Jak działają nośniki pamięci i czemu są tak nietrwałe?

Dyski ze szkła i kamienia, taśmy magnetyczne, pamięci flash. W tym artykule przyglądamy się historii zapisu danych i próbujemy przewidzieć przyszłość cyfrowej archiwizacji.

Facebook ma problem: w jego archiwach drzemie wiele tysięcy terabajtów danych. Chociaż większość klientów już prawie z nich nie korzysta, koncern musi je przechowywać i szuka do tego celu właściwego rozwiązania. O kwestię ilości pamięci nikt się nie kłopocze, ale o długoterminowe przechowywanie – owszem. W tym temacie portal społecznościowy ma taki sam problem jak użytkownicy prywatni, gromadzący coraz więcej cyfrowych skarbów. Dlatego Facebook na ostatnim Flash Memory Summit zaapelował do producentów pamięci: „Zróbcie najprostszą pamięć flash, jaką potraficie sobie wyobrazić, ale niech będzie duża i tania”. Pamięć flash, przynajmniej w teorii, bije na głowę wszystkie pozostałe cyfrowe media w dziedzinie długookresowej archiwizacji. Niestety, nie jest to prawdą, gdy mowa o typie montowanym w aktualnych SSD, kartach SD i pamięciach USB. Na potrzeby archiwizacji wytwórcy muszą zmienić sposób myślenia, a Facebook chce ich do tego skłonić. Aktualnie portal społecznościowy zapisuje opublikowane - na
przykład - zdjęcia na nośniku, który już niemal wychodzi z rynku –. Blu-ray.

Nośnik przetrwał 1000 godzin w temperaturze 90 stopni Celsjusza i wilgotności powietrza 85 proc. W lutym koncern przedstawił swoją koncepcję długookresowej archiwizacji: rzędy szaf rackowych z 10 368 płytami Blu-ray XL. Każda zapisuje 100 GB danych, więc jeden rack ostatecznie osiąga pojemność jednego petabajta. Zapis odbywa się równolegle na 16 nagrywarkach. Również użytkownicy domowi powinni raczej dbać o swoje nagrywarki, niż oddawać je do utylizacji, ponieważ w praktyce teraz, podobnie jak kiedyś, płyta najlepiej nadaje się do długookresowej archiwizacji (o czym piszemy też niżej), bo na stabilności dysków magnetycznych nie można polegać. Jako rozwiązanie do zapisu dużych ilości danych przychodzą do głowy stare, dobre taśmy magnetyczne. Te wciąż rozwijają się pod względem technicznym i można o nich wiele powiedzieć, ale na pewno nie to, że ich czas dobiega końca.

Dyski ze szkła i kamienia W komputerowej codzienności napęd optyczny odchodzi do lamusa: nowe szybkie notebooki całkowicie z niego rezygnują, a tablety nie znają go w ogóle. To stwarza problem, bo używana każdego dnia pamięć magnetyczna lub flash wytrzyma zaledwie kilka lat. Tylko dane zabezpieczone na DVD i Blu-rayu działają kilka dziesięcioleci –. pod warunkiem że są wykonane z właściwego materiału i prawidłowo przechowywane. Zwykłe czyste płyty do tego się nie nadają. Wykorzystują one organiczną warstwę barwną, w której napęd wypala dane, oraz metaliczną warstwę refleksyjną do odczytu. Jeśli jedna z dwóch warstw otrzyma zbyt dużo światła słonecznego, powietrza lub wilgoci, warstwy rozpadną się i sprawią, że płyta będzie nieczytelna. Testy wykazały, że nawet płyty ze złotem nie wytrzymują deklarowanych 100 lat. Nie można na nich polegać dłużej niż 30 lat, a na dodatek niektóre padają już po kilku latach.

Lepiej radzą sobie specjalne płyty z innych materiałów. Firma Millenniata sprzedaje od kilku lat DVD zapisujące swoje dane w warstwie anorganicznej. Podczas procesu zapisu laser wypala zagłębienia w materiale i nie zabarwia go tak jak w tradycyjnych płytach. M-Disc wykazuje raczej cechy płyty tłoczonej i jest odporny na czynniki środowiskowe. Dzięki kooperacji pomiędzy Millenniata i producentami napędów, m.in. LG, na rynku dostępnych jest wiele nagrywarek, które potrafią zapisywać na M-Discu. Płyty w Amazonie kosztują około 3,5 euro za sztukę. Ostatnio Millenniata we własnym sklepie sprzedaje M-Blu-ray, a wkrótce będzie oferowała nawet BDXL. Te M-Discs mają - według producenta - przetrwać tysiąc lat. Miały to wykazać odpowiednie testy wytrzymałościowe, w których płyty poddano silnemu oddziaływaniu ciepła i wilgoci, aby zasymulować proces starzenia.

