Speichertechnologien, gestern, heute und morgen

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1 Kurt Gerecke November 2010 Speichertechnologien, gestern, heute und morgen

2 Reynold B. Johnson Zielsetzung Anfang der 50-er Jahre: Die Möglichkeit, jeden Geschäftsvorfall dann zu bearbeiten, wenn er anfällt mit einer Leistung von etwa Fällen pro Tag! (Rechenanlage ohne Stapelverarbeitung) Bild von 1971 take the best people go to San Jose make something cool find a new way to store data 2

3 Bewegungsschiene für Vertikalwagen Laufrolle für Stahlseil Vertikalwagen Stahlseil Zugriffsarm Solenoide Tachogenerator Magnetpulverkupplungen Antriebspulli Seilantriebsrolle Zugriffsstation Antriebsmotor 3 RAMAC 350 Zugriffsmechanismus

4 RAMAC 350 Zugriffsmechanismus Bewegungsschiene für Vertikalwagen Vertikalwagen Laufrolle für Stahlseil Stahlseil Zugriffsarm Magnetpulverkupplungen Solenoide Tachogenerator Seilantriebsrolle Antriebspulli 4

5 Konus Lochschiene Kontaktleiste Präzisionszahnstange Klinke (nicht sichtbar) Zahnradantrieb mit Potentiometer RAMAC 350 Vertikalpositionierung RAMAC 350 Horizontalpositionierung 5

6 Der RAMAC Schwebekopf 6

7 Speicherkapazität jetzt 56 MB / Einheit 7

8 : g r ö ß e r & s c h n e l l e r IBM 1301 Plattensubsystem 8

9 die "Winchester-Zeit", Epoche der Wechselplatten 1970 IBM 3330 (800 MB) Bandpatronen mit 19.5 m Länge und 50 MB Kapazität 1974 IBM 3850 MSS (bis 4720 Patronen und 236 GB) 9

10 Epoche der fest eingebauten Platten mit Kontrolleinheiten IBM 3380 Laufwerk 14 Zoll Platten IBM 3390 Laufwerk 10.5 Zoll Platten 10

11 Epoche der fest eingebauten Platten mit Kontrolleinheiten 1992 IBM 3495 (45 TB) 1993 IBM 3494 (5 PB) 11

12 Magnetplatten... das war eine der grössten Erfindungen der Welt!! Die neue Plattenrotunde Live zu sehen im IBM Museum: Haus der Geschichte der IBM Datenverarbeitung Sindelfingen Bahnhofstrasse : RAMAC 350/355 wird zum International Historic Mechanical Engineering Landmark Technologie Welt Kultur Erbe 12

13 Adaption von unterschiedlichen Aufzeichnungstechniken auf die unterschiedlichen Laufwerksarten - ATA, SATA, FATA, SAS (2.0), FC-Platten - 2 ½ Zoll vs. 3 ½ Zoll Formfaktor AFC Perpendicular Klassisch Longitudinal Disk hochpreisig hohe Leistung hohe Zuverlässigkeit langlebig mittelpreisig mittlere Leistung hohe Zuverlässigkeit langlebig billig langsam mittlere Zuverlässigkeit kurzlebig 13

14 Datenwachstum vs. Technologiefortschritt Disk Areal Density (Gb/sq. inch) 1956 IBM RAMAC Die Erfindung der Festplatte 60%-100% CAGR Nobelpreis 2007 für Entdeckung des Giant MR Effekts Die Umsetzung in einen brauchbaren Schreib-Lesekopf erfolgte durch den IBM- Mitarbeiter Stuart Parkin von mit über Materialversuchen 25%- 30% CAGR 60%-100% CAGR 25%-35% Möglichkeiten zur Kapazitäts- und...leistungssteigerungen auf.basis...heutiger Technologien sind.begrenzt Research Projekte HAMR Nutzung von atomaren...spineffekten und Grainwirbeln * CAGR = Compound annual growth rate 14

