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IBM Storage: Speichertechnologien gestern, heute und morgen
Kurt GereckeStorage Technology 2010 - Juni 2010
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Storage Technology 2010
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IBM System Storage-Kompendium
Die IBM Speichergeschichte von 1952 bis 2010
IBM Systems and Technology Group
Ibm.com/systems/de/storage
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„DASD“... 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
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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 der 50-er Jahre:Die Möglichkeit, jeden Geschäftsvorfall dann zubearbeiten, wenn er anfällt mit einer Leistung vonetwa 10000 Fällen pro Tag!(Rechenanlage ohne Stapelverarbeitung)
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5 RAMAC 350 Zugriffsmechanismus
Seilantriebsrolle
Magnetpulver-kupplungenTachogenerator
Vertikalwagen Stahlseil
Laufrolle fürStahlseil
Zugriffsarm
Solenoide
Bewegungsschienefür Vertikalwagen
Antriebspulli
ZugriffsstationAntriebsmotor
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RAMAC 350 Zugriffsmechanismus
Seilantriebsrolle
Magnetpulver-kupplungen
Tachogenerator
VertikalwagenStahlseil
Laufrolle fürStahlseil
Zugriffsarm
Solenoide
Bewegungsschienefür Vertikalwagen
Antriebspulli
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RAMAC 350 Vertikalpositionierung RAMAC 350 Horizontalpositionierung
Kontaktleiste
Konus Lochschiene
Zahnradantriebmit PotentiometerPräzisionszahnstange
Klinke(nicht sichtbar)
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1 9 6 1 : „ g r ö ß e r & s c h n e l l e r “
IBM 1301 Plattensubsystem
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1970 IBM 3330
(800 MB)
1962 - 1974 die "Winchester-Zeit", Epoche der Wechselplatten
1974 IBM 3850 MSS
(bis 4720 Patronen
und 236 GB)
Bandpatronen mit 19.5 m Länge und 50 MB Kapazität
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1975 - 1994 Epoche der fest eingebauten Platten mit Kontrolleinheiten
1981 - 1987IBM 3380 Laufwerk
14 Zoll Platten
1989 - 1994IBM 3390 Laufwerk
10.5 Zoll Platten
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1975 - 1994 Epoche der fest eingebauten Platten mit Kontrolleinheiten
1993 IBM 3494 (5 PB)1992 IBM 3495 (45 TB)
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2006 - 2010 Epoche der Serberbasierenden Speichersystemeund der Speichervirtualisierung
Tiers 542 3102008
Library HD (High Density) Technik
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2008 IBM XIV Storage System
2006 - 2010 Epoche der Serberbasierenden Speichersystemeund der Speichervirtualisierung
HostVolume
Redundante interne Switche
Interface Modul
Interface Modul
SW
…Disk1 Disk2 Disk3 … Disk12
Cache
…Disk1 Disk2 Disk3 … Disk12
…Disk1 Disk2 Disk3 … Disk12
Cache
…Disk1 Disk2 Disk3 … Disk12
Cache
…Disk1 Disk2 Disk3 … Disk12
…Disk1 Disk2 Disk3 … Disk12
Cache
…Disk1 Disk2 Disk3 … Disk12
Cache
…Disk1 Disk2 Disk3 … Disk12
…Disk1 Disk2 Disk3 … Disk12
Cache
FC oder Ethernet-Switch
Perfekter Plattensubsystemsozialismus
Neu: 2 TB SATAbis 158 TB
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Gestern und heute – da hat sich vieles verändert! Informationsbedarf ist völlig anders ….wie reagieren wir?
