磁気テープデータストレージ

磁気テープデータストレージは、デジタル記録を使用して磁気テープにデジタル情報を保存するシステムです。

テープは初期のコンピュータにおける主要なデータ保存媒体として重要であり、通常は7 トラック、後に9 トラックの大型オープンリールが使用されていました。現代の磁気テープは、広くサポートされている Linear Tape-Open (LTO) ^[1]やIBM 3592シリーズなど、カートリッジやカセットにパッケージ化されているのが最も一般的です。データの書き込みや読み取りを行うデバイスは、テープドライブと呼ばれます。オートローダーやテープライブラリは、カートリッジの取り扱いや交換を自動化するためによく使用されます。データ転送を可能にするには互換性が重要でした。

テープデータストレージ^[2]は現在、システムバックアップ、^[3]、データアーカイブ、データ交換に多く使用されています。テープはコストが低いため、長期保存やアーカイブに適しています。^[4]

当初、データ保存用の磁気テープは 10.5 インチ (27 cm) のリールに巻かれていた。^[5]この大型コンピュータ システムの標準は 1980 年代後半まで続き、基板の薄型化とエンコードの変更により容量は着実に増加した。テープ カートリッジとカセットは 1970 年代半ばから利用可能になり、小型コンピュータ システムで頻繁に使用されていた。1984 年に IBM 3480 カートリッジが導入され、「サイズは約 4 分の 1 だが、最大 20 パーセント多くのデータを保存できる」と評され、^[6]大型コンピュータ システムはオープン リール テープからカートリッジへと移行し始めた。^[7]

磁気テープは、1951年にUNIVAC Iで初めてコンピュータデータの記録に使用されました。^[8] UNISERVOドライブの記録媒体は、幅0.5インチ（12.7 mm）のニッケルメッキリン青銅の薄い金属ストリップでした。記録密度は、100インチ/秒（2.54 m/秒）の線速度で8つのトラックに1インチあたり128文字（198マイクロメートル/文字）で、データ速度は1秒あたり12,800文字でした。8つのトラックのうち、6つはデータ、1つはパリティ用、もう1つはクロックまたはタイミングトラックでした。テープブロック間の空きスペースを考慮すると、実際の転送速度は1秒あたり約7,200文字でした。マイラーテープの小さなリールが、金属テープと読み取り/書き込みヘッドを分離しました。^[9]

1950年代のIBMコンピュータは、オーディオ録音で使用されるものと同様の酸化鉄でコーティングされたテープを使用していました。IBMの技術はすぐに事実上の業界標準になりました。磁気テープの寸法は幅0.5インチ（12.7 mm）で、取り外し可能なリールに巻かれていました。ミルで1,200フィート（370 m）と2,400フィート（730 m）の異なるテープ長さが利用可能であり、厚さ1/2がほぼ標準でした。^{[説明が必要] 1980年代には、はるかに薄い}PETフィルムを使用して、3,600フィート（1,100 m）などのより長いテープ長さが利用可能になりました。ほとんどのテープドライブは、最大10.5インチ（267 mm）のリールサイズをサポートできました。いわゆるミニリールは、ソフトウェア配布などの小さなデータセットで一般的でした。これらは7インチ（18 cm）のリールで、長さは決まっていないことが多く、コスト削減策として、記録されるデータの量に合わせてテープの大きさが決まりました。^[要出典]

CDCはIBM互換の1 ⁄ 2インチ（13 mm）磁気テープを使用していましたが、CDC 626ドライブでは14トラック（CDC 6000シリーズ周辺プロセッサの12ビットワードに対応する12のデータトラックと2つのパリティビット）を備えた1インチ幅（25 mm）の変種も提供していました。^[10]

IBM 727やIBM 729などの初期の IBM テープ ドライブは、真空コラムを使用して長い U 字型のテープ ループをバッファリングする、機械的に洗練された床置き型ドライブでした。強力なリール モーターのサーボ制御、低質量のキャプスタン ドライブ、真空コラムの低摩擦と制御された張力により、テープとヘッドのインターフェイスでのテープの高速な開始と停止が実現しました。^[a]高速加速が可能なのは、真空コラム内のテープ質量が小さいためです。コラム内にバッファリングされたテープの長さにより、高慣性リールを加速する時間が確保されます。アクティブになると、2 つのテープ リールがテープを真空コラムに送り込んだり、真空コラムから引き出したりして、断続的に高速で非同期のバーストで回転し、視覚的に印象的なアクションを生み出します。このような真空コラム テープ ドライブが動作しているストック ショットは、映画やテレビでコンピューターを象徴的に表現していました。^[11]

