IBM Storage. Ausblick Speichertechnologien. Kurt Gerecke Juni IBM Corporation. Storage Sales University IBM Corporation

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1 IBM Storage Ausblick Speichertechnologien Kurt Gerecke Juni IBM Corporation Storage Sales University IBM Corporation

2 Agenda 1 Patente Disk Technologie und DRAM 3 Flash Speicher 4 Tape 5 SCM (Storage Class Memories) Definition 6 7 PCM (Phase Change Memories) STT RAM (Spin Torque Transfer RAM) 8 Race Track Memories 9 Millipede und optische Speicher 10 Nano-Technologien 2

3 Anzahl Patente 2013 Gesamt IBM Samsung Canon Sony Microsoft Panasonic Toshiba Hon Hai Qualcomm LG Electronics IBM 21 Jahre in Folge Platz 1 Quelle: IFI Patent Intelligence Software Group $6 Mrd in R&D Systems & Technology Group Research 3

4 Hard Disk - ATA, SATA, FATA, SAS (2.0), FC-Platten - 2 ½ Zoll vs. 3 ½ Zoll Formfaktor - GMR (Giant Magneto-Resistance) - GMR stark ausgereizt - Bedarf an technologischer Innovationen 4

5 Hard Disk - 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 10k RPM 0, Performance heute * 100% Random RPM Latency (ms) Seek (ms) IO/s * FC/SAS FC/SAS SATA/SAS

6 HDD - IO Performance / Capacity losing ground Desktop and Server Drive Performance 1000 Sustained HDD I/O Rates per GByte <=7200 RPM Desktop 5400 and 7200 RPM 15K RPM 10K RPM TB SATA Year 6 6

7 Verbesserungen während der letzten 10 Jahre CPU Geschwindigkeit 8-10x DRAM Geschwindigkeit 7-9x Netzwerk Bus Geschwindigkeit 100x 20x Disk Drive Geschwindigkeit 1.2x 7 7

8 Hard Disk - Roadmap Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR) Bit Patterned Media (BPM) Shingled Magnetic Recording (SMR) 8

9 DRAM erster Halbleiterspeicher DRAM = Dynamic Random Access Memory Invented by IBM Fellow Dr. Robert Dennard 1988 US National Medal of Technology SRAM = Static Random Access Memory FPM-RAM = Fast Page Mode RAM EDO-RAM = Extended Data Output RAM BEDO-RAM = Burst EDO-RAM SD-RAM = Synchron DRAM FRAM = Ferroelectric RAM MRAM = Magnetoresistance RAM DDR-SDRAM = Double Data Rate SDRAM PF-RAM = Polymerbasiertes RAM. 9

10 Kosten Leistungsklasse DRAM vs. Disk DRAM L1 L2.. LX Die große Kluft Disksysteme 10 1ns 500ns 1000ns 1µs Antwortzeiten 500µs 1000µs 1ms

11 Flash Storage Technologie 2013 Startup Jahr für Flash... Flash Jahr 2014 und 2015 Storage bottlenecks turn to server bottlenecks Serverauslastung Faktor 5 besser Anwendung Faktor 10 schneller weniger Hardware weniger Lizensen weniger Strom It s all about time Time is Money (Zeit = Geld) (CapExp + OpExp) < ( revenue + infrastructure) 11

12 Flash Anbieter mehr als 200 Anbieter 12

13 Preisentwicklung Flashspeicher vs. Disk Flash Preisentwicklung per GB Flash Disk

14 Trend Hybrid-Konfigurationen mit Flash SSD s DRAM, NAND-Flash mit SLC, emlc, MLC Rechner PCIe mit Flash SSD s als RAM Erweiterung in DRAM Slots In Memory DB In Memory Apps Als externe Module in allen Varianten Disks Kombination Flash und Disk im LW SSHD Solid State Hybrid Disk Speichersubsystem SSD s, 2 ½ Zoll Disk Disks SAS und SATA, alle RPM Varianten 14

15 ILM Konzepte mit automatischem Tiering ILM/ HSM Konzepte transparente Verlagerungen Tiering SSD, Disk, Tape Tape mit Filesystem NAS 15

16 Leistungssteigerungen wenig Flash mit großer Wirkung! nur 5% der Gesamtkapazität eines Plattensubsystems mit Flash SSD s automatisches Tiering aktiviert Transaction Workload 16

17 Flash Arten SLC = Single Level Cell 1 Bit per Zelle Schreibzyklen Oxydschicht Source Control Gate Floating Gate Drain MLC = Multi Level Cell zwei States per Zelle Schreibzyklen Schreibzyklen seit 4.Q.13 N-Schicht P-Schicht Aufbau einer Flash Speicherzelle mit Floating Gate N-Schicht emlc = Enterprise MLC Zellenabsicherung durch CU Schreibzyklen TLC = Triple Level Cell drei States per Zelle Schreibzyklen 17

18 Flash Qualität Kalkulierbare Haltbarkeit Flash Type spielt eine grosse Rolle SLC Enterprise MLC (emlc) MLC SLC Chips halten 35 x länger vs. MLC SLC Chips halten 3 x länger vs. emlc Preis 2:1 vs. emlc Preis 8:1 vs. MLC emlc Chips halten 10 x länger vs. MLC Preis 4:1 vs. MLC 18 ECC s und RAID Technologien für Ausfälle

