Data na věčnost

Důležitá data většinou ukládáme na pevné disky nebo na disky DVD. Jejich životnost je však jen kolem deseti let. Díky novým technologiím už ale existují mnohem robustnější paměťová média. Chip vám je představí.
   MARKUS MANDAU  

MARKUS MANDAU
Redaktor Chipu se už řadu let zabývá problematikou vypalování, archivace a obnovy dat.

Do konce roku 2012 bude na celém světě uloženo odhadem 2 500 000 000 000 000 000 000 bajtů, tedy zkráceně 2 500 exabajtů dat, což je jen velmi těžko představitelné množství. Ještě méně pochopitelná je skutečnost, že tyto informace během pěti let fyzicky zmizí, protože pevné disky, na kterých jsou uloženy, ve většině případů déle nevydrží a musí být vyměněny. Kromě pevných disků je stále médiem číslo jedna pro archivaci dat disk DVD - tedy alespoň podle průzkumu společnosti US Market Research. Ta odhaduje, že asi 43 procent uživatelů používá pro ukládání dat médium, jehož trvanlivost je kratší než u pevných disků (viz grafika na pravé straně). Výsledkem je pak tedy paradoxní situace: důležité dokumenty ukládáme na paměťové médium, ke kterému bychom měli mít oprávněnou nedůvěru. Současně ale chceme, aby naše digitální poklady byly skutečně spolehlivě archivované a abychom k nim měli v případě potřeby přístup. To však vyžaduje téměř neustálou údržbu počítače a „opečovávání“ dat, čemuž se chce ale většina uživatelů vyhnout. Vyžaduje to pravidelné zálohování a nutnost přecházet na nový typ médií.
Přitom už nyní existuje několik poměrně rozumných a cenově přijatelných způsobů řešení dlouhodobé archivace důležitých dokumentů. V tomto článku vám představíme tři z těchto možností. Dvě využívají zapisovatelné disky a také upravené flash paměti. Všechny tyto metody garantují životnost uložených dat 100-1 000 let (z principu technologie teoreticky ještě déle). Také se podíváme na další technologie, které do budoucna slibují robustní ukládání dat.

Digitální data s omezenou trvanlivostí

Existuje několik důvodů, proč nejsou média, která běžně používáme, určena ke spolehlivému a dlouhodobému uložení dat. Například pevné disky jsou citlivé na vlivy prostředí, jako je vlhko a teplo, a špatně snášejí také vibrace a nárazy. Flash disky sice nepoužívají tak citlivé mechanismy, ale jejich paměťové buňky také neudrží data věčně. Flash paměti obvykle vydrží jen okolo 10 000 cyklů zápis/vymazání. A i když je uživatel nevyužívá dennodenně, ztrácí časem svůj náboj - a to trvá jen pár let ( str. 110).
Další věcí, kterou je potřeba vzít v případě pevných disků je koroze. Ta může způsobit poškození konektorů a nemožnost disk připojit. Otázkou je samozřejmě i použitý souborový systém - ve většině případů NTFS. Nejde o žádný otevřený standard - byl vyvinut společností Microsoft, těžko tedy Microsoft přežije. A kdo vám zaručí, že systém Windows přežije příštích deset nebo dvacet let? To samé platí pro cloud. Nikdo nedokáže s jistotou předpovědět, zda tu po 25 letech ještě Google bude. Oproti tomu mají „vypálené“ optické disky výhodu - zápisový proces je v jejich případě zcela standardizován a v případě nouze je možné data přečíst mikroskopem.
Mají tedy disky CD a DVD pro dlouhodobou archivaci smysl a perspektivu? Rozhodně ne ta média, která běžně zakoupíte v obchodech. Ve snaze o dosažení co nejnižší ceny mají totiž dost často nízkou kvalitu. Kdo si tedy archivoval svoje rodinné fotografie a videa a chce se na ně po delší době podívat, zažije nemilé překvapení: po pár letech mohou být data, považovaná za bezpečně uložená, nečitelná. Komplikované je i to, že je téměř nemožné nějak předem odhadnout životnost těchto médií. Dokonce ani optické disky známých značek nezaručují dlouhodobou životnost. Optické médium od stejného výrobce a ze stejného balíčku může vydržet po dobu pěti, ale třeba také padesáti let - a to za stejných podmínek skladování. Uložení dat se tedy stává jakousi loterií. To se ale netýká řešení, která vám na dalších stránkách popíšeme.

