту и метод считывания информации, в том числе и компрессии данных. Но самое главное заключается в том, чтобы найти оптимальное сочетание, обеспечивающее наиболее быстрый доступ к данным, высокую пропускную способность канала передачи и надежность хранения. В поисках оптимума каждый из производителей избирает собственное направление. Разнообразию решений способствует то, что ленты перестали быть средством для обмена данными; они используются сугубо локально, «по месту прописки». Следовательно, нет особой нужды в стандартизации. Каждый производитель и каждый пользователь волен выбирать то, что ему по вкусу. В результате после развала «Вавилонской башни» полудюймовых лент рынок рассыпался на множество несовместимых форматов, поддерживаемых теми или иными производителями. В сегменте индивидуальных рабочих станций и ПК в основном работают Tandberg и Sony, а лентопротяжки для корпоративных систем производят кроме двух этих компаний еще и Ecrix, Benchmark, Quantum, Exabyte, IBM и Quantum.

Ниже при описании технологий сознательно опущены такие вопросы, как физика процессов чтения и записи, устройство головок и т.д. На пользовательском уровне они практического значения не имеют, хотя, конечно же, именно они определяют технические возможности. Однако это совершенно отдельная тема. Также отдельную область образует направление, получившее название RAIT (Redundant Array if Independent Tapes), по своей идеологии близкое к «классическим» дисковым массивам RAID.

Еще пару лет назад, когда разнообразие накопителей было меньше, их было легче систематизировать. Сейчас же, с появлением совсем новых технологий деление на классы размывается. Так, на протяжении многих лет ленты классифицировали по тому, как используется площадь записи, выделяя два принципиально разных подхода. Первый — «линейный» (linear), и его подвид — «серпантинный» (linear serpentine). Второй — helical scan, что переводится как «винтовой», «наклонно-строчный», «спиральный» или «запись по диагональным дорожкам». Они успешно сосуществуют и конкурируют почти пятьдесят лет. Линейный метод записи появился немного раньше; в первой версии использовалась всего одна дорожка, протяженностью во всю длину ленты. Она делилась на блоки специальными маркерами «конец блока», «конец ленты» и межблочными промежутками. На дорожке в одну строку записывалось по 9 бит (8 информационных и один контрольный). В последующем число дорожек стало возрастать, их стали зацикливать змейкой от начала к концу ленты и обратно (linear serpentine recording). Это оказалось удобнее; стало возможным выполнять операции чтения/записи при двустороннем движении; увеличилась «логическая» длина ленты, которая составляла сумму длин всех дорожек. Наклонно-строчный способ записи был заимствован из технологий телевидения. Он был предложен существующей до сих пор компанией Ampex в 1956 году, отличие нового способа записи заключалось в замене неподвижных головок вращающимися. Но уже в этом году должны появиться ленты O-Mass, разрабатываемые норвежской компанией Tandberg, где будет использоваться новый матричный способ размещения данных на ленте, и эта система классификации устареет.

Решение O-Mass от Tandberg грозит изменить и еще целый ряд сложившихся представлений, в том числе о ширине используемых лент. До сих пор применяли ленты шириной от 4 миллиметров до полудюйма. В перспективе же ширину ленты в накопителях O-Mass можно довести до 3 дюймов. Картридж O-Mass будет напоминать рулонный графопостроитель (было когда-то и такое устройство). Широкая лента будет перематываться с катушки на катушку, а головка будет смещаться по ширине ленты. Радикальность подхода Tandberg, разрабатывавшегося более семи лет, заключена в конструкции. Во всех типах устройств лента, так или иначе вытягивается навстречу головкам, а в O-Mass лента просто мотается между катушками, а сами головки въезжают внутрь кассеты.

Новые решения, предложенные другими компаниями, тоже по-своему оригинальны. Например, формат VXA компании Ecrix позволяет записывать данные в пакетном режиме, а со стандарта AIT (корпорация Sony Electronics) началось использование встроенной в кассету памяти (memory-in-cassette, MIC).

Три класса лент

Технологическое разнообразие ленточных устройств настолько велико, что представить в рамках статьи весь спектр применяемых решений не представляется возможным. И все же пока в качестве критерия для классификации можно выбрать ширину ленты. Этот параметр можно сравнить с объемом цилиндров в двигателе при оценке класса автомобиля. По каким-то отдельным параметрам устройства младшего класса могут превосходить более дорогие старшие, но в целом они обладают набором качеств, определяющих их принадлежность к определенному классу. Малый класс — ленты широтой 4 миллиметра, средний — 8-миллиметровые ленты, старший — полудюймовые ленты. Отдельное место занимают элитные продукты класса high-end — IBM 3480/3490, Storage Tec 9840, DTF и Ampex.

Младший класс

К младшему классу можно отнести технологии, построенные на форматах QIC и 4mm DAT. От более мощных устройств они отличаются не столько объемами хранения, сколько цифрами, характеризующими скорость обмена, работоспособность и надежность хранения. По показателям времени наработки на отказ они не уступают своим старшим «собратьям», но при этом не предполагается непрерывная работа, устройство может быть занято не более 20% времени, количество циклов использования носителей может отличаться на порядки, заметно ниже гарантированный срок работоспособности носителя. (Исключение составляет SLR100, это современное устройство ближе к корпоративному классу, но его характеристики полностью еще не опубликованы.) С 1989 года с форматом QIC наиболее успешно работает норвежская компания Tandberg Data, предложившая технологию Scalable Linear Recording (SLR). В 1999 году она представила третье поколение устройств, включающее устройства SLR7, SLR60 и SLR100. Несколько неожиданное лидерство норвежской компании вполне объяснимо. Существовавшая вплоть до 90-х годов компания Norsk Data оставалась одним из последних самостоятельных европейских производителей компьютеров. Ее миниЭВМ, продававшиеся под торговой маркой NORD, на равных конкурировали с американскими аналогами, особенно в научной сфере. Такое серьезное наследие позволяет компании Tandberg развивать существующие технологии и предлагать новые. В настоящее время выпускаются протяжки емкостью до 40 Гбайт (в перспективе предполагается довести их емкость до 200 Гбайт), но при этом в производстве сохраняются и дешевые модели в диапазоне от 0,5 до 4 Гбайт. С вариацией QIC, которая получила собственное название Travan, продолжают работать компании Seagate и Imation. В 2002 году они анонсировали модель шестого поколения Travan 40, которая способна хранить 20 Гбайт (40 в сжатом виде) и обладает скоростью обмена 2 Мбайт/с (4 Мбайт/с).

DDS, второй из младших форматов, испытал четыре смены поколений, пройдя путь от DDS-1 до DDS-4; на очереди DSS-5. Сейчас это один из самых распространенных форматов. В процессе эволюции DDS практически обрел самостоятельность от DAT, емкость возросла с 1,3 Гбайт до 20-40 Гбайт, а скорость передачи данных увеличилась с 0,18 Мбайт/с до 5-6 Мбайт/с. Вместе с тем, судьба DDS менее определенна. Есть ли у него будущее? Два из трех основных производителей DSS (компании HP и Sony) в 2002 году заявили о своем отказе от его дальнейшей поддержки, считая возможности DDS исчерпанными, несмотря на успешность положения на рынке. HP намерена отдать приоритет формату LTO, а Sony — формату AIT. Однако третий производитель, компания Seagate Technologies, намеревается построить очередную продуктовую линейку на основе DDS-5. Инсталляционная база DDS огромна, и по имеющимся признакам прощание с этим форматом не будет скорым.

Средний класс

Во второй класс условно можно объединить накопители, использующие ленту шириной 8 миллиметров. В него попадают форматы: