Изучаем накопители для длительного хранения данных

До настоящего времени мы хранили самые важные файлы на винчестерах и DVD, срок годности которых составляет лишь несколько лет. Благодаря появлению новейших технологий сегодня имеются более надежные цифровые хранилища информации. CHIP расскажет вам о них. К концу 2012 года человечество накопит в общей сложности 2 500 000 000 000 000 000 000 байт (2500 экзабайт) информации. Наш разум едва ли способен осознать такую величину. Еще труднее принять тот факт, что хранящиеся на жестком диске данные физически пропадут через лет — эти накопители имеют небольшой срок службы. Сегодня самый популярный способ долговременного хранения данных — это DVD. Однако около 43% пользователей сохраняют свои файлы на носителях, срок службы которых еще меньше, чем у оптических дисков. Это приводит к парадоксальному результату: важные документы, фотографии и видеофильмы размещены на носителях, которым заведомо нельзя доверять. При этом существует несколько относительно дорогих решений для долговременного архивирования важных файлов. Три такие технологии мы представим в статье: два типа перезаписываемых дисков и специально подготовленный флеш-накопитель. Все они гарантируют сохранность ваших файлов на срок от 100 до 1000 лет, а при соблюдении определенных условий — и дольше. Кроме того, мы вкратце рассмотрим и другие методы, которые также обещают надежно хранить файлы.

Срок годности цифровых носителей

Жесткие диски не защищены от воздействия многочисленных внешних факторов — таких, например, как сырость и жара. Вибрацию и удары они также не переносят. Твердотельные винчестеры не имеют подвижных деталей, однако их ячейки памяти далеко не вечны. При повседневной работе они выдерживают, как правило, не более 10 000 циклов перезаписи, после чего ресурс флеш-памяти исчерпывается. И даже если вы просто однократно записали на них данные, эти носители утратят свой заряд всего через несколько лет.

При выборе жесткого диска в качестве средства для долгосрочного архивирования следует принимать во внимание и другие моменты — в частности, возможность возникновения коррозии на контактах. Кроме того, файловая система NTFS, которая практически повсеместно используется при резервировании данных, разработана компанией Microsoft и не является открытым стандартом. Она вряд ли сохранится после исчезновения операционной системы Windows. А кто может обещать, что эта ОС в последующие десять лет будет работать на наших компьютерах? То же самое можно отнести и к «облачным» технологиям: никто не гарантирует нам благополучное существование Google или Amazon через 20 лет. В противоположность всему перечисленному хранение информации на «болванках» обладает тем преимуществом, что процедура записи и чтения данных полностью стандартизирована. В случае крайней необходимости ваши файлы можно считать даже при помощи электронного микроскопа.

Имеют ли будущее «болванки» CD и DVD как средство долгосрочного архивирования? Можно со всей определенностью сказать: нет, если они куплены на компьютерном рынке или в обычном магазине. Зачастую такие носители имеют минимально возможный уровень качества вследствие многолетней ценовой борьбы производителей. Но выход из этой ситуации все-таки есть.

Почему DVD-диски живут так недолго

На срок службы оптических дисков влияют три фактора: солнечный свет воздействует на органический краситель, металлический слой окисляется, а поликарбонат не выносит высоких температур.

   

Различия в качестве

Проведенное по поручению французских правительственных органов тестирование показало, что даже диски одной торговой марки выходят из строя не одинаково быстро. Исследование велось по нормам ECMA-379 при температуре 80 °С и влажности воздуха 85%.

  M-Disc:  Каменный диск — на века

Диски типа M-Disc записывают информацию на слое минерального материала, подобного камню. Производитель гарантирует сохранность файлов на протяжении 1000 лет.   Разработка компании Millenniata лишена самого большого недостатка обычной DVD-«болванки». Ведь ее сохранность зависит от состояния органического слоя, на который производится запись лучом лазера, а также состояния металла в отражающем слое. Опасность для стандартных носителей заключается в постепенном окислении отражающего слоя, который состоит, как правило, из алюминия или серебра. Некоторые производители — например, Verbatim — используют для «болванок» длительного хранения золото или сплав серебра с золотом. Правда, это позволяет решить лишь самую малую часть проблемы. Когда речь заходит о влиянии условий внешней среды, то именно краситель оказывается самым уязвимым местом: яркий солнечный свет, высокие влажность и температура способствуют растворению красящего слоя, а с ним исчезают и сохраненные файлы.

