تخزين البيانات على الشريط المغناطيسي

يُعد تخزين البيانات على الشريط المغناطيسي نظامًا لتخزين المعلومات الرقمية على شريط مغناطيسي باستخدام التسجيل الرقمي . وقد طُرحت منتجات الشريط المغناطيسي التجارية المستخدمة لتخزين البيانات لأول مرة في خمسينيات القرن الماضي، واستمر تطويرها وطرحها في الأسواق حتى يومنا هذا.

كان الشريط وسيلةً مهمةً لتخزين البيانات الأساسية في الحواسيب الأولى، حيث استُخدمت عادةً بكرات مفتوحة كبيرة من الشريط ذي 7 مسارات ، ثم لاحقًا ذي 9 مسارات . يُعبأ الشريط المغناطيسي الحديث في الغالب في خراطيش وكاسيتات ، مثل شريط Linear Tape-Open (LTO) ^{[ 1 ]} وسلسلة IBM 3592 ، وكلاهما مدعوم على نطاق واسع . يُطلق على الجهاز الذي يقوم بكتابة البيانات أو قراءتها اسم محرك الشريط . تُستخدم أجهزة التحميل التلقائي ومكتبات الأشرطة غالبًا لأتمتة مناولة الخراطيش واستبدالها. كان التوافق مهمًا لتمكين نقل البيانات.

يُستخدم تخزين البيانات على أشرطة ^{[ 2 ] بشكل متزايد في النسخ الاحتياطي للأنظمة، [ 3 ]} وأرشفة البيانات وتبادلها. وقد ساهم انخفاض تكلفة الأشرطة في جعلها خيارًا عمليًا للتخزين والأرشفة على المدى الطويل. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

سبقت الحواسيب التجارية الأولى ظهور التخزين القرصي . وكان التخزين الأساسي لهذه الأنظمة يتم باستخدام الأشرطة. ^{[ 6 ]} وكان جهاز IBM 701 ، الذي صدر عام 1952، مزودًا بخيار محرك أشرطة ذي 7 مسارات ، ^{[ 7 ]} بسعة تخزين تتجاوز مليون حرف (بايت) لكل بكرة. كما كان التخزين الأسطواني متاحًا، لكن سعته كانت أقل بكثير، إذ بلغت حوالي 9 آلاف بايت، ولم يكن قابلاً للاستبدال. وبعد سنوات، وحتى أصبحت الأقراص في متناول الجميع، كان بالإمكان استخدام الحواسيب المركزية بالتخزين الشريطي فقط، وذلك بتشغيل نظام التشغيل TOS/360 والإصدارات اللاحقة له.

بالإضافة إلى التخزين الأساسي، لطالما كان تسجيل البيانات على شريط في جهاز كمبيوتر ثم قراءتها على جهاز آخر شكلاً من أشكال تبادل البيانات، حتى قبل ظهور شبكات البيانات الحديثة والإنترنت. يُطلق على هذا النوع من نقل البيانات اسم "سنيكر نت" . ويمكن تلخيص طبيعة هذا الأسلوب، الذي يتميز بعرض نطاق ترددي عالٍ وزمن استجابة سريع، في مقولة قديمة شائعة التداول:

لا تستهين أبدًا بسعة النطاق الترددي لسيارة ستيشن واجن مليئة بالأشرطة وهي تسير بسرعة على الطريق السريع.

لطالما استُخدمت أشرطة التسجيل لعمل نسخ احتياطية من البيانات كجزء من عملية النسخ الاحتياطي المنظمة . ورغم استخدام العديد من التقنيات الأخرى للنسخ الاحتياطي، إلا أن أشرطة التسجيل لا تزال تُستخدم لهذا الغرض، لا سيما على نطاق واسع.

وبالمثل، لا يزال الشريط يُستخدم كأرشيف لجهود الحفظ الرقمي . وبفضل انخفاض تكلفة الوحدة وطول عمره الافتراضي، يُعد الشريط خيارًا مناسبًا للعديد من سيناريوهات الأرشفة.

