Speichertechnologien unter der Lupe

Transkript

1 Speichertechnologien unter der Lupe Kurt Gerecke IT-Berater Tech Data GmbH & Co. OHG

2 Eine Zeitreise vom Anfang der magneto-motorischen Speicher bis ins Heute und Morgen Kurt Gerecke IT-Berater Tech Data GmbH & Co. OHG

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4 Reynold B. Johnson Zielsetzung Anfang 1950: 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

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

6 Der RAMAC Schwebekopf

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8 1962 Plattensystem und 56 MB per Plattenmodul Air Bearing Sliders mit Landebahnen Zugriffskamm mit Köpfen für jede Plattenoberfläche Einführung der Zylinderarchitektur

9 Disketten 1971: 8 Zoll Diskette 1976: 5 ¼ Zoll Diskette 1982: 3 ½ Zoll Diskette

10 Was ist uns geblieben?

11 1974 MSS Bandpatronen = 3330 Platte 50 GB per Patrone Wabenförmige Zellen (Bienen) HSM mit Compression

12 1984 Bandkassetten 3480 Einführung der Kassettentechnik im Rechenzentrum 200 MB Kapazität vs. 165 MB beim Rollenband 5 ¼ Zoll Kassette Erste MP Beschichtung mit Chromdioxyd 1986 IDRC: Improved Data Recording Capability Compression 400 MB Kassette

13 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

14 Type Format Kapazität (GB) Laufwerk Cartridge GB-Preis Zyklen Lagerung (Jahre) Helical Bandformate in ihrer Blütezeit März 2003 Daterate (MByte/s) Durchsatz (GByte/h) 8 mm AIT mm AIT mm AIT mm DDS mm Mammoth mm Mammoth mm VXA mm VXA Linear 8 mm ADR mm ADR mm ADR ½ Zoll LTO ½ Zoll LTO ½ Zoll DLT ½ Zoll S-DLT ½ Zoll S-DLT QIC SLR QIC SLR QIC Travan TR Alle Werte native (ohne Datenkompression), alle Preise Zirka-Angaben (Stand )

15 1989: Zeit der großen Tape Libraries Powderhorn Tape-Silos überschwemmen die RZ s

16 1992: 3495 ATL

17 1993: 3494 ATL

18 Epoche der fest eingebauten Platten mit Kontrolleinheiten Laufwerk 14 Zoll Platten Laufwerk 10.5 Zoll Platten

19 Hard Disk 1988 Entdeckung des GMR Effekts (Giant Magneto-Resistance) 1997 Produktumsetzung durch Stuart Parkin (IBM) - Heute Gefahr des superparamagnetischen Effekts - Bedarf an neuen technologischen Innovationen

20 Entwicklung der letzten Jahre Performance Performance-Entwicklung Hard-Disk (IOPS) <= 7200 RPM 10 1 Desktop 5400 & k RPM 10k RPM 0, im Vergleich (über die letzen 10 Jahre) IO Rate per GB seit 1990 um Faktor 100 schlechter CPU Geschwindigkeit 8-10x DRAM Geschwindigkeit 7-9x Netzwerk. 100x Bus Geschwindigkeit 20x Disk Drive Geschwindigkeit 1.2x

21 FujiFilm Demonstration 220 TB Tape-Kassette (BaFe) - GMR Einführung und Nutzung bei Tape Milliarden Bits per in Gbit/in 2 demo 85.9 Gbit/in 2 demo (Source: INSIC International Magnetic Tape Storage Roadmap)

22 123 Gb/in 2 Areal Density Recording Demonstration on BaFe Tape Advanced Perpendicular BaFe medium w/..1600nm 3 particles, developed by FujiFilm IBM Research Zurich in collaboration with FujiFilm Nanoscale Positioning Accuracy PES 5.9 nm over full speed range ktpi track density Advanced layered pole writer technology Linear density = 680 kbpi w/ 90 nm reader Byte error rate limit σ-pes (nm) after ECC with new Iterative Decoding Algorithm tape speed (m/s) Areal density : 123 Gb/in 2 61x LTO6 220 TB cartridge capacity (*) Tape has the potential for significant capacity increase for years to come! (*) 220 TB capacity assumes LTO6 overhead and 48% increase in tape length enabled by the thinner Aramid tape substrate used

