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Speichertechnologien unter der Lupe
Kurt Gerecke IT-Berater Tech Data GmbH & Co. OHG [email protected] [email protected]
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
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
28 und 56 MB per Plattenmodul
Air Bearing Sliders mit Landebahnen
Zugriffskamm mit Köpfen für jede
Plattenoberfläche
Einführung der Zylinderarchitektur
1962 Plattensystem 1301
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)
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)
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