في البداية، كانت أشرطة التخزين المغناطيسية تُلف على بكرات بعرض 27 سم (10.5 بوصة) . ^{[ 8 ]} استمر هذا المعيار لأنظمة الحواسيب الكبيرة حتى أواخر ثمانينيات القرن العشرين، مع زيادة تدريجية في السعة نتيجة استخدام ركائز أرق وتغييرات في الترميز. توفرت خراطيش وأشرطة الكاسيت بدءًا من منتصف سبعينيات القرن العشرين، وكانت تُستخدم بكثرة مع أنظمة الحواسيب الصغيرة. مع طرح خرطوشة IBM 3480 عام 1984، والتي وُصفت بأنها "أصغر بنحو الربع... ومع ذلك، كانت تخزن بيانات أكثر بنسبة تصل إلى 20%"، ^{[ 9 ]} بدأت أنظمة الحواسيب الكبيرة بالتحول من أشرطة البكرات المفتوحة إلى الخراطيش. ^{[ 10 ]} 

تنسيقات IBM

استخدمت حواسيب IBM منذ خمسينيات القرن الماضي شريطًا مطليًا بأكسيد الحديد، مشابهًا للشريط المستخدم في تسجيل الصوت. وسرعان ما أصبحت تقنية IBM المعيار الصناعي الفعلي . كان عرض الشريط المغناطيسي 12.7 ملم (0.5 بوصة) ، ويُلف على بكرات قابلة للإزالة. توفرت أطوال مختلفة للشريط، حيث كان طول 370 مترًا (1200 قدم) و 730 مترًا (2400 قدم) بسماكة ميل ونصف قياسيًا إلى حد ما. خلال ثمانينيات القرن الماضي، أصبحت أطوال أطول للشريط، مثل 1100 متر (3600 قدم)، متوفرة باستخدام غشاء PET أرق بكثير . كانت معظم محركات الأشرطة تدعم بكرة بحد أقصى 267 ملم (10.5 بوصة ) . كانت البكرة الصغيرة شائعة الاستخدام لمجموعات البيانات الأصغر، مثل توزيع البرامج. كانت هذه بكرات بطول 18 سم (7 بوصات) ، وغالبًا بدون طول ثابت، حيث كان حجم الشريط يُحدد ليناسب كمية البيانات المسجلة عليه كإجراء لتوفير التكاليف.      

استخدمت شركة CDC أشرطة مغناطيسية متوافقة مع IBM بعرض 1/2 بوصة (13 مم) ، ولكنها قدمت أيضًا نسخة بعرض 1 بوصة (25 مم) ، مع 14 مسارًا (12 مسار بيانات تتوافق مع كلمة 12 بت لمعالجات CDC 6000 الطرفية ، بالإضافة إلى 2 بتات تكافؤ) في محرك الأقراص CDC 626. ^{[ 13 ]}   

كانت محركات الأشرطة المبكرة من IBM، مثل IBM 727 و IBM 729 ، محركات أرضية متطورة ميكانيكيًا، تستخدم أعمدة تفريغ لتخزين حلقات الشريط الطويلة على شكل حرف U. وبفضل التحكم المؤازر في محركات البكرات القوية، ومحرك الكابستان خفيف الوزن، والاحتكاك المنخفض والشد المتحكم به لأعمدة التفريغ، أمكن تحقيق بدء وإيقاف سريع للشريط عند نقطة اتصال الشريط برأس القراءة/الكتابة. ^{[ أ ]} يُعزى التسارع السريع إلى صغر كتلة الشريط في أعمدة التفريغ؛ إذ يوفر طول الشريط المخزن في هذه الأعمدة وقتًا كافيًا لتسريع البكرات ذات القصور الذاتي العالي . وعند التشغيل، تقوم بكرتا الشريط بتغذية الشريط إلى أعمدة التفريغ أو سحبه منها، وتدوران بشكل متقطع في دفعات سريعة غير متزامنة، مما ينتج عنه حركة لافتة للنظر. وكانت اللقطات المخزنة لمحركات الأشرطة ذات أعمدة التفريغ هذه أثناء الحركة رمزًا لأجهزة الكمبيوتر في الأفلام والتلفزيون. ^{[ 14 ]}

