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IBM: Wie Rekorde in Flächendichte die Bandtechnologie stärken

Seit Jahren brechen die IBM-Forscher Rekorde im Tape-Bereich, aber die Entwicklung scheint hinterherzuhinken. Warum die Rekorde trotzdem entscheidend für die Technologie sind.

Hersteller IBM ist seit Jahrzehnten erfolgreich im Geschäft mit Bandtechnologien. Seit der Einführung erster Laufwerke 1952 hat sich das Unternehmen einen Ruf in diesem Marktsegment erarbeitet, nicht nur bei den verfügbaren Technologien, sondern auch in der Forschung rund um die Tape-Technik.

Gab es vor 20 Jahren noch mehrere Bandtechnologien, die in Rechenzentren zum Einsatz kamen – man erinnere sich noch an AIT, Mammoth, DLT oder gar DAT – kristallisierte sich das LTO-Format als leistungsstarker Liebling in der Unternehmens-IT heraus.

Andere Formate wurden obsolet, nicht zuletzt dadurch, dass sich die Festplatte immer mehr in Bereichen wie Backup oder Archivierung etabliert, in denen sonst nur Tape-Lösungen zu finden waren. Dies ist nicht zuletzt auch dem Erfolg der SSD in den Rechenzentren geschuldet. Aufgrund dieser Entwicklung wurden und werden immer wieder Stimmen laut, dass die Bandtechnologie ihr Limit erreicht hat und technisch nicht mehr relevant ist, aber dies ist nicht der Fall.

Die aktuellen Generationen sind LTO-8 und LTO-9, letzteres ist derzeit noch nicht flächendeckend verfügbar, steht aber in den Startlöchern. LTO-8 nutzt Bariumferrit (BaFe) und kann 12 Terabyte unkomprimierter sowie bis zu 30 Terabyte komprimierter Daten speichern. Die Datentransferrate liegt bei 360 MB/s (unkomprimiert) und kann bis zu 900 MB/s (komprimiert) erreichen. LTO-9 speichert 18 Terabyte unkomprimierter und bis zu 45 Terabyte komprimierter Daten bei einer Transferrate von 400 MB/s (unkomprimiert) bis zu 1.000 MB/s (komprimiert).

Mit der neunten Generation gab es bei der Bandtechnologie eine Zäsur, da sonst die Speicherkapazitäten in der Regel verdoppelt werden, was hier aber nicht der Fall ist. Dies wirkt sich auch auf die Roadmap aus.

Rekorde und Realität

Fakt ist, dass Bänder in den letzten Jahren aufgrund ihrer steten Entwicklung immer höhere Flächendichten aufweisen und weiter entwickelt werden können, während im HDD-Bereich die Entwicklung diesbezüglich abflacht. Das liegt unter anderem daran, dass die Festplattentechnologie physikalisch eher an ihr Limit zu kommen scheint, als dies bei Tape der Fall ist.

Die IBM Research Group in der Schweiz ist beständig bemüht, ihre Forschungen auf dem Gebiet der Bandtechnologie zu erneuern, erweitern und neue Rekorde aufzustellen, um die Leistungsfähigkeit der Technologie unter Beweis zu stellen. Bereits seit 15 Jahren arbeitet IBM auf diesem Feld mit FujiFilm zusammen, um nicht nur die Laufwerkstechnologie (Schreib-/Leseprozesse) sondern auch das Medium selbst optimal und im Zusammenspiel verbessern zu können.

So stellten beide Firmen 2006 ihren ersten Flächendichtenrekord auf: 6,67 Milliarden Bits per Quadratinch und 8 Terabyte an Speicherkapazität in einer Bandkassette. Ende 2020 präsentierten die Unternehmen ihren bereits sechsten erfolgreichen Rekordversuch mit 317 Milliarden Bits pro Quadratinch und 580 Terabyte an Speicherkapazität.

Abbildung 1: IBM und FujiFilm präsentierten bereits sechsmal Rekordresultat in Flächendichte und Speicherkapazität.
Abbildung 1: IBM und FujiFilm präsentierten bereits sechsmal Rekordresultat in Flächendichte und Speicherkapazität.

Um dies zu erreichen, kam statt Bariumferrit (BaFe) Strontiumferrit als Bandmaterial zum Einsatz. Dieses bietet eine Oberfläche, die kleinere Partikel aufweist – etwa um die Hälfte kleiner als bei BaFe. Das sorgt für eine bessere Erkennung durch die Schreib-/Leseköpfe und somit für eine reibungsarme Bandkopftechnologie.