Structured
Unstructured
Datenart
Bis zu 80% der Daten unstrukturiert (email, video, images)
Dateneinfluss
Die Datengrösse hat sich gewandelt
1MB/2D Image
1TB/4D Image
2004 2007
Datenwachstum
Storage-Kapazität wächst mit 54% pro Jahr
2005 2006 2007 2008 2009 2010
PB shipped
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... die neuen Storage Anforderungen benötigen alte und neue
....Grundlagen:
Virtualisierung
Scale-out
Intelligentes Data Placement
Data DeDuplication
Neue Netzwerk Technologien
Scale-up
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Archiv Speicherumgebungen zeigen extremes Datenwachstum 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
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High Performance Storage System - HPSS
Each system as in a single HPSS instance & namespace: Petabytes Million Files
The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) 18.56 70.6
Lawrence Livermore National Lab (LLNL) Secure Computing Facility (SCF) 16.94 133.2
Los Alamos National Lab (LANL) Secure Computing Facility (SCF) 16.47 131.4
Brookhaven National Lab (BNL) 13.34 68.6
National Centers for Environmental Prediction (NCEP) 12.12 13.7
National Center for Computational Sciences (ORNL) 11.13 17.2
Deutsches Klimarechenzentrum (DKRZ) 10.81 24.3
HPSS follows the convention used by most enterprise disk and tape manufactures and the SNIA that one petabyte = 1000^5 bytes.To convert to binary petabytes, where one petabyte = 1024^5 bytes, multiply by 0.888
Bestehende HPSS Installationen nach Volumen (Stand: April 2010):
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Disk-Technologien
Flashspeicher
Storage Class Memories
Optische Technologien
Tape Technologie
Speicherhierarchie
Nano-Technologien
Speichertechnologien unter der Lupe:
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IBM Entwicklungs-Meilensteine
1991:RAID Architekturen
DünnfimbeschichtungMR-Aufzeichnung
1990-1995:PRML Encoding ( 3-5 fache höhere Kapazitäten)
1997:Umsetzung GMR Effekt
1999:Erste GMR Schreib-/Leseköpfe - Faktor 10 höhere kapazitive Möglichkeiten langfristig
MicrodrivesParamagnetischer Effekt
2002:AFC Aufzeichnungstechnologien - nochmals Faktor 5-10 höhere kapazitive Möglichkeiten
mit höherer Zuverlässigkeit und höchsten Datenraten
(Anti Ferro Magnetically Coupled)2005:
Perpendicular Recording – Qualität wie AFCEtwas langsamer aber kostengünstiger
(Entwicklungsauftrag Seagate)
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Datenwachstum vs. Technologiefortschritt
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
60%-100% CAGR25%- 30% CAGR
60%-100% CAGR25%-35%
Dis
k A
real
Den
sity
(Gb/
sq. i
nch)
Nobelpreis 2007 für Entdeckung des Giant MR Effekts
Die Umsetzung in einen brauchbaren Schreib-Lesekopf erfolgte durch den IBM-
Mitarbeiter Stuart Parkin von 1990-1997 mit über 30000 Materialversuchen
1956IBM RAMAC
Die Erfindung der Festplatte
* CAGR = Compound annual growth rate
Möglichkeiten zur Kapazitäts- und ...Leistungssteigerungen auf.Basis ...heutiger Technologien sind.begrenztResearch Projekte
HAMR
Nutzung von atomaren ...Spineffekten und Grainwirbeln
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Adaption von unterschiedlichen Aufzeichnungstechniken auf die unterschiedlichen Laufwerksarten
- ATA, SATA, FATA, SAS, FC-Platten - 2 ½ Zoll vs. 3 ½ Zoll Formfaktor
Disk
AFC
hochpreisig hohe Leistung
hohe Zuverlässigkeit langlebig
Perpendicular
mittelpreisig mittlere Leistung hohe Zuverlässigkeit
langlebig
Klassisch Longitudinal
billig langsam
mittlere Zuverlässigkeit kurzlebig
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Aufbau einer Flash Speicherzelle mit Floating Gate
Oxydschicht Control Gate Floating Gate
DrainSource
P-Schicht
N-SchichtN-Schicht
Flash-Speicher einer Compact-Flash-Speicherkarte
Flash Speicher
NAND oder NORSSDs mit RAM ist schon seit vielen Jahren verfügbar100x höhere Kosten als Disk
SSDs mit Flash heute verfügbar 10x – 20x höhere Kosten als Disk Flash Memory heute
SLC (single level cell) bis 100.000 Schreibvorgänge MLC (multi level cell) bis 10.000 Schreibvorgänge
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Performance
Co
st
NOR FLASH
NAND FLASH
DRAM
SRAM
HDD
STORAGECLASS
MEMORY
SCM (Storage Class Memories) vs existierender Technologien
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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•30 Mal schneller wie Flash•miniaturisierbar (20 nm)
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Stuart Parkin, IBM FellowIBM Research Almaden
Umsetzung des GMR Effekts
Ohne ihn wären die heutigen ...Festplattenkapazitäten nicht ...möglich!
