Upload
lamkien
View
216
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
© 2012 IBM Corporation
IBM Storage
Speichertechnologien unter der Lupe
Kurt Gerecke
Juni 2012
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
Disk Technologien
Solid State Disks (SSD‘s)
Storage Class Memories und Positionierung
Tape Technologien
2
3
4
7
6
8 Nano-Technologien
Speicherhierarchie
Agenda
Millipede und optische Speichertechnologien5
Wir habe ein Geburtstagskind – Historie zum Aufwärmen .....1
1952: IBM Modell 726 erster Bandspeicher
• 18.000 Lochkarten• 1.440.000 Characters• 1.44 MB• Acetat Plastikband mit Eisenoxydbeschichtung• 7-Spur Technik (6 x Daten, 1 x Redundanzprüfung)• Datenrate 7.5 Kbit/s, S/L-Geschwindigkeit 1.9 m/s• entwickelt in Phougkeepsie im Zuge der IBM 701 Entwicklung
720 Meter Bandlänge 100 BPI
Photo 1951 Prototyp Photo 1952 IBM 726 in Betrieb
1953: IBM Modell 727 (728)• 24.000 Lochkarten• 1.920.000 Characters• 1.92 MB• 7 Spur-Technik
1958: IBM Modell 729
• 50.000 Lochkarten• 4.000.000 Characters• 4 MB• 7 Spur-Technik
Modelle I bis VI
• Erstes Tape Laufwerkmit Schreibkontrolle
• Einlesen der Zeichenin ein Prüfregister
Bild: 729 Deutsches Museum München
1961: IBM 7340 Hyper Tape Drives
• Kontrolleinheit IBM 7640
• Für Rechner 7074, 7080, 7090
• Doppelte Übertragungsraten vs. 729
• 7-Spur-Technik
• Höchste Datenrate WW• 170.000 Zeichen/s• 112.5 Zoll/s Tape Speed
• Modelle 1 – 3• 8 MB später 16 MB
1964: IBM 2401 Magnetbandsystem
• speziell für System /360• 9-Spur Technik• 800 BPI• 20 MB später 40 MB
• erster ECC
• CRC Cyclic Redundancy Check• Automatic Error Capture & Correction• Basis für spätere ECC‘s
Löschschutzring
1970/73: IBM 3420 Magnetbandeinheit
• bis zu 8 x 3420-Einheiten an 3803• Lebenszeit bis Ende der 80‘er Jahre
1970: IBM 3420 Modelle 3,5,7
• System /370• 3803 Kontroller• 9-Spur-Technik• 800-1600 BPI• 120/200/320 Kilobytes/s
•...
1973: IBM 3420 Modelle 4,6,8
• System /370• 3803 Kontroller• 9-Spur-Technik• 1600-6250 BPI• 470/780/1250 Kilobytes/s• Zuverlässigkeit
• 7-mal höher vs. 3,5,7•165 MB bei Modell 8 ...
1971: IBM 3410 Magnetbandsystem
• technisch wie 3420• Pultform Bauhöhe• komfortable Bedienung
• horizontal von oben• kostengünstige Alternative ..für ..System/370 und /360 Benutzer
•...
