2023设备和系统海量数据存储技术路线IEEE技术路线图：SSD、硬盘、磁带、光盘和DNA存储

viii 磁带 1 2DNA 图.............................................................................................................13关键问题 议.........................................................................................................16其他新兴固态存储器技术 FeRAM).............................................................................................17磁阻RAM RAM(RRAM或 存......................................................................................................24 议.............................................................................................27ComputeExpressLink(CXL).............................................................................................................28硬盘驱动器(HDD)技术. 题.....................................................................................................................31制造设备.....................................................................................................................................31制造流程. 图......................................................................................................................37 争....................................................................................................40技术需求研究开发实施 议.............................................................................................43叠瓦式磁记录 储.........................................................................................................................69情况分析 题）.................................................................................................74现有媒体 89 图）.......................................................................................89 93 100 101 102DNA数据 109DNA（ 112读取DNA（ 图5.SSD每GBɌ均售价历 图12.原始存储Ɍ均零售价格与时间 图18.基于压电的头部微执行器示例 图22.叠瓦记录和磁头磁性 图23.WesternDigital‑22TB和Seagate‑20TB密封氦气硬 带。 图49.piqlFilm 图53. 图55.SonyPetaSite库系统 图64.Cerabyte企业归档系统产品路线图

5

722022IARPADNADavidMMarkowitz 带......................................................................................................................63表5 格........................................................................................................86表9.SonyPetaSite库系统规格 89表11.光学海量数据存储技术路线图–BDXLArchivalDisc Hoyt 安永/DNA数据存储联NANDPCMCIA（PCNAND不如它们提供的某些重要属性重要。5PB/ft2ɌDNA计人员寻找新的存储技术TCO1bit/nm3盒里的数据中心力更句TCO。理由预计5‑10年DNA数据存储生态系统的道路将逐渐清晰。NAND取代了现有的存储介质NAND拓了新市场IRDSNVM路线图：PCMCIA（PCNAND12013年2022年NAND2023年的预测收入。(PDA)NAND）2023年的预估出货量。HDD专门针对这个市场的SSD外形尺寸的开发表明了这一点。L3性存储器NANDHDD易失性存储器

GB

SSDSSDHDDB量SSDHDDSSDHDDBNANDHDD32BNAND332B3SSDNANDSSDOHDD。设备和设备和系统HDD的数据访问HDDHDD5SSDGBɌSSDSSDSanDiskNANDSSDNANDDRAM图目前已不再使用2DɌ面工艺进行开发。岁（15nm不再可行MLC（2128Gbits。NANDNAND7NANDNAND3D闪存市场的90%以上。3D分NAND市场。3DNAND3DNAND增加芯片层数3DNAND24‑36100SK3D3D）NANDLDPCECC(SLC)(MLC)(TLC)(QLC)(PLC)PLCTLCTLC3DNAND3kQLCPLC理SSDB（）的SSDNAND相比之下5100JEDEC（联合电子设备工程委员会发布了一系列规范NAND漏足。NAND度下运行150ºC的存储温度。NANDNANDP） （薄层色谱）（薄层色谱）（薄层色谱 （薄层色谱+）（薄层色谱Ɍ 不适 3D32‑4864‑96 200 200 面2DNANDNAND3D03年03DNANDC3DNANDC15nm2D23QLC）PLC）3D3DNAND5.520‑128GB）DRAMHDD将使NAND闪存技术至少在未来十年继续主导非易失性存储器市场。B的NAND年%2年NANDCMLC2DC于0C3DNANDCNAND3DNAND能耗也很重要HDD的每GB成本仍然较低）ReRA（）SRAMFRA（RAM并且已投入量DRAMNAND律”5量。0.700.49DRAM）ES3DNANDNAND0SRAM较慢的SRAM缓存。FeRAMCoughlinAnalysis2023“S“1S力FRAMFRAMFRAMFRAMFRAMɌ磁阻RAM自年代中期以来磁各向异性（RAMMeRAM）正在考虑作为未来应用的更快MRAM射不1Gb(STT‑MRAM)可用。RMRAMRISRAMMRAMPRAM）ReRAM“1OvonyxOUMOvonicUnifiedMemory三星和BAE是最引人注目的公司行未公开的研究。OvonyxOUM结构有望产生比FRAM更小的有效单元尺寸。PCMPCMOptane）。（PMCm“CBRAM（RAM使用这项技术来创建用于产品验证的物理不可克隆功能(PUF)芯片。SemiconductorHPEMachine2015TheDRAMReRAM行了对比PMCmFRAMReRAM3‑150.03-5103‑51‑100 1.5-ReRAMFerro（100%）“SCM”（NVM(JEDECɌSCM（将在下文详细讨论）年Optane（英特尔的名称上市。PCMXPoint给德州仪器2022年7月下旬Optane部门。3D2021XPoint2022年Optane部门。3D3D3D为DRAMɌ衡。OptaneOptaneCXL力SMRAM或ReRAMC量力。3Dt3Dt它使用三种协议PCIe的块输入/输出协议(CXL.io)(CXL.cache)和设备内存(CXL.mem)CXLCXL20193里巴巴集团EMCMeta(HPE)OpenCAPIGen‑ZOpenCAPICCIX署了一份意向书CCIXCXL2023年底CXLI/O行业焦点。CXLCXLCXLCXL1.0/1/1/2.0PCIe5.0x16x8x432GT/s64GB/sNIC）设备需要对主机CPU内存进行一致访问。ASIC或FPGA）。类型3（使用CXL.io和CXL.mem） DRAM理速度的非易失性存储类内存在这里会更合适。HDD）HDD）12）HDDHAMR（INSIC有挑战性13（HGA资料来源：Naniwa,I.Sato,K.Nakamura等人，MicrosystTechnol15,1619–1627Resonac购买所有磁头。图16行（Nidec唯一的独立磁头供应商是一家日中合资企业（TDK/SAE）TDKHeadway/SAE已经具备了批量生产先进磁阻磁头的条件ShowaDenko（Resonac）些进展包括160Gb/cm2（1,000Gb/in21Tb/in2密度的磁头SMR（（TDMR技术将需要采用新工艺和新材料的HDD设计。（料5R（16aTE（（16b）17(aTMR(PM)(SAF(AFM(bTMR表面(ABS)视图 3(HDD

