Tape is alive and well!
A uniquely powerful data storage solution for Big Data

Magnetic tape may seem to have long disappeared from daily life. But it is actually working harder than ever, making possible the long-term storage of a vast amount of data at the data centers of leading global IT companies, financial institutions, and other major corporations and organizations worldwide. The revitalization of tape emerged from 20 years of research at Fujifilm, resulting in an advanced new magnetic particle called barium ferrite (BaFe). Very quietly, BaFe tape has become a key component of today’s information society.

Dependable data archives—secured on magnetic tape

Some data, even if it is not accessed on a regular basis, is still mission-critical and absolutely cannot be lost. Data archiving requires a medium that can preserve a high volume of data over the long term with minimal risk of loss and with reasonable initial and running costs. BaFe magnetic tape fulfills all of these conditions better than any other medium. As an example of its effective use, in 2011, the email server of a renowned global IT company suffered a system failure, and a large volume of emails was temporarily inaccessible. Offline backups on magnetic tape saved the day, allowing the company to restore all of the missing emails quickly.

Breaking through the storage capacity barrier

Yet the future of magnetic tape did not always look so bright. While the world’s data output continued to grow at an incredible rate, it was clear that, despite advances, the data storage capacity of standard metal particle tape would soon become a critical limiting factor. Fujifilm broke through this barrier by commercializing an entirely new magnetic material: BaFe.

The data capacity of magnetic tape is determined by the number of magnetic particles in its magnetic layer. A cartridge of BaFe tape can contain many more magnetic particles at a much higher density than a cartridge of conventional metal particle tape. In fact, today Fujifilm has developed prototype BaFe tape that could hold as much as 220 terabytes of uncompressed data if it were in a standard cartridge—world-record capacity that is 88 times that of conventional metal particle tape (Fujifilm research as of April 9, 2015).

BaFe particles are extremely small, while their shape makes possible very high-density orientation in the perpendicular direction. Moreover, their magnetic coercive force (the degree to which they can hold magnetization) is also large. The particles can be densely packed with little risk of magnetization reversal, enhancing data storage stability.

Researching a new magnetic storage medium

Developing a new high-capacity magnetic tape solution entails much more than developing the advanced magnetic material itself. Also required are the magnetic head to read and write the data in the magnetic layer as well as the drive to accommodate both the head and the tape. Together, these components make possible the archiving and restoring of data.

Although drive manufacturers had done their best to develop and supply the best possible hardware for metal tape applications, the industry knew they would eventually reach the physical limit to which metal particles could be made smaller, which in turn would limit the density of particles on the tape. BaFe simply had better characteristics, and Fujifilm believed BaFe tape would replace metal particle tape entirely.

In 1992, Fujifilm launched its research into BaFe as a next-generation storage tape medium. At the time, Fujifilm produced metal particle tape that was technologically one of the best on the market, but the competition was slowly but surely closing the gap: “At this rate, they’ll eventually overtake us. To launch BaFe as a new material, we need to demonstrate overwhelming superiority in recording density.” Such was the sense of urgency felt by Fujifilm’s engineers.

One final chance—and one big breakthrough

Despite high hopes, it proved difficult to achieve the necessary results. One significant barrier was the small size of BaFe particles. While this characteristic made it possible to pack the particles closely together, it also made them difficult to handle in other respects.

Fujifilm’s engineers had succeeded in coating tape in BaFe particles at ultra-high density and in an even, stable pattern at the nano scale. Even though they had created a magnetic storage tape prototype with world-record areal recording density, they were unable to write and read data from the tape with conventional tape heads and were thus unable to confirm the performance of the prototype.

The engineers concluded that conventional tape heads designed for metal tape were unable to read BaFe tape due to the small degree of magnetization exhibited by BaFe particles. At this point, they came up with the idea of developing their own tape head by altering a high-sensitivity magnetic head intended for use in hard disk drives—even though the architecture of the head for a hard disk drive is quite different from the head for a tape drive. They would then use this head to prototype an original evaluation system to confirm BaFe tape performance.

