Kurt Gerecke Juni IBM Storage. Speichertechnologien unter der Lupe IBM Corporation

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1 Kurt Gerecke Juni 2012 IBM Storage Speichertechnologien unter der Lupe

2 IBM System Storage Agenda 1 Wir habe ein Geburtstagskind Historie zum Aufwärmen... 2 Disk Technologien 3 Solid State Disks (SSD s) 4 Storage Class Memories und Positionierung 5 Millipede und optische Speichertechnologien 6 Tape Technologien 7 Speicherhierarchie 8 Nano-Technologien

3 1952: IBM Modell 726 erster Bandspeicher Lochkarten Characters 1.44 MB Acetat Plastikband mit Eisenoxydbeschichtung 7-Spur Technik (6 x Daten, 1 x Redundanzprüfung) Datenrate 7.5 Kbit/s, S/L-Geschwindigkeit 1.9 m/s entwickelt in Phougkeepsie im Zuge der IBM 701 Entwicklung Photo 1951 Prototyp Photo 1952 IBM 726 in Betrieb 720 Meter Bandlänge 100 BPI

4 1953: IBM Modell 727 (728) Lochkarten Characters 1.92 MB 7 Spur-Technik

5 1958: IBM Modell Lochkarten Characters 4 MB 7 Spur-Technik Bild: 729 Deutsches Museum München Modelle I bis VI Erstes Tape Laufwerk mit Schreibkontrolle Einlesen der Zeichen in ein Prüfregister

6 1961: IBM 7340 Hyper Tape Drives Kontrolleinheit IBM 7640 Für Rechner 7074, 7080, 7090 Doppelte Übertragungsraten vs Spur-Technik Höchste Datenrate WW Zeichen/s Zoll/s Tape Speed Modelle MB später 16 MB

7 1964: IBM 2401 Magnetbandsystem speziell für System /360 9-Spur Technik 800 BPI 20 MB später 40 MB erster ECC CRC Cyclic Redundancy Check Automatic Error Capture & Correction Basis für spätere ECC s Löschschutzring

8 1970: IBM 3420 Modelle 3,5,7 System / Kontroller 9-Spur-Technik BPI 120/200/320 Kilobytes/s : IBM 3420 Modelle 4,6,8 1970/73: IBM 3420 Magnetbandeinheit bis zu 8 x 3420-Einheiten an 3803 Lebenszeit bis Ende der 80 er Jahre System / Kontroller 9-Spur-Technik BPI 470/780/1250 Kilobytes/s Zuverlässigkeit 7-mal höher vs. 3,5,7 165 MB bei Modell 8...

9 1971: IBM 3410 Magnetbandsystem technisch wie 3420 Pultform Bauhöhe komfortable Bedienung horizontal von oben kostengünstige Alternative..für..System/370 und /360 Benutzer...

10 1974: IBM 3850 MSS System/ 370 Mass Storage System erste Tape Library weltweit ILM/ HSM Basis für SMS Kompression zylinderförmige Bandpatronen Eisenring elektromagnetischer Greifer 706 bis 4720 Slots 35.3 GB bis 236 GB

11 MSS 3850 Adressierung 2 Bandpatronen = 3330 Platte 50 GB per Patrone 100 GB per 3330 Plattenstapel 800 GB per 3330 Subsystem Bienenwabenförmige Zellen

12 1983: IBM 3430 Magnetbandsystem System IBM 43xx, IBM 303x System/38 von oben bedienbar (wie 3410) kompakte Bauweise minimale Stellfläche kostengünstig letztes IBM Rollenband A01 Tape Unit mit Kontroller B01 Tape Unit bis zu 3 x B01 an A01 9-Spurtechnik Tape Speed 50 Zoll per Sekunde 312 KB/s Schreiben/Lesen Rewindzeit 2.7 Minuten 152 MB

13 1984: IBM 3480 Einführung der Kassettentechnik im Rechenzentrum 200 MB Kapazität vs. 165 MB bei 3420 Modell 8 5 ½ Zoll Kassette Erste MP Beschichtung mit Chromdioxyd Modelle A22 (CU) und B22 (Drive Unit) Modelle A11 (CU) und B11 (Drive Unit) 1986 bis zu 8 Drives per CU 1986 IDRC: Improved Data Recording Capability Kompression 400 MB Kassette

