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1 Speichertechnologien unter der Lupe Autor: Kurt Gerecke Mai

2 Speichertechnologien unter der Lupe Technologien zur Datenspeicherung befinden sich heute in einer rasanten Entwicklungsgeschwindigkeit und niemand kann eindeutig vorhersagen, wie das morgen aussehen könnte, zumal ganz neue Technologien vor der Marktreife stehen. Dies gilt sowohl für das kommerzielle Marktumfeld als auch für die klassische Informationstechnologie. Um die Technologieveränderungen einzuschätzen, ist es wichtig, jede Technologie einzeln zu untersuchen und zu bewerten, um sinnvolle und realistische Schlüsse für die Zukunft ziehen zu können. Magnetplatten HDD s (Hard Disk Drives) Die Geschichte der Magnetplatten ist mit Abstand eine der innovativsten Entwicklungen unserer Zeit. Bedenkt man, dass die erste Magnetplatte 1956 eine Aufzeichnungsdichte von 310 Bits pro cm² abbildete und es heute eine 4 TB SATA Platte auf knapp 80 Milliarden Bits pro cm² bringt, ist es kaum vorstellbar, was hier entwicklungstechnisch passiert ist! Die grossen kapazitiven Sprünge kamen vor allem in den letzten 15 Jahren, weil 1997 der erste GMR-Lesekopf (Giant Magneto Resistance) verfügbar wurde, der es erlaubt, bei grossen Drehgeschwindigkeiten kleinste Streufelder auszulesen. Mitte der 90 er Jahre war man bereits in der Lage, induktive Schreibköpfe so zu gestalten, dass Bits auf kleinstem Raum erzeugbar waren. Das Problem war das Auslesen! Wie sollte man diese kleinen Streufelder abgreifen? Mit GMR wurde das 1997 möglich. Im Jahr 2007 wurde der Nobelpreis für Physik an Peter Grünberg von der KFA in Jülich und Albert Fert von der Universität in Paris vergeben, die 1988 zeitgleich und unabhängig voneinander den GMR-Effekt (Giant Magnetoresistance) bei extrem niederen Temperaturen entdeckt hatten. Wir alle wissen, dass ohne diese Entdeckung die heutigen Festplattenkapazitäten nie möglich geworden wären begann der IBM Forscher Stuart Parkin im IBM Labor Almaden in Kalifornien mit der GMR Produkt Umsetzung und dem Ziel, den Effekt auch bei normalen Temperaturen zu realisieren. Er erforschte mehr als Materialkombinationen, um 1997 den ersten einsetzbaren GMR Lesekopf für Plattenlaufwerke zur Verfügung zu stellen. Alle drei Forscher wurde 1997 gemeinsam für die GMR Entwicklung mit dem Euro Physik-Preis ausgezeichnet. Der GMR-Effekt (engl. Giant-Magneto-Resistance, dt. Riesenmagnetwiderstand) wird in Strukturen beobachtet, die aus sich abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten mit einigen Nanometern Schichtdicke bestehen. Der Effekt bewirkt, dass der elektrische Widerstand der Struktur von der gegenseitigen Orientierung der Magnetisierung der magnetischen Schichten abhängt. Er ist bei Magnetisierung in entgegengesetzte Richtungen deutlich höher als bei Magnetisierung in die gleiche Richtung. Dabei handelt es sich um einen quantenmechanischen Effekt, der durch die Spinabhängigkeit der Streuung von Elektronen an Grenzflächen erklärt werden kann. 2

3 Das erste GMR-Laufwerk war die SSA-Platte Ultrastar 2XP mit einer Kapazität von 9 GB. Diese Kapazität konnte aufgrund der GMR-Lesetechnik in den darauffolgenden 15 Jahren auf 4 TB gesteigert werden. Eine grandiose Entwicklungsleistung. Leider sind die Möglichkeiten von GMR heute nahezu ausgereizt, sodaß die Kapazitätssteigerungen auf 20-25% pro Jahr zurückgehen werden (im Gegensatz zu den bisherigen 60-80% Steigerung pro Jahr). Technologien wie HAMR (Heat Assistant Magnetic Recording), die das überwinden könnten, sind noch im Anfangsstadium und noch lange nicht in der Produktionsreife. GMR ist zwar bei der Disk Technologie ausgereizt, hat aber heute einen ganz entscheidenden Einfluß bei Weiterentwicklungen (siehe Tape-Technologie) und Neuentwicklungen im Nanotechnologiebereich (siehe STT-RAM). Der hohe Preisverfall bei HDD s wird sich aufgrund der fehlenden Kapazitätssteigerungen