19 Reale Haltbarkeit ist Device abhängig SLC Flash Konfiguration 5 TB 1 GBps Schreiben 5TB 100,000 1 GBps = 15.8 Years Endurance emlc Flash Konfiguration 10 TB 1 GBps Schreiben 10TB 30,000 1GBps = 9.5 Years Endurance MLC Flash Konfiguration 1 TB 500 MBps Schreiben 1TB 3, MBps = Less than a year 19

20 SLC 24nm Toshiba Flash-Chip-Architektur RAID ECC RAID ECC RAID 1 Chip enthält 8 dies, 16 planes, blocks, pages, bytes 20

21 RAID Absicherungsbeispiele CU Flash-Karte CU Flash-Karte CU CU Flash-Karte. Flash Module Level RAID N+1+1. Flash-Karte 21

22 Absicherung Schreib-/ Lesefehler durch Schwellwertsteuerung 80% 90% 70% 50% 60% 22

23 Flash Absicherungsmöglichkeiten Im Chip Stack Page Remapping Verfahren Block Remapping Verfahren Variable Stripe RAID auf Plane-Basis RAID auf Die-Basis Spiegelverfahren Im Flash Chip Array RAID auf Chip Basis RAID 5 auf Array Basis Flash Module RAID 5 SSD RAID 5 Schwellwertkontrolle SSD s PCIe Karten All Flash Arrays 23

24 Leistungsklasse Flash ηs Lowest Latency Very Expensive DRAM us Consistent Performance Low Latency Flash PCIe Cards und DRAM Slots SAN Shared Flash Only Array Server Flash SSD Hybrid Array or SAN SSD FLASH Tier or Cache ms Fair Latency Expensive HDD Unbalanced Performance High-Performance Disk (FC) sec Lowest Performance Lower Cost High-Capacity Disk (SAS) 24

25 Flash Storage Capacity GB / TB Performance IO/s / K IO/s SATA ~ FC HDD ~ TP SSD ~ SSD ~ PCI Flash ~ Ext. Flash ~

26 Kosten Leistungsklasse Flash DRAM L1 L2.. LX Flashspeicher Disksysteme 1ns 500ns 1000ns 1µs Antwortzeiten 500µs 1000µs 1ms 26

27 Kosten Leistungsklasse Flash DRAM L1 L2.. LX Flashspeicher Disksysteme IBM Flash System 1ns 500ns 1000ns 1µs Antwortzeiten 500µs 1000µs 1ms 27

28 Flash Weiterentwicklungsmöglichkeiten Flash 32 nm 24 nm 19 nm 15 nm 11 nm SLC emlc 28

29 Tape 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

30 Tape 29.5 Gbit/in 2 Demonstration mit GMR 35 TB Kassette 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 Time(s) Track density = 57 ktpi (track width = um) 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 30 stromloser austauschbarer Datenträger Linear Tape File System LTFS

31 Tape Shingling Technique Generation X Generation X+1 Servo Band Read Head Servo Band Dedicated inductive Write Heads Dedicated GMR Read Heads Shingling creates very small tracks 2 Servo Heads. Up to 32 Read / Write Heads 31

32 32

33 Disk & Tape Historie: Kapazität und Leistung Native Capacity Tape Disk Native Transfer Rate / MB/sec MB/sec 150 Tape Disk

34 Tape Entwicklungpotential Kapazitäten und Leistung (native) Kapazität 10 TB 20 TB 40 TB Datenrate 360 MB/s 540 MB/s 720 MB/s 34

35 IBM Tape Drive Roadmaps LTO Generations LTO-3 LTO-4 LTO-5 LTO-6* LTO-7 LTO-8 Max Native Capacity 400 GB (L3) 800 GB (L4) 1.5 TB (L5) 2.5 TB (L6) Up to 6.4 TB (L7) Up to 12.8 TB (L8) Other Native Capacities 200 GB L2 100 GB L1 R/O 400 GB L3 200 GB L2 R/O 800 GB L4 400 GB L3 R/O 1.5 TB L5 800 GB L4 R/O 2.5 TB L6 1.5 TB L5 R/O 6.4 TB L7 2.5 TB L6 R/O Native Data Rate 80 MB/s 120 MB/s 140 MB/s 160 MB/s Up to 315 MB/s Up to 472 MB/s * Data Compression engine enhancement from 2:1 to 2.5: TS1100 Generations Max Native Capacity Gen J1A Gen-2 TS1120 Gen-3 TS1130 Gen-4 TS1140 Gen-5 Gen GB (JA) 700 GB (JB) 1.0 TB (JB) 4.0 TB (JC) 10 TB (JD) TB (JD) Other Native Capacities with Media Reuse 500 GB JA 640 GB JA 1.6 TB JB 640 GB JA R/O 7 TB JC 6-8 TB JC Native Data Rate 40 MB/s 100 MB/s 160 MB/s 250 MB/s Up to 360 MB/s Up to 540 MB/s 35 Any statements regarding IBM's future direction and intent are subject to change or withdrawal without notice, and represent goals and objectives only.