كانت أشرطة التسجيل القديمة ذات نصف البوصة تحتوي على سبعة مسارات متوازية للبيانات على طول الشريط، مما يسمح بكتابة أحرف مكونة من 6 بتات بالإضافة إلى  بت واحد للتكافؤ . عُرف هذا النوع من الأشرطة باسم " شريط 7 مسارات" . مع ظهور حاسوب IBM System/360 المركزي، تم طرح أشرطة 9 مسارات لدعم الأحرف الجديدة المكونة من 8 بتات التي استخدمها. كانت نهاية الملف تُحدد بنمط مُسجل خاص يُسمى " علامة الشريط" ، ونهاية البيانات المُسجلة على الشريط بعلامتي شريط متتاليتين. أما بداية ونهاية الشريط القابل للاستخدام فكانت تُحدد بشرائط لاصقة عاكسة من رقائق الألومنيوم موضوعة على الجانب الخلفي.

ازدادت كثافة التسجيل بمرور الوقت. بدأت كثافات التسجيل الشائعة ذات 7 مسارات بـ 200 حرف لكل بوصة (CPI)، ثم 556، وأخيرًا 800؛ أما أشرطة 9 مسارات فكانت كثافتها 800 (باستخدام NRZI )، ثم 1600 (باستخدام PE )، وأخيرًا 6250 (باستخدام GCR ). وهذا يُترجم إلى ما بين 5  ميجابايت و140  ميجابايت لكل بكرة شريط قياسية الطول ( 2400 قدم، 730 مترًا ). كما ازدادت الكثافة الفعلية مع انخفاض الفجوة بين الكتل ( الفجوة بين التسجيلات ) من 19 مم (3/4 بوصة ) على بكرة شريط 7 مسارات إلى 7.6 مم (0.30 بوصة) على بكرة شريط 9 مسارات بكثافة 6250 بت لكل بوصة. ^{[ 15 ]}     

يعود الفضل جزئياً على الأقل إلى نجاح نظام System/360، وما نتج عنه من توحيد معايير رموز الأحرف ذات 8 بت وعنونة البايت، إلى استخدام أشرطة 9 مسارات على نطاق واسع في صناعة الحواسيب خلال سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 16 ]} أوقفت شركة IBM إنتاج منتجات البكرات الجديدة واستبدلتها بمنتجات تعتمد على الخراطيش بدءاً من طرحها لعائلة 3480  التي تعتمد على الخراطيش في عام 1984 .

تنسيق DEC

كان شريط LINCtape ، ومشتقه DECtape ، نوعين مختلفين من هذا "الشريط الدائري". كانا في الأساس وسيط تخزين شخصي، ^{[ 17 ]} يستخدمان شريطًا بعرض 19 ملم (0.75 بوصة) ويحتويان على مسار تهيئة ثابت، مما يتيح، على عكس الشريط القياسي، قراءة وإعادة كتابة الكتل بشكل متكرر في مكانها. كانت سعة LINCtape وDECtape ومعدل نقل البيانات مماثلة للأقراص المرنة التي حلت محلها، لكن أوقات الوصول إليها كانت تتراوح بين ثلاثين ثانية ودقيقة. 

في سياق الشريط المغناطيسي، يُشير مصطلح "الخرطوشة" أو "الكاسيت" إلى شريط مغناطيسي مُغلف بغلاف بلاستيكي، يحتوي على بكرة واحدة أو اثنتين للتحكم في حركة الشريط. يؤثر نوع التغليف على أوقات التحميل والتفريغ، بالإضافة إلى طول الشريط الذي يمكن تخزينه. في الخرطوشة أحادية البكرة، توجد بكرة سحب في وحدة التشغيل، بينما تحتوي الخرطوشة ثنائية البكرة على بكرتي سحب وتزويد. تستخدم وحدة تشغيل الشريط محركًا واحدًا أو أكثر يتم التحكم بها بدقة عالية للف الشريط من بكرة إلى أخرى، مرورًا برأس القراءة/الكتابة أثناء ذلك.