Darüber hinaus präsentierten die Forscher eine neue Servotechnologie, die präzisere Aufzeichnungen ermöglicht. Um das neue Servomuster umzusetzen, kamen ein Prototyp eines neuen Kopf-Aktuators sowie Servocontroller zum Einsatz. Damit wird eine genauere Kopfpositionierung erreicht, laut Angaben der Unternehmen mit einer Genauigkeit von 3,2 nm. Die ist essentiell, da sich das Band mit 15 km/h über den Kopf bewegt. Laut IBM lässt sich der Bandkopf mit einer Präzision von der 1,5-fachen Breite eines DNA-Moleküls positionieren. Um den aktuellen Rekord in Relation zu setzen: Die Kapazität ist 32 Mal höher als bei LTO-9 (18 TByte).

Dieser Rekord, wie auch schon die vorangegangenen, sind beeindruckend, allerdings mit Vorsicht zu genießen. Angesichts der Tatsache, dass die Kapazitätserwartungen von LTO-9 nicht erfüllt wurden – statt 25 TByte nur 18 TByte – scheinen diese Rekorde für die Massenproduktion nicht unbedingt eine Rolle zu spielen oder nur geringen Einfluss auf die Produktionsentwicklung zu haben.

Warum Rekorde wichtig sind

Auch wenn es anmutet, als ob diese Rekorde weit weg von den aktuellen Produkten zu sein scheinen, so sind sie doch mehr als relevant. Bei einer Speicherkapazität von 18 Terabyte (unkomprimierter Daten) pro Bandmedium sieht es zwar so aus, als wären 580 Terabyte in utopischer Ferne, was nicht bedeutet, dass diese Rekorde keinen Einfluss auf Produktentwicklungen haben.

Im Gespräch mit Dr. Mark Lantz, Manager Cloud FPGA und Tape Technologies Principal Research Staff Member bei der IBM Research Europe, ergibt sich allerdings ein anderes Bild. Er erklärte uns, welche Rolle die Rekorddemonstrationen bei der Produktentwicklung wirklich spielen:

„Für jede dieser Demonstration müssen eine Reihe an Innovationen entwickelt werden (neue Bandmaterialien, neue Algorithmen, neue Servotechnologien). Diese lassen sich relativ schnell auch in Produkten umsetzen. Andere Innovationen müssen in den ASIC einfließen, was wiederum länger dauert und vom Erneuerungszyklus des ASIC selbst abhängt. Es gibt einen typischen Staging-Zeitraum, je nachdem, wo die Neuerung gemacht wird.“

Lantz wies zudem darauf hin, dass die Rückwärtskompatibilität ein nicht zu vernachlässigender Faktor ist, da der Hersteller mit jeder neuen Generation eine Rückwärtskompatibilität für bis zu zwei Generationen garantieren will.

„Es ist einer unserer wichtigen Ansprüche, die Rückwärtskompatibilität aufrecht zu erhalten, weswegen nicht immer gleich alles auf 'neu' getrimmt werden kann“, so Lantz. „Derzeit verfolgt IBM das Modell, die Flächendichte schneller zu skalieren, was eben die Rückwärtskompatibilität erschwert. Beispielsweise wird der Lesekopf verkleinert und die Tracks sind schmaler, was ein Auslesen der älteren Generation mit der neuen Technik hemmt.“ Das heißt, auch hier muss ein gewisser Zeitraum in Betracht gezogen werden, bis die Lösung diese Rückwärtskompatibilität auch wirklich gewährleistet.

Abbildung 2: Innovationen wie veränderte Schreib-Leseköpfe oder Servospuren können die Rückwärtskompatibilität erschweren.
Abbildung 2: Innovationen wie veränderte Schreib-Leseköpfe oder Servospuren können die Rückwärtskompatibilität erschweren.

Für Lantz sind die Rekorde extrem wichtig, um die Produktentwicklung nicht nur voranzutreiben, sondern auch um die Zukunftstauglichkeit der Technologie darzulegen.

„Die Rekorde sind ein Ausdruck dafür, dass man die Roadmap erfüllen kann, auch über die nächsten zehn Jahre hinweg“, erklärt Mark Lantz. „Auch wenn die Kapazität vielleicht erst in acht bis zehn Jahren erreicht wird, so fließen doch bereits zuvor die Innovationen in neue Produkte ein.“ Ein Beispiel hierfür ist das neue Bandmaterial Strontiumferrit, das wahrscheinlich in LTO-11 zum Einsatz kommen wird.

