新的存儲(chǔ)介質(zhì)：讓數(shù)據(jù)“永存”

社交網(wǎng)站Facebook沉睡的數(shù)據(jù)文件超過(guò)數(shù)千TB，對(duì)于這些數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)用戶(hù)都不會(huì)再去觸及它們，但是Facebook公司仍然需要保留它們。目前，該公司正尋找一個(gè)適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，希望能夠解決這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題。存儲(chǔ)容量并不是什么問(wèn)題，但數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期儲(chǔ)存卻是一件不容易的事情。實(shí)際上，這對(duì)于所有的社交網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)難題，用戶(hù)的數(shù)據(jù)不斷地積累，而無(wú)論是用戶(hù)還是服務(wù)供應(yīng)商，都希望能夠長(zhǎng)期地保存這些數(shù)據(jù)。因此，F(xiàn)acebook在2013年的閃存峰會(huì)上呼吁存儲(chǔ)設(shè)備制造商“做你們所能想象的最簡(jiǎn)單的閃存但要大和便宜”，理論上講，如果用于數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存，閃存比其他形式的存儲(chǔ)介質(zhì)更有優(yōu)勢(shì)。不幸的是，這一理論并不適用于現(xiàn)有的固態(tài)硬盤(pán)、閃存盤(pán)等閃存存儲(chǔ)設(shè)備。

目前，社交網(wǎng)站已經(jīng)開(kāi)始使用藍(lán)光光盤(pán)給用戶(hù)上傳的圖片文件存檔。2014年2月，F(xiàn)acebook公司公布了長(zhǎng)期存檔的方案：將使用由10 368個(gè)藍(lán)光光盤(pán)（XL）組成的機(jī)架進(jìn)行存檔，每個(gè)XL藍(lán)光光盤(pán)可以保存100GB的數(shù)據(jù)，每一個(gè)機(jī)架的存儲(chǔ)容量將達(dá)到1PB，它們將通過(guò)16個(gè)藍(lán)光刻錄機(jī)并行地讀寫(xiě)。

對(duì)于家庭用戶(hù)來(lái)說(shuō)，刻錄機(jī)也同樣有價(jià)值，暫時(shí)仍未到拋棄它們的時(shí)候，因?yàn)楣獗P(pán)仍然是長(zhǎng)期存檔的好介質(zhì)，反倒是個(gè)人用戶(hù)普遍使用的硬盤(pán)等磁盤(pán)介質(zhì)雖然相對(duì)穩(wěn)定，但卻并不可以依賴(lài)。而對(duì)于大量的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的備份介質(zhì)磁帶仍然是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，目前相關(guān)的技術(shù)仍然在不斷地發(fā)展中，這為我們提供了更多的選擇。

千年不變的石頭

現(xiàn)在很多電腦已經(jīng)不再配備刻錄機(jī)，超薄筆記本電腦、平板電腦上不可能配備刻錄機(jī)，就連臺(tái)式電腦配備刻錄機(jī)的也越來(lái)越少。對(duì)于需要將數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存檔的用戶(hù)來(lái)說(shuō)這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)有的磁性或閃存存儲(chǔ)設(shè)備僅能夠?qū)?shù)據(jù)保存幾年，只有使用DVD和藍(lán)光光盤(pán)進(jìn)行備份，數(shù)據(jù)才能夠保存數(shù)十年。當(dāng)然，這里所謂的數(shù)十年，必須采用合適的材料和將光盤(pán)存儲(chǔ)在一個(gè)最佳的位置，普通的空白光盤(pán)是不可能達(dá)到這一保存年限的。

普通的刻錄盤(pán)有一個(gè)透明的盤(pán)體，通過(guò)有機(jī)染料層來(lái)記錄數(shù)據(jù)，并利用金屬反射層進(jìn)行讀取。兩個(gè)層中的任何一個(gè)暴露在陽(yáng)光、空氣或水分中，都可能分解而導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法被讀出。試驗(yàn)證明，如果采用金作為金屬反射層的材料，那么堅(jiān)持100年是沒(méi)有問(wèn)題的，保存30年更是不在話下。然而，非常嚴(yán)峻的問(wèn)題是，許多普通光盤(pán)只能夠保存短短的幾年。

