IBM Storage - Neustrelitzkonferenz-nz.dlr.de/pages/storage2014/present/1. Konferenztag/12_06... ·...

© 2012 IBM Corporation 1 Storage Sales University 2012 © 2011 IBM Corporation

Ausblick Speichertechnologien

Kurt Gerecke Juni 2014

IBM Storage

© 2014 IBM Corporation 2

Disk Technologie und DRAM

Flash Speicher

PCM (Phase Change Memories)

SCM (Storage Class Memories) Definition

2

3

6

7

5

STT RAM (Spin Torque Transfer RAM)

Agenda

8 Race Track Memories

9 Millipede und optische Speicher

10 Nano-Technologien

Patente 2013 1

Tape 4


Anzahl Patente 2013

Gesamt IBM 6.809 Samsung 4.676 Canon 3.825 Sony 3.098 Microsoft 2.660 Panasonic 2.601 Toshiba 2.416 Hon Hai 2.279 Qualcomm 2.103 LG Electronics 1.947

Quelle: IFI Patent Intelligence

Research

$6 Mrd in R&D Systems &

Technology Group

Software Group

IBM 21 Jahre in Folge Platz 1


- 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

Hard Disk


RPM Latency (ms) Seek (ms) IO/s *

FC/SAS 15000 2 4 167

FC/SAS 10000 3 5 125

SATA/SAS 7200 4.2 9 76

- Performance Entwicklung

- Performance heute * 100% Random

IO Rate per GB und Hard Disk Drive Generation

0,1

1

10

100

1000

1985 1990 1995 2000 2005 2010

IOPS

15k RPM

10k RPM

Desktop 5400 & 7200

<= 7200 RPM

Seit 1990 um Faktor 100 schlechter

Hard Disk


HDD - IO Performance / Capacity losing ground

6

1990 1995 2000 2005 2010 Year

0.1

1

10

100

1000 Sustained HD

D I/O

Rates per G

Byte

Desktop and Server Drive Performance

<=7200 RPM

10K RPM

15K RPM Desktop 5400 and 7200 RPM

0.01 4TB SATA

© 2014 IBM Corporation 7 7

CPU Geschwindigkeit 8-10x

DRAM Geschwindigkeit 7-9x

Netzwerk 100x

Bus Geschwindigkeit 20x

Disk Drive Geschwindigkeit 1.2x

Verbesserungen während der letzten 10 Jahre


Hard Disk - Roadmap

Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR) Bit Patterned Media (BPM) Shingled Magnetic Recording (SMR)


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

DRAM – erster Halbleiterspeicher ......

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

Die große Kluft


Flash Storage Technologie

2013 Startup Jahr für Flash ..... Flash Jahr 2014 und 2015

Storage bottlenecks turn to server bottlenecks

It‘s all about time Time is Money (Zeit = Geld)

(CapExp + OpExp) < ( revenue + infrastructure)

Serverauslastung Faktor 5 besser

Anwendung Faktor 10 schneller

weniger Lizensen weniger Hardware

weniger Strom


Flash Anbieter

mehr als 200 Anbieter


Preisentwicklung Flashspeicher vs. Disk

Flash Preisentwicklung per GB

0

50

100

150

200

250

300

2006 2008 2010 2012 2014

Flash

Disk


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

Trend Hybrid-Konfigurationen mit Flash


ILM Konzepte mit automatischem Tiering

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


Transaction Workload

Leistungssteigerungen – wenig Flash mit großer Wirkung! nur 5% der Gesamtkapazität eines Plattensubsystems mit Flash SSD‘s automatisches Tiering aktiviert


SLC = Single Level Cell

1 Bit per Zelle 100.000 Schreibzyklen

MLC = Multi Level Cell

zwei States per Zelle 5.000 Schreibzyklen 3.000 Schreibzyklen seit 4.Q.13

eMLC = Enterprise MLC

Zellenabsicherung durch CU 30.000 Schreibzyklen

TLC = Triple Level Cell

drei States per Zelle 1.000 Schreibzyklen

Aufbau einer Flash Speicherzelle mit Floating Gate

Oxydschicht Control Gate Floating Gate Drain Source

P-Schicht

N-Schicht N-Schicht

Flash Arten


Flash Qualität

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 ECC’s und RAID Technologien für Ausfälle