Altering the hardware to match the storage medium—this reversal of conventional wisdom led to a key breakthrough for the Fujifilm engineers, who were used to seeing things from the perspective of a tape manufacturer. It was decided that this would be the final experiment and last chance to make BaFe tape a reality. No results would mean no more development project.

The idea worked. Using the high-sensitive head they had specially fabricated, the engineers demonstrated that their BaFe tape offered double the storage capacity of the most advanced metal particle tape of the time.

Some challenges are best tackled by beginners

Before BaFe tape could be commercialized, however, much work lay ahead. One large task was working with IBM to assess the potential of BaFe tape. Since IBM's equipment for assessing magnetic tape was designed for metal tape, it could not accurately read the signal from Fujifilm’s BaFe tape. Moreover, IBM continued to succeed with metal tape and thus were not easy to invest in the development of new drive technologies for different type of magnetic tape. "It looks like we’ll have to make some basic research more about evaluation by ourselves," was the conclusion of the Fujifilm engineers. Undaunted, they plunged into the work of developing an evaluation system with a high-sensitivity head.

Needless to say, this next stage was anything but easy. Basic research into tape heads and drives was well outside the core expertise of a materials manufacturer like Fujifilm. Fujifilm's engineers formed a special team within the company to research a device to evaluate the true performance of BaFe tape. After expending much effort, they succeeded in demonstrating the high recording density of Fujifilm’s BaFe tape. Five years after the first discussions with Fujifilm about BaFe, IBM was able to perform experiments on the new medium. IBM soon confirmed the outstanding performance of BaFe tape and agreed to participate in joint research and development of the technology with Fujifilm.

A Fujifilm engineer comments: “We were total beginners when it came to tape drives. That meant that we didn’t have any preconceptions about the technology when we started. Since we had never developed metal particle tape drives, previous performance results were no psychological barrier. We took the challenge head-on.”

A future where all magnetic tape is BaFe

In 2011, Fujifilm launched the world’s first commercial BaFe data storage cartridge. Since then, BaFe tape’s data storage capacity has continued to grow at a rapid pace, and all drive manufacturers currently offer hardware for BaFe tape applications.

Cloud services and Big Data analysis now drive many aspects of our everyday lives, and the Internet of Things (IoT) is already becoming a familiar presence. The volume of data generated and transmitted is only accelerating, and the frequency with which we access data and its overall value to us is also increasing. Surprisingly, a technology associated with the 20th century, magnetic tape, has an important new role to play in this future. And Fujifilm's innovation in advanced materials made it happen.

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Une puissante solution de stockage pour les données volumineuses

La bande magnétique semble avoir totalement disparu de nos vies. En réalité, elle nous sert plus que jamais à stocker pendant de longues périodes d'énormes quantités d'informations dans les centres de données des grandes entreprises informatiques, les établissements financiers et bien d'autres organisations mondiales. La relance de la bande magnétique est le fruit de 20 années de recherche chez Fujifilm qui ont permis de mettre au point une nouvelle particule magnétique innovante appelée le ferrite de baryum (BaFe). Progressivement, la bande magnétique BaFe s'est imposée comme l'un des composants essentiels de la société de l'information actuelle.

Archives de données fiables, sauvegardées sur des bandes magnétiques

Certaines données, même celles qui ne sont pas régulièrement consultées, sont critiques et ne doivent absolument pas être perdues. L'archivage des données exige un support capable de préserver un grand volume de données à long terme tout en réduisant le risque de perte, avec des coûts de démarrage et d'exploitation raisonnables. La bande magnétique BaFe remplit ces conditions mieux que tout autre support. Son efficacité a été prouvée en 2011, lorsque le serveur mail d'une entreprise informatique de renom a subi une panne système, rendant inaccessible une grande partie des e-mails. Les sauvegardes hors ligne réalisées sur bande magnétique ont sauvé l'entreprise qui a pu restaurer rapidement tous les e-mails manquants.

