Überblick Speichertechnologien: Wo stehen wir und was bringt uns die Zukunft? - Kurt Gerecke Storage Consultant Tech Data Advanced Solutions ...
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Überblick Speichertechnologien: Wo stehen wir und was bringt uns die Zukunft? Kurt Gerecke Storage Consultant Tech Data Advanced Solutions mail@kurtgerecke.de
Überblick Speichertechnologien:
Wo stehen wir und was bringt uns die Zukunft?
Agenda
• Disk
• Tape
• Flash
• Flash Technologien
• Verfügbarkeit und Leistung
• SSD‘s
• Technologie Trends
• Storage Class Memories
• Phase Change Memory (PCM)
• Spin Torque Magnetic RAM (STM-RAM)
• Racetrack Memory
• Zukünftige Trends
2
Hard Disk
1988 Entdeckung des GMR Effekts
(Giant Magneto-Resistance)
1997 Produktumsetzung durch Stuart Parkin (IBM)
- Heute Gefahr des superparamagnetischen Effekts
- Bedarf an neuen technologischen Innovationen
3
IBM-FujiFilm demonstration of 123 Gb/in2 on BaFe tape
201 Gbit/in2 demo 2017
123 Gbit/in2 demo 2015
(Source: INSIC 2015-2025 International Magnetic Tape Storage Roadmap)
4
http://www.insic.org/news/2015%20roadmap/15pdfs/INSIC%20Areal%20Density%20Trend%20Chart.pdf
|
4
IBM Forschungslabor Rüschlikon: Tapetechnologie Demonstration August 2017
Areal recording density :
201 Gb/in2
20x TS1155 areal density
330 TB cartridge capacity
Mit dieser Demonstration zeigt IBM das Potential
zur Steigerung der Kapazität für Tape auf!
Dies mit bereits heute eingesetzten Technologien!
HDD Technology:
• No room to continue adding platters
• HDD capacity will be driven by areal density scaling (10-20% /a)
Cost advantage of tape will continue to grow!
5
Tape Technologie = Nano-Technologie 6
Die Halbleiterspeicher kommen .....
1966
Halbleiterspeicher gibt es schon lange ! DRAM = Dynamic Random Access Memory
• Invented by IBM Fellow Dr. Robert Dennard
• 1988 US National Medal of Technology
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
...
.
7
Leistungsklasse „DRAM“
Kosten
1 Nano Sekunde = 1 Sekunde
DRAM
L1 L2 .. LX
Die große Kluft
Disksysteme
1ns 500ns 1000ns
1µs 500µs 1000µs
-------------------------------- ca. 12 Tage -------------------------------------- 1ms
Antwortzeiten
8
Leistungsklasse „Flash“
Kosten
DRAM
L1 L2 .. LX Flashspeicher
Disksysteme
1ns 500ns 1000ns
1µs 500µs 1000µs
1ms
Antwortzeiten
9
Flash Basis Technologien
Oxydschicht Control Gate Floating Gate
SLC = Single Level Cell Source Drain
eMLC = Enterprise MLC N-Schicht N-Schicht
MLC+ = Enhanced MLC P-Schicht
MLC = Multi Level Cell Aufbau einer Flash Speicherzelle mit Floating Gate
TLC = Triple Level Cell
3D NAND -> Neue Generation
Einbauoptionen
DRAM Slots
SSD’s
PCIe Karten
All Flash Arrays
10Flash Weiterentwicklungsmöglichkeiten
2012 2013 2015 2017 2018
Flash
32 nm 24 nm 19 nm 15 nm 11 nm
20 nm 16 nm 12 nm
SLC MLC MLC
MLC TLC TLC
TLC
11Flash NAND Weiterentwicklungspotential
Drei technologische Möglichkeiten, die Aufzeichnungsdichte zu erhöhen:
1. Lithografische Skalierung der Bit Zellen (x, y)
– - 20nm auf 16nm 1.56 X höhere Aufzeichnungsdichte
– - 16nm auf 13nm 1.51 X höhere Aufzeichnungsdichte
2. Erhöhung der Anzahl Bits pro Zelle
– - SLC 1 Bit per Zelle auf MLC (2 Bits per Zelle) 2.00 x Steigerung
– - MLC auf TLC (3 Bits per Zelle) 1.50 x Steigerung
3. 3D Stacking (größere Bit Zellen aber multiple Layer pro Zelle)
– - Beispiel: 16 nm geht auf 48 nm und Zelldesign geht von 4F2 auf 6F2 Zell Area Steigerung 13.5 x.
- Bei 27 Layern steigert sich die effektive Dichte auf der Oberfläche des Wafers um Faktor 2.00 x (27/13.5).