23 Die Halbleiterspeicher kommen... Was kommt da auf uns??

24 Halbleiterspeicher gibt es schon lange 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.

25 Kosten 1 Nano-Sekunde = 1 Sekunde Leistungsklasse DRAM vs. Disk DRAM L1 L2.. LX Die große Kluft Disksysteme 1ns 500ns 1000ns 1µs 500µs ca. 12 Tage Antwortzeiten 1000µs 1ms

26 SLC = Single Level Cell emlc = Enterprise MLC MLC+ = Enhanced MLC MLC = Multi Level Cell TLC = Triple Level Cell Flash Technologien Oxydschicht Control Gate Floating Gate Source Drain N-Schicht P-Schicht N-Schicht Aufbau einer Flash Speicherzelle mit Floating Gate 300 Preisentwicklung Disk und Flash pro GB Flash Disk DRAM Slot Flash SSD s PCIe Karten All Flash Arrays

27 Flash Technologien SLC = Single Level Cell Schreibzyklen emlc = Enterprise MLC Schreibzyklen MLC+ = Enhanced MLC Schreibzyklen MLC = Multi Level Cell Schreibzyklen (früher ) TLC = Triple Level Cell Schreibzyklen

28 Flash Absicherungsmöglichkeiten Im Chip Stack Page Remapping Verfahren Block Remapping Verfahren Variable Stripe RAID auf Plane-Basis RAID auf Die-Basis Im Flash Chip Array RAID auf Chip Basis RAID 5 auf Array Basis Flash Module RAID 5 SSD RAID 5 Schwellwertkontrolle Spiegelverfahren SSD s PCIe Karten All Flash Arrays Wartbarkeit HW unterbrechungsfreier Austausch µ-code Update unterbrechungsfrei

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

30 Flash Weiterentwicklungsmöglichkeiten Flash 32 nm 24 nm SLC emlc 19 nm 20 nm MLC 15 nm 16 nm 11 nm 12 nm

31 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

32 1950 Anfänge der Chalkogene Forschung Optische Anwendungen via Laser Heute elektrisch mittels Stromstössen amorpher vs. kristalliner Zustand PCM Phase Change Memories (Phasenwechselspeicher) Phase change memory chip Phase change memory cell Multi Level PCM Chip Phasenwechselmaterial GST GeSbTe..(Germanium, Antimon, Tellur) Materialoptimierung Gruppe der Glaschalkogenide Write Latency im ns-bereich miniaturisierbar auf 4 nm c-pcm a-pcm Blütezeit ab 2016 (SSD s, Smartphones, Speicherkarten, USB)

33 PCM Phase Change Memories Memory Storage Cost per Bit Read / Write Latency Cell Endurance Data Retention Power per GB DRAM $10/GB C- 4 NAND $1/GB DRAM PCM NAND 50 ns 40 / 2500 us DRAM writes DRAM NA - Refresh PCM PCM PCM NAND 10 4 writes NAND 0.2 to 1 yrs DRAM PCM NAND 2 W/GB 0.5 W/GB Latenzzeit: viel schneller als Flash (100 s ns vs. 100 s µs) Haltbarkeit Schreibzyklen: 10,000 x Flash Kosten: vergleichbar oder günstiger als Flash Strahlungsarm, Stromunabhängig, Direktzugriff Extrem skalierbar Bandwidth DRAM PCM NAND 10 GB/sec 250 MB/sec

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

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

36 Peter Grünberg Institut..(Forschungszentrum Jülich) STT-RAM (Spin Torque-Transfer RAM) 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 Lesen der Speicherzelle Logisch Eins

37 Kosten Leistungsklasse STT-RAM DRAM L1 L2.. LX PCM Flashspeicher STT-RAM Disksysteme Kap-EP 5 1ns 500ns 1000ns 1µs Antwortzeiten 500µs 1000µs 1ms

38 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 Racetrack Memory Chips

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

40 Faktoren Kapazitätsentwicklungspotential vs. Flash heute (Faktor 1) Flash 1 14 ML-PCM 4 40 STT-RAM Racetrack

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

42 Neuordnung der Speicherhierarchie Logik Memory Aktiver Speicher Archiv 1980 CPU RAM DISK TAPE 2014 CPU RAM FLASH DISK FC, SATA, SAS TAPE CPU RAM PCM FLASH DISK TAPE

43 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? infrastructure matters