nicht fortsetzen, wie es in den letzten Jahren der Fall war. Die Überschwemmungskatastrophe in Tailand in 2011 hat sogar zu kurzfristigen Preissteigerungen geführt. Aufgrund des Kostendrucks haben alle Plattenhersteller keine Möglichkeit mehr, zwei Formfaktoren zu bauen (3 ½ Zoll und 2 ½ Zoll). Die Zukunft gehört dem 2 ½ Zoll Laufwerk. Alle Plattensubsystemanbieter werden in den nächsten Monaten gezwungen sein, auf den 2 ½ Zoll Faktor umzustellen, denn bereits in 2013 dürfte es schwierig werden, noch 3 ½ Zoll Laufwerke zu beziehen. Ein anderes Phänomen ist die Tatsache, dass seit 1990 die Hard Disks mit jeder Kapazitätssteigerung langsamer werden, was die I/O Raten per GB angeht. Bisher konnte das durch intelligente Subsystemalgorithmen, Caching und Striping Verfahren abgefangen werden. Die I/O Raten per GB sind aber inzwischen auf einem derart niedrigen Level, dass viele Rechenzentren inzwischen Probleme mit der Performance der Disk-Subsysteme haben und Probleme beim Backup bekommen. Heute kann bei den Disk-Subsystemen die Performance- Problematik mit dem Einsatz von SSD s ausgeglichen werden (siehe unter SSD s). 3

4 Beim Backup kommen SnapShot und FlashCopy Verfahren zur Anwendung, die bereits den Backup während des Online Betriebs erlauben, sodass die Zeitfenster für den Backup wieder ausreichend sind! Hard Disk Performance Entwicklung 1000 IO rate per GB and hard disk drive generation IOPS 100 <= 7200 RPM Faktor 100 Langsamer seit ,1 Desktop 5400 & k RPM 10k RPM Wird die Magnetplatte aussterben? Sicherlich nicht in den nächsten Jahren, auch wenn ein Grossteil der Platten im Online Bereich durch neue Technologien wie SSD s ersetzt werden. Die Rolle und das Einsatzgebiet der Platten wird sich in den nächsten Jahren vom Online Umfeld in die Backup Umgebung verschieben. Dort setzt man bereits heute verstärkt günstige SATA- und SAS-Platten als Plattenpuffer mit Tapes oder VTL s (Virtual Tape Librarys) ein, die unter RAID 6 betrieben werden, und dieser Trend wird sich verstärken. Am härtesten getroffen werden die teuren Fibre Channel Platten, denen nicht mehr ein allzu langes Leben zugeordnet werden kann. Solid State Disks (SSD s) mit Flash Technik Die ersten SSD s auf DRAM-Basis kamen 1976 auf den Markt (DataRam mit den BulkCore SSD s). Bereits zwei Jahre später, 1978, machte Texas Memory Systems (TMS) das 1 GB RAM- SSD verfügbar. Das waren die Anfänge! Im Jahr 2007, als die ersten SSD s in die Plattensubsysteme ihren Einzug hielten, war der Preisunterschied zu den Magnetplatten noch gewaltig. Er lag bei ca %. Heute liegt der Preisunterschied nur noch bei 6-7 %. Das ist zwar immer noch beträchtlich, aber SSD s werden langsam wirklich bezahlbar! Sie sollten allerdings heute in Subsystemen nach wie vor nur für Performance optimierende Zwecke eingesetzt werden, solange dieser Preisunterschied besteht. Fast alle SSD s sind mit NAND-Flash Technologie ausgestattet. NAND-Flash ist derzeit zwar weiterhin im Kommen, jedoch ist die Technologie immer noch teuer, die Kapazitäten für einen alleinigen Einsatz in Computern zu gering und sie machen bereits nach Lese- und 4

5 Schreibzyklen schlapp. Diese relativ schnelle Materialermüdung ist zwar bei Comsumer- Anwendungen unproblematisch, sie disqualifiziert die Module jedoch für den Einsatz als Hauptsowie Pufferspeicher in Network- oder Storagesystemen. Deshalb sorgen Defektmanagementtechniken auf den Flash-Speicherkarten sowie RAID 10, RAID 5 und 6 Sicherheitstechniken in SSD s dafür, dass die Arbeit ausgefallener Flashzellen durch andere übernommen werden können und kein Datenverlust eintritt. Verbaute man noch vor einem guten Jahr ausschliesslich die SLC (Single Level Cell) Flashtechnik, werden heute in grossem Maße MLC (Multi Level Cell) Flashtechniken eingesetzt, die zwar nicht soviele Schreibzyklen schaffen aber in der Zwischenzeit so optimiert sind, dass sie als Enterprise Multi Level Cell (emlc) Flash mit einer entsprechenden Controller Überwachung problemlos in SSD s zum Einsatz kommen können. Die klaren Vorteile liegen im günstigeren Preis und in der höheren Kapazität. SSD s können heute als erweiterter RAM Speicher im Rechner zum Einsatz kommen. In Speichersystemen können sie neben FC-, SATA- und SAS-Disks eine eigene Tieringklasse einnehmen oder einfach als Cacheerweiterung des Plattensubsystems dienen. Ein emlc Flash schafft heute einen Durchsatz von 500 MB/s (sustained Read), IOPS (I/O s per Second) bei einer 100% Leseworkload, IOPS bei 100% Schreiben und bietet eine Latency, die 10 x geringer ist als bei HDD s. Solid State Disk Setzt man heute SSD s für Leistungsoptimierende Zwecke ein, genügt oft eine kleine Anzahl an SSD s, um grosse Leistungssteigerungen des Plattensubsystems zu erzielen. Wichtig dabei sind automatische Tieringverfahren. Dabei entscheidet das Subsystem aufgrund der Zugriffshäufigkeit, welche Daten auf SSD s und welche auf Disks gespeichert werden. Ist die Zugriffshäufigkeit sehr hoch, ist es ein Kandidat für SSD s, ist sie gering ein Kandidat für langsame SATA Platten. Dieses mehrstufige Tiering erlaubt die optimale Ausnutzung der im Subsystem zur Verfügung stehenden Speichertechnologien. Erfahrungen zeigen, dass ein kleiner Anteil von 5% SSD s von der Gesamtkapazität eines Plattensubsytems eine 3-4 fache höhere IOPS Leistung und eine Durchsatzsteigerung von % bringen kann. Online Umgebungen werden die nächsten Jahre durch Hybridsysteme geprägt werden, in denen SSD s neben unterschiedlicher Disktechnologien zur Performance Optimierung eingesetzt werden. Dieser Hybridtrend wird solange anhalten, solange ein grösserer Preisabstand von SSD s zur Disk besteht. Kommt eine Preisgleichheit zustande oder werden SSD s sogar billiger als Disks, würde dies das Ende der Disktechnologie bedeuten. Dies könnte sich innerhalb der 5

6 nächsten fünf Jahre abzeichnen, wenn in den SSD s neue Technologien als Nachfolger des Flash verbaut werden. Nach Ausagen von IDC und Gartner werden bis 2015 etwa 60% der Kapazitäten von Disksystemen mit SSD s abgedeckt werden. Der Hybrid Trend hält auch Einzug innerhalb der SSD s. So können SLC-Zellen und MLC-Zellen im gleichen SSD verbaut werden. Daten, auf die sehr häufig zugegriffen wird, werden in den haltbareren SLC-Zellen abgespeichert, die anderen auf den kostengünstigeren MLC-Zellen. Auch Kombinationen von 3-Tier-Konzepten mit DRAM, Flash SLC und Flash MLC sind möglich. Die Flash-Memory-Technik dürfte ein künftiges Opfer der Miniaturisierung werden. Neue Produktionsprozesse machen in Chips zwar immer kleinere Leiterbahnen möglich, beim Flash- Speicher ist nach aktuellen Forschungen jedoch bei 45 Nanometer Schluss. Darunter verhindern Streuverluste, dass sich bei der Flashtechnik ohne Stromzufuhr noch Daten speichern lassen. Storage Class Memories (SCM s) Dem Begriff Storage Class Memories werden neue Speichertechnologien zugeordnet, die zum einen von den Produktionskosten auf dem Niveau der Magnetplatten liegen und zum anderen eine Leistungsfähigkeit nahezu den RAM Speichern (Random Access Memories) als Halbleiterspeicher zuzuordenen sind. Im Gegensatz zu RAM sind SCM s stromunabhängig. Zur Kategorie Storage Class Memories werden heute die Technologien PC-RAM (Phase Change), MRAM (Magnetic RAM), FeRAM (Ferroelectric RAM), Solid Electrolyte RAM, RRAM (Resitive RAM), STT-RAM (Spin Torque Transfer RAM) und Racetrack Memories zugeordnet. Drei Technologien sind besonders zukunftsträchtig, die PCM s (Phase Change Memories) in den kommenden Jahren, die STT-RAM s mittelfristig und Racetrack Memories im längerfristigen Bereich. SRAM Kosten NOR FLASH NAND FLASH DRAM HDD STORAGE CLASS MEMORY Leistung 6