PROČ DVD MÉDIA NEVYDRŽÍ DLOUHO
NEDOSTATKY MATERIÁLU
Životnost médií ovlivňují tři základní faktory: příliš světla oslabuje organické barvivo, kovová vrstva oxiduje a polykarbonát nesnáší vysoké teploty.
ROZDÍLY V KVALITĚ
Ze speciálního testu „stárnutí“, provedeného francouzskou společností, vyplývá, že i disky stejné značky ztrácí kvalitu různým tempem. Test byl proveden v souladu s normou ECMA 379 při teplotě 80 °C a při vlhkosti 85 procent.

JAK DLOUHO VYDRŽÍ V PRŮMĚRU MÉDIA PRO UKLÁDÁNÍ DAT
Digitální paměťová média v dlouhodobém horizontu neukládají většinou data spolehlivě. Jsou někdy dokonce horší než analogová média. STRUKTURA M-DISCU Data se zapisují do anorganické vrstvy strukturou podobné kameni. Laser v této vrstvě vypálí dírky (data).


M-Disc: KAMENNÝ DISK
M-Disc ukládá data do vrstvy podobné kamenu. Výrobce garantuje životnost 1 000 let.

Speciální disk společnosti Millenniata eliminuje největší slabinu běžných DVD disků. Jejich životnost je totiž závislá na stavu organického barviva, do kterého laser vypálí informace, a na stavě reflexní kovové vrstvy. V místech, kde laser provedl změnu organické vrstvy, se při čtení paprsek od reflexní vrstvy odrazí a na ostatních místech se neodrazí. U takovéhoto disku tedy hrozí oxidace reflexní vrstvy, která je většinou vyrobena z hliníku nebo stříbra. Někteří výrobci, jako například Verbatim, proto používají pro výrobu disků také zlato, případně různé slitiny stříbra a zlata, a jejich produkty proto údajně vydrží déle. Nicméně tím se odstraní pouze jeden menší problém, protože organická vrstva barviva stále zůstává náchylná na vlivy okolního prostředí. Vrstvu může poškodit silné sluneční záření, vysoká vlhkost vzduchu nebo vysoké teploty. A data pak z disku „zmizí“.
M-Disc proto organické barvivo jako zápisovou vrstvu nepoužívá. Data se podle informací poskytnutých výrobcem vypalují na anorganickou vrstvu Tato vrstva je vyrobena z kovu, polokovu, oxidu křemičitého a uhlíku. Podrobnější informace o složení materiálu výrobce neposkytuje. Dalším rozdílem oproti klasickému DVD je to, že zápisový laser má mnohem vyšší výkon a vypalování se provádí až čtyřikrát rychleji. Během procesu vypalování se v místech zasažených laserem zápisový materiál roztaví. V datové vrstvě se v podstatě vypálí „díra“, takže kovová reflexní vrstva je v tomto případě zbytečná. Při ochlazení získá materiál na okrajích polykrystalické struktury, které jsou podobné kameni. Z tohoto úhlu pohledu se tedy dá říct, že M-disk ukládá data do „kamene“.

Dostupná vypalovačka pro běžné uživatele

Zajímavé na technologii firmy Millenniata je to, že je dostupná i pro běžné uživatele. Její disky totiž podporuje celá rada Super-Multi DVD vypalovaček LG GH22NS90-M s cenou okolo 600 Kč. Speciálně upravený firmware tyto disky rozpozná a odpovídajícím způsobem jim přizpůsobí laser mechaniky. Disky M-Disc budou podporovat i další výrobci, jako například Dell, a objednat si je můžete například na Amazonu - deset kusů vyjde asi na 35 eur. Vzhledem k životnosti to není tak dramatická cena.
Co se týká životnosti těchto disků, mají oproti klasickým DVD diskům jasně navrch. Potvrdil to i test provedený americkým námořnictvem (U. S. Navy) - viz vpravo. Ostatní disky (včetně kvalitní značky Taiyo Yuden) v testu pohořely. Také my jsme vystavili M-Disc v naší testovací laboratoři silnému světelnému záření v UV komoře po dobu 72 hodin. A podobně jako GlassMaster disk v testu obstál. Naproti tomu levná média společnosti Sony v náročném prostředí nevydržela a špatně dopadla i drahá média firmy Verbatim, označená jako „Archival Grade“. Počet chyb se u nich zvýšil téměř o 300 procent.