14 1989: IBM 3490 Magnetbandsystem System IBM ES/3090,9000,9370,308x,4381 Leistungsstarke CU dynamischer Pufferspeicher 2 MB 18-Spurtechnik, BPI 600 MB mit IDRC 1200 MB ACL Automatic Cartridge Loader (integriert) ESCON 1991: IBM 3490E Magnetbandsystem System IBM ES/3090,9000,9370,308x,4381 Leistungsstarke CU dynamischer Pufferspeicher 8 MB 36-Spurtechnik, BPI 1200 MB mit IDRC 2400 MB ACL Automatic Cartridge Loader (integriert) ESCON

15 1992: IBM 3495 ATL Automated Tape Library MVS/ESA, VM/ESA,..VSE/ESA Modelle L20, L30 und L TB bis 45.5 TB 3490 und 3490E Laufwerke

16 1993: IBM 3494 ATL Automated Tape.Library MVS/ESA, VM/ESA,..VSE/ESA, AIX/6000, OS/400,..TPF

17 1995: IBM 3590 Magnetbandsystem Magstar Baureihe erste grosskapazitive Kassette MR-Köpfe mit Track Following Servo Luftkissenführung des Bandes Modelle B 10 GB 128 Spurtechnik 9 MB/s Modelle E 20 GB 40 GB extended length cartridge 256 Spurtechnik Parity-Aufzeichnung 14 MB/s Modelle H 30 GB / 60 GB 384 Spurtechnik / Parity 14 MB/s

18 Die wilden 1990 er: Wildwuchs der Tape Technologien IBM 3480 IBM DEC Exabyte Mammoth 1 Mammoth 2 Philips / Onstream ADR Tandberg Travan SLR 3M Tandberg Hewlett Packard Seagate Exabyte VXA 4mm VXA 8mm Hewlett Packard Sony DDS

19 2000: IBM LTO Produktportfolio IBM 3581 Desk Top Laufwerk IBM 3582 Autoloader IBM 3583 Scalable Library IBM 3584 Ultra Scalable Library

20 IBM LTO Ultrium Produktentwicklung Jahr Generation I Generation II Generation III Generation IV Generation V Kapaztität 100 GB 200 GB 400 GB 800 GB 1500 GB Durchsatz 15 MB/s 35 MB/s 80 MB/s 120 MB/s 140 MB/s Schreib/Leseköpfe Schnittstelle FC-1, Ultra II FC-2, Ultra 160 Single port FC-4 Ultra 160 Ultra 160, FC-4, SAS 3Gb Dual port FC-8, SAS 6Gb Form Faktor Full High Full High Full High Half High Full High Half High Full High Half High Media Type MP MP MP MP MP Tape Länge 609 M 609 M 680 M 824 M 846 M Write/Read 4 M/s 6,22 M/s 5,5 M/s 6,25 M/s 6,16 M/s High Speed Search 6 M/s 8 M/s 8 M/s 8 M/s 10 M/s Speed Matching No Yes Yes Yes Yes Spurdichte max Linear Density 124 kbpi 188 kbpi 250 kbpi 328 kbpi 368 kbpi Anmerkung: Kapazitäten und Datenraten native ohne Kompression

21 Media Reuse JA JB JC GB GB 4000GB * native ohne Kompression, Kapazität abhängig von Laufwerksgeneration Enterprise Tape Entwicklung (nach Magstar) 2003 IBM 3592 (Jaguar Gen.1) erste Dünnfilmbeschichtung Flat Lap Köpfe Virtual Backhitch PRML (Partial Response Maximum Likelyhood) 40 MB/s, 60 GB und 300 GB Kassetten 2005 IBM TS1120 (Jaguar Gen.2) WORM Kassetten Asymetrische Verschlüsselung (Encryption) 104 MB/s, 100 GB und 500 GB Reuse 700 GB Kassette 2008 IBM TS1130 (Jaguar Gen.3) GMR erste Generation 160 MB/s, 128 GB, 640 GB und 1 TB Reuse 1 GB Buffer High Speed Search mit 12.4 m/s 2011 IBM TS1140 (Jaguar Gen.4) GMR dritte Generation 32-Spurtechnik 250 MB/s, 500GB und 4 TB, Reuse 1.6 TB Neue Barium/Eisen-Beschichtung 8 Gbit/s Fibre

