© 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
© 2014 IBM Corporation 3
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
© 2014 IBM Corporation 4
- 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
© 2014 IBM Corporation 5
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
© 2014 IBM Corporation 6
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
© 2014 IBM Corporation 8
Hard Disk - Roadmap
Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR) Bit Patterned Media (BPM) Shingled Magnetic Recording (SMR)
© 2014 IBM Corporation 9
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 . . . .
© 2014 IBM Corporation 10
Antwortzeiten
1ns 500µs
1000ns 1µs
500ns
1ms 1000µs
DRAM L1 L2 .. LX
Disksysteme
Kosten Leistungsklasse DRAM vs. Disk
Die große Kluft
© 2014 IBM Corporation 11
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
© 2014 IBM Corporation 12
Flash Anbieter
mehr als 200 Anbieter
© 2014 IBM Corporation 13
Preisentwicklung Flashspeicher vs. Disk
Flash Preisentwicklung per GB
0
50
100
150
200
250
300
2006 2008 2010 2012 2014
Flash
Disk
© 2014 IBM Corporation 14
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
© 2014 IBM Corporation 15
ILM Konzepte mit automatischem Tiering
ILM/ HSM Konzepte • transparente Verlagerungen • Tiering SSD, Disk, Tape • Tape mit Filesystem • NAS
© 2014 IBM Corporation 16
Transaction Workload
Leistungssteigerungen – wenig Flash mit großer Wirkung! nur 5% der Gesamtkapazität eines Plattensubsystems mit Flash SSD‘s automatisches Tiering aktiviert
© 2014 IBM Corporation 17
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
© 2014 IBM Corporation 18
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
© 2014 IBM Corporation 19
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
© 2014 IBM Corporation 20
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
© 2014 IBM Corporation 21
RAID Absicherungsbeispiele
CU Flash-Karte
Flash Module Level RAID N+1+1
. .
. .
CU Flash-Karte
CU Flash-Karte
CU Flash-Karte
© 2014 IBM Corporation 22
Absicherung Schreib-/ Lesefehler durch Schwellwertsteuerung
90% 80%
70%
60%
50%
© 2014 IBM Corporation 23
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
© 2014 IBM Corporation 24
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
© 2014 IBM Corporation 25
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
© 2014 IBM Corporation 26
Antwortzeiten
1ns 500µs
1000ns 1µs
500ns
1ms 1000µs
DRAM L1 L2 .. LX
Disksysteme
Kosten Leistungsklasse „Flash“
Flashspeicher
© 2014 IBM Corporation 27
Antwortzeiten
1ns 500µs
1000ns 1µs
500ns
1ms 1000µs
DRAM L1 L2 .. LX
Flashspeicher
Disksysteme
Kosten Leistungsklasse „Flash“
IBM Flash
System
© 2014 IBM Corporation 28
Flash Weiterentwicklungsmöglichkeiten
2012 2013 2014 2015 2016
32 nm 24 nm
Flash
19 nm 15 nm 11 nm
SLC eMLC
© 2014 IBM Corporation 29
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
© 2014 IBM Corporation 30
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
© 2014 IBM Corporation 31
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
. . .
© 2014 IBM Corporation 32
© 2014 IBM Corporation 33
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
© 2014 IBM Corporation 34
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
© 2014 IBM Corporation 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
FilesCartridge 1
Library
Cartridge 2
© 2014 IBM Corporation 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
© 2014 IBM Corporation 38
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
© 2014 IBM Corporation 39
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)
© 2014 IBM Corporation 40
PCM Phase Change Memories - Phasenwechselspeicher
1)
© 2014 IBM Corporation 41
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
© 2014 IBM Corporation 42
Antwortzeiten
1ns 500µs
1000ns 1µs
500ns
1ms 1000µs
DRAM L1 L2 .. LX
Flashspeicher
Disksysteme
Kosten Leistungsklasse PCM
KapEF 10
PCM
© 2014 IBM Corporation 43
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“
© 2014 IBM Corporation 44
Antwortzeiten
1ns 500µs
1000ns 1µs
500ns
1ms 1000µs
DRAM L1 L2 .. LX
Flashspeicher
Disksysteme
Kosten Leistungsklasse STT-RAM
PCM
STT-RAM
© 2014 IBM Corporation 45
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
© 2014 IBM Corporation 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 • 100-1000 fach höhere Kapazitäten zu ...Flash Memories
Vereinigt Leistungsfähigkeit von ....Flashspeichern und NV-RAM‘s mit ....den kapazitiven Möglichkeiten von ....Festplatten
© 2014 IBM Corporation 47
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
© 2014 IBM Corporation 48
Antwortzeiten
1ns 500µs
1000ns 1µs
500ns
1ms 1000µs
DRAM L1 L2 .. LX
Flashspeicher
Disksysteme
Kosten Leistungsklasse Racetrack Memories
PCM
STT-RAM Racetrack
© 2014 IBM Corporation 49
Faktoren Kapazitätsentwicklungspotential vs. Flash heute (Faktor 1)
Flash
ML-PCM
STT-RAM
Racetrack
1 1 4
4 40
10 60
60 1000
© 2014 IBM Corporation 50
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
© 2014 IBM Corporation 51
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
© 2014 IBM Corporation 52
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
© 2014 IBM Corporation 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”
Matterhorn Zermatt
© 2014 IBM Corporation 54
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
© 2014 IBM Corporation 55
Nano-Technologien
Neues Nano-Technologie Forschungszentrum IBM Rüschlikon und ETH Zürich Fertigstellung Dez. 2010 Einweihung Juni 2011
© 2014 IBM Corporation 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
# Heinrich Rohrer ETH, Gerd Binnig IBM, 1986 Nobelpreis für Physik für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops Anfang der 1980‘er Jahre
© 2014 IBM Corporation 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
© 2014 IBM Corporation 58
Vielen Dank – Fragen?
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