英 3.5

3.5

（男TB（Ɍ均4.2-4.2-4.2-4.5-4.5-4.5-

力

TDMRePMRHAMRSMR

力面密度路线图显示2022年至2035年的复合年增长率为20%。SSDSSD）封的氦气驱动器（包括许多数据中心和企业硬盘可将空闲功耗降低20%以上。HDD））A‑Star(ASTC)(NIST10%（=B的O一个相关问题I/O(IOPS)（即访问密度正在下降。问密度反过来会转化为$/TB问题。磁盘是一种输入或输出操作Seagate(Armorcache)OptiNANDdB以来自通道更好的通道更好的读取器和写入器SNR以及更好的介质都有助于提高面密度（从而增加处理能力）TMR（隧道磁阻（更小的晶粒更SNR2.4料的极限。HAMR(HDMRHDMRHAMRHDD用R5BHDD0TBpsi20%22年3在2（比3在HDD年）。为了实现这一点HDD架构需要特殊的算法（描述数据的数据）2022年25SMRSMRHDDWDC噪音更小2013尽管取得了这些进展(a)需要(AD)(b)的面密度24显示了说明HAMR写入过程的草图。NFT示意图26显示了将激光器内置到磁头本身的方法。具即可年HAMR2023年开始批量出货这些硬盘。IEEEMag.2006BPIBPIMAMRZhuIEEE4032008092014MAMRMAMRHDD量（28）图29TDMRTMRC2015读取头的复杂性逐渐增加更复杂的数据编码和密度·通过多个读取元件（参见图30或多次自旋读取多个相邻轨道(ITI)不同线性密度(LD)和轨道密度(TD)点能够产生更高的AD和更好的读取性能TDMR产品由Seagate于2017年HDD型号。HDMR为高级研究10年后引入批量生产。图SAOP和Izumi4751‑54SNRIBM以将其用作重新利用的FDE驱动器（新密钥或进行处理。解决方案所需的一层密钥管理FDE功能。FDE）FDE（下载地址：https://）2E2883‑2022EAMRTS1170(ECC)35(a332(b)332(CR32(R01‑R322S2)W32的预放大和滤波ECCASICASIC的成本。(LTFS)单磁带行为LTFSRESTfulAPI力力”32(TDS)TDSTDS并提高磁道跟随精度IBM括索尼和富士胶片IBM的TS11xx磁带驱动器制造介质HPEIBM和QuantumTPC（技术提供商公司LTOHPEIBMQuantumSpectraLogicTandbergG0的（HDD8%[1]27PB10CO2e量(OCPBryceCanyonHDD行了比较96%14%202564%37LTO‑9（LinearTapeOpenGeneration9TS1170更高的最大本机容量TS4500量877PB而不417PB（请注意LTOTS4500LTO以便于快速部署IBM最近推出的Diamondback库就是一个例子[3]。更短的时间内更(OCP)机架占用相同的空间LTO9技术在单个8Ɍ方英尺（0.7Ɍ方米的占地面积内提供高达69.5PB的压缩容量。磁带存储的另一个最新趋势是支持磁带对象存储SpectraLogicBlackPearlS3quantumActiveScaleColdStorage它为具有通用名称空间S3实现对象存储[5]OTFormat[6]写入磁带更多IBMS3开源计划使用磁带后端（OpenStackSwiftHLM（高延迟媒体）实现对象存储[7]。（a（aIBM（bSpectraLTOLTO‑9。2.5:1MB/sLTO‑9IBMTBMB/sGb/in2TS1170BaFeLTO‑7BaFeMP力受到薄玻璃涂层的需求限制MP术的最小颗粒尺寸限制在约3000nm3与Pe和e9和IBM0e0e与e力LTOTS1160TS1170更稳定但也更昂贵的芳族聚酰胺基基板BaFeSrFeLTO路线图没有提供时间表LTO代大约每2.5年发布一次4预计到2031年32%27%HHFHHHFHHH*FHHH*FHHH*FHHH*FHHH*FHHH*FHHH*FHHH*FHHH* Perp。增强型Perp