15 Flash Speicher Oxydschicht Control Gate Floating Gate Source Drain NAND oder NOR SSDs mit RAM ist schon seit vielen Jahren verfügbar 100x höhere Kosten als Disk SSDs mit Flash heute verfügbar 10x 20x höhere Kosten als Disk Flash Memory heute SLC (single level cell) bis Schreibvorgänge MLC (multi level cell) bis Schreibvorgänge N-Schicht P-Schicht N-Schicht Aufbau einer Flash Speicherzelle mit Floating Gate Flash-Speicher einer Compact-Flash-Speicherkarte 15

16 SCM (Storage Class Memories) vs existierender Technologien Cost NOR FLASH DRAM SRAM NAND FLASH HDD STORAGE CLASS MEMORY Performance 16

17 PCM Phase Change Memories - Phasenwechselspeicher 1950 Erforschung von Chalkogeniden Optische Anwendungen via Laser CD-/ DVD-RW Heute elektrisch mittels Stromstössen amorpher Zustand vs. kristalliner Zustand 30 Mal schneller wie Flash miniaturisierbar (20 nm) Querschnitt durch eine PCM-Zelle Obere Elektrode Polykristallines Chalkogenid Heizer Untere Elektrode Programmierbarer Bereich 17

18 Umsetzung des GMR Effekts Ohne ihn wären die heutigen...festplattenkapazitäten nicht...möglich! Jetzt schreibt er Geschichte! Racetrack Memories werden...die...welt verändern! Stuart Parkin, IBM Fellow IBM Research Almaden 18

19 Racetrack Memory Chips Es bewegt sich nichts mehr Magnetic Pattern auf Nano-Drähten Permalloy (FeNi-Legierung) Leistung im Nano-Sekunden Bereich Fast keinen Stromverbrauch Dreidimensionale Chip Technologie 100 Bits per Draht, mehrere...millionen.drähte per Chip fach höhere Kapazitäten zu...flash Memories Vereinigt Leistungsfähigkeit von...flashspeichern und NV-RAM s mit...den kapazitiven Möglichkeiten von...festplatten 19

20 Er hat die Freude verdient... Stuart Parkin Juli 2009: IUPAP-Award (International Union of Pure and Applied Physics-magnetism) Louis Neel Medaille 20

21 Millipede was ist daraus geworden? Thermomechanical Read/Write on Thin Polymer Media 40 nm bit size 64 x 64 (4096) Cantilever ArrayChip x 40 nm pitch Areal Density 1 Tbits/inch 2 (Single Lever Demo) y z1 z2 z3 Micromechanical x y z Scanner Silicon tips/ Polymer base layer 64x64 tips ready x128 tips ready GBytes on 7x7mm chip 160 GBytes on 7x7mm chip 35 Mbit/s 120 Mbit/s 21

22 Storage Technology 2010 Kleinste 3D Map der Welt Rüschlikon Lab im April 2010 Welt-Globus Image in 3D in 22x11 Mikrometer erzeugt in 2 Minuten, 23 Sekunden auf Polymer und Molekular Glas 1000 dieser 3D Images auf einem Salzkorn 22

23 Storage Technology 2010 Optische Speicher 5.25" UDO Roadmap 60GB (2nd Gen.) +NFR? 2 X Standard (Blue Wave) 30GB (1st Gen.) Neuer 1 X Standard (Blue Wave) 5.2GB (4th Gen.) 9.1GB (5th Gen.) Case #2 Case #1 13GB (6th Gen.) 20GB (7th Gen.) 8 X Standard (Red Wave) 23

24 Storage Technology 2010 Ultra Density Optical Disc Roadmap Generation 1 Generation 2 Generation 3 Capacity 30 GB 60 GB 120 GB Transfer Rate 8 MB/sec 12 MB/sec 18 MB/sec RPM Avg Seek Time 25 msec 25 msec 25 msec Numerical Aperture Media Layers Encoding 1,7 1,7 ML Sector Size 8 KB 8 KB 8 KB SCSI Transfer Rate 80 MB/sec 80 MB/sec 80 MB/sec Load Time 5 seconds 5 seconds 5 seconds Unload Time 3 seconds 3 seconds 3 seconds MSBF 750, , ,000 24

25 Holographic Versatile Disc (HVD) Blau-grüner Laser (532 nm) Roter Positionierungs- Laser (650 nm) Standardisierung TC44 Ecma Dez bis 3.9 Terabyte Transferrate 1 Gbit/s HVD Alliance mit 19 Firmen Polycarbonschicht Hologramm Photopolymer Distanzschicht Reflexionsschicht Distanzschicht Basisschicht Prinzip der HVD (Holografic Versatile Disc) 25