يوجد نوع آخر هو خرطوشة الشريط اللانهائي ، التي تحتوي على حلقة متصلة من الشريط ملفوفة على بكرة خاصة تسمح بسحب الشريط من مركز البكرة ثم لفه حول الحافة، وبالتالي لا يحتاج إلى إعادة لفه للتكرار. يشبه هذا النوع خرطوشة البكرة الواحدة من حيث عدم وجود بكرة تجميع داخل محرك الشريط.

استخدم محرك IBM 7340 Hypertape، الذي طُرح في عام 1961، شريطًا مزدوج البكرات بعرض بوصة واحدة (2.5 سم) قادرًا على استيعاب أكثر من 40 مليون حرف من ستة بتات لكل شريط اعتمادًا على طول التسجيل. ^{[ 18 ]} 

في سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين، شاع استخدام أشرطة الكاسيت الصوتية كنظام تخزين بيانات رخيص الثمن لأجهزة الكمبيوتر المنزلية ، ^{[ ب ]} أو في بعض الحالات لأغراض التشخيص أو تشغيل أنظمة أكبر مثل Burroughs B1700 . ^{[ 20 ]} تتميز أشرطة الكاسيت الصوتية بتسلسلها المنطقي والمادي؛ إذ يجب إعادة لفها وقراءتها من البداية لتحميل البيانات. كانت الخراطيش المبكرة متوفرة قبل أن تتوفر محركات الأقراص بأسعار معقولة لأجهزة الكمبيوتر الشخصية، وكان من الممكن استخدامها كأجهزة وصول عشوائي ، حيث تقوم بلف الشريط وتحديد موضعه تلقائيًا، وإن كان ذلك يستغرق عدة ثوانٍ.

في عام 1984، طرحت شركة IBM عائلة 3480 من خراطيش البكرات المفردة ومحركات الأشرطة، والتي استمر تصنيعها من قبل عدد من الموردين حتى عام 2004 على الأقل. كانت سعة كل خرطوشة في البداية 200 ميجابايت، ثم زادت تدريجيًا لتصل إلى 2.4 جيجابايت لكل خرطوشة. كما توفرت تقنية DLT (الشريط الخطي الرقمي)، وهي أيضًا شريط يعتمد على الخراطيش، بدءًا من عام 1984، ولكن توقف تطويرها في عام 2007 لصالح تقنية LTO.

في عام 2003، طرحت شركة IBM عائلة 3592 لتحل محل IBM 3590. ورغم تشابه الاسم، إلا أنه لا يوجد توافق بين 3590 و3592. وكما هو الحال في الطرازين السابقين 3590 و3480، يستخدم هذا الطراز شريطًا بعرض نصف بوصة ( 13 مم) ملفوفًا في بكرة واحدة. وقد طُرح في البداية لدعم سعة 300 جيجابايت، بينما يدعم الجيل السادس الذي صدر عام 2018 سعة أصلية تبلغ 20 تيرابايت. ^{[ 21 ]} 

تم الإعلان عن خرطوشة الشريط الخطي المفتوح (LTO) أحادية البكرة في عام 1997 بسعة 100 جيجابايت، وفي جيلها الثامن تدعم 12 تيرابايت في خرطوشة بنفس الحجم. اعتبارًا من عام 2019لقد حلت تقنية LTO محل جميع تقنيات الأشرطة الأخرى في تطبيقات الكمبيوتر بشكل كامل ، باستثناء بعض عائلة IBM 3592 في الفئة العليا.

لا تزال أشرطة التخزين قابلة للاستخدام في مراكز البيانات الحديثة للأسباب التالية: ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}

1. إنها الوسيلة الأقل تكلفة لتخزين كميات كبيرة من البيانات؛
2. باعتبارها وسيطًا قابلًا للإزالة، فإنها تسمح بإنشاء فجوة هوائية يمكنها منع اختراق البيانات أو تشفيرها أو حذفها؛
3. تتيح مدة صلاحيتها الاحتفاظ بالبيانات لفترات طويلة، وهو ما قد تطلبه الهيئات التنظيمية. ^{[ 36 ]}

يمكن دعم أدنى مستويات تكلفة التخزين السحابي بواسطة الشريط. ^{[ 36 ]}

توجد بعض الاختلافات الأساسية الهامة بين التخزين على الشريط والتخزين على القرص، مما يؤدي إلى استخدام التقنيات بشكل مختلف في الممارسة العملية.