• zylinderförmige Bandpatronen• Eisenring• elektromagnetischer Greifer• 706 bis 4720 Slots• 35.3 GB bis 236 GB
1974: IBM 3850 MSS
• System/ 370 • Mass Storage System• erste Tape Library weltweit• ILM/ HSM – Basis für SMS• Kompression
MSS 3850 Adressierung
• 2 Bandpatronen = 3330 Platte• 50 GB per Patrone• 100 GB per 3330 Plattenstapel• 800 GB per 3330 Subsystem
Bienenwabenförmige Zellen
1983: IBM 3430 Magnetbandsystem
• System IBM 43xx, IBM 303x• System/38• von oben bedienbar (wie 3410)• kompakte Bauweise• minimale Stellfläche• kostengünstig• letztes IBM Rollenband• A01 Tape Unit mit Kontroller• B01 Tape Unit• bis zu 3 x B01 an A01
• 9-Spurtechnik •Tape Speed 50 Zoll per Sekunde • 312 KB/s Schreiben/Lesen• Rewindzeit 2.7 Minuten• 152 MB
1984: IBM 3480
• Einführung der Kassettentechnik im Rechenzentrum• 200 MB Kapazität vs. 165 MB bei 3420 Modell 8• 5 ½ Zoll Kassette• Erste MP Beschichtung mit Chromdioxyd• Modelle A22 (CU) und B22 (Drive Unit)• Modelle A11 (CU) und B11 (Drive Unit) 1986• bis zu 8 Drives per CU
1986 IDRC:• Improved Data Recording Capability• Kompression 400 MB Kassette
1989: IBM 3490 Magnetbandsystem
• System IBM ES/3090,9000,9370,308x,4381• Leistungsstarke CU
• dynamischer Pufferspeicher 2 MB•18-Spurtechnik, 38.000 BPI• 600 MB mit IDRC 1200 MB• ACL Automatic Cartridge Loader (integriert)• ESCON
1991: IBM 3490E Magnetbandsystem
• System IBM ES/3090,9000,9370,308x,4381• Leistungsstarke CU
• dynamischer Pufferspeicher 8 MB• 36-Spurtechnik, 78.000 BPI• 1200 MB mit IDRC 2400 MB• ACL Automatic Cartridge Loader (integriert)• ESCON
1992: IBM 3495 ATL
• Automated Tape Library
• MVS/ESA, VM/ESA, ..VSE/ESA
• Modelle L20, L30 und L40
• 13.5 TB bis 45.5 TB
• 3490 und 3490E Laufwerke
1993: IBM 3494 ATL
• Automated Tape.Library
• MVS/ESA, VM/ESA, ..VSE/ESA, AIX/6000, OS/400, ..TPF
• Magstar Baureihe• erste grosskapazitive Kassette• MR-Köpfe mit Track Following Servo• Luftkissenführung des Bandes
- 1995 Modelle B• 10 GB• 128 Spurtechnik• 9 MB/s
- 1999 Modelle E• 20 GB• 40 GB extended length cartridge• 256 Spurtechnik• Parity-Aufzeichnung• 14 MB/s
- 2002 Modelle H• 30 GB / 60 GB• 384 Spurtechnik / Parity• 14 MB/s
1995: IBM 3590 Magnetbandsystem
Philips / Onstream
ADR
ExabyteVXA 4mm VXA 8mm
TandbergTravanSLR
ExabyteMammoth 1Mammoth 2
Die wilden 1990‘er: Wildwuchs der Tape Technologien
3MTandbergHewlett PackardSeagate
Hewlett PackardSony
DDS
IBMIBM3480
DEC
2000: IBM LTO Produktportfolio
• IBM 3581 Desk Top Laufwerk• IBM 3582 Autoloader• IBM 3583 Scalable Library• IBM 3584 Ultra Scalable Library
IBM LTO Ultrium Produktentwicklung
328 kbpi
896
Yes
8 M/s
6,25 M/s
824 M
MP
Full High
Half High
Ultra 160, FC-4, SAS 3Gb
16
120 MB/s
800 GB
Generation IV
368 kbpi250 kbpi188 kbpi124 kbpiLinear Density
1280704512384Spurdichte max.