36 LTFS Linear Tape File System File System für Tape LTFS Software Was kann es? Speichern/Zugreifen auf Tape ohne weitere SW Einfacher Datenaustausch Was zeichnet es aus? Tape Daten direkt im File-Browser (wie Windows Explorer) Tape wie USB-Stick oder externe Festplatte Wie setzt man es ein? Archivierung, Backup, Datenbanken Digital Bearbeitung Datenträgeraustausch/ Versand Neue Archivierungsmöglichkeiten Filesharing/parallele Bearbeitung Library Cartridge 1 Cartridge 2 Files 36

37 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 37

38 SCM (Storage Class Memories) vs existierender Technologien Cost NOR FLASH DRAM SRAM NAND FLASH HDD STORAGE CLASS MEMORY 38 Performance SCM Technologien: PC-RAM (Phase Change), MRAM (Magnetic RAM), FeRAM (Ferroelectric RAM) Solid Electrolyte RAM, RRAM (Resitive RAM), STT-RAM, Racetrack Memories

39 PCM Phase Change Memories 1950 Anfänge der Chalkogene Forschung Optische Anwendungen via Laser Heute elektrisch mittels Stromstössen amorpher vs. kristalliner Zustand Multi Level PCM Chip Phasenwechselmaterial GST GeSbTe..(Germanium, Antimon, Tellur) Materialoptimierung Gruppe der Glaschalkogenide Write Latency im ns-bereich miniaturisierbar auf 4 nm Obere Elektrode Polykristallines Chalkogenid Heizer PCM-Zelle Untere Elektrode Programmierbarer Bereich Produktionslizensen Blütezeit ab 2016 (SSD s, Smartphones, Speicherkarten, USB) 39

40 PCM Phase Change Memories - Phasenwechselspeicher 1) 40

41 Cost Transitions - HDD -> emlc/tlc NAND Flash SSDs Fastest Highest $ emlc SSD emlc SSD 600GB emlc SSD 900GB PCM SSD 5000 GB PCM SSD GB 15K RPM SAS (146GB) Slowest Lowest $ Sequential devices 10K RPM HDD ( GB) 10K RPM HDD TLC SSD? Cloud Flash TLC SSD? Cloud Flash 7.2K (3TB) 7.2K(4TB) 7.2K(6TB) 7.2K(10TB)? 7.2K(20TB)? Shingle Disk (?) Shingle Disk (?) Shingle Disk (?) 41

42 Kosten Leistungsklasse PCM DRAM L1 L2.. LX PCM Flashspeicher Disksysteme KapEF 10 1ns 500ns 1000ns 1µs Antwortzeiten 500µs 1000µs 1ms 42

43 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 43

44 Kosten Leistungsklasse STT-RAM DRAM L1 L2.. LX PCM Flashspeicher STT-RAM Disksysteme 1ns 500ns 1000ns 1µs Antwortzeiten 500µs 1000µs 1ms 44

45 Racetrack Umsetzung des GMR Effekts Ohne ihn wären die heutigen...festplattenkapazitäten nicht...möglich! Jetzt schreibt er Geschichte! Racetrack Memories werden...die Welt verändern! Prototyp Racetrack 1.0 Stuart Parkin, IBM Fellow IBM Research Almaden 45

46 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 46

47 Er hat die Freude verdient... Juli 2009: Stuart Parkin IUPAP-Award (International Union of Pure and Applied Physics-magnetism) Louis Neel Medaille May 2014: Millenium Technology Award Helsinki 47

48 Kosten Leistungsklasse Racetrack Memories DRAM L1 L2.. LX PCM Flashspeicher Racetrack STT-RAM Disksysteme 48 1ns 500ns 1000ns 1µs Antwortzeiten 500µs 1000µs 1ms

49 Faktoren Kapazitätsentwicklungspotential vs. Flash heute (Faktor 1) Flash ML-PCM 4 40 STT-RAM Racetrack

50 Halbleiterspeicher Technologie Entwicklungen Neue Nano- Technologien DRAM DRAM DRAM DRAM ML- PCM ML- PCM ML- PCM Flash SLC Flash emlc Flash MLC Flash TLC Flash SLC Flash emlc Flash MLC Flash TLC STT-RAM STT-RAM Racetrack Disk Disk 50

51 Neuordnung der Speicherhierarchie Logik Memory Aktiver Speicher Archivierung 1980 CPU RAM DISK TAPE 2014 CPU RAM FLASH DISK FC, SATA, SAS TAPE CPU RAM PCM DISK TAPE Memory like storage like 51

52 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 52

53 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 53 Matterhorn Zermatt

54 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) 54

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

56 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/vier Helmholz-Spulenpaare kompensieren interne Strahlung Maximale Temperaturschwankung pro Stunde von 0.1 Grad Celsius 56 # Heinrich Rohrer ETH, Gerd Binnig IBM, 1986 Nobelpreis für Physik für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops Anfang der 1980 er Jahre

57 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 57

58 Vielen Dank Fragen? 58