Kalkulierbare Haltbarkeit


Reale Haltbarkeit ist Device abhängig

SLC Flash Konfiguration 5 TB 1 GBps Schreiben

EnduranceYearsGBps

TB 8.151

000,1005=

×

eMLC Flash Konfiguration 10 TB 1 GBps Schreiben

EnduranceYearsGBps

TB 5.91

000,3010=

×

MLC Flash Konfiguration 1 TB 500 MBps Schreiben

yearathanLessMBps

TB=

×500

000,31


SLC 24nm Toshiba Flash-Chip-Architektur

1 Chip enthält 8 dies, 16 planes, 32.768 blocks, 2.097.152 pages, 17.179.869.184 bytes

ECC

RAID

RAID ECC

RAID


RAID Absicherungsbeispiele

CU Flash-Karte

Flash Module Level RAID N+1+1

. .

. .

CU Flash-Karte

CU Flash-Karte

CU Flash-Karte


Absicherung Schreib-/ Lesefehler durch Schwellwertsteuerung

90% 80%

70%

60%

50%


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


Leistungsklasse “Flash”

Lowest Latency Very Expensive

Consistent Performance Low Latency

Fair Latency Expensive HDD Unbalanced Performance

Lowest Performance Lower Cost

Flash PCIe Cards und DRAM Slots

SAN Shared Flash Only Array

Hybrid Array or SAN SSD

Server Flash SSD

ηs

ms

sec

us

Tier or Cache

High-Capacity Disk (SAS)

High-Performance Disk (FC)

FLASH

DRAM


Flash Storage

Capacity GB

€ / TB Performance IO/s

€ / K IO/s

SATA 1.000 1.000 ~70 14.000

FC HDD 600 2.500 ~200 7.000

TP SSD 250 1.000 ~5.000 50

SSD 400 35.000 ~25.000 750

PCI Flash 2.000 15.000 ~400.000 750

Ext. Flash 20.000 15.000 ~400.000 750


Antwortzeiten

1ns 500µs

1000ns 1µs

500ns

1ms 1000µs

DRAM L1 L2 .. LX

Disksysteme

Kosten Leistungsklasse „Flash“

Flashspeicher


Antwortzeiten

1ns 500µs

1000ns 1µs

500ns

1ms 1000µs

DRAM L1 L2 .. LX

Flashspeicher

Disksysteme

Kosten Leistungsklasse „Flash“

IBM Flash

System


Flash Weiterentwicklungsmöglichkeiten

2012 2013 2014 2015 2016

32 nm 24 nm

Flash

19 nm 15 nm 11 nm

SLC eMLC


Archiv Speicherumgebungen zeigen extremes Datenwachstum bis in Exabyte Bereich

Prognostiziertes Archiv Datenwachstum der U.S. Energie Labs bis Mai 2022

Quelle: IBM, HPSS in the Extreme Scale Era, Report to the DOE Office of Science on HPSS in 2018-2022, July 15, 2009

Prognostiziertes Wachstum: 1TB Memory => 35 TB Daten

Tape


29.5 Gbit/in2 Demonstration mit GMR – 35 TB Kassette

0 1 2 3 4 5 6 7 8-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

Time(s)

Pos

ition

( µm

)

Track density = 57 ktpi (track width = 0.446 um)

1-sigma PES = 23.4 nm

Demo Hardware Platform

0

10

20

30

40

50

60

Incr

ease

in li

near

den

sity

w.r.

t. 34

3 kb

pi (%

)

EPR416 NPML16 DDNPML

Target BER: 1e-4 0.2 µm reader width

FPS4 Linear Density w/ 16 DDNPML: 518 kbpi

Press release on Jan 22, 2010: http://www.zurich.ibm.com/news/10/storage.html

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

Tape

Archivierung und Langzeitdatenspeicherung riesige Kassettenkapazitäten

stromloser austauschbarer Datenträger Linear Tape File System LTFS


Tape Shingling Technique

Servo Band Generation X Generation X+1

Dedicated inductive Write Heads

Dedicated GMR Read Heads

Shingling creates very small tracks

Read Head

Up to 32 Read / Write Heads 2 Servo Heads

Servo Band

. . .


