cerabyte
對於當前的IT應用來說,PB級的資料量已經不稀奇,開始朝向千倍以上的EB等級前進,而整個IT應用產生的總資料量,更將達到ZB等級,考慮到大多數資料最終都將以靜態歸檔(Archive)形式存放,這也將給歸檔儲存帶來更大的壓力,但同時也促進相關技術的進步,特別是沉寂已久的光學儲存媒體,近來有了重大的技術進展。
ZB資料量時代來臨
在富士軟片半年前舉行的全球IT主管高峰會議中,顧問公司Horison Information Strategies的資深分析師Fred Moore指出,他們預測2025年全球IT應用將產生高達175 ZB的資料量,其中大約11.7 ZB的資料將會實際儲存下來,而這些實際儲存資料中,有80%都將會歸檔方式長期保存,約為9.3 ZB。Fred Moore表示,當資料產生過後90到120天後,存取機率便會降到5%以下,此時便會進入歸檔保存狀態,預估每年歸檔資料量增長將達到25%到35%左右。
要儲存這樣龐大的歸檔資料,將給歸檔系統帶來極大的壓力。舉例來說,要儲存1 ZB的資料,需要5,536萬卷LTO-9磁帶(每卷18TB容量),或是5,000萬臺20TB容量的近線硬碟。
顯然地,無論是磁帶或是近線硬碟,要應對ZB容量時代的歸檔儲存需求都力有未逮。事實上,當前LTO磁帶與近線硬碟各自的年度銷售總容量,也不過略微超過150EB而已,距離ZB等級還有很大的距離。
解決這個問題最有效的辦法,便是引進容量較現有磁帶、硬碟提高數十倍、甚至百倍的儲存媒體,這也是近期問世的新一代光學儲存技術,主要的發展目標。
光學歸檔儲存技術新進展
我們可將歸檔儲存應用細分為2個層級,一為仍有少許存取需求的主動歸檔(Active Archive)層,講求兼顧成本與效能,以便必要時快速檢索與取回資料。另一為標準歸檔層,講求長期靜態保存資料的成本與可靠性。
光學儲存媒體過去在這兩個層面的應用,同時受到硬碟與磁帶的擠壓。相較於只適合循序連續存取的磁帶,光學儲存擁有隨機存取能力,可應用於主動歸檔,但這方面的效能卻又不如硬碟。
光學儲存媒體較小的容量,也在應用上帶來很大限制。磁帶與硬碟的單一媒體容量都已突破20TB,相較下,即便是Sony的歸檔專用光碟Archival Disc,單一碟片最大容量也只達到500GB,必須在光碟匣中容納多張碟片才能獲得足夠容量,至於通用的藍光光碟更只有128GB。也就是說,一臺硬碟或一卷磁帶就能容納的資料,必須耗用幾十張光碟才能容納,將給管理帶來很大的麻煩。
因而當前的主動歸檔應用多選擇近線硬碟作為儲存媒體,有時還搭配SSD作為索引,而標準歸檔應用則以磁帶為主。
儘管如此,光學儲存仍有著不可忽視的優點,特別是擁有遠高於其他儲存媒體的耐久性與環境承受力,無需特別的環境控制措施就能長期保存,擁有更低的碳足跡,有利於未來越來越講求環境友善的IT環境。
但若要讓光學儲存扮演更重要的角色,首先必須大幅提高容量規格,才能在主流歸檔應用領域與磁帶、硬碟競爭。所幸的是,透過材料與製程的進步,光學儲存媒體的容量在這2年有了突破性進展。
玻璃/光學儲存技術
針對長期保存的歸檔應用,已出現一系列新興儲存技術,試圖取代或輔助磁帶的角色,包括DNA儲存、玻璃/光學儲存、3D全像(holography)技術等,而玻璃/光學儲存是其中最接近實用化的一種。
顧名思義,玻璃/光學儲存技術是以玻璃作為儲存媒體,取代過去光學儲存媒體使用的聚合物。目前已有多家廠商與研究單位投入這類技術的開發,其中最重要的,應該是德國新創廠商Cerabyte的奈米陶瓷塗布玻璃儲存技術(ceramic-coated glass storage),以及微軟與南安普頓大學(University of Southampton)在Project Silica計畫合作發展的矽玻璃儲存技術(silica glass)。
其中Cerabyte的技術已經接近上市階段,預定2024年就會推出試用的預量產型產品,並在日前向媒體展示了當前的原型系統。Cerabyte宣稱他們的原型系統是以市售的標準元件打造而成,供應鏈所需的零件都是現成的。