Darüber hinaus, so der IBM-Forscher, erfordern manche technologischen Innovationen Veränderungen in der Produktion, was wiederum Zeit braucht, um diese Anpassungen flächendeckend umzusetzen. Um eine neue Technologie einzuführen, müssen zahlreiche weitere Tests erfolgen, was zu Anpassungen am Medium führen kann. Somit spielen viele Parameter eine Rolle, die die Zeitschiene für die Einführung einer neuen Technologie beeinflussen.

Für die Entwicklung der Tape-Technologie sieht Mark Lantz noch viel Spielraum, aber auch der wird – wenn auch in einer ferneren Zukunft – irgendwann ausgereizt sein.

„Auch für Band wird irgendwann die physikalische Grenze erreicht sein. Band und Festplatte nutzen beide die gleichen fundamentalen magnetischen Aufzeichnungsprinzipien. Generell sieht man sich den gleichen Herausforderungen gegenüber, aber manche sind sehr speziell für Tape. Bits zu verkleinern ist beispielsweise ein Problem für beide Technologien. Man kann langfristig bei Tape die gleiche Flächendichte erreichen wie bei der Festplatte (1.000-1.200 Gb/in2). Ab hier wird es schwierig dann allerdings zu skalieren, aufgrund des superparamagnetischen Limits.“

Für Lantz und seine Teamkollegen heißt das, dass die Entwicklungen bei Tape noch weitergetrieben werden können, allerdings wird es komplexer und schwieriger werden und kaum über 1200 Gb/in2 hinausgehen. Dennoch lässt dies Raum für wenigstens weitere 20 Jahre an Entwicklung und Produktinnovationen.

„Seit ich im Tape-Bereich hier arbeite, sind viele Entwicklungen in Produkte eingeflossen, was ein sehr befriedigendes Gefühl ist“, betont Mark Lantz. „Manchmal dauert es länger, aber es ist eine interessant die Entwicklung zu sehen: vom Konzept auf dem Bierdeckel bis hin zum verkauften Produkt.“

Renaissance oder langlebiger Technologietrend auch in der Cloud

IBM selbst sprach bei der Rekorddemonstration von einer Renaissance der Bandtechnologie, was eigentlich nur bedingt korrekt ist. Zwar hat sich die Positionierung der Bandtechnologie geändert, aber Tape-Produkte waren und sind ein wichtiger Teil der Sicherungsstrategie von Unternehmen und aus Rechenzentren nicht wegzudenken.

„Traditionell hat Tape schon immer eine wichtige Rolle in der Datensicherung gespielt, auch wenn sich hier die Festplatte ebenso etabliert hat“, bestätigt Lantz. „Das bedeutet, dass sich die Bandtechnologie mehr in Richtung Archivfunktion bewegt. Trotzdem sehen wir, dass in vielen Bereichen die Applikationen noch dieselben sind, die von Bandlösungen optimal bedient werden. Es hilft, dass die technologische Entwicklung nach wie vor gut voranschreitet, während sie eben bei Festplatten ins Stocken gerät beziehungsweise abflacht.“

Einer der Gründe dafür, dass Bandlösungen nach wie vor eingesetzt werden, ist der Preispunkt, denn Band bietet sehr hohe Speicherkapazitäten für einen geringeren Preis als Festplattensysteme. Darüber hinaus lässt sich mit Tape die Air-Gapping-Methode umsetzen, die dafür sorgt, dass Daten nicht unbefugten äußeren Einflüssen ausgesetzt sind. Diese Vorteile sehen auch Hyperscaler wie Microsoft Azure oder Google Cloud, die in großem Umfang Bandlösungen nutzen.

Mark Lantz hat seine eigene Theorie, warum sich immer noch der Mythos des „Tape ist tot“ hält: „ Da die Technologie im Consumer-Bereich quasi nicht mehr vorkommt, ist dies eine einfach zu treffende Aussage, die allerdings vernachlässigt, dass Tape nach wie vor in großen Unternehmen im Einsatz ist.“

Ob man es nun Renaissance oder langlebige und zukunftstaugliche Technologie nennt, der Trend ist eindeutig: Bandtechnologien sind noch lange nicht am Ende ihrer Entwicklungsmöglichkeiten und werden auch noch in langer Zukunft eine wichtige Rolle für die Datensicherung und -vorhaltung in Unternehmen haben.

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