Disk & Tape Historie: Kapazität und Leistung

Native Capacity

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012

TapeDisk

Native Transfer Rate / MB/sec

0

50

100

150

200

250

300

1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012

MB/

sec

TapeDisk


Tape Entwicklungpotential Kapazitäten und Leistung (native)

2014 2016 2018 2020

Kapazität Datenrate

10 TB 360 MB/s

20 TB 540 MB/s

40 TB 720 MB/s

35 © 2014 IBM Corporation Any statements regarding IBM's future direction and intent are subject to change or withdrawal without notice, and represent goals and objectives only.

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 2.5:1

TS1100 Generations

Gen-1 3592 J1A

Gen-2 TS1120

Gen-3 TS1130

Gen-4 TS1140

Gen-5 Gen-6

Max Native Capacity

300 GB (JA) 700 GB (JB) 1.0 TB (JB) 4.0 TB (JC) 10 TB (JD) 14-20 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

IBM Tape Drive Roadmaps

2003

2005 2007 2009 2012

2006 2008 2011 2014


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

FilesCartridge 1

Library

Cartridge 2


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


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


Programmierbarer Bereich

Obere Elektrode

Untere Elektrode

Polykristallines Chalkogenid

Heizer

PCM-Zelle

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

Produktionslizensen

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


PCM Phase Change Memories - Phasenwechselspeicher

1)


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)?

Sequential devices

Shingle Disk (?)

Shingle Disk (?)

Shingle Disk (?)

41


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


Stuart Parkin, IBM Fellow IBM Research Almaden

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

Racetrack


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 • 100-1000 fach höhere Kapazitäten zu ...Flash Memories

Vereinigt Leistungsfähigkeit von ....Flashspeichern und NV-RAM‘s mit ....den kapazitiven Möglichkeiten von ....Festplatten


Er hat die Freude verdient ....

Stuart Parkin Juli 2009: IUPAP-Award (International Union of Pure and Applied Physics-magnetism) Louis Neel Medaille May 2014: Millenium Technology Award Helsinki


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

2013 2015 2018 2020

DRAM ML- PCM STT-RAM

DRAM ML- PCM STT-RAM Racetrack

Neue Nano- Technologien

DRAM ML- PCM Flash SLC Flash eMLC Flash MLC Flash TLC

Disk

DRAM Flash SLC Flash eMLC Flash MLC Flash TLC

Disk


Neuordnung der Speicherhierarchie

Archivierung

CPU RAM DISK

CPU PCM

TAPE

RAM

CPU DISK FC, SATA, SAS

TAPE 2014

1980

2016+

Aktiver Speicher Memory Logik

TAPE

DISK

FLASH RAM

Memory like … storage like


Millipede – was ist daraus geworden?

x

z2

z3

z1 y

Thermomechanical Read/Write on Thin Polymer Media

64 x 64 (4096) Cantilever Array Chip

Micromechanical x|y|z Scanner Areal Density 1 Tbits/inch 2

(Single Lever Demo)

40 nm pitch

40 nm bit size

Silicon tips/ Polymer base layer 64x64 tips ready 2005 128x128 tips ready 2007

40GBytes on 7x7mm chip 160 GBytes on 7x7mm chip 35 Mbit/s 120 Mbit/s


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


Polycarbonschicht

Photopolymer

Reflexionsschicht

Basisschicht

Distanzschicht

Distanzschicht

Blau-grüner Laser (532 nm)

Roter Positionierungs- Laser (650 nm)

Prinzip der HVD (Holografic Versatile Disc)

Hologramm

Holographic Versatile Disc (HVD)

Standardisierung • TC44 Ecma Dez. 2004 • bis 3.9 Terabyte • Transferrate 1 Gbit/s • HVD Alliance


Nano-Technologien

Neues Nano-Technologie Forschungszentrum IBM Rüschlikon und ETH Zürich Fertigstellung Dez. 2010 Einweihung Juni 2011


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

# Heinrich Rohrer ETH, Gerd Binnig IBM, 1986 Nobelpreis für Physik für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops Anfang der 1980‘er Jahre


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


Vielen Dank – Fragen?

IBM Storage - Neustrelitzkonferenz-nz.dlr.de/pages/storage2014/present/1. Konferenztag/12_06... ·...

Documents

Transcript of IBM Storage - Neustrelitzkonferenz-nz.dlr.de/pages/storage2014/present/1. Konferenztag/12_06... ·...