YesYesYesNoSpeed Matching
10 M/s8 M/s8 M/s6 M/sHigh Speed Search
6,16 M/s5,5 M/s6,22 M/s4 M/sWrite/Read
846 M680 M609 M609 MTape Länge
MPMPMPMPMedia Type
Full High
Half High
Full High
Half HighFull HighFull HighForm Faktor
Dual port FC-8, SAS 6Gb
Single port FC-4 Ultra 160
FC-2, Ultra 160FC-1, Ultra IISchnittstelle
161688Schreib/Leseköpfe
140 MB/s80 MB/s35 MB/s15 MB/sDurchsatz
1500 GB400 GB200 GB100 GBKapaztität
Generation VGeneration IIIGeneration IIGeneration I
2000 2002 2005 2007 2010Jahr
Anmerkung: Kapazitäten und Datenraten native ohne Kompression
JA JB JC
300-640GB 700-1600GB 4000GB *•native ohne Kompression, Kapazität abhängig von
Laufwerksgeneration
– 2003 IBM 3592 (Jaguar Gen.1)
• erste Dünnfilmbeschichtung
• Flat Lap Köpfe
• Virtual Backhitch
• PRML (Partial Response Maximum Likelyhood)
• 40 MB/s, 60 GB und 300 GB Kassetten
– 2005 IBM TS1120 (Jaguar Gen.2)
• WORM Kassetten
• Asymetrische Verschlüsselung (Encryption)
• 104 MB/s, 100 GB und 500 GB Reuse
• 700 GB Kassette
– 2008 IBM TS1130 (Jaguar Gen.3)
• GMR erste Generation
• 160 MB/s, 128 GB, 640 GB und 1 TB Reuse
• 1 GB Buffer
• High Speed Search mit 12.4 m/s
– 2011 IBM TS1140 (Jaguar Gen.4)
• GMR dritte Generation
• 32-Spurtechnik
• 250 MB/s, 500GB und 4 TB, Reuse 1.6 TB
• Neue Barium/Eisen-Beschichtung
• 8 Gbit/s Fibre
Media Reuse
Enterprise Tape Entwicklung (nach Magstar)
IBM Tape Historie im Überblick
1st with ESCON
1984IBM 3480
1964IBM 2401
1959IBM 729
1952IBM 726
20033592 Gen1
1995IBM 3590
1999IBM 3590E
20053592 Gen2
2004LTO Gen3
2002LTO Gen2
2000LTO Gen1
2007LTO Gen4
1st tape system
1st read/back drive
1st to deliver LTO
1st with FICON and Fibre
1st with LTO41st with LTO Fibre
1st tapeencryption
20083592 Gen3
1st 1 TB capacity
1st read/write drive
1st cartridge drive
ParityAufzeichnung
Flat Lap KöpfePRML
DünnfilmVirtual
BackhitchGMR
1. Gen.
ZeitgesteuerteSpurnachführung
Kassetten-Memory-Chips
MP Beschichtung
2010LTO Gen5
20113592 Gen4
4 TB capacity
GMR3. Gen.
FlanchlessGuiding
1st with 8 Gb/sFibre
CompressionIDRC
1989IBM 3490
Erster ECC Error Correction Code
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
„Magnetplatten“... das war eine der grössten Erfindungen der Welt!!
Die neue Plattenrotunde„Live“ zu sehen im IBM Museum:
Haus der Geschichte derIBM Daten-verarbeitungSindelfingenBahnhofstrasse 43
1984: RAMAC 350/355 wird zum “International Historic Mechanical Engineering Landmark“Technologie Welt Kultur Erbe
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
- ATA, SATA, FATA, SAS (2.0), FC-Platten- 2 ½ Zoll vs. 3 ½ Zoll Formfaktor- GMR (Giant Magneto-Resistance)
7694.27200SATA/SAS
1255310000FC/SAS
1674215000FC/SAS
IO/s *Seek (ms)Latency (ms)RPM
- Performance Entwicklung
- Performance heute
* 100% Random
IO Rate per GB undHard Disk Drive Generation
0,1
1
10
100
1000
1985 1990 1995 2000 2005 2010
IOPS
15k RPM
10k RPM
Desktop5400 & 7200
<= 7200 RPM
Seit 1990 um Faktor 100schlechter
Hard Disk
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
Solid State Disk (SSD)
�SSDs mit DRAM
� seit 1976 für Hochleistung
� 100x höhere Kosten als Disk
�SSDs mit Flash
� SLC = Single Level Cell
� 1 Bit (0/1) per Zelle
� höhere Lebensdauer, schneller, teurer
� MLC = Multi Level Cell
� Multiple States per Zelle (00/01/10/11)
� geringere Lebensdauer, günstiger
� eMLC (Enterprise MLC)
� Zellenabsicherung durch CU
� Lebensdauer SLC vergleichbar
� Preisentwicklung
80.-160 GB 2.5“ MLC2012
100.-32 GB 2.5“ MLC2010
1000.-32 GB 2.5“ MLC 2006
11000.-21 GB 2.5“ SLC 2003
Preis ($)SSDZeit
� SSD Hybridkonfigurationen� Standard (Flash) und Hochleistung (DRAM)� SLC und MLC
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
SSD Hersteller
mehrals 200Anbieter
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
� Automatisches Tiering
Sequentielle Workload
� SSD mit eMLC Flash• als RAM Erweiterung
• In Memory DB• In Memory Apps
• als eigene Tiering Klasse• als Cache Erweiterung
� Disk SAS 2 ½ Zoll• alle RPM Varianten