يتمثل أحد الفروقات الجوهرية في كيفية تغليف وسائط التخزين الخام، سواءً مع آلية استخدامها أو بدونها. ففي تخزين الأقراص، تُغلّف أقراص التخزين الصلبة التي تخزن البيانات فعليًا مع آلية القراءة والكتابة عليها في وحدة تخزين واحدة، بينما تُباع وسائط التخزين الشريطية بشكل منفصل عن وحدة القراءة والكتابة. وعلى نطاق واسع، يُحدث هذا فرقًا كبيرًا في التكلفة، إذ لا يتطلب توسيع السعة دفع تكاليف آليات إضافية لاستخدامها. كما يُسهّل هذا نقل وتخزين وسائط التخزين.

من حيث مساحة السطح القابلة للتسجيل ، اعتبارًا من عام 2025، تحتوي خرطوشة LTO الحالية على حوالي 20,000 بوصة مربعة (13 مترًا ^مربعًا ) من مساحة السطح، بينما لا تتجاوز مساحة سطح محرك الأقراص الصلبة الحالي ذي السعة المماثلة والمزود بـ 10 أسطوانات 200 بوصة مربعة (0.13 ^مترًا مربعًا ) ، أي بفارق 100 ضعف. يؤثر هذا بشكل كبير على زمن البحث. تستطيع الأقراص عمومًا الاستجابة لطلبات البايتات الأولى في غضون 10 مللي ثانية، بينما قد يستغرق الشريط أكثر من 100 ثانية، أي بفارق 10,000 ضعف.  

على الرغم من بطء زمن البحث في الأشرطة، إلا أن معدل نقل البيانات المتدفقة قد يكون أسرع بكثير من الأقراص الصلبة. في حين أن الأقراص الصلبة الحديثة تحتوي عادةً على رؤوس قراءة/كتابة متعددة، إلا أن رأسًا واحدًا فقط يعمل في كل مرة. أما الأشرطة، فلطالما احتوت على رؤوس قراءة/كتابة متعددة تعمل بالتوازي. تحتوي محركات الأشرطة الحديثة على 32 عنصر قراءة/كتابة، تجتاز وسائط الشريط بسرعة تزيد عن 3 أمتار/ثانية.

تتعقد التكاليف الإجمالية عند النظر في أنظمة التخزين الكبيرة. فإلى جانب تكلفة وحدة وسائط تخزين البيانات، هناك تكلفة الأجهزة التي تستخدم هذه الوسائط وتديرها، وتكلفة الطاقة اللازمة لتشغيلها. ومع انخفاض أسعار محركات الأقراص الصلبة (HDD)، أصبحت الأقراص أرخص مقارنةً بمحركات الأشرطة وخراطيشها. ولعقود، كانت تكلفة خرطوشة شريط LTO جديدة، بالإضافة إلى محرك الأشرطة اللازم لتشغيلها، أعلى بكثير من تكلفة قرص صلب (HDD) بنفس الحجم. ومع ذلك، عند سعات الأنظمة الفرعية الكبيرة جدًا، قد يكون السعر الإجمالي للأنظمة الفرعية القائمة على الأشرطة أقل من الأنظمة الفرعية القائمة على محركات الأقراص الصلبة، خاصةً عند احتساب تكاليف التشغيل المرتفعة لمحركات الأقراص الصلبة. ^{[ 37 ]} تستطيع مكتبات الأشرطة الآلية الكبيرة إدارة مئات البيتابايت من البيانات. وبما أن معظم الأشرطة في المكتبة تبقى في مكانها المخصص لها دون استخدام، فإن النظام يستهلك طاقة قليلة نسبيًا لكل تيرابايت مخزن. في المقابل، يجب أن تبقى الأقراص قيد التشغيل والدوران، وأن تكون متصلة بنظام حاسوبي. وتختلف تكلفة وسعة مصفوفات التخزين ومكتبات الأشرطة اختلافًا كبيرًا.