初期の 1/2 インチ テープには、テープの長さに沿って 7 つの並行データ トラックがあり、テープ全体に6 ビットの文字と 1 ビットのパリティを書き込むことができました。これは7 トラック テープと呼ばれていました。IBM System/360メインフレームの導入により、新しい 8 ビット文字をサポートするために9 トラック テープが導入されました。ファイルの終わりは、テープ マークと呼ばれる特別な記録パターンによって示され、テープに記録されたデータの終わりは、2 つの連続するテープ マークによって示されました。使用可能なテープの物理的な開始と終了は、裏面に貼られたアルミホイルの反射粘着ストリップによって示されました。^{[引用が必要]}

記録密度は時間とともに増加した。一般的な7トラックの密度は200文字/インチ（CPI）から始まり、次に556、最終的に800となった。9トラックテープの密度は800（NRZIを使用）、次に1600（PEを使用）、最後に6250（GCRを使用）であった。これは、標準長（2,400フィート、730メートル）のテープリールあたり約5メガバイトから140メガバイトに相当します。ブロック間ギャップ（レコード間ギャップ）が7トラックテープリールの公称3⁄4^{インチ（19 mm）から6250 bpi [要説明]} 9トラックテープリールの公称0.30インチ（7.6 mm）に減少するにつれて、実効密度も増加した。 ^[12]

System/360 の成功と、その結果として 8 ビット文字コードとバイト アドレス指定が標準化されたこともあり、9 トラック テープは 1970 年代から 1980 年代にかけてコンピュータ業界全体で広く使用されました。^{[13] IBM は、1984 年にカートリッジ ベースの}3480 ファミリーを導入して以来、新しいリール式製品の生産を中止し、カートリッジ ベースの製品に置き換えてきました。^[要出典]

LINCtapeとその派生であるDECtape は、この「丸型テープ」のバリエーションでした。これらは基本的に個人用の記憶媒体で、^[14]幅 0.75 インチ (19 mm) のテープを使用し、標準のテープとは異なり、固定フォーマット トラックを備えていたため、ブロックを繰り返し読み書きすることができました。LINCtape と DECtape は、それらを置き換えたディスケットと同等の容量とデータ転送速度を持っていましたが、アクセス時間は30 秒から 1 分程度でした。^[要出典]

磁気テープの文脈では、カセットまたはカートリッジという用語は、テープの動きを制御するための 1 つまたは 2 つのリールを備えたプラスチック製の筐体に収められた 1 本の磁気テープを指します。パッケージの種類によって、ロードおよびアンロード時間、および保持できるテープの長さが変わります。シングル リール カートリッジでは、ドライブに巻き取りリールが 1 つありますが、デュアル リール カートリッジでは、カートリッジに巻き取りリールと供給リールの両方があります。テープ ドライブは、1 つ以上の精密に制御されたモーターを使用して、読み取り/書き込みヘッドを通過しながら、テープを 1 つのリールから別のリールに巻き取ります。^{[引用が必要]}

別のタイプとして、エンドレス テープ カートリッジがあります。これは、特殊なリールにテープが連続的に巻かれており、リールの中央からテープを引き出して端に巻き付けることができるため、繰り返すために巻き戻す必要がありません。このタイプは、テープ ドライブ内に巻き取りリールがない点で、シングル リール カートリッジに似ています。^[要出典]

1961 年に導入されたIBM 7340ハイパーテープ ドライブは、1 インチ幅 (2.5 cm) のテープを備えたデュアル リール カセットを使用し、カセット 1 つあたり 200 万の 6 ビット文字を保存できました。^{[引用が必要]}

1970年代から1980年代にかけて、オーディオ用コンパクトカセットは、家庭用コンピュータの安価なデータストレージシステムとして頻繁に使用されていました^[b]。また、 Burroughs B1700などの大型システムの診断やブートコードとして使用されることもありました^[16] 。コンパクトカセットは、物理的にも論理的にも連続しており、データをロードするには巻き戻して最初から読み取る必要があります。初期のカートリッジは、パーソナルコンピュータに手頃な価格のディスクドライブが搭載される前から販売されており、アクセス時間は数秒でしたが、テープを自動的に巻き上げて位置決めする ランダムアクセスデバイスとして使用できました。