22 IBM Tape Historie im Überblick Erster ECC Error Correction Code Zeitgesteuerte Spurnachführung Kassetten-Memory-Chips Flanchless Guiding 1 st with ESCON 1 st tape system 1 st read/back drive 1 st to deliver LTO 1 st with LTO Fibre 1 st with LTO4 1 st with 8 Gb/s Fibre 1952 IBM IBM IBM IBM LTO Gen LTO Gen LTO Gen LTO Gen LTO Gen IBM IBM IBM 3590E Gen Gen Gen Gen4 1 st read/write drive 1 st cartridge drive MP Beschichtung Compression IDRC 1 st with FICON and Fibre Parity Aufzeichnung 1 st tape encryption Flat Lap Köpfe PRML Dünnfilm Virtual Backhitch 1 st 1 TB capacity GMR 1. Gen. 4 TB capacity GMR 3. Gen.

23 IBM System Storage 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

24 IBM System Storage Hard Disk - ATA, SATA, FATA, SAS (2.0), FC-Platten - 2 ½ Zoll vs. 3 ½ Zoll Formfaktor - GMR (Giant Magneto-Resistance) - Performance Entwicklung <= 7200 RPM IO Rate per GB und Hard Disk Drive Generation IOPS 10 1 Desktop 5400 & k RPM Seit 1990 um Faktor 100 schlechter 0,1 10k RPM Performance heute RPM Latency (ms) Seek (ms) IO/s * FC/SAS FC/SAS SATA/SAS * 100% Random

25 IBM System Storage Solid State Disk (SSD) Preisentwicklung Zeit SSD Preis ($) SSDs mit DRAM seit 1976 für Hochleistung 100x höhere Kosten als Disk GB 2.5 SLC 32 GB 2.5 MLC 32 GB 2.5 MLC SSDs mit Flash SLC = Single Level Cell Bit (0/1) per Zelle höhere Lebensdauer, schneller, teurer 160 GB 2.5 MLC 80.- MLC = Multi Level Cell Multiple States per Zelle (00/01/10/11) geringere Lebensdauer, günstiger emlc (Enterprise MLC) Zellenabsicherung durch CU Lebensdauer SLC vergleichbar SSD Hybridkonfigurationen Standard (Flash) und Hochleistung (DRAM) SLC und MLC

26 IBM System Storage SSD Hersteller mehr als 200 Anbieter

27 IBM System Storage Hybrid-Systeme Sequentielle Workload SSD mit emlc Flash als RAM Erweiterung In Memory DB In Memory Apps als eigene Tiering Klasse als Cache Erweiterung Disk SAS 2 ½ Zoll alle RPM Varianten Automatisches Tiering

28 IBM System Storage SCM (Storage Class Memories) vs existierender Technologien Cost NOR FLASH DRAM SRAM NAND FLASH HDD STORAGE CLASS MEMORY Performance SCM Technologien: PC-RAM (Phase Change), MRAM (Magnetic RAM), FeRAM (Ferroelectric RAM) Solid Electrolyte RAM, RRAM (Resitive RAM), STT-RAM, Racetrack Memories

29 IBM System Storage PCM Phase Change Memories - Phasenwechselspeicher 1950 Erforschung von Chalkogeniden Optische Anwendungen via Laser CD-/ DVD-RW Querschnitt durch eine PCM-Zelle Obere Elektrode Polykristallines Chalkogenid Heute elektrisch mittels Stromstössen amorpher Zustand vs. kristalliner Zustand Heizer Programmierbarer Bereich Multi Level PCM Chip Untere Elektrode 90 nm CMOS Technologie 100 x mehr Leistung zum schnellsten Flash Speicher bis 40-fach höhere Kapazitäten Write Latency nur bei 10 Mikrosekunden miniaturisierbar (20 nm) Blütezeit ab 2015 (SSD s, Smartphones, Speicherkarten, USB)

30 PCM Phase Change Memories - Phasenwechselspeicher 1) 30 1) Invented by IBM Fellow Dr. Robert Dennard 1988 US National Medal of Technology