Dépasser les limites de capacité de stockage

Néanmoins, l'avenir de la bande magnétique n'a pas toujours été aussi brillant. Alors que le volume des données n'a cessé d'augmenter à un rythme effréné, et malgré les progrès réalisés, la capacité de stockage des bandes magnétiques à particules métalliques s'approchait de sa limite critique. Fujifilm a dépassé cette limite en lançant un matériau magnétique totalement inédit : le BaFe.

La capacité de stockage des bandes magnétiques est déterminée par le nombre de particules présentes dans la couche magnétique. Une cartouche de bande magnétique BaFe peut contenir plus de particules magnétiques, avec une densité supérieure à celle d'une cartouche à particules métalliques classique. Fujifilm a développé un prototype de bande magnétique BaFe capable de contenir 220 téraoctets de données non compressées, battant ainsi le record du monde avec une capacité 88 fois supérieure à celle des bandes magnétiques à particules métalliques classiques (étude Fujifilm du 9 avril 2015).

Les particules de BaFe sont extrêmement petites. Leur forme permet de bénéficier d'une très haute densité, orientées perpendiculairement. De plus, leur force coercitive magnétique (le niveau de rétention de la magnétisation) est également importante. Les particules peuvent être regroupées très serrée avec un faible risque d'inversion de la magnétisation, ce qui améliore la stabilité du stockage des données.

Recherche d'un nouveau support de stockage magnétique

La conception d'une solution de bande magnétique haute capacité va bien au-delà du développement du matériau magnétique en lui-même. Une tête magnétique permettant de lire et d'écrire les données dans la couche magnétique ainsi que le lecteur capable de contenir la tête et la bande magnétique sont également nécessaires. Lorsqu'ils sont associés, ces composants permettent l'archivage et la restauration des données.

Bien que les fabricants aient tout mis en œuvre pour concevoir un matériel adapté aux applications de bande magnétique, le marché savait que la limite physique de réduction des particules métalliques était bientôt atteinte, limitant inéluctablement la densité des particules sur la bande. Le BaFe affichait de meilleures caractéristiques, ce qui a encouragé Fujifilm a croire à la substitution de la bande à particules métalliques par la bande BaFe.

En 1992, Fujifilm a commencé ses recherches sur le BaFe pour créer un support de stockage sur bande de nouvelle génération. À cette époque, Fujifilm fabriquait des bandes à particules métalliques à la pointe de la technologie, qui ont cependant été progressivement rattrapées par la concurrence : "À ce rythme, il vont finir par nous dépasser. Pour que le BaFe devienne une innovation, nous devons démontrer notre supériorité écrasante en matière de densité d'enregistrement." Ce sentiment d'urgence était partagé par les ingénieurs de Fujifilm.

Une dernière chance... et une découverte capitale

Malgré l'enjeu, les résultats ont été difficiles à obtenir. La faible taille des particules de BaFe était une contrainte. Cette caractéristique a permis de rapprocher encore plus les particules mais a rendu leur manipulation plus difficile.

Les ingénieurs de Fujifilm ont réussi à revêtir la bande de particules BaFe à ultra-haute densité, selon un modèle homogène et stable à l'échelle nanométrique. Mais bien qu'ils aient créé un prototype de bande magnétique ayant une densité d'enregistrement encore inégalée, ils n'ont pas été capables d'écrire et de lire les données de la bande avec des têtes classiques et n'ont donc pas confirmé les performances du prototype.

Les ingénieurs en ont conclu que les têtes classiques conçues pour la bande magnétique métallique étaient incapables de lire la bande BaFe en raison du faible niveau de magnétisation des particules BaFe. Ils ont alors eu l'idée de développer leur propre tête en modifiant une tête magnétique haute sensibilité destinée aux disques durs, bien que l'architecture de la tête d'un disque dur soit très différente de celle d'une tête pour lecteur de bandes. Ils ont ensuite utilisé cette tête pour créer le prototype d'un système d'évaluation inédit pour confirmer les performances de la bande BaFe.