При записи на M-Disc информация выжигается не на красителе, а на слое неорганического вещества, состоящего из смеси металлов и полуметаллов — оксидов кремния и углерода. Более точных сведений о составе материала производитель по понятным причинам не сообщает. Еще одно отличие от записанных DVD заключается в том, что для прожига M-Disc необходима существенно более высокая мощность лазера, а максимальная скорость записи составляет 4х. При этом материал в точках попадания лазера выплавляется. Таким образом, лазер выжигает микроскопические отверстия в информационном слое, что делает ненужным светоотражающий металлический слой.

Устройство диска M-Disc. Данные находятся в слое неорганического минерального материала, похожего на камень. В процессе записи лазер выжигает углубления в этом слое.

Недорогие записывающие устройства для частных пользователей

Самое хорошее в технологии Millenniata — это ее доступность для обычных пользователей. Целый ряд моделей от компании LG — например, GH22NS90-M стоимостью около 1600 рублей — может записывать «болванки» нового типа. Это обеспечивается специальной прошивкой, которая распознает M-Disc и увеличивает мощность лазера. Данные носители уже можно купить в онлайн-магазине Amazon за €35 (1400 рублей) за упаковку из десяти штук. Это вполне приемлемая цена за новинку.

Мы проверили надежность хранения записанных на M-Disc данных в своей тестовой лаборатории, поместив эти диски в ультрафиолетовую камеру. Там в течение 72 часов они подвергались интенсивному облучению ультрафиолетом. Его они перенесли с легкостью, как и стеклянный мастер-диск (см. далее). Помещенные в эту же камеру дешевые «болванки» марки Sony стали полностью нечитабельными, а дорогие носители Archival Grade производства Verbatim продемонстрировали увеличение количества ошибок чтения почти на 300%.

Тест на выносливость: у фирменных DVD — никаких шансов

В лаборатории ВМФ США было проведено сравнительное тестирование DVD и M-Disc. В течение 24 часов оба вида носителей выдерживались при температуре 85 °C и влажности воздуха 85%. После этого DVD-«болванки» практически не читались, хотя и у M-Disc также появились ошибки чтения.

  Стеклянный мастер-диск: Вытравлено на стекле

Вся информация записывается на диске из специального стекла. Он способен сохранять записанное в течение 1000 лет, находясь не только на Земле, но и в космосе. Еще более выносливым, чем M-Disc с его минеральным слоем, является стеклянный диск. Молодая немецкая компания Syylex предлагает стеклянные мастер-диски (GlassMasterDisc), лишенные слабого места носителей формата M-Disc — поликарбонатных слоев, защищающих активный слой. И хотя Национальный институт стандартов и технологии (NIST) США определил срок сохранности для M-Disc в 1000 лет (буква M в названии означает Millenium, то есть тысячелетие), поликарбонат выдерживает сильные перепады температур лишь в течение короткого промежутка времени.

Устойчивость к высокой температуре и излучениям

Если же вы хотите получить носитель не только долговечный, но и устойчивый к внешним воздействиям (природным катастрофам, пожарам и излучениям), вам следует выбрать стеклянный диск. По своим характеристикам он сравним с боросиликатным стеклом фирмы Duran, химическая устойчивость которого превосходит многие другие материалы. Растворить его могут лишь жидкие кислоты и едкие щелочи при температуре свыше 100 °C. Это стекло остается прочным до 500 °C и размягчается лишь при нагревании свыше 850 °C. Диск из такого стекла выдерживает даже условия открытого космоса, то есть температуры, близкие к абсолютному нулю, и излучение Солнца. Разумеется, прожечь самостоятельно носитель данного типа не удастся — это можно сделать лишь на специальном оборудовании. Срок изготовления «вечного» диска для обычного пользователя составляет от пяти до десяти дней с момента отправки данных в компанию Syylex, а стоит эта услуга около €150 (6000 рублей) за один носитель.

Первые этапы производства дисков Syylex похожи на создание мастер-диска (см. слева). После этого наносится еще и светоотражающий слой, чтобы носитель читался в обычном оптическом приводе. В завершение при помощи отверждаемого в УФ-лучах клея присоединяется второй стеклянный диск. Он обеспечивает механическую прочность носителя, чтобы его нельзя было разбить.

