Die klassische HDD & Das Mysterium SSD. Ernst Fankhauser

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1 Die klassische HDD & Das Mysterium SSD Ernst Fankhauser

2 Die klassische Festplatte: Magnetisierbare Scheibe

3 Die klassische Festplatte: Drehung Magnetisierbare Scheibe

4 Die klassische Festplatte: Drehung Magnetisierbare Scheibe Schreib/Lesekopf

5 Die klassische Festplatte: Schreib/Lesekopf Drehung Magnetisierbare Scheibe - Spuren (Cylinders)

6 Die klassische Festplatte: Schreib/Lesekopf Drehung Magnetisierbare Scheibe - Spuren (Cylinders) - Sektoren (Sectors)

7 Die klassische Festplatte: Schreib/Lesekopf Drehung Magnetisierbare Scheibe - Spuren (Cylinders) - Sektoren (Sectors) - Köpfe (Heads)

8 Die klassische Festplatte: Schreib/Lesekopf Drehung Magnetisierbare Scheibe - Spuren (Cylinders) - Sektoren (Sectors) - Köpfe (Heads)

9 Die klassische Festplatte: Schreib/Lesekopf Drehung Magnetisierbare Scheibe - Spuren (Cylinders) - Sektoren (Sectors) - Köpfe (Heads) LBA Adressierung: Blocknummer -> C/S/H

10 Die klassische Festplatte: Schreib/Lesekopf Drehung Magnetisierbare Scheibe - Spuren (Cylinders) - Sektoren (Sectors) - Köpfe (Heads) LBA Adressierung: Blocknummer -> C/S/H 32Bit = 2 = Giga Adressen... 4x 10 x 512kB = 2TB Daten 32 9

11 Die klassische Festplatte: Schreib/Lesekopf Drehung Magnetisierbare Scheibe - Spuren (Cylinders) - Sektoren (Sectors) - Köpfe (Heads) LBA Adressierung: Blocknummer -> C/S/H 64Bit = 2 = Exa (10 ) Adressen Zettabyte Daten Aktuelles weltweites Datenvolumen: ~8 Zettabyte (Quelle de.statista.com) 64 18

12 Quelle: Toshiba

13 Hard Disk Drives: Konstruktionsparameter Formfaktor: " 3.5" Kapazität (Status 2014) Sektorgröße: 512 vs 4k Cache (MB) mm 100 mm, Höhe: 7mm~15mm mm 146 mm, Höhe: 25.4 mm - 320GB~1.8TB für 2.5" - 500GB~6TB für 3.5" Anzahl der Scheiben / Köpfe - 1~6 Scheiben, 2~12 Köpfe - 4kB in PC, Notebook, 512B (bisher) in Enterprise, Änderung auf 4kB - 4kB (nativ) mit 512e (Emulation) - 8/16/32MB (PC, Notebook), 64/128MB (Enterprise) Quelle: Toshiba

14 Hard Disk Drives: Zuverlässigkeit / Datenintegrität Anwendung - Client (Mobile, SetTopBox, Desktop) - Enterprise Enterprise Performance (2.5"), Enterprise Capacity (3.5") ( Nearline") - (Industrie, Automotive, Video Aufzeichnung/Überwachung) Zuverlässigkeit - Umgebungstemperatur beschränkt auf 5~55 C (0~60 C für Video/Industrie)l - Vorgesehene Belastung (TB/Jahr) ~550TB/Jahr für Enterprise, ~55TB/Jahr für Desktop und Notebook Einführung einer Cloud Enterprise Capacity" Klasse mit 180TB/Jahr - Mean Time To/Between Failure MTTF"/"MTBF" (MTBF für reparierbare" Geräte) Enterprise Performance.: 2 Mio. h, Enterprise Capacity: 1.4 Mio h, Desktop 0.6 Mio h - Nicht korrigierbare Lesefehlerrate: 14 Desktop: 1 pro 10 (~1x pro 10 Terabyte) 17 Enterprise: 1 pro 10 (~1x pro 10 Petabyte) - Laufzeit: Desktop/Notebook: 8h/Tag, Enterprise/Cloud: 24h/Tag (POH = Power-on-hours) Quelle: Toshiba

15 Lebensdauer und MTBF/MTTF MTTF und Lebensdauer. - "Lebensdauer" = Die Betriebszeit wofür eine Komponente konzipiert ist Bis zu 10 Jahren (SSD), 5 bis 7 Jahre (Enterprise HDD). 2 Mio. Stunden MTTF - welche Bedeutung hat dieser Wert? - MTTF ist ein statistischer Wert: Läßt man z.b Geräte in einem System laufen erwartet man jede Stunde einen Ausfall Geräte in einem System: Erwarteter Ausfall alle 1000 Stunden (42 days). 1 Gerät: Ausfall alle 2 Mio Stunden (= 83 Jahre), dieser Wert bezieht sich jedoch auf die Fehlerquote innerhalb der geplanten Lebensdauer. Ein praktisches Beispiel: - Ein durchschnittlicher Europäer mit 45 Jahren hat eine theoretische/statistische Fehler(Todes)rate von ~1.8 Toten pro 1000 Personen im Jahr. (Statistischer Wert von Lebensversicherungen), das ergibt einen MTTF Wert von 550 Jahren / 4.8 Mio Betriebsstunden. Es ist offensichtlich, dass diese statistische Person nicht 550 Jahre alt werden wird. MTBF - Meantime between Failures MTTF - Meantime to Failures Quelle: Toshiba