3D Design Beispiel
F
- Basis Zelle 2F x 3F (F ist Minimum Feature)
- 12 Zellen per Layer
- 4 Layer
- 2 Bits oder 3 Bits pro Zelle
http://www.theregister.co.uk/2016/11/21/ssd_ships_up_46_per_cent_and_128layer_3d_flash_coming/
| 12
12Flash Basis Technologien
Anzahl Schreibzyklen Antwortzeit auf Chip-Level
SLC = Single Level Cell 100.000 8 µs
eMLC = Enterprise MLC 30.000 18 µs
MLC+ = Enhanced MLC 50.000 18 µs
MLC = Multi Level Cell 3.000 – 5.000 40 µs
TLC = Triple Level Cell 1.000 100 µs
3D TLC = “3 x TLC” 1.000 – 5.000+ 100 µs
13Flash Absicherungsmöglichkeiten
3D NAND
Im Chip Stack Im Flash Chip Array
• Page Remapping Verfahren • RAID auf Chip Basis
• Block Remapping Verfahren • RAID 5 auf Array Basis
• Variable Stripe RAID auf Plane-Basis • Flash Module RAID 5
• RAID auf Die-Basis • SSD RAID 5
• Schwellwertkontrolle
Spiegelverfahren Wartbarkeit
• SSD‘s • HW unterbrechungsfreier Austausch
• PCIe Karten • µ-Code Update unterbrechungsfrei
• All Flash Arrays
14Single Chip Stack - Beispiel
One Chip: One plane is divided into 2.048 blocks:
RAID ECC
is divided into 8 dies: One block is divided into 64 pages:
ECC
RAID
One die is divided into4 4 planes: One page is divided into 8.192 bytes
RAID
15Single Chip Stack Beispiel 3 D - Chip Stack Beispiel
One Chip RAID „Three“ Chips
8 dies RAID 24 dies
32 planes RAID 96 planes
65.536 blocks ECC 196.608 blocks
4.194.304 pages 12.582.912 pages
ECC
16Flash Leistung Beispiel
Random IO Performance - Varying read-write Mix
Random 4KB Read/Write - FS 900 (90%), 34.56TB, 32 LUs
16 host to 16 storage 8Gb paths, AIX 7.1.2.15, PAWs 2.6 IO driver
5,00
100% rr
90% rr-- 10% rw
4,00 80% rr-- 20% rw
70% rr-- 30% rw
60% rr-- 40% rw
Response Time (ms)
50% rr-- 50% rw
3,00
40% rr -- 60% rw
30% rr -- 70% rw
20% rr -- 80% rw
10% rr -- 90% rw
2,00
100% rw
1,00
0,00
0 200.000 400.000 600.000 800.000 1.000.000 1.200.000
IOPS
Maximum read IOPS = 1.17 Million
17Flash Leistung Beispiel 18
Flash Leistung Beispiel
SPC 1 DS8880F
19SSD Optionen am Beispiel IBM
Standard MLC / 3D TLC
eMLC SSD Technologie Read Intensive SSD Technologie
- 400 GB - 1920 GB
- 800 GB - 3840 GB
- 1600 GB - 7680 GB
- 3200 GB - 15360 GB (3D TLC)
- 3D-Varianten 30 TB, 40 TB, 60 TB …
30.000 Schreibzyklen 3.000 / 1.000 – 5.000+ Schreibzyklen
850 µs 1-2 ms
20Auf was muss man bei SSD Spezifikationen achten? 21
Auf was muss man bei SSD Spezifikationen achten? 22
Auf was muss man bei SSD Spezifikationen achten? 23
Auf was muss man bei SSD Spezifikationen achten? 24
Auf was muss man bei SSD Spezifikationen achten? 25
Auf was muss man bei SSD Spezifikationen achten? 26
Leistungsklasse Flash
Kosten Flash Storage
90µs 2ms
Optimiert für IBM Flashcore, Flashkarten
höchste Leistung
und Zuverlässigkeit
DRAM General Purpose
L1 L2 .. LX Enterprise
mit Focus auf SW +
Funktionen
Read Intensive
Optimiert für
Packaging,
max. Kapazitäten,
Stromverbrauch,
1 Sek
Kosten 1.5h
12 Tage
Disksysteme
1ns 500ns 1000ns
1µs 500µs 1000µs
1ms
Antwortzeiten
27SCM (Storage Class Memories) vs existierender Technologien
Cost
SRAM
NOR FLASH DRAM
NAND FLASH
HDD
STORAGE
CLASS
MEMORY
SCM Technologien: Performance
PC-RAM (Phase Change), MRAM (Magnetic RAM), FeRAM (Ferroelectric RAM)
Solid Electrolyte RAM, RRAM (Resitive RAM), STM-RAM, Racetrack Memories