其他材料制成的特殊盤(pán)片可以保存得很久，近幾年，Millenniata已經(jīng)在銷(xiāo)售一種通過(guò)類(lèi)似石頭的無(wú)機(jī)層保存數(shù)據(jù)的DVD光盤(pán)M-DISC。無(wú)機(jī)化合物數(shù)據(jù)層具有反射和記錄雙功能，并且M-DISC光盤(pán)和普通的數(shù)據(jù)光盤(pán)不同，它不容易受到環(huán)境的影響。由于Millenniata和LG等驅(qū)動(dòng)器制造商的緊密合作，因而有一些普通的刻錄機(jī)也可以刻錄M-DISC盤(pán)，而配套的DVD M-DISC盤(pán)片折合人民幣一片只需約20元。另外，Millenniata最近已經(jīng)開(kāi)始在自己的商店銷(xiāo)售藍(lán)光M-DISC盤(pán)片，并預(yù)計(jì)從2015年起開(kāi)始銷(xiāo)售BDXL盤(pán)片。根據(jù)制造商的介紹，這些M-DISC盤(pán)片保存年限可以長(zhǎng)達(dá)千年。這個(gè)結(jié)論顯然是模擬的測(cè)試結(jié)果，是將M-DISC盤(pán)片暴露于強(qiáng)熱和高濕度環(huán)境下模擬老化的過(guò)程而得出的結(jié)果。

由德國(guó)Syylex公司生產(chǎn)的GlassMasterDisc顯然比M-DISC盤(pán)更好，這種盤(pán)可以在90℃的溫度和85%濕度的環(huán)境下保存完好，包括M-DISC盤(pán)在內(nèi)的其他競(jìng)爭(zhēng)者都不得不甘拜下風(fēng)。然而，用戶(hù)無(wú)法自己將數(shù)據(jù)寫(xiě)入GlassMasterDisc，需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到Syylex，通過(guò)蝕刻方式將數(shù)據(jù)寫(xiě)入GlassMasterDisc。

不過(guò)，GlassMasterDisc仍然是可以超越的，特溫特和弗賴(lài)堡大學(xué)的科學(xué)家進(jìn)行一些研究，希望找出更多可以長(zhǎng)期保存數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的方案。他們開(kāi)發(fā)了由鎢制成并涂有氮化硅的盤(pán)片。這種盤(pán)片即使在600℃的溫度下也仍然完好無(wú)損，因而科學(xué)家們得出的結(jié)論是，壓力測(cè)試表現(xiàn)如此出色的盤(pán)片壽命完全可以長(zhǎng)達(dá)一百萬(wàn)年。而在這么長(zhǎng)的時(shí)間里，由于沙漠風(fēng)沙的侵蝕，相信金字塔也早已不復(fù)存在了。

新一代藍(lán)光存檔光盤(pán)將在2015年亮相，然而暫時(shí)還不知道它是否會(huì)被提供給個(gè)人用戶(hù)。索尼和松下目前正就存檔光盤(pán)做準(zhǔn)備，據(jù)介紹，第一代的盤(pán)片數(shù)據(jù)將被刻錄成6層，容量將達(dá)到300GB，而隨后的版本預(yù)期容量將高達(dá)1TB。存檔光盤(pán)的保存壽命將長(zhǎng)達(dá)50年，將會(huì)是用于備份的理想介質(zhì)，F(xiàn)acebook已經(jīng)準(zhǔn)備好要使用它長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)。

磁帶的沖擊

磁存儲(chǔ)介質(zhì)能以比較經(jīng)濟(jì)的成本保存大量的數(shù)據(jù)，目前個(gè)人用戶(hù)使用磁存儲(chǔ)介質(zhì)需要考慮的問(wèn)題不多，但是未來(lái)幾年4K分辨率的視頻將逐漸普及，此時(shí)個(gè)人用戶(hù)將面臨一個(gè)選擇：選擇磁帶還是磁盤(pán)？對(duì)于大部分個(gè)人用戶(hù)來(lái)說(shuō)都會(huì)選擇磁盤(pán)，特別是當(dāng)4TB硬盤(pán)的價(jià)格也非常便宜的時(shí)候。然而，對(duì)于長(zhǎng)期需要保存的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，這或許是一個(gè)錯(cuò)誤的選擇，因?yàn)闄C(jī)械硬盤(pán)這種特殊類(lèi)型的存儲(chǔ)設(shè)備故障率非常高。