7 Phase Change Memories (PCM s) Phase Change Memories sind Phasenwechselspeicher. Schon in den 1920er Jahren wurde beobachtet, dass sich die elektrische Leitfähigkeit durch eine Strukturänderung an einem Chalkogenid verändert. In den 1950er Jahren erforschte man die Halbleitereigenschaften kristalliner und amorpher Chalkogenide. In den 1960er Jahren fing man an, reversible phasenwechselnde Materialien auf ihre elektrischen und dann auch optischen Eigenschaften zu untersuchen wurden erstmals Phase Change Memories als mögliches Speichermedium in Betracht gezogen. Jedoch war zu diesem Zeitpunkt die Technologie noch nicht soweit, um mit anderen Speichermedien wie RAM mitzuhalten. Die Chalkogenide wurden jedoch speziell in der optischen Speicherung weiter erforscht und fanden mit der CD-/ DVD-RW ihren Markt. Dabei wird mit einem Laser ein Punkt auf einer CD erhitzt, sodass dieser seinen Zustand ändert (Amorph zu Kristallin und wieder zurück). Erst im Zuge dieser Entwicklungen wurden Materialien entdeckt, die bezüglich Schreibzeiten und -strömen in interessante Regionen kamen. Damit bekam auch die Phase-Change-Memory Entwicklung wieder Fahrt. Beim Phase Change Memory wird das Chalkogenid im Gegensatz zur optischen Anwendung mit einem Stromimpuls zur Phasenänderung angeregt. Durch das Wechseln des Zustands ändert sich der elektrische Widerstand. Dabei kann zwischen zwei oder auch mehr Zuständen unterschieden werden und damit noch mehr in einer Zelle gespeichert werden. Querschnitt PCM-Zelle Obere Elektrode Polykristallines Chalkogenid Heizer Programmierbarer Bereich Untere Elektrode 7

8 PCM schließt technologisch dort an, wo NAND-Flash an die Grenzen der Machbarkeit stößt. Zusammen mit hoher Leistung und Zuverlässigkeit könnte PCM daher zur Basistechnologie für Universalspeicher in mobilen Applikationen werden, denn Phasenwechelspeicher sind wie Flash nicht flüchtig. Das bedeutet, sie merken sich die Informationen auch dann, wenn kein Strom zugeführt wird. Der PCM-Prototyp von IBM z.b. weist sehr vorteilhafte technische Werte auf: Er ist 500 Mal schneller als Flash beschreibbar und benötigt dabei nur die Hälfte an Energie. Zudem sind deutlich mehr Lese- und Schreibzyklen möglich und die Bauelemente sind mit einem Querschnitt von drei mal 20 Nanometer erheblich kleiner, als die kleinsten heute herstellbaren Flash- Speicher. Betrachtet man die schnelle Entwicklung bzgl. Schreib- und Lesegeschwindigkeiten eignet sich PCM auch als Ersatz für heute übliches RAM. Noch viel mehr kann man sich den Einsatz von PCM in SSD s vorstellen. Der Begriff Solid State Disks hat sich so fest eingebürgert, dass wir voraussichtlich noch viele Jahre von SSD s reden werden. Was sich verändern wird, ist die Technologie im SSD. Werden heute NAND-Flash verwendet, könnte in zwei bis drei Jahren PCM den Ton angeben und das mit einer bis zu 100- fach höheren Leistungsfähigkeit und wesentlich höheren Kapazitäten. Mit dem Einsatz von Multi-Level-PCM-Chips in SSD s müssten die SSD Preise auf den Level der Hard Disk Preise kommen und sich daher auf breiter Basis bei Online Systemen durchsetzen. Damit werden die Hybridsysteme, bestehend aus SSD s und HDD s durch reinrassige SSD Systeme abgelöst. Entwicklungsspezialisten auf dem Gebiet der PCM Forschung sehen diesen Zeitpunkt für 2016 voraus! STT-RAM (Spin-Torque-Transfer RAM) STT-RAM s bestehen aus magnetischen Sandwiches. Jede Speicherzelle eines STT-RAM besteht aus drei Lagen, zwei magnetische Schichten sowie dazwischen eine nichtmagnetische Schicht. Am Peter Grünberg Institut des Forschungszentrums Jülich entwickelt man die Ideen des Namensgebers weiter (Peter Grünberg und Albert Fert Nobelpreis für Physik 2007 für die Entdeckung des GMR Effekts 1988). Bei den STT-RAMs wird der GMR-Effekt auf eine neue Basis gestellt. Beim Schreiben eines Bits in ein magnetisches Sandwich ändert ein elektrischer Impuls die Spin-Ausrichtung in einer der beiden ferromagnetischen Schichten. Sie sind entweder parallel (logisch 0) ausgerichtet, oder antiparallel (logisch 1). Beim Lesen zeigt der veränderte Riesenmagnetowiderstand den logischen Zustand (0 oder 1) der Speicherzelle an. 8