而我們從Cerabyte提供的資料來看,Cerabyte的原型系統十分類似既有的LTO磁帶櫃產品,具備相似的機櫃、磁帶匣、磁帶架與機械臂等機構,不同之處主要有兩點:
其一,以Cerabyte的玻璃儲存片取代LTO磁帶匣內的磁帶卷,每個儲存匣可容納3張方形玻璃儲存片,玻璃作為儲存片的基板,而陶瓷層除了用於記錄資料外,也提供了高度的環境承受能力,可抵禦火、水、電磁脈衝等外界威脅,號稱擁有千年等級的耐久性。使用時,機械手臂會將玻璃儲存片從儲存匣中取出,送到讀寫站中存取,使用後再送回儲存匣。
其二,以基於雷射光束矩陣(laser beam matrix)與數位鏡元件(Digital Mirror Device,DMD)的讀寫站,取代磁帶機的讀寫磁頭。讀寫站透過雷射光束,將資料以類似QR二維碼的方式寫入玻璃儲存片表面塗佈的陶瓷層(推測應該是以雷射將資料燒蝕紀錄到陶瓷層上),比起基於旋轉馬達的傳統光碟讀取技術,號稱可提供50倍的速度。
Cerabyte聲稱他們的玻璃儲存片可提供每儲存匣1PB的容量,這是當前LTO-9磁帶的50倍以上,未來還可提升到每儲存匣10PB甚至100PB。不過2024年推出的初始試用機型容量較小,只達到每個機櫃1PB容量,但很快就會在2025與2027年提高到每機櫃5PB與30PB容量。
而微軟的Project Silica計畫,主要目的是為Azure雲端平臺發展長期歸檔儲存媒體,使用多層石英玻璃構成的玻璃板,透過雷射脈衝在玻璃板的不同深度與位置產生微細孔洞,從而記錄資料。理論上可堆疊多達100層玻璃,構成龐大的3D結構資料儲存層,用於保存大量的資料,也同樣宣稱擁有千年等級的耐久性。
Project Silica在2019年展示的玻璃儲存板,可在3吋見方的玻璃板上保存75.6GB資料,對於實用環境來說,這個容量仍略嫌偏小。後來在2021年的進一步發展中,南安普頓大學展示0.3吋見方玻璃板儲存6GB資料的能力,並聲稱可在5吋見方玻璃板中儲存500TB資料,是LTO-9磁帶的27倍以上。
不過,比起已有明確上市規畫的Cerabyte,微軟的Project Silica目前仍未提出具體的實用化時程。
Cerabyte的玻璃陶瓷儲存媒體Cerabyte的儲存匣外型十分類似標準的LTO磁帶匣,其中含有3片玻璃儲存片,儲存片表面塗佈了奈米陶瓷層,透過雷射在陶瓷層上紀錄資料,理論上擁有每個儲存匣1PB容量的潛力。
圖片來源:Cerabyte
新世代主動歸檔系統
除了採用玻璃這類全新儲存媒體的光學儲存技術外,傳統的聚合物型式光學儲存媒體,近來也有容量規格的突破。
其中最引人注目的,是致力於光學歸檔儲存技術的新創廠商Folio Photonics,在2022年發表的多層薄膜光碟,相較於當前藍光光碟每一面最多只有3到4個光學層,Folio的多層薄膜光碟每一面則能提供8到16個光學層,從而能大幅提高儲存容量。
在Folio提出的發展路線圖中,預定於2024年後推出的第1代多層薄膜光碟只使用8層光學層,可提供每張光碟500 GB到1 TB容量,雖不及磁帶,但已高於藍光光碟與歸檔專用光碟,目前容量最高的BDXL藍光光碟只有128 GB容量,Archival Disc的每張碟片也只有300 GB與500 GB。
Folio預定以每2年升級一代的速度持續更新多層薄膜光碟產品,預計於2030年推出的第4代產品將採用32層以上的光學層,可擁有4 TB到10 TB容量,已能與磁帶或硬碟相比擬。而且Folio聲稱多層薄膜光碟還有著製造成本較低、利於長期保存的優勢,並具備隨機存取能力與更快的存取速度,因而也適用於主動歸檔領域。
Folio已於實驗室中驗證了多層薄膜光碟技術,並於2023年年初組成新的團隊,開發配套的光碟機與光碟櫃,藉此構成完整的產品。
Folio Photonics的多層薄膜光碟Folio Photonics的多層薄膜光碟每一面有8到16個光學儲存層,比起僅3到4個光學儲存層的現有光碟,可提升數倍的容量。
圖片來源:Folio Photonics
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