STRUKTURA M-DISCU
Data se zapisují do anorganické vrstvy strukturou podobné kameni. Laser v této vrstvě vypálí dírky (data).

ZATĚŽKÁVACÍ ZKOUŠKA: ZNAČKOVÉ DVD DISKY BEZ ŠANCE
Americké námořnictvo (U. S. Navy) zkoušelo disky M-Disc i běžné DVD disky. Disky byly uloženy po dobu 24 hodin při teplotě 85 °C a při vlhkosti 85 %. Běžné disky byly špatně čitelné nebo nečitelné, M-Disc odolal.

POČET CHYB PŘI ČTENÍ PO 24 HODINÁCH
MITSUBISHI     > 5 000
VERBATIM     > 5 000
TAIYO YUDEN     4 249
DELKIN     3 284
MAM-A     2 096
MILLENNIATA     138

GlassMaster disc: PSANÍ NA SKLO

Zápis dat se provádí na disk ze speciálního skla. Jeho životnost je asi 1 000 let - na zemi i ve vesmíru.

Sklo je odolnější než zápisová vrstva M-Discu podobná kameni - i když to možná na první pohled zní divně. Disky GlassMaster vyrábí německá firma (start-up) Syylex a podle ní jsou tyto disky výhodnější a odolnější než M-Disc, jehož slabou stránkou je polykarbonátová vrstva. Národní institut pro standardy a technologie v USA (NIST) odhaduje životnost M-Discu na 1 000 let - odtud i název Milleniata (tedy tisíciletí). Polykarbonátová vrstva ale vydrží velké teplotní výkyvy jen krátkodobě. Vydrží tak například ponoření do tekutého dusíku stejně jako do vroucí vody - ale taje při teplotě 220 °C a výše. Jen zápisová vrstva M-Discu odolá teplotám až do 500 °C.

Odolný proti záření i teplu

Kdo si chce pořídit disk, který má nejen dlouhou životnost, ale odolá i přírodním katastrofám, jako jsou požáry a záření, musí volit sklo - samozřejmě ale ne obyčejné sklo. Firma Syylex používá speciální sklo, které se využívá ve velkých chemických závodech pro ukládání nebo transport kyselin a jiných agresivních látek. To je srovnatelné s borosilikátovým sklem Duran, které odolností překoná většinu jiných materiálů. Ohrozit ho může pouze kyselina fluorovodíková a silné alkálie při teplotách nad 100 °C. Toto sklo je stabilní ještě při teplotě 500 °C a měkne až při teplotách cca 850 °C. Vydrželo by dokonce i v prostředí vesmíru, tedy při absolutní nulové teplotě a při vysokých dávkách záření. Japonská sonda Ikaros, která byla vypuštěna v roce 2010 směrem k Venuši, má takovéto skleněné DVD na palubě. Bohužel tento typ disku si nemůžete vypálit sami, ale musíte si ho objednat - data se posílají do firmy Syylex, výroba trvá pět až deset dní a stojí okolo 150 eur za disk.
Sklo je tradiční součástí výrobního procesu lisovaných optických disků, jako například DVD-ROM. GlassMaster (tedy skleněná matrice) slouží jako „negativ“ pro pozdější fázi výroby lisovaných disků. První krok k vytvoření disku firmy Syylex se také podobá výrobě GlassMasteru (viz vlevo). Reflexní vrstva pak zajistí, aby byl disk čitelný ve všech běžných optických mechanikách. Nakonec se přidá ještě druhý skleněný disk přilepený k původnímu speciálním UV lepidlem. Použití druhého skla zajistí, že lze disk zlomit jen velmi obtížně.
Kromě japonského praktického testu ve vesmíru se do prověření odolnosti skleněného disku pustila i francouzská Laboratoire national de métrologie et d’essais. Ve srovnání se standardními testy ECMA byly použité testy ještě přísnější a byly během nich vyzkoušeny i další typy disků. Byly uloženy při teplotě 90 °C a při 85procentní vlhkosti. Za těchto podmínek byly po 375 hodinách nečitelné dokonce i disky DVD-ROM, vypálené disky odpadly už dávno předtím a jen skleněné disky vydržely kompletní test trvající 1 500 hodin.