Hybrid-Systeme
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
Performance
Cost
NOR FLASH
NAND FLASH
DRAM
SRAM
HDD
STORAGE
CLASS
MEMORY
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
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
ProgrammierbarerBereich
Obere Elektrode
Untere Elektrode
Polykristallines Chalkogenid
Heizer
Querschnitt durch eine PCM-Zelle
PCM Phase Change Memories - Phasenwechselspeicher
� 1950 Erforschung von Chalkogeniden
� Optische Anwendungen via Laser
• CD-/ DVD-RW
� Heute “elektrisch“
• mittels Stromstössen• amorpher Zustand vs. kristalliner Zustand
� Multi Level PCM Chip
• 90 nm CMOS Technologie• 100 x mehr Leistung zum schnellsten Flash Speicher• bis 40-fach höhere Kapazitäten• Write Latency nur bei 10 Mikrosekunden• miniaturisierbar (20 nm)
� Blütezeit ab 2015 (SSD‘s, Smartphones, Speicherkarten, USB)
© 2012 IBM Corporation30
PCM Phase Change Memories - Phasenwechselspeicher
1) Invented by IBM Fellow Dr. Robert Dennard1988 US National Medal of Technology
1)
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
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“
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
• 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
Stuart Parkin
•Louis Neel Medaille (2009)•IUPAP-Award (2009)(International Union of Pure and Applied Physics-magnetism)
Racetrack Memory Chips
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
SSD Technologie Entwicklungen
2012 2015 2018 2020
DRAMFlash SLCFlash eMLCFlash MLC
PCMMultilevel PCMDRAM
Multilevel PCMSTT-RAM
RacetrackSTT-RAMMultilevel PCM
NeueNano-
Technologien
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
Millipede – was ist daraus geworden?
x
z2
z3
z1y
Thermomechanical Read/Write on Thin Polymer Media
64 x 64 (4096) Cantilever Array Chip
Micromechanical x|y|z ScannerAreal Density 1 Tbits/inch 2
(Single Lever Demo)
40 nm pitch
40 nm bit size
Silicon tips/ Polymer base layer64x64 tips ready 2005 128x128 tips ready 2007
40GBytes on 7x7mm chip 160 GBytes on 7x7mm chip
35 Mbit/s 120 Mbit/s
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
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
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
Polycarbonschicht
Photopolymer
Reflexionsschicht
Basisschicht
Distanzschicht
Distanzschicht
Blau-grünerLaser (532 nm)
RoterPositionierungs-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
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
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
(µ
m)
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
eas
e in
lin
ear
dens
ity w
.r.t.
343
kbp
i (%
)
EPR4
16 NPML
16 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
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
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
© 2012 IBM Corporation39
Archiv Speicherumgebungen zeigen extremes Datenwachstumbis 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
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
Neuordnung der Speicherhierarchie
Archivierung
CPU RAM DISK
CPUSCMSSD
TAPE
RAM
CPU DISKFC, SATA, SAS
TAPE2012
1980
2015+
Aktiver SpeicherMemoryLogik
TAPEDISKSAS
FLASH
SSDRAM
Memory like … storage like
© 2012 IBM Corporation41
Nano-Technologien
Neues Nano-TechnologieForschungszentrum
IBM Rüschlikonund
ETH Zürich
Fertigstellung Dez. 2010Einweihung Juni 2011
© 2012 IBM Corporation42
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 Helmholz-Spulenpaare kompensieren interne Strahlung• Maximale Temperaturschwankung pro Stunde von 0.1 Grad Celsius
# Heinrich Rohrer ETH, Gerd Binnig IBM, 1986 Nobelpreis für Physikfür die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops Anfang der 1980‘er Jahre
© 2012 IBM Corporation
IBM System Storage
Nano-Technologien
Januar 2012:IBM Almaden + German Center For Free Electron Laser Science (CFEL)
Atomic Scale Magnetic Memory
1 Bit = 2 Reihen von 6 Eisenatomen1 Byte = 96 Eisenatome = 4 x 16 nm