28PCM Phase Change Memories (Phasenwechselspeicher)
Phase change memory cell
Phase change memory chip
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 c-PCM
• Gruppe der Glaschalkogenide
• Write Latency im ns-Bereich
• miniaturisierbar auf 4 nm
a-PCM
Blütezeit ab 2017 (SSD‘s, Smartphones, Speicherkarten, USB)
29PCM Phase Change Memories
Memory Storage
Cost per Bit DRAM PCM
$10/GB
NAND Latenzzeit: viel schneller als
$1/GB
C- Flash (100’s ns vs. 100’s µs)
4
Read / Write DRAM
PCM NAND Haltbarkeit Schreibzyklen:
Latency 50 ns 40 / 2500 us 10,000 x Flash
Kosten: anfangs höher, später
Cell DRAM PCM NAND
Endurance 104 writes
vergleichbar mit Flash oder
1015 writes
günstiger
Data DRAM PCM NAND Strahlungsarm, Strom-
Retention NA - Refresh 0.2 to 1 yrs unabhängig, Direktzugriff
Power per DRAM
Extrem skalierbar
PCM NAND
GB 2 W/GB 0.5 W/GB
Bandwidth DRAM PCM NAND
10 GB/sec 250 MB/secLeistungsklasse „PCM“
Kosten
DRAM PCM
L1 L2 .. LX Flashspeicher
Disksysteme
1ns 500ns 1000ns
1µs 500µs 1000µs
1ms
Antwortzeiten
31STM-RAM (Spin Torque Magnetic RAM)
Schreiben der Speicherzelle
Peter Grünberg Institut
..(Forschungszentrum Jülich)
Logische Weiterentwicklung GMR-Effekt
..und MRAM-Technologie Logisch “Null“ Logisch “Eins“
Nanometer Sandwiches 50 x 50 nm
elektrischer Impuls für
...Spinausrichtungsänderung (Schreiben) Lesen der Speicherzelle
Strukturverkleinerungen notwendig
höhere Leistungsfähigkeit
Herstellkosten
heute Einsatz in der Raumfahrt
Massenfertigung für breites Anwenderfeld
32Leistungsklasse „STM-RAM“
Kosten
DRAM PCM
L1 L2 .. LX Flashspeicher
STM-RAM
Disksysteme
1ns 500ns 1000ns
1µs 500µs 1000µs
1ms
Antwortzeiten
33Racetrack
Umsetzung des GMR Effekts
Ohne ihn wären die heutigen
....Festplattenkapazitäten nicht
....möglich!
Jetzt schreibt er Geschichte!
Racetrack Memories werden .. .
…die Welt verändern!
Prototyp Racetrack 1.0 Stuart Parkin, IBM Fellow
IBM ResearchRacetrack 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
....FestplattenEr hat die Freude verdient ....
Stuart Parkin
Juli 2009:
IUPAP-Award
(International Union of Pure and
Applied Physics-magnetism)
Louis Neel Medaille
May 2014:
Millenium Technology Award HelsinkiLeistungsklasse „Racetrack“
Kosten
DRAM PCM
L1 L2 .. LX Flashspeicher
STM-RAM
Racetrack Disksysteme
1ns 500ns 1000ns
1µs 500µs 1000µs
1ms
Antwortzeiten
37Faktoren Kapazitätsentwicklungspotential vs. Flash heute (mit 3D)
Flash 1 20
e PCM 4 40
STM-RAM 10 60
Racetrack 60 1000
38Halbleiterspeicher Technologie Entwicklungen
2015 2017 2019 2021 Neue
Nano-
Technologien
DRAM DRAM DRAM DRAM
e PCM e PCM e PCM
Flash SLC STM-RAM STM-RAM
Flash eMLC Flash eMLC
Flash MLC Flash MLC Flash 3D TLC Racetrack
Flash TLC Flash TLC
Disk Disk
Tape Tape Tape Tape
39Neuordnung der Speicherhierarchie
Logik Memory Aktiver Speicher Archiv
1980 CPU RAM DISK TAPE
2015 CPU RAM FLASH DISK TAPE
FC, SATA, SAS
+ 2018 CPU RAM PCM 3D FLASH DISK
TAPEThe Changing Language of Storage
Old Style of Storage New Style of Storage
Hardware defined Software defined
On Prem Hybrid-Cloud
HDD-centric Flash-centric
Scale-up Scale-out
Gigabytes and Terabytes Petabytes and Exabytes
LUNs, Volumes, File Systems APIs and Objects
Manual Administration Automation and Self-Service
41Fragen ?
infrastructure matters
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