VRSTVY DISKU GLASSMASTER DISC
Skutečná datová vrstva se skládá ze skla, ve kterém jsou vyryty jamky. Reflexní kovová vrstva zajišťuje to, aby byl disk čitelný ve všech běžných BD/DVD mechanikách.

VÝROBA SKLENĚNÉ DESKY
Výrobní proces se podobá spíše produkci čipů než obvyklému vypalování disků. Proto se také odehrává v čistém prostředí.
1 POUŽITÍ FOTOREZISTORU Vrstva laku se nanáší na skleněný disk.
2 VYTVRDNUTÍ Vrstva laku slouží jako datová maska a musí nejprve dobře zatvrdnout.
3 LASER ZAPISUJE DATA DO MASKY Laser vypálí data ve vrstvě laku. Na exponovaných místech je odstraněna.
4 SUCHÉ LEPTÁNÍ Datová struktura se vytvoří prostřednictvím iontového bombardování přes masku laku.
5 APLIKACE KOVOVÉ VRSTVY Do rozprašovací katody se vloží kovová slitina.
6 HORNÍ SKLO Disk je uzavřen další skleněnou vrstvou přilepenou UV lepidlem.

Memory Vault: OCHRANA FLASHE

SanDisk dává na svoje USB flash disky záruku 100 let proti zkorodování. Čistě aritmeticky by měly vydržet dokonce 1 300 let.

Trendem v ukládání dat je přechod od disků s magnetickým záznamem k flash pamětem v podobě USB flash disků, paměťových karet a SSD disků. Tato datová média nemají úplně nejlepší pověst, protože flash paměti po určitém počtu zápisových cyklů ztrácí schopnost data udržet. Nicméně to nehraje v případě dlouhodobého uložení dat žádnou roli - v tomto případě jsou totiž data přepsána jen několikrát a pak mnohokráte pouze čtena. Firma SanDisk pro tyto účely vyvinula flash paměť nazvanou Memory Vault (paměťový trezor). Na začátku umožňuje integrovaný řadič zapisovat a mazat data. Po určitém počtu zápisových cyklů se ale Vault přepne čistě do režimu čtení a přepsání dat už pak není možné. SanDisk nesdělil, přesně po jaké době se tak stane, ale uživatel si toho všimne tak, že na USB flash disku rychle bliká vestavěná LED dioda. Tento mechanismus zabraňuje „vyčerpání“ paměťových buněk, ale jejich přirozenému rozpadu samozřejmě nezabrání. Rychlost poškození paměťových buněk závisí především na teplotě skladování.

Flash paměť vydrží déle při skladování v chladu

Flash buňka je v principu tranzistor s dalšími komponentami (hradly). Jedno hradlo je ovládací, druhé je plovoucí, izolované od okolí vrstvou oxidu. Činnost buňky záleží na rozložení elektronů. Proud elektronů je přiveden do plovoucího hradla, a pokud má být buňka znovu přepsána, je třeba uvolnit elektrony, které se v plovoucím hradle nacházejí. Při každém přepsání je však spotřebována část izolační oxidové vrstvy, čímž dochází k jejímu opotřebení. Zda se elektrony dostanou skrz tunel vrstvou oxidové vrstvy, to záleží na dostupné energii. Kromě proudu však může tunelování elektronů vyvolat i teplo, a to i když je flash paměť neaktivní. Tento účinek se ale při pokojové teplotě projeví až za velmi dlouho.
Za účelem testování životnosti flash paměťových buněk v produktu Memory Vault zvýšili pracovníci firmy SanDisk teplotu na 125 °C a měřili, za jak dlouho flash paměť data ztratí. Při této teplotě to šlo poměrně hladce: po téměř 350 hodinách už data z „trezoru“ nebylo možné přečíst. S životností 105 let se tedy dá počítat při stále ještě pro disk „nepohodlné“ teplotě 40 °C. Poměr mezi teplotou a životností je totiž exponenciální, a ne lineární.
Oficiálně uvádí SanDisk u svých produktů životnost 100 let. Pokud jsou výsledky testů správné, pak by bylo možné při skladovací pokojové teplotě (kolem 20 °C) dosáhnout dokonce životnosti okolo 1 300 let. V tomto časovém rozmezí už by ale pochopitelně hrály roli i další faktory okolního prostředí (koroze). Proto má SanDisk svůj paměťový čip potažen speciální ochrannou vrstvou. Všechna tato opatření se samozřejmě projevila na ceně disku: 8GB verze stojí asi 2 000 Kč, a 16GB verze dokonce 2 900 Kč.