9 STT-RAM (Spin Torque RAM) Schreiben der Speicherzelle Lesen der Speicherzelle Die mikroskopisch kleinen magnetischen Sandwiches sitzen an den Kreuzungspunkten von Leiterbahnen. So ergibt sich ein Speicherfeld, ähnlich wie bei Flash-Speichern, aber mit gänzlich anderen physikalischen Grundlagen. Zum Auslesen des Speicherzustandes genügt ein kleiner Strom, der den logischen Zustand nicht ändert und die Batterie nur geringfügig belastet. Die einzelnen Sandwiches der neuen STT-RAMs sind nur 50 x 50 Nanometer groß und könnten noch weiter schrumpfen. Sie besitzen eine Reihe von Eigenschaften, die sich die Entwickler von Computersystemen schon lange gewünscht haben: Ein kleiner, dauerhafter Speicher, der unempfindlich gegen mechanische Störungen und verhältnismäßig robust gegen elektrische und magnetische Felder ist. Hinzu kommt, dass die Fertigung dieser Chips relativ unkompliziert ist. Sie können zudem auf denselben Fertigungsstraßen wie Mikroprozessoren hergestellt werden. Es sind lediglich einige weitere Prozessschritte nötig, um die ferromagnetischen Schichten aufzubringen. Damit ließen sich erstmals Prozessoren mit extrem schnellen und nicht-flüchtigen Speichern bauen, die sich unmittelbar neben den logischen Gattern der CPU befindet. Ebenso könnten STT-RAM s die Flashtechniken in SSD s ablösen und der anstehenden PCM-Technologie in SSD s zur Konkurrenz werden. Noch sind diese Speicher für den Endanwender zu teuer und es ist notwendig, die Strukturen weiter zu verkleinern, um die Leistungsfähigkeit und die kapazitiven Möglichkeiten zu steigern. In der Raumfahrt werden sie bereits eingesetzt, wo besonders robuster Storage benötigt wird. Japanische und amerikanische Firmen bereiten sich aber bereits auf Möglichkeiten einer Massenfertigung für breite Anwenderschichten vor. Racetrack Memories Dem IBM Forscher Stuart Parkin war es zu verdanken, dass der GMR Effekt zu einem Produkt in Form eines GMR Lesekopfes umgesetzt wurde und er benötigte acht Jahre dazu. Ihm und 9

10 seinem Team ist es zu verdanken, dass die hohen Festplattenkapazitäten heute möglich wurden und damit auch die Basis für STT-RAM und anderen GMR-spezifischen Entwicklungen. Die letzten Jahre verbrachte Stuart Parkin damit, sich mit der Forschung von magnetischen Domänen zu beschäftigen. Daraus wurde der erste Prototyp eines Racetrack Memories entwickelt. Das revolutionäre Konzept beruht auf der Speicherung von Informationen in Form von winzigen, gegensätzlich magnetisierten Regionen (Domänen) in einem Nanodraht. Bei der herkömmlichen als Speichermedium verwendeten Festplatte werden das Medium und ein Schreib-/Lesekopf bewegt, um Daten zu lesen, zu schreiben oder zu löschen. Anders beim Racetrack-Verfahren : Hier werden die magnetischen Domänen zu den zentralen Lese- und Schreibeinheiten, die in der Mitte des Nanodrahtes angebracht sind, hin verschoben und dies mit extrem hoher Geschwindigkeit. Die gespeicherten Datenbits scheinen durch den Datenleiter zu rasen, daher der Name Racetrack. Racetrack Memories Da ein einzelner Racetrack nur wenige Nanometer gross ist und zwischen 10 und 100 Bits speichern kann, erlaubt die Technologie extrem hohe Speicherdichten. Im Vergleich zu Flash- Speichern könnte ein Racetrack-Speicher eine 100-mal grössere Datenmenge auf derselben Fläche aufzeichnen. Das entspräche rund Musiktiteln oder Filmen. Durch den minimalen Stromverbrauch eines Racetrack-Speichers könnte ein MP3 Gerät zudem wochenlang mit einer einzigen Batterie oder Akkuladung betrieben werden. Darüber hinaus benötigt das Verfahren keine beweglichen Teile, wodurch nahezu keine Abnutzungs- oder Verschleisserscheinungen auftreten. Das macht den Racetrack- Speicher widerstandsfähiger als alle existierenden Speichertechnologien und verleiht ihm eine quasi unbegrenzte Lebensdauer. Aufgrund der extrem hohen kapazitiven Möglichkeiten und der Leistungsfähigkeit, könnten Racetrack Memories langfristig PCM s und auch STT-RAM s in SSD s ersetzen. Heute haben wir Nand-Flash, morgen PCM s, übermorgen STT-RAM s in SSD s und langfristig die Racetrack Technologie. 10