1984 年に IBM は3480 シリーズのシングル リール カートリッジとテープ ドライブを発表しました。これはその後、少なくとも 2004 年まで多くのベンダーによって製造されました。当初はカートリッジあたり 200 メガバイトを提供していましたが、時間の経過とともにカートリッジあたり 2.4 ギガバイトまで容量が増加しました。カートリッジ ベースのテープであるDLT (デジタル リニア テープ) も 1984 年から利用可能でしたが、2007 年時点では LTO に取って代わられ、今後の開発は中止されました。^{[引用が必要]}

2003年、IBMはIBM 3590の後継として3592ファミリーを導入した。名前は似ているが、3590と3592の間には互換性がない。以前の3590や3480と同様に、このテープフォーマットは1⁄2インチ（13 mm）のテープが1つのリールカートリッジに巻き取られている。当初は300ギガバイトをサポートするために導入されたが、2018年にリリースされた第6世代は20テラバイトのネイティブ容量をサポートする。^[17]

リニア テープ オープン(LTO) シングル リール カートリッジは 1997 年に 100 ギガバイトで発表され、第 8 世代では同じサイズのカートリッジで 12 テラバイトをサポートします。2019 年現在、^[update]LTO はハイエンドの IBM 3592 ファミリーの一部を除き、コンピューター アプリケーションにおける他のすべてのテープ技術を完全に置き換えました。 ^{[引用が必要]}

バイト/インチ（BPI）は、磁気媒体にデータを保存する密度の指標です。BPIという用語は、ビット/インチ[^18]バイト/を指すことが多い。^[19]

BPIという用語は、9トラックテープのように特定のフォーマットのトラックがバイト単位で構成されている場合に、1インチあたりのバイト数を意味することがあります。 ^[20]

メディアの幅は、テープ技術の主な分類基準です。1/2インチ（13 mm）は、歴史的に大容量データストレージ用のテープの最も一般的な幅でした。^[21]他にも多くのサイズがあり、そのほとんどはより小さなパッケージまたはより高い容量のために開発されました。^[22]

記録方式もテープ技術を分類する重要な方法であり、一般的にはリニアとスキャンの 2 つのカテゴリに分類されます。^{[引用が必要]}

リニア方式では、テープの長さに渡る長い平行トラックにデータを配置します。複数のテープ ヘッドが同時に 1 つのメディアに平行テープ トラックを書き込みます。この方式は初期のテープ ドライブで使用されていました。これは最も単純な記録方式ですが、データ密度は最も低くなります。^[要出典]

リニア技術のバリエーションとして、テープ ヘッドよりも多くのトラックを使用するリニア サーペンタイン記録があります。各ヘッドは、依然として一度に 1 つのトラックを書き込みます。テープの全長を 1 回通過した後、すべてのヘッドがわずかにずれて逆方向にもう一度通過し、別のトラック セットを書き込みます。この手順は、すべてのトラックの読み取りまたは書き込みが完了するまで繰り返されます。リニア サーペンタイン方式を使用すると、テープ メディアには読み取り/書き込みヘッドよりも多くのトラックを含めることができます。同じテープ長と同じ数のヘッドを使用した単純なリニア記録と比較して、データ ストレージ容量が大幅に高くなります。^{[引用が必要]}

スキャン記録方式では、テープ媒体の長さ方向ではなく幅方向に短い高密度のトラックを書き込みます。テープヘッドはドラムまたはディスク上に配置され、比較的低速で移動するテープが通過する間に高速回転します。^{[引用が必要]}

当時普及していた線形方式よりも高いデータ レートを得るために使用された初期の方法は、横方向スキャンでした。この方法では、テープ ヘッドが外縁に埋め込まれた回転ディスクが、テープの経路に対して垂直に配置されます。この方法は、Ampexの DCRsi 計測データ レコーダーと、古い Ampex 4 重ビデオテープシステムで使用されています。別の初期の方法は、円弧スキャンでした。この方法では、ヘッドは、テープに対して平らに置かれた回転ディスクの表面にあります。テープ ヘッドの経路は円弧を形成します。^{[引用が必要]}

ヘリカルスキャン記録では、短くて密なトラックを斜めに書き込みます。この方法は、現在のほぼすべてのビデオテープシステムといくつかのデータ テープ形式で使用されています。^{[引用が必要]}