Kod QR na tej płycie demonstracyjnej został zapisany w wolframowej warstwie pokrytej azotkiem krzemu. Płyta przetrwać ma dłużej niż egipskie piramidy. GlassMasterDisc niemieckiego producenta Syylex wypada jeszcze lepiej. Nośnik przetrwał 100. godzin w temperaturze 90 stopni Celsjusza i wilgotności powietrza 85 proc. Wszyscy konkurenci – w tym M-Disc – musieli poddać się wcześniej. Płyt GlassMasterDisc nie można nagrywać samemu, klient musi wysłać swoje dane do Syylex, gdzie są one zapisywane na płycie szklanej.
Płyta przetrwała testy wytrzymałościowe w temperaturze prawie 600 stopni Celsjusza tak dobrze, że naukowcy określają jej żywotność na milion lat. GlassMasterDisc będzie jeszcze lepszy, naukowcy z uniwersytetów w Twente i Freiburgu zbadali, jak długo można w ogóle przechowywać cyfrowe dane, oraz opracowali płytę zbudowaną z wolframu i powleczoną azotkiem krzemu. Płyta przetrwała testy wytrzymałościowe w temperaturze prawie 600 stopni Celsjusza tak dobrze, że naukowcy określają jej żywotność na milion lat. Do tego czasu pustynny wiatr już dawno zniszczy piramidy, ścierając je na pył. Już w przyszłym roku na rynku ma się pojawić następca Blu- -raya, Archival Disc. Nie jest jeszcze pewne, czy produkt trafi do klientów prywatnych. Sony i Panasonic pracują nad pierwszą generacją i obiecują pojemność 300 GB, które mają być wypalane w sześciu warstwach. Pojemność późniejszych generacji ma wzrosnąć do 1 TB na płycie!. Z zapowiadaną trwałością rzędu 5. lat Archival Disc również będzie nadawać się do
zabezpieczania danych.

Taśma zwycięża płytę Zapis magnetyczny pozwala na niedrogie zabezpieczenie dużych woluminów danych. Prywatni użytkownicy nie są jeszcze wprawdzie na niego skazani, ale to może się zmienić w najbliższych latach, kiedy wideo z urlopu będzie kręcone w 4K. Wtedy pytanie będzie brzmieć: taśma magnetyczna czy dysk? Dla użytkowników domowych pierwszym nasuwającym się na muyśl rozwiązaniem będzie pewnie dysk, zwłaszcza że 4 TB można kupić już za ok. 500 zł. To fatalny błąd, bo właśnie ten typ pamięci cechuje wysoki odsetek awarii, jeśli wziąć pod uwagę perspektywę kilku lat. Danych na ten temat dostarcza operator serwisu w chmurze Backblaze. Przeanalizował on dlaczego jego dyski się psują - w pierwszym roku przede wszystkim błędy producentów odpowiadają za awarie pięciu procent dysków. Od trzeciego roku pojawia się większa liczba błędów mechanicznych wynikających ze zużycia, więc –. z grubsza licząc – po sześciu latach już tylko co drugi tego typu nośnik może nadawać się do użytku. Analiza Backblaze mówi
prywatnym użytkownikom, że nie mogą polegać na dyskach magnetycznych. Jeśli będzie się miało szczęście, ten wytrzyma więcej niż dziesięciolecie, ale równie dobrze może się zepsuć już po roku.

Taśmy magnetyczne to nośnik pamięci XX stulecia. Przez długi czas każdy producent propagował własny system, aż wreszcie taśma wylądowała w niszy. Zmieniły to HP, IBM i Seagate, wprowadzając Linear Tape Open jako standard taśm magnetycznych. Razem z LTO nośnik otrzymał również harmonogram rozwoju, przewidujący dla każdej generacji zastosowanie nowych technologii i osiąganie wyższych pojemności. Produkowane obecnie taśmy szóstej generacji mają już własny system plików oraz szyfrowanie. Ważniejsza od ich długookresowej archiwizacji jest funkcja WORM. Jest to skrót od „write once read many”, czyli zabezpieczanie danych z ochroną zapisu. Można go aktywować również w dyskach magnetycznych - firmy wyposażające systemy w chmurze świadczą tę usługę za pomocą oprogramowania za duże pieniądze.