26 Disk PCM RAM Flash MO UDO SSD Tape SCM RTM NSD WORM OD CCW BlueRay DVD CD HVD 26

27 Über 56 Jahre IBM Tape Innovation Zeitgesteuerte Spurnachführung Kassetten-Memory-Chips 1 st tape system 1 st read/back drive 1 st to deliver LTO 1 st with LTO Fibre 1 st with LTO IBM IBM IBM LTO Gen LTO Gen LTO Gen LTO Gen IBM IBM IBM 3590E Gen Gen Gen3 1 st read/write drive 1 st cartridge drive 1 st with FICON and Fibre 1 st tape encryption 1 st 1TB capacity MP Beschichtung Parity Aufzeichnung Flat Lap Köpfe PRML Dünnfilm Virtual Backhitch GMR 27

28 2010 Technical Highlight: 29.5Gbit/in 2 Demonstration Press release on Jan 22, 2010: Demo Hardware Platform Perpendicular Recording (senkrechte Bitanordnung) Ultrafeine Barium-Ferrit-Medien ohne Metallaufdampfen Reduktion der Spurabweichung auf unter 25 nm Spurbreite auf unter 0.45 µm (Faktor 25) Erhöhung S/L-Geschwindigkeit um Faktor 38 Position (µm) sigma PES = 23.4 nm Increase in linear density w.r.t. 343 kbpi (%) EPR4 16 NPML 16 DDNPML Target BER: 1e µm reader width Time(s) 0 Track density = 57 ktpi (track width = um) FPS4 Linear Density w/ 16 DDNPML: 518 kbpi 28 Areal density of 29.5 Gb/in2

29 IBM Research Center Almaden Dezember 2005: 100 Terabyte Tape Nanopatterning Tape Technik Reactive Ion Etching Chip Technologie erlaubt Nanopattern Strukturen in Tape-Spuren, Neue genau kontrollierbare Dünnfilmbeschichtungstechnik Sputter Deposition Spurbreiten von 0.2 bis 0.5 Microns ( Nanometer) 100 TB Kapazität bei 0.5 Microns auf klassischer ½ Zoll Kassette Fertigungsprozesse technisch realisierbar in ein paar Jahren 29

30 Neuordnung der Speicherhierarchie Logik Memory Aktiver Speicher Archivierung 1980 CPU RAM DISK TAPE 2010 CPU RAM FLASH SSD DISK FC, SATA, SAS TAPE CPU RAM SCM SSD DISK SAS TAPE Memory like storage like SCM: Storage Class Memories: - Racetrack Memories und Phase Change Memories - Stromunabhängig (non volatile) - schnellste Zugriffszeiten (wie DRAM) - niedrige Kosten per MB (wie Disk in ca.10 Jahren) - Solid State keine beweglichen Teile 30

31 Nano-Technologien Neues Nano-Technologie Forschungszentrum IBM Rüschlikon und ETH Zürich Fertigstellung bis Ende

32 Storage Technology 2010 Gestern und heute da hat sich vieles verändert! Informationsbedarf ist völlig anders.wie reagieren wir? Datenart Datenwachstum Dateneinfluss Structured PB shipped 1TB/4D Image Unstructured MB/2D Image Bis zu 80% der Daten unstrukturiert ( , video, images) Storage-Kapazität wächst mit 54% pro Jahr Die Datengrösse hat sich gewandelt 32

33 Archiv-Speicherumgebungen zeigen extremes Datenwachstum bis in den Exabyte Bereich Prognostiziertes Wachstum: 1TB Memory => 35 TB Daten Prognostiziertes Archiv Datenwachstum der U.S. Energie Labs bis Mai Quelle: IBM, HPSS in the Extreme Scale Era, Report to the DOE Office of Science on HPSS in , July 15, 2009

34 Storage Technology die neuen Storage Anforderungen benötigen alte und neue...grundlagen: Virtualisierung Scale-out Scale-up Intelligentes Data Placement Data DeDuplication Neue Netzwerk Technologien 34

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