Speichertechnologien unter der Lupe

Kurt Gerecke IT-Berater Tech Data GmbH & Co. OHG ibm-azlan@techdata.de mail@kurtgerecke.de

www.azlan.de

Eine Zeitreise vom Anfang der magneto-motorischen

Speicher bis ins Heute und Morgen

Kurt Gerecke IT-Berater Tech Data GmbH & Co. OHG

ibm-azlan@techdata.de mail@kurtgerecke.de

Reynold B. Johnson

Bild von 1971

take the best people go to San Jose make something cool find a new way to store data

Zielsetzung Anfang 1950: Die Möglichkeit, jeden Geschäftsvorfall dann zu bearbeiten, wenn er anfällt mit einer Leistung von etwa 10000 Fällen pro Tag! (Rechenanlage ohne Stapelverarbeitung)

IBM RAMAC 350 Zugriffsmechanismus

Seilantriebsrolle

Magnetpulver- kupplungen

Tachogenerator

Vertikalwagen Stahlseil

Laufrolle für Stahlseil

Zugriffsarm

Solenoide

Bewegungsschiene für Vertikalwagen

Antriebspulli

Zugriffsstation Antriebsmotor

Der RAMAC Schwebekopf

28 und 56 MB per Plattenmodul

Air Bearing Sliders mit Landebahnen

Zugriffskamm mit Köpfen für jede

Plattenoberfläche

Einführung der Zylinderarchitektur

1962 Plattensystem 1301

1971: 8 Zoll Diskette

1976: 5 ¼ Zoll Diskette

1982: 3 ½ Zoll Diskette

Disketten

Was ist uns geblieben?

1974 MSS 3850 • 2 Bandpatronen = 3330 Platte • 50 GB per Patrone • Wabenförmige Zellen (Bienen) • HSM mit Compression

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

Philips / Onstream ADR

Exabyte VXA 4mm VXA 8mm

Tandberg Travan SLR

Exabyte Mammoth 1 Mammoth 2

Die wilden 1990‘er: Wildwuchs der Tape Technologien

3M Tandberg Hewlett Packard Seagate

Hewlett Packard Sony DDS

IBM IBM 3480

DEC

Type Format Kapazität (GB) Laufwerk € Cartridge € GB-Preis € Zyklen Lagerung (Jahre)

Daterate (MByte/s)

Durchsatz (GByte/h)

Helical

8 mm AIT-1 25 800 55 2.20 30000 30 3.0 10.8

8 mm AIT-2 50 1.300 80 1.60 30000 30 6.0 21.6

8 mm AIT-3 100 3.300 90 0.90 30000 30 12.0 43.2

4 mm DDS-4 20 1.100 15 0.75 100 10 2.4 8.6

8 mm Mammoth 20 3.500 55 2.75 20000 30 3.0 10.5

8 mm Mammoth-2 60 4.000 110 1.83 20000 30 12.0 43.2

8 mm VXA-1 33 800 90 2.73 20000 30 3.0 10.3

8 mm VXA-2 80 1.400 110 1.38 20000 30 6.0 21.6

Linear

8 mm ADR.50 25 900 70 2.80 5000 20 2.0 7.2

8 mm ADR2.60 30 1.100 60 2.00 5000 20 2.5 9.0

8 mm ADR2.120 60 1.300 90 1.50 5000 20 4.0 14.4

½ Zoll LTO-1 100 3.000 55 0.55 12000 30 15.0 54.0

½ Zoll LTO-2 200 5.500 130 0.65 12000 30 35.0-40.0 126.0-144.0

½ Zoll DLT8000 40 1.500 45 1.13 15000 30 6.0 21.6

½ Zoll S-DLT 220 110 4.000 100 0.91 17850 30 11.0 29.6

½ Zoll S-DLT 320 160 5.100 180 1.13 17850 30 16.0 57.6

QIC SLR 60 30 1.300 55 1.83 5000 10 4.0 14.4

QIC SLR100 50 1.700 77 1.54 5000 10 5.0 18.0

QIC Travan TR7 20 500 40 2.00 10000 20 2.0 7.2

Bandformate in ihrer Blütezeit März 2003

Alle Werte native (ohne Datenkompression), alle Preise Zirka-Angaben (Stand 31.03.2003)