Testy przeprowadzone przez Imation, producenta między innymi skanerów błędów dla napędów taśmowych, wykazały, że taśmy magnetyczne prawidłowo składowane wytrzymują znacznie dłużej niż dyski twarde – do 30 lat. Tylko wysoka temperatura i wilgotność powietrza redukują tę wartość. Okres przechowywania zostanie jeszcze wydłużony –. nawet do 50 lat. Dotychczas taśmy zapisywały swoje informacje za pomocą magnetyzowania metalicznych cząstek (żelazo, kobalt), ale ten materiał osiągnął granice gęstości pamięci: trzeba zawsze namagnetyzować określoną liczbę tych elementów, aby napęd otrzymał później jednoznaczny sygnał. Ta sama granica dotyczy także redukcji wielkości cząstek poniżej stosowanej dziś normalnie długości 20 nanometrów.Pozwalają one na uzyskanie maksymalnej gęstości danych 6,25 TB na taśmę. Jednak już kolejna generacja LTO-7 przewiduje od roku 2015 taśmy, które mają mieścić do 16 TB danych. To będzie możliwe tylko przy zmianie materiału zapisującego: ferrytu baru nie daje się wprawdzie tak dobrze
magnetyzować, ale dzięki mniejszej ilości cząstek pozwala on uzyskiwać większe gęstości pamięci. Oprócz tego jest niewrażliwy na korozję, więc to od taśm z ferrytem baru można oczekiwać większej żywotności.

Zapis ładunków elektrycznych rozwiązuje wiele problemów długookresowej archiwizacji – tylko wysoka temperatura może im zaszkodzić. Stąd wziął się apel Facebooka do producentów. Komórki flash zapisują ładunek elektryczny w bramce pływającej. Niewielkie napięcie wystarcza, aby je odczytać, wyższe jest potrzebne do usunięcia ładunku. Z każdym procesem kasowania warstwa izolacyjna floating gate staje się odrobinę bardziej nieprzepuszczalna dla elektronów. Po określonej liczbie zapisów komórka jest wyeksploatowana. Szybkość tego procesu zależy od tego, ile różnych poziomów ładunku zapisuje. Ich liczba określa ile bitów zapisuje komórka. Wcześniej stosowano często typ single-level cells (SLC), zapisujący tylko jeden bit. Dzisiejszy trend zmierza w kierunku powszechnego stosowania komórek triple level, mieszczących osiem bitów i mogących zapisywać osiem stanów ładunku. Wzrasta tym samym gęstość pamięci, ale jej trwałość spada. TLC-flash przetrwa około 1000 procesów zapisu, SLC-flash natomiast 100 000. Ten
trend nie byłby wielkim problemem, gdyby do pamięci flash odnosiła się zasada WORM. Testy wykazały, że raz zapisane komórki SLC w temperaturze pokojowej zachowają swoją wartość przez 130. lat. Tyle czasu upłynie, zanim drobne wahania temperatury otoczenia usuną elektrony z bramek pływających. TLC nie wytrzyma tak długo, ponieważ tutaj mniejsze zmiany ładunku wystarczą do zafałszowania wartości bitowych.

Niestety, popyt na pamięciach flash zgodne z WORM jest niewielki. Organa ścigania wykorzystują je do zabezpieczania dowodów. Wyjątkiem jest Memory Valut firmy SanDisk, ale jego łącze USB 2.0 stanowi kolejny problem: również wychodzi z użycia. Kto dziś archiwizuje dane na dysku SATA-SSD, nie może być pewny, że za 10–20 lat uda mu się go podłączyć. SATA okazuje się zbyt wolny dla SSD i dlatego wypierany jest przez łącza wykorzystujące PCI Express, jak NVM Express i M.2 – Windows 8.1 zawiera sterownik dla NVM Express. Także nowy USB 3.1 otrzyma inną wtyczkę. Flash nie wyczerpuje potencjału zapisu elektronicznego. Technologie, które go zastąpią, potrafią jeszcze bezpieczniej przechowywać ładunki i przetrwają dużo więcej cykli kasowania. Nośnik PCM (Phase Change Memory) albo memrystor mogą okazać się idealnym medium długookresowej archiwizacji. PCM przez długi czas uchodził za faworyta. Materiał zapisuje ładunki wskutek chwilowego ogrzania, ale ogniwa PCM trudno poddają się miniaturyzacji. Inaczej jest w
przypadku bazującej na memrystorach technologii Resistive RAM. Amerykański start-up Crossbar opracował pamięć RRAM osiągającą gęstość pamięci aktualnych chipów flash. W porównaniu z nimi budowa komórki RRAM jest prosta: pomiędzy elektrodami znajduje się warstwa amorficznego krzemu. Po przyłożeniu napięcia w krzemie tworzą się kanały trwale przewodzące. Testy wytrzymałościowe przeprowadzone w temperaturze 8. stopni Celsjusza pozwalają przypuszczać, że raz zapisane komórki RRAM wytrzymają istotnie dłużej niż flash. Ten nośnik mógłby być gwarantem bezpieczeństwa w przypadku długookresowej archiwizacji danych – nawet jeśli rozpocznie się ona dopiero za kilka lat.

Polecamy w wydaniu internetowym chip.pl: Dane na wieczność