16 Hard Disk Drives: Performance Drehzahl / Umdrehungen pro Minute (RPM) rpm, 10500rpm: 2.5" Enterprise Performance rpm: 3.5" Enterprise Capacity ( Nearline") & Desktop rpm und darunter: 2.5" Notebook (Low Power) Interface Transfer Rate - SATA: 1.5/3/6 GBit, SAS: 3/6/12 Gbit Sequentielle Datenrate intern (MB/s, 64kB Blöcke, vom Medium) - ~300MB/s (15krpm), ~200MB/s (10krpm), ~150MB/s (7.2krpm) - Von den äußeren Spuren mehr als von den inneren, gilt für Lesen und Schreiben Zugriffszeit (Spur-zu-Spur / Mittelwert / Maximal) - ~0.2/3/8ms für 2.5" Enterprise Performance - 0.8/8/15ms für 3.5" Nearline Zufällige Datenrate (IOPS bei 4kB Blöcken) HDD IOPS = f(zugriffszeit) - ~200 IOPS (15krm), ~150 IOPS (10krpm), ~100 IOPS (7.2krpm) Quelle: Toshiba

17 Quelle: Toshiba

18 HDD Schreibtechnologie Horizontale Magnetische Schreibtechnologie (Longitudinal Magnetic Recording LMR) - Bis zu 30 Gbit/cm2 Vertikale Magnetische Schreibtechnologie ( Perpendicular Magnetic Recording PMR) - Bis zu 155 Gbit/cm2 - PMR ist heute der Standard Hinweis: GBit/cm2 entspricht ~670 GB für 2.5" Scheibe Quelle: Toshiba

19 Überlappende Schreibtechnologie (Shingled Magnetic Recording) Quelle: Toshiba

20 Zweistufufige Positionierung (Dual Stage Actuator) Quelle: Toshiba

21 Thermisch Unterstützte Schreibtechnologie Assisted Magnetic Recording Technology Quelle: Toshiba

22 Bitmuster Medium (Bit Patterned Media) Schreibkopf Schreibkopf Randstreuung ~10nm Quelle: Toshiba

23 Wesentliche Trends in der Schreibtechologie Horizontale Magnetische Schreibtechnologie (LMR) - Bis zu 30 GBit/cm2 Vertikale Magnetische Schreibtechnologie (PMR) - Bis zu 155 GBit/cm2 - Aktuelle State of the Art Technololie Überlappende Schreibtechnologie (SMR) - Über 155 GBit/cm 2 (1.5TB/Scheibe, HDD mit 6Scheiben = 8TB) Thermisch Unterstützte Magnetische Schreibtechnologie ( xamr) 2 - Über 220 GBit/cm (2TB/Scheibe, HDD mit 6 Scheiben = 12TB) Bitmuster Medien (BPM) - Über 385 GBit/cm 2 (4TB/Scheibe, HDD mit 6Scheiben = 24TB...) Quelle: Toshiba

24 Die SSD:

25 Die SSD: Nettokapazität

26 Die SSD: Nettokapazität Überkapazität

27 Die SSD: Nettokapazität Überkapazität Reserve

28 Die SSD: Unterteilung in Blocks Nettokapazität Überkapazität Reserve

29 Die SSD: Unterteilung der Blocks in Pages Nettokapazität Überkapazität Reserve

30 Die SSD: Unterteilung der Blocks in Pages Page = 4kB/8kB Nettokapazität Überkapazität Reserve

31 Die SSD: Unterteilung der Blocks in Pages Page = 4kB/8kB Block = 64/128 Pages Nettokapazität Überkapazität Reserve

32 Die SSD: Unterteilung der Blocks in Pages Page = 4kB/8kB Block = 64/128 Pages Block = 256kB-1MB Nettokapazität Überkapazität Reserve

33 Die SSD: Kleinster beschreibbarer Bereich: Page Schreiben: Page Nettokapazität Überkapazität Reserve

34 Die SSD: Kleinster beschreibbarer Bereich: Page Schreiben: Page Nettokapazität Überkapazität Reserve

35 Die SSD: Kleinster beschreibbarer Bereich: Page Schreiben: Page Nettokapazität Überkapazität Reserve

36 Die SSD: Kleinster beschreibbarer Bereich: Page Schreiben: Page Nettokapazität Überkapazität Reserve

37 Die SSD: Kleinster löschbarer Bereich: Block Löschen: Block Nettokapazität Überkapazität Reserve

38 Die SSD: Kleinster löschbarer Bereich: Block Löschen: Block Nettokapazität Überkapazität Reserve Daten kopieren

39 Die SSD: Kleinster löschbarer Bereich: Block Löschen: Block Nettokapazität Überkapazität Reserve Block löschen

40 Die Enterprise SSD - Hochwertige NAND Chips (EMLC) - Schneller, intelligenter Controller - Ausreichend Platz zur Reorganisation - Mehr Speicherplatz als Ersatz - SAS-3 Interface Qualität: Von 1 bis 35 DWPD versus 0.3DWPD 1-2 DWPD... Datacenter (EMLC) 5-10 DWPD... Standard Enterprise (EMLC) DWPD... High-End Enterprise (EMLC/SLC)

41 SSD Schreib-Performance Bereiche Time (s) SNIA whitepaper: Solid State Storage (SSS) Performance Test Specification (PTS) Enterprise (Storage Networking Industry Association)

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