データの劣化

データ劣化とは、データストレージデバイスにおける重大でない障害の蓄積により、コンピュータデータが徐々に破損することです。これは、データ減衰、データ腐敗、ビット腐敗とも呼ばれます。^[1]これにより、データが使用されていない場合でも、時間の経過とともにデータ品質が低下します。

ダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）のデータ劣化は、 DRAM内のビットの電荷が分散したときに発生し、プログラムコードや保存されたデータが変更される可能性があります。DRAMは宇宙線^{[2]やその他の高エネルギー粒子によって変更される可能性があります。このようなデータ劣化は}ソフトエラーとして知られています。^[3] ECCメモリは、このタイプのデータ劣化を軽減するために使用できます。^[4]

データの劣化は、数年またはそれ以上の期間にわたる ストレージ メディアの段階的な劣化によって発生します。原因はメディアによって異なります。

ソリッドステートメディア

EPROM、フラッシュメモリ、その他のソリッドステートドライブは電荷を使用してデータを保存しますが、絶縁が不完全な場合は電荷が徐々に漏れてしまいます。最新のフラッシュコントローラチップは、この漏れに対処するために、いくつかの低いしきい値電圧を試して（ECCが合格するまで）、データの寿命を延ばしています。電圧レベル間の距離がはるかに短いマルチレベルセルは、この機能がなければ安定しているとは考えられません。^[5]

チップ自体はこれによる影響を受けないため、10 年に 1 回程度再プログラミングすることで劣化を防ぐことができます。再プログラミングには、マスター データの破損していないコピーが必要です。チェックサムを使用すると、チップ上のデータがまだ破損しておらず、再プログラミングの準備ができていることを確認できます。

磁気メディア

ハードディスクドライブ、フロッピーディスク、磁気テープなどの磁気メディアでは、ビットが磁気の向きを失うとデータが劣化することがあります。温度が高いと磁気の損失率が上がります。ソリッドステートメディアと同様に、メディア自体が損傷していない限り、再書き込みは有効です（以下を参照）。^[6]最新のハードドライブは巨大磁気抵抗を使用し、磁気寿命は数十年と長くなっています。また、ECCによって検出されたエラーを再書き込みによって自動的に修正します。ただし、工場出荷時のサーボトラックに依存しているため、回復不能になった場合にデータ回復が複雑になる可能性があります。

フロッピーディスクやテープは周囲の空気に対する保護が不十分で、高温多湿の環境では記憶媒体が物理的に分解されやすい。 ^{[7] [6]}

光学メディア

CD-R、DVD-R、BD-Rなどの光学メディアは、ストレージメディアの故障によりデータが劣化することがあります。ディスクを暗く涼しく湿度の低い場所に保管することで、この劣化を軽減できます。「アーカイブ品質」のディスクは寿命が長くなっていますが、それでも永久的ではありません。しかし、さまざまな種類のエラーの発生率を測定するデータ整合性スキャンにより、修正不可能なデータ損失が発生する前に、光学メディア上のデータ劣化を予測することができます。^[8]

ディスク染料とディスクバッキング層は両方とも潜在的に劣化しやすい。CD-Rで使用されていた初期のシアニンベースの染料は紫外線安定性に欠けることで有名だった。初期のCDはCDブロンズ現象にも悩まされていたが、これはラッカー材料の悪さとアルミニウム反射層の不具合の組み合わせに関係している。^[9]後期のディスクはより安定した染料を使用するか、無機混合物に置き換えている。アルミニウム層も金や銀の合金に置き換えられることが多い。

紙媒体

パンチカードやパンチテープなどの紙媒体は、文字通り腐ることがあります。マイラーパンチテープは、電磁気的安定性に依存しない別のアプローチです。本や印刷用紙の劣化は、主にセルロース分子内のグリコシド結合の酸加水分解と酸化によって引き起こされます。^[10]紙の劣化は、高相対湿度、高温、酸、酸素、光、さまざまな揮発性有機化合物や二酸化窒素などのさまざまな汚染物質への曝露によって加速されます。^[11]

以下は、データ劣化を示すデジタル画像です。すべて 326,272 ビットで構成されています。最初に元の写真が表示されます。次の画像では、1 ビットが 0 から 1 に変更されています。次の 2 つの画像では、2 ビットと 3 ビットが反転されています。Linux システムでは、cmpコマンド (例)を使用して、ファイル間のバイナリの違いを明らかにすることができますcmp -b bitrot-original.jpg bitrot-1bit-changed.jpg。

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  0 ビット反転
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  1ビット反転
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  2ビット反転
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  3ビット反転

この劣化は、物理的要因、ソフトウェアエラー、セキュリティ侵害、人為的エラー、技術の時代遅れ、不正アクセス事件など、デジタル情報の信頼性と完全性に影響を与えるさまざまな要因によって引き起こされる可能性があります。^{[12] [13] [14] [15]}

ほとんどのディスク、ディスクコントローラ、および上位レベルのシステムは、回復不能な障害が発生する可能性がわずかにあります。ディスク容量、ファイルサイズ、およびディスクに保存されるデータ量の増加に伴い、データ劣化やその他の未修正および未検出のデータ破損が発生する可能性が高まります。^[16]

低レベルのディスクコントローラは通常、エラー訂正コード（ECC）を使用して誤ったデータを訂正します。^[17]

冗長性を高め、整合性チェック、エラー訂正コード、自己修復アルゴリズムを実装することで、このような根本的な障害のリスクを軽減するために、より高レベルのソフトウェアシステムを採用することができます。^[18] ZFSファイルシステムは、これらのデータ破損の問題の多くに対処するように設計されています。^[19] Btrfs ファイルシステムには、ReFSと同様にデータ保護および回復メカニズムも含まれています。 [ ^{20 ]}