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

1992: 3495 ATL

1993: 3494 ATL

1975 - 1994 Epoche der fest eingebauten Platten mit Kontrolleinheiten

1981 - 1987 3380 Laufwerk 14 Zoll Platten

1989 - 1994 3390 Laufwerk 10.5 Zoll Platten

1988 Entdeckung des GMR Effekts (Giant Magneto-Resistance) 1997 Produktumsetzung durch Stuart Parkin (IBM)

- Heute Gefahr des superparamagnetischen Effekts - Bedarf an neuen technologischen Innovationen

Hard Disk

Entwicklung der letzten Jahre – Performance

Performance-Entwicklung Hard-Disk (IOPS)

0,1

1

10

100

1000

1985 1990 1995 2000 2005 2010

15k RPM

10k RPM

Desktop 5400 & 7200

<= 7200 RPM

… im Vergleich (über die letzen 10 Jahre) CPU Geschwindigkeit 8-10x DRAM Geschwindigkeit 7-9x Netzwerk . 100x Bus Geschwindigkeit 20x Disk Drive Geschwindigkeit 1.2x

IO Rate per GB seit 1990 um Faktor 100 schlechter

FujiFilm Demonstration 220 TB Tape-Kassette (BaFe) - GMR Einführung und Nutzung bei Tape - 123 Milliarden Bits per in2

85.9 Gbit/in2 demo

(Source: INSIC 2012-2022 International Magnetic Tape Storage Roadmap)

123 Gbit/in2 demo

123 Gb/in2 Areal Density Recording Demonstration on BaFe Tape

Areal density : 123 Gb/in2 61x LTO6 220 TB cartridge capacity (*) Tape has the potential for significant capacity increase for years to come!

Advanced Perpendicular BaFe medium w/ ..1600nm3 particles, developed by FujiFilm

Advanced layered pole writer technology Linear density = 680 kbpi w/ 90 nm reader

(*) 220 TB capacity assumes LTO6 overhead and 48% increase in tape length enabled by the thinner Aramid tape substrate used

Nanoscale Positioning Accuracy PES ≤ 5.9 nm over full speed range 181.3 ktpi track density

Byte error rate

limit

IBM Research – Zurich in collaboration with FujiFilm

10-20 after ECC with new Iterative Decoding Algorithm

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0456789

10

σ-PE

S (n

m)

tape speed (m/s)

Was kommt da auf uns ??

Die Halbleiterspeicher kommen .....

1966 DRAM = Dynamic Random Access Memory • Invented by IBM Fellow Dr. Robert Dennard • 1988 US National Medal of Technology

Halbleiterspeicher gibt es schon lange ......

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 . . . .

Antwortzeiten

1ns 500µs

1000ns 1µs

500ns

1ms 1000µs

DRAM

L1 L2 .. LX

Disksysteme

Kosten Leistungsklasse DRAM vs. Disk

1 Nano-Sekunde = 1 Sekunde

------------------------------------------ ca. 12 Tage -------------------------------------------

Die große Kluft

SLC = Single Level Cell eMLC = Enterprise MLC MLC+ = Enhanced MLC MLC = Multi Level Cell TLC = Triple Level Cell

Flash Technologien

DRAM Slot Flash SSD’s PCIe Karten All Flash Arrays

Preisentwicklung Disk und Flash pro GB

0

50

100

150

200

250

300

2006 2008 2010 2012 2014

Flash

Disk

Aufbau einer Flash Speicherzelle mit Floating Gate

Oxydschicht Control Gate Floating Gate Drain Source

P-Schicht

N-Schicht N-Schicht

SLC = Single Level Cell 100.000 Schreibzyklen eMLC = Enterprise MLC 30.000 Schreibzyklen

MLC+ = Enhanced MLC 50.000 Schreibzyklen

MLC = Multi Level Cell 3.000 – 5.000 Schreibzyklen (früher 10.000)

TLC = Triple Level Cell 1.000 Schreibzyklen

Flash Technologien

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

Antwortzeiten

1ns 500µs

1000ns 1µs

500ns

1ms 1000µs

DRAM L1 L2 .. LX

Disksysteme

Kosten Leistungsklasse „Flash“

Flashspeicher

Flash Weiterentwicklungsmöglichkeiten

2012 2013 2014 2015 2016

32 nm 24 nm

Flash

19 nm 20 nm

15 nm 16 nm

11 nm 12 nm SLC

eMLC MLC

SCM Technologien: PC-RAM (Phase Change), MRAM (Magnetic RAM), FeRAM (Ferroelectric RAM) Solid Electrolyte RAM, RRAM (Resitive RAM), STT-RAM, Racetrack Memories