云服務(wù)供應(yīng)商Backblaze進(jìn)行了多年的研究和分析，希望找出機(jī)械硬盤(pán)的故障原因。研究發(fā)現(xiàn)，第一年，大約有5%的硬盤(pán)出現(xiàn)故障，主要原因是硬盤(pán)的制造缺陷。而從第三年起，許多硬盤(pán)開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)故障，主要原因是機(jī)械磨損等硬盤(pán)的缺陷。因此，該研究分析表明，個(gè)人用戶(hù)并不適合依靠磁盤(pán)來(lái)保存數(shù)據(jù)，因?yàn)槿绻疫\(yùn)的話，磁盤(pán)或許可以使用超過(guò)10年，但磁盤(pán)也可能僅僅1年就出現(xiàn)故障。

舊存儲(chǔ)設(shè)備的未來(lái)

磁帶是20世紀(jì)的存儲(chǔ)介質(zhì)，很長(zhǎng)一段時(shí)間生產(chǎn)廠商各自為政，各自采用自己的系統(tǒng)，直到惠普、IBM和希捷建立線性磁帶開(kāi)放（Linear Tape Open，LTO）作為磁帶的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，這一切才有所改變。LTO磁帶作為一種開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)介質(zhì)有自己的開(kāi)發(fā)時(shí)間表，每一代都加入了新的技術(shù)和提供更高的存儲(chǔ)容量。目前的第六代LTO磁帶，有自己的文件系統(tǒng)和加密系統(tǒng)。而它的WORM功能對(duì)于長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)更為重要，所謂的WORM，是指“一次寫(xiě)入、多次讀取”，磁帶只寫(xiě)入一次數(shù)據(jù)，此后將被作為寫(xiě)保護(hù)數(shù)據(jù)訪問(wèn)。經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)研究磁帶驅(qū)動(dòng)器的公司的測(cè)試，如果存儲(chǔ)在適當(dāng)?shù)奈恢?，磁帶的保存壽命可以比硬盤(pán)更長(zhǎng)，可以長(zhǎng)達(dá)30年。唯一需要注意的是，高熱和高濕度的環(huán)境將會(huì)縮短磁帶的壽命。

LTO磁帶最近的一次更新將會(huì)改變磁帶的磁記錄材料，這將能夠進(jìn)一步延長(zhǎng)LTO磁帶的壽命，有可能可以保存50年之久。一直以來(lái)磁帶都采用金屬顆粒（鐵、鈷）作為磁記錄材料來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但是這種材料已經(jīng)達(dá)到了它所能支持的最高存儲(chǔ)密度：必須有足夠的磁化粒子，才能夠確保驅(qū)動(dòng)器獲得明確的磁信號(hào)。如果使用金屬顆粒，那么每一盤(pán)磁帶的最大存儲(chǔ)容量是6.25TB，而從2015年開(kāi)始，采用新一代磁記錄材料的LTO 7磁帶預(yù)計(jì)存儲(chǔ)容量將可以達(dá)到16TB。LTO 7磁帶采用鋇鐵氧體作為磁記錄材料，這種新的材料磁化的效果實(shí)際上并不完美，但是它的粒子較小，可以支持更高的存儲(chǔ)密度。此外，它不容易受到腐蝕，這意味著，鋇鐵氧體的磁帶預(yù)期將會(huì)有較長(zhǎng)的使用壽命。