تتميز الأقراص عمومًا بتكاليف أولية أقل بكثير، وسرعة وصول أفضل بكثير، وهي أنسب لمجموعات البيانات التفاعلية عبر الإنترنت، والتي تُعدّ أكثر شيوعًا في الاستخدام اليومي العادي. أما الأشرطة، فتتميز عمومًا بتكاليف هامشية أقل وسهولة نقل أكبر. هذه الخصائص تجعل الأشرطة جذابة للغاية لمجموعات البيانات الكبيرة، والتي تُستخدم في الغالب دون اتصال بالإنترنت، مثل النسخ الاحتياطية ، والأرشيفات ، أو نسخة غير متصلة بالإنترنت للحماية من برامج الفدية . ^{[ 38 ]}

في عام 2002، حصلت شركة إيميشن على منحة قدرها 11.9 مليون دولار أمريكي من المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا لإجراء أبحاث حول زيادة سعة البيانات للشريط المغناطيسي. ^{[ 39 ]}

في عام 2014، أعلنت شركتا سوني وآي بي إم عن تمكنهما من تسجيل 148 جيجابت لكل بوصة مربعة باستخدام وسائط تخزين مغناطيسية مطورة بتقنية جديدة لتشكيل الأغشية الرقيقة بالتفريغ، قادرة على تكوين جزيئات بلورية دقيقة للغاية. تُعد هذه التقنية من بين تقنيات تخزين الأشرطة التي حققت أعلى كثافة بيانات مسجلة على الأشرطة المغناطيسية، حيث بلغت 148  جيجابت/بوصة مربعة (23  جيجابت/سم²)، مما يسمح بسعة تخزين أصلية للشريط تصل إلى 185  تيرابايت. ^{[ 40 ] [ 41 ]} وقد طورت سوني هذه التقنية لاحقًا ، وأعلنت في عام 2017 عن كثافة بيانات مسجلة بلغت 201  جيجابت/بوصة مربعة (31  جيجابت/سم²)، مما يمنح سعة تخزين قياسية للشريط المضغوط تبلغ 330  تيرابايت. ^{[ 42 ]}

في مايو 2014، حذت فوجي فيلم حذو سوني وأعلنت عن تطويرها  خرطوشة شريطية بسعة 154 تيرابايت بالتعاون مع آي بي إم ، والتي ستتمتع بكثافة تخزين بيانات سطحية تبلغ 85.9 جيجابت/بوصة مربعة (13.3 مليار بت لكل سنتيمتر مربع) على شريط مغناطيسي خطي ذي جزيئات دقيقة. ^{[ 43 ]} تعمل التقنية التي طورتها فوجي فيلم، والتي تُسمى نانوكيوبيك، على تقليل حجم الجزيئات الدقيقة في الشريط المغناطيسي المصنوع من حديد الباريوم، مما يزيد من نعومة الشريط، ويرفع نسبة الإشارة إلى الضوضاء أثناء القراءة والكتابة، مع تمكين استجابة عالية التردد.

في ديسمبر 2020، أعلنت شركتا فوجي فيلم وآي بي إم عن تقنية يمكن أن تؤدي إلى إنتاج شريط كاسيت بسعة 580 تيرابايت، باستخدام فيريت السترونتيوم كوسيط للتسجيل. ^{[ 44 ]}

• تخزين بيانات الحاسوب
• انتشار البيانات
• مستودع المعلومات
• شريط خطي مفتوح
• التخزين المغناطيسي
• محرك أشرطة
• علامة شريطية

• ISC 35.220.22 أشرطة مغناطيسية
• ISC 35.220.23 أشرطة الكاسيت والخراطيش للأشرطة المغناطيسية
• تقنية تخزين الأشرطة المغناطيسية ، معاملات ACM في مجال التخزين، المجلد 21، العدد 1، لانتز وآخرون، 8 يناير 2025
• خارطة طريق تكنولوجيا تخزين الأشرطة المغناطيسية الدولية INSIC لعام 2024 ، ورقة بيضاء صادرة عن اتحاد صناعة تخزين المعلومات، مارس 2024