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© 2012 IBM Corporation

IBM Storage

Speichertechnologien unter der Lupe

Kurt Gerecke

Juni 2012


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 ...


• 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


• 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


• 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


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


• 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


• 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


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


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


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


IBM System Storage

SSD Hersteller

mehrals 200Anbieter


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


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


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)


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“


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


IBM System Storage

SSD Technologie Entwicklungen

2012 2015 2018 2020

DRAMFlash SLCFlash eMLCFlash MLC

PCMMultilevel PCMDRAM

Multilevel PCMSTT-RAM

RacetrackSTT-RAMMultilevel PCM

NeueNano-

Technologien


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


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


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


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


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


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


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


Nano-Technologien

Neues Nano-TechnologieForschungszentrum

IBM Rüschlikonund

ETH Zürich

Fertigstellung Dez. 2010Einweihung 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 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


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

Documents

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