11 SSD Technologie Entwicklungen DRAM Flash SLC Flash emlc Flash MLC PCM Multilevel PCM DRAM Multilevel PCM STT-RAM Neue Nano- Technologien Racetrack STT-RAM Multilevel PCM Holografic Versatile Disc (HVD) zukünftiger optischer Speicher Die Holografic Versatile Disc, auch HVD genannt, wird bereits heute in Fachkreisen als Nachfolger der Blu-Ray Technologie gehandelt. HVD s haben eine Kapazität von bis zu 3.9 Terabyte und damit um ein Vielfaches mehr als die grösste heute zur Verfügung stehende Blu- Ray Platte mit 200 GB. Auch die Tramsferrate ist um ein Vielfaches höher und erreicht 1 Gbit/s im Vergleich zu 36 bzw. 72 Mbit/s bei der Blu-Ray Platte. Zudem ist die HVD dabei noch lange nicht ausgereizt und es sind neue Laufwerke mit noch höherer Rotationsgeschwindigkeit denkbar. Die Spezifikation für die HVD wurde im Dezember 2004 durch das TC44 Committee der Ecma International beschlossen. Bereits im Februar 2005 wurde die HVD Alliance gegründet, um die Entwicklung der HVD voranzutreiben. Inzwischen gehören der Alliance über 30 Firmen an. Als Speichermaterial dient ein Photopolymer. Polymere, also Kunststoffe, sind lange Kettenmoleküle, die aus den immer gleichen Bausteinen bestehen. Sie haben gegenüber Kristallen den Vorteil, nahezu unbegrenzt modifizierbar zu sein. Polymere sind extrem lichtempfindlich, hochtransparent und unempfindlich gegen Temperaturschwankungen. Sie verändern auch nach häufigem Auslesen ihre Leistungsfähigkeit nicht und sind ideal für die Laserbearbeitung. Nach der Bestrahlung mit Laserlicht verändern die lichtempfindlichen Moleküle im Polymer ihre Ausrichtung. An den belichteten Stellen lenkt das Material Licht stärker ab als an den unbelichteten Stellen. In dieser als Interferenzfeld gezielten Veränderung der molekularen Ordnung steckt die holografische Information. Da die Daten nicht als einzelne Bits sondern als ganze Bitmuster aufgezeichnet und gelesen werden, lassen sich mit einem einzigen Laser- Blitz extrem viele Bits gleichzeitig abrufen. Je nach Polymerart und Polymerdicke können das mehrere hunderttausend Bits sein. Die Übertragungsraten könnten gigantisch werden. Ein Spielfilm, der heute auf eine DVD passt, könnte in etwa 30 Sekunden ausgelesen werden. Die grosse Speicherkapazität kommt daher, dass die Hologramme nicht nur auf die Oberfläche eines Speichermaterials geschrieben werden, sondern in das gesamte Volumen. Neben dem kommerziellen Markt könnten HVD s in ein paar Jahren für die Archivierung im IT- Umfeld interessant werden und in Juke-Boxen als zusätzliche Archivierungslösung auf den Markt kommen. 11

12 Tape Technologien Tape hat als Medium im Vergleich zu allen anderen Speichermedien die längste Geschichte, die zurück geht bis 1952, das Jahr, an dem die erste externe Bandeinheit von IBM auf den Markt gebracht wurde. Am 21. Mai 2012 feiert Tape seinen 60-sten Geburtstag! Heute bietet Tape als Medium im Vergleich zu allen vorhandenen Technologien wie Platte, optische Speicher, RAM, Flashspeicher oder PCM s das höchste Entwicklungspotential bezüglich Kapazität und Leistung. Grund für die neuen Entwicklungsmöglichkeiten ist die konsequente und sinnvolle Adaption von Teilen der Disktechnologie in die Tapetechnologie! Bereits mit der ersten Kassettentechnologie im Grossystemumfeld, der IBM 3480, wurde MP (Metall Partikel ) Beschichtung 1984 eingeführt. Mit der IBM 3590 wurde 1999 Parity Aufzeichnung eingeführt, wo immer nach sieben Datenblöcken der dazu gehörige Parity Block mitaufgezeichnet wird, was eine wesentlich höhere Fehlerkorrektur ermöglicht. Mit der Einführung von LTO im Jahr 2000 kam etwas ganz entscheidend Neues: die zeitgesteuerte Spurnachführung über Servobänder, die