SCM (Storage Class Memories) vs existierender Technologien

Performance

Cos

t

NOR FLASH

NAND FLASH

DRAM

SRAM

HDD

STORAGE CLASS MEMORY

PCM Phase Change Memories (Phasenwechselspeicher)

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

Blütezeit ab 2016 (SSD‘s, Smartphones, Speicherkarten, USB)

Phase change memory chip Phase change memory cell

a-PCM

c-PCM

PCM Phase Change Memories

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, Strom-unabhängig, Direktzugriff

Extrem skalierbar

C-4

Cost per Bit DRAM NAND $10/GB

$1/GB

Read / Write Latency

DRAM NAND 50 ns 40 / 2500 us

Cell Endurance

DRAM NAND 104 writes 1015 writes

Data Retention

DRAM NAND 0.2 to 1 yrs NA - Refresh

Power per GB

DRAM NAND

Bandwidth DRAM NAND 250 MB/sec 10 GB/sec

2 W/GB 0.5 W/GB

Memory Storage

PCM

PCM

PCM

PCM

PCM

PCM

Cost Transitions - HDD -> eMLC/TLC NAND Flash SSDs

2013 2014 2015 2016 2017

Fastest Highest $

eMLC SSD eMLC SSD 600GB

eMLC SSD 900GB

PCM SSD 5000 GB

PCM SSD 10000 GB

15K RPM SAS (146GB) 10K RPM HDD (300-900 GB)

10K RPM HDD TLC SSD? Cloud Flash

TLC SSD? Cloud Flash

Slowest Lowest $

7.2K (3TB) 7.2K(4TB) 7.2K(6TB) 7.2K(10TB)?

7.2K(20TB)?

34

Antwortzeiten

1ns 500µs

1000ns 1µs

500ns

1ms 1000µs

DRAM L1 L2 .. LX

Flashspeicher

Disksysteme

Kosten Leistungsklasse PCM

KapEF 10

PCM

STT-RAM (Spin Torque-Transfer RAM)

Peter Grünberg Institut ..(Forschungszentrum Jülich) 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

Lesen der Speicherzelle

Schreiben der Speicherzelle

Logisch “Null“ Logisch “Eins“

Antwortzeiten

1ns 500µs

1000ns 1µs

500ns

1ms 1000µs

DRAM L1 L2 .. LX

Flashspeicher

Disksysteme

Kosten Leistungsklasse STT-RAM

PCM

STT-RAM

Kap-EP 5

• 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 • 100-1000 fach höhere Kapazitäten zu ...Flash Memories Vereinigt Leistungsfähigkeit von ....Flashspeichern und NV-RAM‘s mit ....den kapazitiven Möglichkeiten von ....Festplatten

Racetrack Memory Chips

Antwortzeiten

1ns 500µs

1000ns 1µs

500ns

1ms 1000µs

DRAM L1 L2 .. LX

Flashspeicher

Disksysteme

Kosten Leistungsklasse Racetrack Memories

PCM

STT-RAM

Racetrack

Faktoren Kapazitätsentwicklungspotential vs. Flash heute (Faktor 1)

Flash

ML-PCM

STT-RAM

Racetrack

1 1 4

4 40

10 60

60 1000

Halbleiterspeicher Technologie Entwicklungen

2014 2016 2018 2020

DRAM e PCM STT-RAM

DRAM e PCM STT-RAM Racetrack

Neue Nano- Technologien DRAM

e PCM Flash SLC Flash eMLC Flash MLC Flash TLC

Disk

DRAM Flash SLC Flash eMLC Flash MLC Flash TLC

Disk

Archiv

CPU RAM DISK

CPU PCM

TAPE

RAM

CPU DISK FC, SATA, SAS

TAPE 2014

1980

+ 2016

Aktiver Speicher Memory Logik

TAPE

DISK

FLASH RAM

FLASH

Neuordnung der Speicherhierarchie

infrastructure matters

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