一般的な形式では、データはブロック間にギャップがあるブロック単位でテープに書き込まれ、各ブロックは書き込み中もテープが連続的に動作している状態で 1 回の操作で書き込まれます。ただし、テープ ドライブへのデータの書き込みまたは読み取りの速度は変化するため、テープ ドライブは通常、データがテープに書き込まれる速度とホストによってデータが供給または要求される速度の差に対応する必要があります。^{[引用が必要]}

この差に対処するために、さまざまな方法が単独または組み合わせて使用​​されてきた。ホストがテープドライブの転送速度に追いつけない場合は、テープドライブを停止し、バックアップして再起動することができる（シューシャイニングと呼ばれる）。大容量のメモリバッファを使用してデータをキューに入れることができる。かつては、ホストのブロックサイズがテープ上のデータ密度に影響を与えていたが、最近のドライブでは、データは通常、圧縮または暗号化されている場合とされていない場合がある固定サイズのブロックに編成されており、ホストのブロックサイズはテープ上のデータ密度に影響を与えなくなった。最近のテープドライブは、シューシャイニングを回避するために必要に応じてドライブが物理テープ速度を動的に下げることができる速度マッチング機能を備えている。^[23]

以前は、ブロック間ギャップのサイズは一定でしたが、データ ブロックのサイズはホスト ブロック サイズに基づいていたため、カウントキー データストレージなどのテープ容量に影響がありました。最近のほとんどのドライブでは、これは当てはまりません。リニア テープ オープンタイプのドライブは、ホスト ブロック サイズとは関係なく、テープに固定サイズのブロック (固定ブロック アーキテクチャ) を使用し、ブロック間ギャップは書き込み時の速度のマッチングを支援するために可変です。^{[引用が必要]}

圧縮機能付きドライブでは、データの圧縮率が容量に影響します。^{[どのように? ]}

テープは、データへのシーケンシャル アクセスを特徴としています。テープは高速データ転送が可能ですが、カセットをロードしてテープ ヘッドを選択したデータに合わせるのに数十秒かかります。対照的に、ハード ディスク技術は、同等の動作を数十ミリ秒 (3 桁高速) で実行でき、データへのランダム アクセスを提供するものと考えることができます。^{[引用が必要]}

ファイルシステムでは、データとメタデータをデータストレージメディアに保存する必要があります。ディスクベースのファイルシステムのように、メタデータを 1 つの場所に、データを別の場所に保存するには、位置変更作業が必要です。その結果、ほとんどのテープシステムでは、ファイルをファイル名ではなく番号でアドレス指定する簡略化されたファイルシステムが使用されています。ファイル名や変更時間などのメタデータは通常、まったく保存されません。テープラベルにはこのようなメタデータが保存され、システム間でデータを交換するために使用されています。ファイルアーカイバとバックアップツールは、複数のファイルと関連するメタデータを 1 つのテープファイルにまとめるために作成されています。サーペンタインテープドライブ ( QICなど) は、適切なトラックに切り替えることでアクセス時間を改善します。テープパーティションはディレクトリ情報に使用されます。^[24]リニアテープファイルシステムは、ファイルメタデータをテープの別の部分に保存する方法です。これにより、ファイルまたはディレクトリをテープにコピーして貼り付けることができますが、テープがディスクであるかのようにコピーできますが、テープの基本的なシーケンシャルアクセスの性質は変わりません。^{[引用が必要]}

テープはランダム アクセスに長い時間がかかります。これは、デッキが任意の位置から別の位置に移動するために、平均してテープ長の 3 分の 1 を巻き取らなければならないためです。テープ システムでは、この固有の長い待ち時間を緩和するために、インデックス (テープ ディレクトリ) を使用するか (サーペンタイン ドライブでは必須)、またはテープを高速で巻き取るときに検出できるテープ マークでブロックをマークします。 ^{[引用が必要]}