es erlaubt, die Schreib-/Leseköpfe exakt selbst bei sehr dünnen Spuren über dem Spurset zu führen. Dies führte zu einer Kapazitäts- und Leistungssteigerung von Faktor 20 in nur 10 Jahren (von 2000 bis 2010). Mit Einführung der IBM 3592 (Jaguar) Technologie im Jahr 2003 für den Enterprise-Bereich wurden direkt Techniken aus der Plattentechnologie in die Bandlaufwerke übernommen. Eine neue Kopftechnik kam zur Anwendung, die es erlaubt, in Verbindung mit der ersten Dünnfilmbeschichtung auf dem Medium, mit wesentlich höherer Induktion auf den Köpfen aufzuzeichnen und so wesentlich stabilere Bits auf dem Medium zu reflektieren. PRML (Partial Response Maximum Likehood) wurde bei den Platten erstmals 1991 eingeführt und hält mit der IBM 3592 im Jahr 2003 Einzug in die Tape- Technologie. Neue Funktionen wie Virtual Backhitch kommen zum Tragen, die das Band im Laufwerk am streamen halten, auch wenn nur kleine Datenmengen zum Laufwerk transferiert werden. Das Jahr 2008 allerdings schreibt grosse Geschichte in der Tape Historie. Mit dem IBM TS1130 Laufwerk gelingt der erste Einsatz von GMR Leseköpfen (Giant-Magneto-Resistance. GMR Leseköpfe kamen erstmals bei den Platten 1997 zum Einsatz und ohne diese Technologie wären unsere heutigen Festplattenkapazitäten nie möglich geworden. Jetzt ist diese Basis auch bei Tape eingeführt, eine Basis, die völlig neue kapazitive Möglichkeiten schafft. Die Einführung von Dünnfilmbeschichtung und hochinduktiven Schreibköpfen lassen es zu, extrem dünne Spuren aufzuzeichen. Dies geschieht so, dass eine relativ dicke Spur hochinduktiv vom Bandanfang bis zum Bandende erzeugt wird. Beim Zurückschreiben vom Bandende zum Bandanfang wird ein Teil der geschriebenen Spur wieder überschrieben. Mit dieser Überschreibtechnik, die auch als Shingling bezeichnet wird, ist es möglich hauchdünne Spuren zu erzeugen. Das Problem ist jetzt das Auslesen. Wie können die kleinen magnetischen Streufelder auf einer so dünnen Spur wieder ausgelesen werden? Die Lösung hierfür sind die jetzt eingeführten GMR Leseköpfe. GMR Leseköpfe können selbst bei extrem hohen Geschwindigkeiten problemlos kleinste Streufelder abgreifen und auslesen. Damit ist eine neue Basis für die Tape Weiterentwicklung geschaffen. Mit dem von IBM in 2011 angekündigtem TS1140 Laufwerk und einer neuen Kassette mit Eisen/Barium Beschichtung wird nicht nur das schnellste Bandlaufwerk mit einer Datenrate von 250 MB/s native (700 MB/s komprimiert) vorgestellt, sondern auch die bisher höchste Aufzeichnungsdichte von 4.6 GB pro 1 m Bandlänge. Die Kassettenkapazität der neuen Eisen/Barium Kassette beträgt 4 Terabyte. Trotz der hohen Kapazität beträgt die durchschnittliche Zugriffszeit gerade einmal 38 Sekunden. Diese technischen Spezifikationen sind nur durch GMR Technologie erreichbar. 12

13 Demo 2010: 35 Terabyte auf einer Bandkassette Bereits im Mai 2006 stellte IBM den ersten Laufwerksprototyp mit GMR Technik vor, der Spuren mit 1.5 µm Breite und einer Kapazität von 8 TB aufzeichnete. Im Januar 2010 wurde von IBM und Fuji der Prototyp einer Bandkassette vorgestellt, die 35 Terabyte abspeichern kann. Beschrieben wurde das Band mit der in der Plattentechnologie verwendeten Perpendicular Recording Technik (senkrechte Bitanordnung). Die Beschichtung des Bandes besteht aus einer ultrafeinen Barium-Ferrit-Legierung, die unter Vakuum aufgesprüht wird, ohne aufwändige Metallaufdampfverfahren zu benötigen. Unter Verwendung der GMR- Technologie konnte die Spurabweichung auf unter 25 nm und die Spurbreite auf unter 0.45 µm reduziert werden, also Faktor 25 im Vergleich zu den heutigen Tape Technologien. Im gleichen Zuge wurde bei diesem Versuch die Schreib-/Lese-Geschwindigkeit um Faktor 38 gesteigert. Anhand dieser Faktoren wird ersichtlich, was für ein unglaubliches Entwicklungspotential in der Tape Technologie steckt. Den Schlüssel zu diesen Möglichkeiten liefert die GMR-Technologie. Während