テープと光ストレージの原理 ─ 長期保存とアーカイブ階層

アーカイブを支える物理の前提

アーカイブストレージとは、頻繁には読まないが消してはいけない大量データを、できるだけ安く長く保つ層です。設計判断は突き詰めると四つの軸に集約されます。

ビット単価     : 1GBあたりの初期コスト＋電力・冷却・床面積
保存寿命       : 媒体が無交換でデータを保持できる年数
アクセス遅延   : 要求してから最初のバイトが返るまでの時間
耐改竄/法規制  : 一度書いたら書き換えられないWORM保証の有無

この四軸は同時には最適化できません。SSDやHDDは遅延が小さい代わりに通電し続ける必要があり、長期保管では電力と置き換え費用が積み上がります。テープと光ディスクは遅延が大きい代わりに、ドライブから抜けば消費電力ゼロ・物理的にオフラインで保管でき、ビット単価と寿命で優位に立ちます。アーカイブ階層の設計とは、この四軸の優先度に応じて層ごとに媒体を割り当てる作業に他なりません。

LTOテープの線形蛇行記録

現在のデータテープ事実上の標準がLTO（Linear Tape-Open）です。媒体は幅約12.65mmの磁性塗布テープで、HDDのような回転円盤ではなく、リールからリールへテープを直線状に走らせながら長手方向に記録します。これが「線形（リニア）」の意味です。

ヘッドはテープ幅方向に多数のトラックを同時に扱いますが、テープ全長に並ぶトラック数は数千本に及び、一度には書けません。そこで**蛇行記録（サーペンタイン記録）**を使います。

パス1: テープ先頭 -> 末尾   （トラック群Aを記録）
パス2: 末尾 -> 先頭         （ヘッドを少しずらしトラック群Bを記録）
パス3: 先頭 -> 末尾         （トラック群Cを記録）...
末尾と先頭で折り返しながら全幅を埋める = 蛇(serpentine)のような軌跡

折り返しのたびにヘッドをテープ幅方向に微小ステップさせ、往復を繰り返して全トラックを敷き詰めます。テープは伸縮しヘッドとの相対位置がずれるため、媒体には製造時にサーボトラックが焼き込まれており、ヘッドはこのサーボ信号を読んで走行中の位置を常時補正します。書き込みは即時に読み返して検証するread-while-writeで、誤りを検出したらその場で後方に再記録します。

ロボティクスライブラリ ─ 容量をスロットで稼ぐ

テープ1巻の容量には上限がありますが、テープライブラリは数十〜数千スロットのカートリッジ棚と少数のドライブ、そしてカートリッジを掴んで運ぶ**ロボットアーム（ピッカー）**で構成され、ペタバイト〜エクサバイト級の総容量を作ります。

スロット : カートリッジを保管する棚（容量はスロット数で決まる）
ドライブ : 実際に読み書きする装置（性能はドライブ台数で決まる）
ロボット : 要求に応じてスロット<->ドライブ間でカートリッジを搬送

ここに「容量とアクセス並列度を独立に拡張できる」というテープ階層の本質があります。総容量を増やしたければスロットを足し、スループットを増やしたければドライブを足す——両者が分離している点がディスクアレイと根本的に異なります。アクセス遅延には、データ位置までの巻き送り時間に加えて、**ロボットがカートリッジを取り出しドライブへ装填するマウント時間（十秒〜数十秒）**が上乗せされます。

LTFS ─ テープをファイルシステムとして見せる

伝統的にテープはバックアップソフト固有の形式で書かれ、その製品がなければ中身を読めませんでした。これを変えたのが**LTFS（Linear Tape File System）**という標準形式です。

LTFSはテープを2つの**区画（パーティション）**に分けます。

インデックス区画 : ファイル名・サイズ・テープ上の記録位置を持つXMLインデックス
データ区画       : ファイルの実体（線形に追記される）

テープを装填するとドライブはまずインデックス区画を読み、その内容をOSへ通常のファイルシステムとしてマウントします。利用者はファイルをコピー＆ペーストするだけでテープを読み書きでき、特定ベンダのソフトに縛られません。LTFSはオープン標準なので、別組織が別メーカーのドライブで書いたテープでも、LTFSさえ実装していれば中身を取り出せます。これが長期保存と組織間データ交換でLTFSが重視される理由です。

WORMと光ディスク ─ 改竄できないコールド層

金融・医療・公的記録では、保存後に**書き換えられないこと（WORM: Write Once, Read Many）**そのものが要件になります。LTOにはWORMカートリッジがあり、媒体とドライブのファームウェアの両方で上書き・消去を物理的に拒否します。改竄不能性を媒体側で保証する点が、ソフトウェアの権限設定より強い証拠能力を持ちます。

光ディスクはコールドアーカイブのもう一つの選択肢です。データセンタ向けには複数のBlu-ray系ディスクをカートリッジに束ね、ロボットで扱う光ディスクアーカイブが使われます。記録は次の三種に大別できます。

追記型の中でも無機材料を使う長寿命ディスク（M-DISC等）は、有機色素の劣化や磁気テープの磁化減衰を避ける狙いで、数十年〜百年級の保存をうたいます。光記録は媒体と読み取りの間に磁気のような経年磁化減衰がないため、適切な環境下では磁気テープより環境変動に強いとされる一方、面密度と容量単価ではテープに及ばず、超大容量より「確実に長く・改竄不能に」を優先する用途に向きます。

ビット単価・寿命・遅延で階層を組む

四軸を踏まえると、各媒体の位置づけは次の表のように整理できます。数値は方式の傾向を示す目安です。

この差から階層設計の原則が導けます。遅延がコストを支配する層は上に、単価と寿命がコストを支配する層は下に置く。頻繁に読む作業データはSSD/HDDのホット層へ、めったに読まないが長く残す監査ログ・科学データ・メディア原本はテープや光ディスクのコールド層へ振り分けます。クラウドの「アーカイブ階層」が取り出しに数時間を要し料金も安いのは、その裏側がまさにこうしたオフライン媒体だからです。

まとめ

• アーカイブ設計はビット単価・保存寿命・アクセス遅延・耐改竄の四軸のトレードオフであり、層ごとに媒体を割り当てる作業に帰着する。
• LTOテープはテープを往復させる線形蛇行記録で全幅を埋め、サーボ補正とread-while-writeで信頼性を確保するが、シーケンシャル媒体ゆえ遅延は秒〜分になる。
• テープライブラリはスロット（容量）とドライブ（性能）を独立に拡張でき、棚のカートリッジは無電力で保管できる。
• LTFSはテープをインデックス＋データの2区画に分けてファイルシステムとして公開し、ベンダ非依存の長期保存・データ交換を可能にする。
• WORM／光ディスクは媒体側で改竄を防ぎ、エアギャップと併せてランサムウェア耐性のあるコールドアーカイブ層を形成する。

低単価・長寿命・オフライン保管という強みで、テープと光ストレージはアーカイブ最下層に残り続けます。上位層のストレージI/Oパスやストレージインターフェースの系譜と併読すると、ホットからコールドまでのストレージ階層全体の役割分担が立体的に見えてきます。