FLASH BUŇKY JAKO ÚLOŽIŠTĚ DAT
Činnost buňky záleží na rozložení elektronů. Proud elektronů je přiveden do plovoucího hradla, a pokud má být buňka znovu přepsána, je třeba uvolnit elektrony, které se zde nacházejí.

ŽIVOTNOST FLASH BUNĚK
Test podle průmyslového standardu JESD22-A117B určuje, kdy se flash paměť porouchá. Je založen na skutečnosti, že životnost flash buněk exponenciálně klesá v závislosti na teplotě.


Foto popis|  Disky M-Disc si můžete objednat na Amazonu. Balíček s deseti kusy vyjde asi na 35 eur. Na tento disk můžete zapisovat v běžně dostupných DVD mechanikách, jako je LG GH22NS90-M cca za 600 Kč.
Foto popis|  Disk GlassMaster Disc si doma „nevypálíte“ a musíte si ho objednat. Výroba ve firmě Syylex trvá asi pět dní a stojí cca 150 eur a výše včetně testu kvality.
Foto popis|  SanDisk dodává svůj trezor na data (Memory Vault) ve dvou verzích: 8GB verze stojí asi 2 000 Kč a 16GB verze asi 2 900 Kč.


HOLOGRAFICKÁ PAMĚŤ
Disk na 4 terabajty
Specifikace HVD (Holographic Versatile Disc) disku, tedy holografického víceúčelového disku, byla přijata již na konci roku 2004. HVD disky měly podle ní dosáhnout kapacity až 3,9 TB a data měla být přenášena rychlostí cca 1 Gb/s. Nádherný sen o nástupci Blu-ray disků, který by i klasické pevné disky zatlačil do pozadí, se bohužel nikdy v reálném světě nesplnil. Technické problémy byly zkrátka příliš velké. Ale je tu stále jedna velká společnost, která na vývoji holografických paměťových médií dále pracuje - General Electric (GE).
Na počátku roku 2009 představila firma GE poprvé své holografické médium pro ukládání dat. Šlo o transparentní disk s kapacitou 500 GB a o velikosti DVD disku. Dá se předpokládat, že toto holografické médium by mělo výrazně delší životnost, protože data jsou u něj zapsána přímo v materiálu disku a vrstva s barvivem u něj není potřebná. Bývalá konkurenční firma InPhase odhadovala životnost na 50 let.
U GE disku představuje jeden bit hologram o velikosti 0,3 x 5 mikrometrů. Všechny hologramy jsou uspořádány ve vrstvách jako u současných disků Blu-ray nebo DVD, u tohoto disku je však těchto vrstev 50 až 100.
Proto má ve srovnání s BD/DVD tak vysokou kapacitu. Podobné uspořádání dat mělo umožnit budoucím kompatibilním přehrávačům spravovat ty typy disků, které jsou již na trhu. V dlouhodobém horizontu chce GE holografické paměti nabídnout nejen firmám, ale i běžným uživatelům. Než ale tento produkt dosáhne tržní zralosti, pár let ještě určitě uteče. V loňském roce se firmě General Electric podařilo na holografický disk zapisovat rychlostí, jakou zvládají Blu-ray mechaniky. Vzhledem k vysoké kapacitě disku je to však stále nízká rychlost.