Modifier le matériel pour qu'il s'adapte au support de stockage : cette méthode contraire à la sagesse populaire a fait franchir une étape décisive aux ingénieurs de Fujifilm, plutôt habitués à considérer les choses du point de vue d'un fabricant de bandes magnétiques. Ils ont décidé qu'il s'agirait de la dernière expérience et de la dernière occasion de concrétiser l'idée d'une bande magnétique BaFe. L'absence de résultats enterrerait définitivement tout projet de développement.

Leur idée a fonctionné. En utilisant la tête haute sensibilité qu'ils avaient spécialement fabriquée, les ingénieurs ont démontré que leur bande magnétique BaFe offrait deux fois plus de capacité de stockage que toute autre bande à particules métalliques.

Les débutants sont parfois mieux armés pour relever certains défis

Il restait cependant beaucoup de travail à accomplir avant de pouvoir commercialiser la bande BaFe. Il a notamment fallu collaborer avec IBM pour évaluer le potentiel de la bande magnétique BaFe. Comme le matériel d'évaluation des bandes magnétiques d'IBM a été conçu pour les bandes magnétiques métalliques, celui-ci n'a pas été capable de lire avec précision le signal de la bande BaFe de Fujifilm. De plus, comme les bandes métalliques d'IBM étaient très demandées sur le marché, la société a donc rechigné à investir dans le développement de nouvelles technologies de lecture pour différents types de bandes magnétiques. "Il semblerait que nous devions approfondir nous-mêmes nos recherches sur l'évaluation", en ont conclu les ingénieurs de Fujifilm. Imperturbables, ils ont travaillé d'arrache-pied pour développer un système d'évaluation doté d'une tête haute sensibilité.

Inutile de préciser que cette étape fut tout sauf aisée. La recherche fondamentale sur les têtes de lecture et les lecteurs dépassait largement les compétences d'un fabricant de consommables comme Fujifilm. Les ingénieurs de Fujifilm ont donc formé une équipe spéciale dont le travail fut de concevoir un appareil capable d'évaluer les véritables performances de la bande BaFe. Après avoir déployé de grands efforts, ils ont réussi à démontrer la grande densité d'enregistrement de la bande BaFe de Fujifilm. Cinq ans après avoir évoqué pour la première fois le BaFe avec Fujifilm, IBM a pu réaliser des expériences avec le nouveau support. IBM a rapidement confirmé les performances exceptionnelles de la bande BaFe et accepté de participer au travail de recherche et de développement de la technologie avec Fujifilm.

Un ingénieur de Fujifilm raconte : "Nous étions des novices en matière de lecteurs de bandes. Nous n'avions donc aucune idée préconçue sur cette technologie lorsque nous avons démarré. Comme nous n'avions jamais développé de lecteurs de bandes magnétiques à particules métalliques, les performances précédentes ne représentaient pas une barrière psychologique. Nous avons relevé le défi tête baissée."

Le BaFe ou l'avenir de la bande magnétique

En 2011, Fujifilm lance la première cartouche de stockage de données BaFe. Depuis, la capacité de stockage des bandes BaFe n'a cessé de croître à un rythme effréné et tous les fabricants de lecteurs proposent désormais du matériel destiné aux applications BaFe.

Les services de cloud et l'analyse des mégadonnées sont au cœur de nos vies et l'Internet des objets (objets connectés) gagne du terrain. Le volume de données générées et transmises ne cesse de s'accélérer et la fréquence d'accès aux données et la valeur que nous leur accordons ne cessent d'augmenter. Étonnamment, c'est une technologie du 20e siècle, la bande magnétique, qui détient la clé de notre avenir. Tout ceci grâce à l'esprit d'innovation de Fujifilm dans les matériaux de pointe.

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