Jetzt schreibt er Geschichte!
Racetrack Memories werden ...die ...Welt verändern!
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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
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Er hat die Freude verdient ....
Stuart Parkin
Juli 2009:
IUPAP-Award(International Union of Pure and Applied Physics-magnetism)
Louis Neel Medaille
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5.2GB (4th Gen.)
9.1GB (5th Gen.)
13GB (6th Gen.)20GB (7th Gen.)
30GB (1st Gen.)
60GB (2nd Gen.)
+NFR?
Case #1
Case #2
5.25" UDO Roadmap
Optische Speicher
Neuer 1 X Standard (Blue Wave)
2 X Standard (Blue Wave)
8 X Standard (Red Wave)
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RoadmapGeneration 1 Generation 2 Generation 3
Capacity 30 GB 60 GB 120 GB
Transfer Rate 8 MB/sec 12 MB/sec 18 MB/sec
RPM 2000 3000 3600
Avg Seek Time 25 msec 25 msec 25 msec
Numerical Aperture
0.7 0.7 0.85
Media Layers 1 2 2
Encoding 1,7 1,7 ML
Sector Size 8 KB 8 KB 8 KB
SCSI Transfer Rate
80 MB/sec 80 MB/sec 80 MB/sec
Load Time 5 seconds 5 seconds 5 seconds
Unload Time 3 seconds 3 seconds 3 seconds
MSBF 750,000 750,000 750,000
Ultra Density Optical Disc
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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 mit 19 Firmen
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Disk
CCW
MO
WORM OD
HVD
BlueRay
DVD CD
Flash
NSDTape
RTM
SCMSSD
PCM RAM
UDO
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Über 56 Jahre IBM Tape Innovation
1984IBM 3480
1964IBM 2104
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 1TB capacity
1st read/write drive
1st cartridge drive
ParityAufzeichnung
Flat Lap KöpfePRML
Dünnfilm
VirtualBackhitch
GMR
ZeitgesteuerteSpurnachführung
Kassetten-Memory-Chips
MP Beschichtung
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• 8 TB pro Kassette - Demo Mai, 2006Magnetic Force Microscope Images of
8 TB Tape vs. LTO-3
3592 Jaguar Beschichtung:
15-fach höhereAufzeichnungsdichteund Kapazität im Vergleich zu LTO 3
6,67 Gbit per square inch
~1,033 Gbit
per cm2
The demonstration was performed at product-level tape speeds (4 meter/sec)
used 1st GMR read heads
15 um1.5 um
• 35 TB pro Kassette - Demo Januar, 2010
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2009 Technical Highlight: 29.5Gbit/in2 Demonstration
0 1 2 3 4 5 6 7 8-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
Time(s)
Pos
ition
( m
)
Track density = 57 ktpi (track width = 0.446 um)
1-sigma PES = 23.4nm
Areal density of 29.5 Gb/in2
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
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IBM Research Center Almaden Dezember 2005: 100 Terybyte Tape
Nanopatterning Tape Technik
Reactive Ion Etching Chip Technologie erlaubt Nanopattern Strukturen in Tape-Spuren,Neue genau kontrollierbare DünnfilmbeschichtungstechnikSputter Deposition Spurbreiten von 0.2 bis 0.5 Microns (200 – 500 Nanometer)
100 TB Kapazität bei 0.5 Microns auf klassischer ½ Zoll Kassette
Fertigungsprozesse technisch realisierbar in ein paar Jahren
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Neuordnung der Speicherhierarchie
Archivierung
CPU RAM DISK
CPU SCM
TAPE
RAM
CPU DISK TAPE2008
1980
2013+
Aktiver SpeicherMemoryLogik
TAPEDISK
FLASH
SSDRAM
Memory like … storage like
SCM: Storage Class Memories: - Racetrack Memories und Phase Change Memories- Stromunabhängig (non volatile)- schnellste Zugriffszeiten (wie DRAM) - niedrige Kosten per MB (wie Disk in ca.10 Jahren) - Solid State – keine beweglichen Teile