im Backup Umfeld immer häufiger Plattensysteme in Form von virtuellen Tape Libraries eingesetzt werden, verändert sich die Rolle von Tape vom Backup in Richtung Archivierung. Tape ist für die Langzeitarchivierung im Vergleich zu allen anderen Technologien am besten geeignet, was Haltbarkeit und Lagerfähigkeit betrifft und Tape benötigt keinen Strom, wenn die Kassette einmal beschrieben ist. Tape is cool! Würde man die Daten aller produktiven Kassettenbestände auf Disksystemen speichern, müssten erst ca. 42 Kernkraftwerke mit MegaWatt gebaut werden, um den Strom für die Disksysteme liefern zu können! Der Archivierungsbereich ist genau das Umfeld, wo in den nächsten Jahren extrem steigende Kapazitäten erforderlich werden. Genau dort wird Tape als hochkapazitiver und stromloser Datenträger dieser Anforderung gerecht werden können! Die Tape Renaissance ist in vollem Gange! Tape wird aber auch noch andere Anwendungsfelder erobern. Mit der Ankündigung von LTO5 und TS1140 führte IBM ein LTFS (Linear Tape File System) ein, das Tape als Filesytem darstellt. Dieses Filesystem ist inzwischen fester Bestandteil des LTO ISO Standards geworden. Wird das Tape geladen, verhält es sich wie ein USB-Stick oder eine externe Festplatte mit eigener Directory, ohne dass Backup Applikationen erforderlich sind, um das Tape zu bearbeiten. Damit können ganz neue Wege in der Archivierungsstrategie gegangen werden. Ebenso könnte Tape damit in der Zukunft für Plattenemulationen und für Anwendungen 13

14 eingesetzt werden, die mit Metadaten die tatsächlichen Daten referenzieren. Solche Anwendungen finden sich bereits in der Filmindustrie. Neuordnung der Speicherhierachie Logik Memory Aktiver Speicher Archivierung 1980 CPU RAM DISK TAPE 2012 CPU RAM FLASH SSD DISK FC, SATA, SAS TAPE CPU RAM SCM SSD DISK SAS TAPE Memory like storage like Fazit: Die Speicherhierarchie wird im Laufe der nächsten Jahre eine grundlegende Neuordnung erfahren und sich neuen Technologien und technischen Weiterentwicklungen anpassen. Magnetplatten, die heute vorrangig im Online Bereich eingesetzt werden, können durch SSD s, die heute mit Flash ausgestattet sind und morgen mit SCM s (Storage Class Memories) bestückt werden, verdrängt werden. Bis zur Verdrängung der Magnetplatten werden Hybridsysteme, die sowohl SSD s als auch Magnetplatten besitzen, zum Einsatz kommen. Automatische Tieringverfahren versetzen die Subsysteme in die Lage, die Daten Anforderungsgerecht in der jeweiligen Tierstufe zu speichern und bei Anforderungsänderungen entsprechend im Hintergrund auf die richtige Tierstufe zu verlagern. Die Rolle der Magnetplatten verschiebt sich vom Online Bereich in das Backup Umfeld. Dieser Trend ist bereits heute durch den verstärkten Einsatz von VTL s (Virtual Tape Libraries) ersichtlich. Sollten SSD s für dieses Einsatzfeld billiger werden, bedeutet dies das Ende der Disk Technologie! Tape hat das Zeug, als Datenträger in ganz neue kapazitive Regionen vorzudringen. Riesige Kapazitäten werden auf einer kleinen Kassette möglich. Tape bietet schon heute eine Haltbarkeit der Daten von 30 Jahren und mehr und ist ein stromloser Datenträger. Deshalb verschiebt sich die Rolle von Tape in Richtung Archivierung und Langzeitdatenhaltung. Tape bleibt ein fundamental wichtiges Element in der Speicherhierarchie. Die Entwicklung von Speichertechnologien wird in den nächsten Jahren ein unglaublich spannendes Thema sein und vielleicht können wir uns heute nicht vorstellen, was in 10 Jahren technologisch möglich sein wird. Hätte man vor 10 Jahren jemand erzählt, was heute verfügbar ist, wäre man zum Fantasten gestempelt worden. Nanotechnologien werden immer mehr in den nächsten Jahren in der Speichertechnologie ihren Einzug halten und Speicherchips ermöglichen, die die Grenzen heutiger Chiptechnologien sprengen davon ist der Autor überzeugt 14

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