Foto popis|  Transparentní holografický disk firmy GE ukládá data v desítkách vrstev.


SD KARTA S OCHRANOU ZÁPISU
Pokud nechcete svoje data ukládat na optické disky, můžete je svěřit flash pamětem. Jediným problémem je u nich to, že se častým přepisováním snižuje jejich životnost. Speciální karta „Write Once SD“ od firmy Toshiba má zabudovanou ochranu proti zápisu, která zabrání smazání nebo přepsání uložených dat. Uložená data tedy neohrozí ani nechtěné nebo náhodné vymazání, ani virová infekce. Jediné, co tedy této kartě chybí, je ochrana proti korozi, jakou má Memory Vault. Karta je určena pro speciální aplikace, jako je například zákonná povinnost uložení listinných důkazů. Write Once může být použita i pro bezpečné uložení osobních dat. V České republice ale zatím prodejce této speciální karty nenajdete a budete si ji muset objednat někde v zahraničí.


MAGNETICKÁ PÁSKA
Uložení dat na 30 let
Magnetické pásky jsou tradičním médiem pro ukládání dat v profesionální sféře. Pro běžné potřeby se už nepoužívají (především kvůli lineárnímu přístupu) a nahradily je magnetické pevné disky, u serverů se stále častěji používají i disky SSD. Magnetická páska je ale vhodná pro dlouhodobou archivaci -její životnost je odhadována na 30 let, a jde tedy o bezpečné médium. To však platí jen za určitých podmínek, protože zapsané pásky je nutné po několika letech přetočit. Kromě toho musí být skladovány za specifických podmínek - vlhkost 30-40 procent a teplota v rozmezí 15-25 °C je pro ně ideální.
Kapacita pro uložení dat a rychlost ukládání se pravidelně zvyšuje i u magnetických pásek. Asi 10 let už jsou standardem pásky a mechaniky typu LTO (Linear Tape Open) a používají je velcí výrobci, jako HP a IBM.
Skupina LTO připravuje zhruba každé dva roky novou specifikaci a novou generaci pásek. Nové zařízení musí být ale zpětně kompatibilní se staršími páskami. Zatím poslední je pátá generace LTO-5. Páskové mechaniky jsou schopné přenášet data rychlostí 300 MB/s a uložit až 3 TB dat.
Nejdůležitější novinkou je souborový systém LTFS (Linear Tape File System), který umožňuje připojit páskovou jednotku přímo do systému Windows. Data se mohou snadno na pásku ukládat třeba metodou drag & drop.
Během druhé poloviny tohoto roku budou uvedena zařízení a pásky LTO-6 . Jejich kapacita se zvýší na 8 TB a maximální rychlost přenosu dat bude až 525 MB/s. Na jednu pásku LTO-6 se tedy vejde více než na magnetický pevný disk a rychlost přenosu dat je zhruba na úrovni nejnovějších SSD disků pro spotřebitelský trh. Jestliže se na tyto klíčové vlastnosti podíváte reálně, pak vám už možná nebudou magnetické pásky připadat jako historická relikvie z minulého století.

Foto popis|  Současná pásková mechanika LTO-5 používá pásky s kapacitou 3 TB.


ROBUSTNÍ NÁSTUPCE FLASH PAMĚTI
Flash paměť je jako paměťové medium opravdu užitečná, ale rozhodně není ideální. Vyžaduje totiž relativně hodně energie a především její životnost je daleko kratší, než by bylo optimální. Z hlediska robustnosti se zdá z vyvíjených technologií nejzajímavější technologie F-RAM. Na rozdíl od paměťových buněk typu flash ukládá tato feroelektrická RAM paměť informace přeskupením atomů, přičemž takovéto přepnutí lze opakovat téměř nekonečně. F-RAM se používá v RFID čipech, protože pro svou činnost potřebuje jen velmi málo energie. Kromě toho tato paměť vydrží i silné gama-záření. Proto se používá jako identifikační označení v lékařských zařízeních, která se musí pravidelně sterilizovat pomocí záření. Přežije také například ozařování potravin. V obou těchto případech by byla flash paměť zničena.