Собственно информационный слой состоит из стекла, в котором вытравливаются углубления. Светоотражающий металлический слой обеспечивает возможность воспроизведения диска в любом BD- и DVD-приводе.

Французская лаборатория Laboratoire national de metrologie et d’essais проверила срок жизни стеклянных накопителей. В ходе тестирования различные типы дисков подвергались длительному воздействию температуры 90 °C и влажности воздуха 85%. В таких условиях прессованные DVD-ROM через 375 часов становились нечитаемыми, а записанные в домашних условиях «болванки» вышли из строя намного раньше. И только стеклянный диск с честью выдержал испытание, которое длилось 1500 часов.

Производство стеклянного диска

Процесс изготовления больше походит на создание микросхемы, чем на обычный прожиг болванки. Поэтому он осуществляется в чистом помещении.

  Memory Vault: Долговременная защита

Компания SanDisk дает гарантию в 100 лет на накопители с антикоррозийной защитой. Теоретически рассчитанный срок хранения данных составляет целых 1300 лет.   Компания SanDisk предлагает пользователям накопитель Memory Vault — устройство на базе флеш-памяти для долговременного хранения файлов. Встроенный контроллер позволяет стирать и записывать данные, но после определенного количества циклов носитель переключается в режим только чтения. Когда это происходит, специалисты SanDisk умалчивают, однако пользователь сможет заметить приближение такого момента по увеличению частоты мигания встроенного светодиода. Данный механизм защиты предотвращает ускоренный износ ячеек памяти, однако со временем они все равно подвергаются «естественному старению». Скорость такого «старения» сильно зависит от  температуры, при которой хранится накопитель.

Прохлада способствует длительному сохранению данных

Ячейка флеш-памяти представляет собой транзистор с дополнительной микросхемой (плавающим затвором), которая накапливает электроны. Прикладываемое напряжение обеспечивает проникновение электронов через оксидную пленку в плавающий затвор либо их выход наружу при выполнении процедуры стирания данных. Количество сохраненных таким образом электронов определяет значение бита определенной ячейки флеш-памяти. Смогут ли электроны проникать через оксидную пленку затвора, зависит от их энергии. Помимо электричества движению электронов может способствовать высокая температура, при этом сам накопитель может находиться в неактивном состоянии.

Для проверки срока годности ячеек памяти в Memory Vault специалисты компании SanDisk увеличили температуру окружающей среды до 125 °C и замерили, с какого момента носитель начинает терять сохраненную информацию. При таких внешних условиях этот процесс начинается относительно быстро: срок сохранности записанных данных составил почти 350 часов. В пересчете на самую неблагоприятную реальную температуру окружающей среды  (порядка 40 °C) это означает целостность файлов в течение примерно 105 лет.

Когда к управляющему электроду прикладывается напряжение, электроны двигаются из канала в плавающий затвор и там накапливаются. Когда же прикладывается напряжение с обратной полярностью, они выходят наружу.

Официальная реклама SanDisk гарантирует как раз 100-летний срок хранения данных, однако если снизить температуру до нормальной комнатной (20 °C), то Memory Vault способен беречь записанное в течение 1300 лет. Впрочем, за такой длительный период свою роль сыграют и другие факторы — например, коррозия платы накопителя. Для предотвращения корродирования SanDisk покрывает чип памяти защитным слоем. Все это отражается на цене гаджета: восьмигигабайтный накопитель стоит около €40 (1600 рублей), а 16-гигабайтная модификация — более €60 (2400 рублей).

Срок службы

Тестирование по нормативам промышленного стандарта JESD22-A117B позволяет вычислить, когда флеш-накопитель выйдет из строя. Методика основывается на том, что срок жизни одной ячейки в зависимости от внешней температуры уменьшается экспоненциально.

