IBM Storage: Speichertechnologien gestern, heute und...

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IBM Storage: Speichertechnologien gestern, heute und morgen

Kurt GereckeStorage Technology 2010 - Juni 2010


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)



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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Der RAMAC Schwebekopf



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Speicherkapazität jetzt 56 MB / Einheit



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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



Cache


Cache



Cache


Cache



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



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Nano-Technologien

Neues Nano-TechnologieForschungszentrum

IBM Rüschlikonund

ETH Zürich

Fertigstellung bis Ende 2010

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