現在、ほとんどのテープ ドライブには、何らかのロスレス データ圧縮機能が搭載されています。同様の結果をもたらすアルゴリズムには、LZW ^[要出典] (広くサポートされています)、IDRC (Exabyte)、ALDC (IBM、QIC)、DLZ1 (DLT) などがあります。^[要出典]テープ ドライブのハードウェアに組み込まれているこれらのアルゴリズムは、一度に比較的小さなデータ バッファーを圧縮するため、冗長性の高いデータであっても非常に高い圧縮率を実現することはできません。比率は 2:1 が一般的ですが、2.6:1 や 3:1 を主張するベンダーもあります。実際に得られる比率はデータの性質によって異なるため、機器の容量を指定する場合、圧縮率を信頼することはできません。たとえば、圧縮容量が 500 GB であると主張するドライブは、500 GB の実際のデータをバックアップするのに十分ではない可能性があります。すでに効率的に保存されているデータは大幅な圧縮が不可能な場合があり、スパース データベースでははるかに大きな係数が提供される場合があります。ソフトウェア圧縮は、スパース データではるかに優れた結果を達成できますが、ホスト コンピュータのプロセッサを使用するため、ホスト コンピュータがデータの書き込みと同じ速度で圧縮できない場合は、バックアップが遅くなる可能性があります。^{[引用が必要]}

ローエンド製品で使用されている圧縮アルゴリズムは最適な効果が得られないため、ハードウェア圧縮をオフにして、代わりにソフトウェア圧縮 (および必要に応じて暗号化) を使用すると、より良い結果が得られる可能性があります。^{[引用が必要]}

プレーンテキスト、生画像、データベースファイル（TXT、ASCII、BMP、DBFなど）は、通常、コンピュータシステムに保存されている他の種類のデータよりもはるかに圧縮率が高いです。対照的に、暗号化されたデータや事前圧縮されたデータ（PGP、ZIP、JPEG、MPEG、MP3など）は、データ圧縮を適用すると通常サイズが増加します^[c]。場合によっては、このデータ拡張は15％にも及ぶことがあります。^{[引用が必要]}

テープを暗号化するための標準規格が存在する。^[25]暗号化は、テープが盗まれた場合でも、犯人がテープ上のデータを使用できないようにするために使用される。セキュリティを維持するには、キー管理が不可欠である。暗号化されたデータは、エントロピーが導入されるため、効果的に圧縮できないため、暗号化の前に圧縮を行う方が効率的である。一部のエンタープライズ テープ ドライブには、データを迅速に暗号化できるハードウェアが搭載されている。^[26]

一部のテープカートリッジ、特にLTOカートリッジには、エンコードの種類、ストレージのサイズ、日付などのテープに関するメタデータを記録するための小さな関連データストレージチップが組み込まれています。また、自動化されたテープライブラリを支援するために、テープカートリッジのラベルにバーコードが付いていることも一般的です。^[27]

テープは現代のデータセンターでも依然として有効な理由は次のとおりです。^{[28] [29] [30]}

1. 大量のデータを保存するための最も低コストの媒体です。
2. リムーバブルメディアとして、データのハッキング、暗号化、削除を防ぐエアギャップの作成を可能にします。
3. 長期保存が可能であるため、規制当局の要求に応じて長期間のデータ保存が可能となる。^[31]

クラウドストレージの最も低コストの層はテープによってサポートされます。^[31]

2002年、イメーションは磁気テープのデータ容量を増やすための研究のために米国国立標準技術研究所から1,190万ドルの助成金を受けた。 ^[32]

2014年、ソニーとIBMは、極めて微細な結晶粒子を形成できる新しい真空薄膜形成技術を使用して開発された磁気テープメディアで1平方インチあたり148ギガビットの記録が可能になったと発表しました。これは、報告されている磁気テープのデータ密度が148 Gbit/in² (23 Gbit/cm²) という最高のテープストレージ技術であり、ネイティブテープ容量が185 TBになる可能性があるとしています。^{[33] [34]}ソニーはこれをさらに開発し、2017年にデータ密度が201 Gbit/in² (31 Gbit/cm²) であると発表しました。これは標準的な圧縮テープ容量が330 TBになります。^[35]

2014年5月、富士フイルムはソニーに続き、 IBMと共同で154TBのテープカートリッジを開発すると発表しました。これは、線形磁気粒子テープ上で85.9GBit/in²（133億ビット/cm²）の面データストレージ密度を備えています。 ^[36]富士フイルムが開発したNANOCUBICTと呼ばれる技術は、BaFe磁気テープの粒子量を減らし、同時にテープの滑らかさを高め、読み取りおよび書き込み時の信号対雑音比を高めながら、高周波応答を可能にします。^[要出典]

2020年12月、富士フイルムとIBMは、ストロンチウムフェライトを記録媒体として使用し、580テラバイトの容量を持つテープカセットを実現する技術を発表した。 ^[37]

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