Другие технологии длительного хранения данных

Голографическая память: Диск объемом 4 Тбайт

Спецификация на диски HVD (Holographic Versatile Disc) была готова еще в конце 2004 года. Объем таких носителей должен был достичь 3,9 Тбайт, а скорость передачи данных — 1 Гбит/с. Прекрасной мечте о наследнике формата Blu-ray, который сделал бы устаревшими даже современные винчестеры, не суждено было сбыться: чересчур велики оказались технические сложности. Однако на сегодняшний день компания General Electric продолжает вести разработку данной технологии. В начале 2009 года специалисты GE впервые представили свой голографический носитель информации — прозрачный диск размером с обычную DVD-«болванку», на который можно было записать до 500 Гбайт данных. В связи с тем, что информация записывалась напрямую в материал диска и для него не требовалось никакого дополнительного слоя с красителем, от голографической технологии ожидалось, что она обеспечит значительно большие сроки хранения данных. Бывшие конкуренты, такие как InPhase Technologies, рассчитывали на срок сохранности данных минимум 50 лет. В диске GE одна-единственная голограмма размером 0,3×5 микрометра представляет собой один бит информации. Все голограммы расположены так же, как на современных дисках Blu-ray или DVD, а количество слоев на накопителе нового формата может составлять от 50 до 100. Поэтому объем информации, который помещается на такой диск, значительно больше. Подобное размещение записанных данных призвано сделать существующие устройства для воспроизведения совместимыми с теми типами накопителей, которые имеются сегодня на рынке. Таким образом, компания GE нацелена на завоевание как корпоративных, так и частных клиентов.

Накопители на магнитной ленте: срок сохранности — до 30 лет

Традиционным средством хранения данных для профессионалов является магнитная лента. Накопители на жестких магнитных дисках давно обогнали ее по такому показателю как плотность записи, а тенденция у серверных систем все больше склоняется в пользу быстрых SSD-накопителей. Несмотря на все это магнитная лента все еще удерживает свои позиции на рынке средств долгосрочного архивирования, поскольку способна обеспечить надежную сохранность информации на протяжении 30 лет. Правда, для этого требуется соблюсти ряд условий: во-первых, регулярно перезаписываемая лента должна заменяться уже через несколько лет, во-вторых, длительное хранение должно происходить при строгом соблюдении условий (идеальными параметрами являются влажность 30–40% и температура воздуха 15–25 °С).

Вместе с тем магнитная лента как носитель продолжает совершенствоваться: увеличиваются плотность хранения данных и скорость записи. Вот уже почти десять лет существует открытая технология записи Linear Tape Open (LTO) — единая спецификация записи для магнитных лент и приводов, к которой присоединились такие крупные производители, как HP и IBM. Консорциум LTO ориентируется на план-проект, предусматривающий создание нового поколения решений каждые два года, причем новое поколение должно быть совместимо с устройствами предыдущего.

В настоящее время самые современные накопители на магнитных лентах формата LTO-5 имеют максимальную скорость передачи данных до 300 Мбайт/с и могут записывать до 3 Тбайт данных. Их самой главной особенностью является файловая система под названием LTFS (Linear Tape File System), которая позволяет подключать накопители к компьютерам под управлением ОС Windows и простым перетаскиванием файлов резервировать данные.

Устройства LTO-6 появятся на европейском рынке предположительно во второй половине текущего года. Они будут иметь емкость до 8 Тбайт и максимальную скорость передачи данных до 525 Мбайт/с. Накопитель на магнитной ленте позволяет записать больший объем данных по сравнению с обычным винчестером, а его пропускная способность лежит в пределах современных SSD-носителей.

SD-Card с защитой от записи

Для тех, кто не желает хранить данные на недолговечных дисках, лучшим вариантом окажется флеш-накопитель. Единственная проблема заключается в том, что частая перезапись сокращает срок службы таким носителей. Модель SDCard Write Once от компании Toshiba имеет встроенную защиту от перезаписи. Благодаря этому нельзя случайно стереть записанные файлы, да и вирусам они тоже будут не по зубам. От описанного выше Memory Vault эту карту отличает лишь отсутствие антикоррозийной защиты. Стоит отметить, что SD-Card Write Once задумывалась для применения в узкоспециальных областях — например, в юридической сфере, для сохранения улик или доказательств.

«Крепкий орешек»

Ячейки флеш-памяти являются вполне приемлемым носителем информации, однако их нельзя считать оптимальным средством: они обладают высоким энергопотреблением, а срок их службы оставляет желать лучшего. Из предлагаемых сегодня технологий наиболее предпочтительно выглядит F-RAM благодаря своей высокой надежности. В ней для записи информации используются материалы с ферроэлектрическими свойствами, такие как титанат бария. Технология F-RAM широко применяется сегодня в чипах RFID, так как для записи данных в них требуется совсем небольшое количество энергии. К тому же ячейки их памяти выдерживают облучение и даже мощное гамма-излучение. В связи с этим они подходят в качестве идентификационных меток для медицинских приборов, которые регулярно стерилизуются с применением ионизирующих излучений.