31 IBM System Storage STT-RAM (Spin Torque-Transfer RAM) Peter Grünberg Institut..(Forschungszentrum Jülich) Schreiben der Speicherzelle Logische Weiterentwicklung GMR-Effekt..und MRAM-Technologie Nanometer Sandwiches 50 x 50 nm elektrischer Impuls für...spinausrichtungsänderung (Schreiben) Strukturverkleinerungen notwendig höhere Leistungsfähigkeit Herstellkosten heute Einsatz in der Raumfahrt Massenfertigung für breites Anwenderfeld Logisch Null Logisch Eins Lesen der Speicherzelle

32 IBM System Storage Racetrack Memory Chips 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 Stuart Parkin Louis Neel Medaille (2009) IUPAP-Award (2009) (International Union of Pure and Applied Physics-magnetism)

33 IBM System Storage 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

34 IBM System Storage Millipede was ist daraus geworden? Thermomechanical Read/Write on Thin Polymer Media 40 nm bit size 64 x 64 (4096) Cantilever Array Chip 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

35 IBM System Storage 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 Matterhorn Zermatt

36 IBM System Storage 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 Polycarbonschicht Hologramm Photopolymer Distanzschicht Reflexionsschicht Distanzschicht Basisschicht Prinzip der HVD (Holografic Versatile Disc)

37 Position (µm) IBM System Storage Tape 29.5 Gbit/in 2 Demonstration mit GMR 35 TB Kassette Press release on Jan 22, 2010: Demo Hardware Platform 1-sigma PES = 23.4 nm Time(s) Track density = 57 ktpi (track width = um) 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 Increase in linear density w.r.t. 343 kbpi (%) EPR4 16 NPML 16 DDNPML Target BER: 1e µm reader width FPS4 Linear Density w/ 16 DDNPML: 518 kbpi Archivierung und Langzeitdatenspeicherung riesige Kassettenkapazitäten stromloser austauschbarer Datenträger Linear Tape File System LTFS

38 IBM System Storage Nanopatterning Tape Technik IBM Research Center Almaden: Prototyp 100 Terabyte Tape Reactive Ion Etching Chip Technologie erlaubt Nanopattern Strukturen in Tape-Spuren Neue genau kontrollierbare Dünnfilmbeschichtungstechnik Sputter Deposition Spurbreiten von 0.2 Microns und kleiner (200 Nanometer) Prototyp 100 TB Kapazität bei 0.5 Microns auf klassischer ½ Zoll Kassette Fertigungsprozesse technisch realisierbar in ein paar Jahren

39 Archiv Speicherumgebungen zeigen extremes Datenwachstum bis in 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

40 IBM System Storage Neuordnung der Speicherhierarchie 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

41 Nano-Technologien Neues Nano-Technologie Forschungszentrum IBM Rüschlikon und ETH Zürich Fertigstellung Dez Einweihung Juni

42 Nano-Technologien Neues Nano-Technologie Zentrum IBM Rüschlikon Binnig and Rohrer Nanotechnology Center # IBM und ETH Zürich 60 Mio SFR für Gebäude (IBM) 30 Mio SFR für technische Infrastruktur (15 Mio ETH, 15 Mio IBM) ETH mietet 10 Jahre 50% des Gebäudes Neue Voraussetzungen für die Nanotechnologie-Forschung 950 Quadratmeter Reinraum 6 Noise Free LAB s im Keller (Silent Rooms) keine Erschütterungen, keine Strahlung, einfach nichts! Räume auf luftgefederten Betonsockeln mit 30 bis 68 Tonnen Gewicht Nickel-Eisen-Legierung Auskleidung gegen externen Elekromagnetismus Zwei Helmholz-Spulenpaare kompensieren interne Strahlung Maximale Temperaturschwankung pro Stunde von 0.1 Grad Celsius 42 # Heinrich Rohrer ETH, Gerd Binnig IBM, 1986 Nobelpreis für Physik für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops Anfang der 1980 er Jahre

43 IBM System Storage Nano-Technologien Januar 2012: IBM Almaden + German Center For Free Electron Laser Science (CFEL) Atomic Scale Magnetic Memory 1 Bit = 2 Reihen von 6 Eisenatomen 1 Byte = 96 Eisenatome = 4 x 16 nm

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