壽命更長(zhǎng)的閃存

電子存儲(chǔ)技術(shù)可以解決許多影響存檔文件長(zhǎng)期保存的問(wèn)題，熱量是唯一可以破壞電子存儲(chǔ)器的因素。閃存單元通過(guò)浮柵存儲(chǔ)電荷，通過(guò)一個(gè)較低的電壓就可以讀出所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，但是如果要進(jìn)行刪除操作，則需要較高的電壓來(lái)除去電荷。每個(gè)刪除操作，都會(huì)使一些電子縈繞在絕緣層，在進(jìn)行一定數(shù)量的寫(xiě)操作后，太多的電子停留在絕緣層中，這將會(huì)阻礙刪除操作而導(dǎo)致閃存單元無(wú)法使用。這種情況發(fā)生速度的快慢取決于閃存單元所存儲(chǔ)的不同電荷電平的數(shù)目，不同的電荷電平可以被用于存儲(chǔ)不同的數(shù)值。

以往的閃存單元（SLC）通常只存儲(chǔ)1個(gè)電荷電平，也就是1個(gè)閃存單元存儲(chǔ)1bit的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)如今的趨勢(shì)是每一個(gè)閃存單元（TLC）存儲(chǔ)3bit的數(shù)據(jù)，因此，必須保存8個(gè)電荷電平。這可以提高存儲(chǔ)密度，但是降低了閃存單元的壽命：TLC閃存可經(jīng)受約1 000次的寫(xiě)入操作，而SLC閃存可承受100 000次。不過(guò)，從以上的介紹不難發(fā)現(xiàn)，如果閃存采用WORM的使用方法，也就是一次寫(xiě)入后作為只讀介質(zhì)使用，那么以上的問(wèn)題就都可以得到解決。測(cè)試表明，采用WORM方式使用閃存，在室溫環(huán)境下閃存可以保存數(shù)據(jù)約1 300年，但是需要注意TLC閃存應(yīng)該無(wú)法支持這么長(zhǎng)的保存年限，因?yàn)檩^小的電荷電平的改變即可影響數(shù)據(jù)。

不幸的是，除了德國(guó)當(dāng)局用于保存證據(jù)之外，WORM的閃存介質(zhì)需求非常低。SanDisk的記憶庫(kù)（Memory Vault）是一個(gè)例外，但它采用USB 2.0接口。我們必須考慮到一個(gè)問(wèn)題，那就是接口可能會(huì)被廢棄，閃存的發(fā)展非?？欤磥?lái)誰(shuí)也無(wú)法預(yù)料。今天隨處可見(jiàn)的SATA固態(tài)硬盤(pán)，再過(guò)10年或者20年，誰(shuí)也無(wú)法保證還可以找到使用它的設(shè)備。SATA接口對(duì)于固態(tài)硬盤(pán)來(lái)說(shuō)已經(jīng)成為了瓶頸，很快將被PCI-E、NVM Express和M.2所取代。

除此之外，閃存也并不是最佳的電子存儲(chǔ)設(shè)備，目前發(fā)展中的技術(shù)將會(huì)提供更強(qiáng)大的電子存儲(chǔ)器，支持更多的刪除周期。目前最有前途的電子存儲(chǔ)器是相變存儲(chǔ)器（Phase Change Memory，簡(jiǎn)稱(chēng)PCM）和憶阻器，它們被認(rèn)為是長(zhǎng)期存檔的理想介質(zhì)。長(zhǎng)期以來(lái)PCM都是被看好的，但是它在存儲(chǔ)電荷時(shí)涉及一個(gè)臨時(shí)加熱的方法，這導(dǎo)致PCM單元難被小型化。而采用憶阻器技術(shù)RRAM存儲(chǔ)單元?jiǎng)t不會(huì)有這樣的問(wèn)題。目前，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了存儲(chǔ)密度能夠與最新閃存單元比肩的電阻式存儲(chǔ)器。與閃存比較，RRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單：非晶硅層位于兩個(gè)電極之間，當(dāng)施加電壓時(shí)，通道將始終保持導(dǎo)電性。壓力測(cè)試表明，在85℃的溫度下，RRAM存儲(chǔ)單元的壽命將比閃存單元更長(zhǎng)，這意味著采用該技術(shù)的數(shù)據(jù)載體可以更長(zhǎng)時(shí)間地保存存檔數(shù)據(jù)，然而開(kāi)發(fā)相關(guān)的技術(shù)可能還需要較長(zhǎng)的時(shí)間。