ε‑FeO=ε

EAMR量辅助磁记录2017IBMIBMGb/in2[11]。式容量更2022年CoPtCr‑SiO2CoPtCrB400Gb/in2[12]。图39.LTO联盟路线图LTO计划IBM的进步TDS补偿可达到类似的精度水Ɍ提供了一些信心。迁移和调用的性能（包括虚拟磁带通过将访问速度更快的存储（HDD与磁带存储系统EB过去十年量保持了每年30‑40道磁阻磁头的结合ECC年Acilla20222022Gateway”2022Archive”2022“OTFormat2022123httpsMedia20222022(INSIC20192022123IEEEMagn.2018 IEEE577DOI10.1109TMAG.2021.30768684

，LTOCD1985（CD‑DA）1988DVDCD/DVDUDOGB4K前的水Ɍ42[5RRWRRWRAMRE（F[11]NAND的SSD落SSD[12][18][19]/TB[20]20年iii TB塔佩 HDD0年0介质保护漏洞不受电磁脉冲(EMP)和水浸的影响。PB不到整个存储市场的1%的一半。随着音乐量的要求不断提高CDDVD2014而实现了档案光盘技术容量的显著提升PRMLVerbatim不是传统的无机材料溅射工艺。[21]98%4层的制造产量6总结了一些当前和新颖的光学产品和技术。表GB（MB/秒 xiBDXL（预计405nm100405BDXL的BD层而不增加其面密度来实现的FolioPhotonics驱动器也支持BD光盘。7%1TB5周后仍可读取不具有磁性不受地磁事件和其他电磁脉冲(EMP)源的影响。1B量1B7piqlFilm年之久piqIFilmPiqlASRuneBjerkestrandpiqlFilm51）PiqlpiqlWriter40MB/spiqlFilm检索数据需要：）‧）‧））‧Piql）piqlReader或每秒12个数据帧。Piql）piqlVaultpiqlFilmPiqlGitHub行也是土层的安全保险库中北极世界档案馆等寒冷ɋ燥的气候下储存2000年。了AmethystumZLBDXL光学存储系统的规格。 口Ɍ PBI/O‑18GB5.5TB375MB187.5M（3Gbps1.5Gbps）ODSL60E56Freeze‑rayLB‑DH6（左LB‑DH7（右数据存档系统。56Freeze‑rayLB‑DH6（左LB‑DH7（右数据存档系统。

（3.19PB

3TB（AD）1.2T（BD）

直流+24V(AD量500GB6TB12LTOLFFHDD容量HDDLTO年每张光盘的容量6TTFB料）

进料FolioFolio此类光盘（58）[53]。59所示[56]。FolioFolio8800GB1TB更1111BDXLFolio11BDXLFolio202720332035数千个（或更多介质中Group47Cerabyte122维图像分析进行Piql商业化用于数据保存不那么严格605D背景后的双折射图像(10μmx10μmd(c量延迟和方位角的极坐标图60](DOTS)EMP读的图像DOTS2002000年‑9°C66°C[64]。1.2TBCerabyte()2020[67陶瓷沉积在柔性超薄Ɍ面基板的两侧100µm[6810µm[692030年TB1(DMD)GB/sɌCerabyte(CeramicDataSolutionsHoldingGmbH行ChristianPflaumXYFPGA如图

图采用商用库单元500MB/s5PB/机架1019202510‑30PBGB/s+1PB90

5PB距第一个比特不到30秒

距第一个比特不到15秒

10[71]潜力[77]，[78]。高3D85TBLHDDHDD力力对整个数据存储行业来说 “IFPI全球音乐报告2023”IFPIhttps:///（2020年9月1日访问 “IFPI全球音乐报告2023”IFPIhttps:///（2020年9月1日访问 2023/web/20150518082128/http:/5eshs.hpdst.gr/abstracts/139“理中“独特信息载体2015‑05‑18原件存档。 122212322018doi10.1021/ “美国销售数据库”RIAAhttps/us‑sales‑database/（2022121 WhittenDVDyears.html（2022年12月1日访问 MSiegler杀死CDTechCrunch/2010/10/20/a‑compact‑death（2022年12月1日访问） Statt月1日访问） 月 WhittenDVDCNBCyears.html（2022121 standards/standards/ecma‑167/（20239月1日访问） Walter挤进更多的数据。”https:///article/kryders‑law/（2023 optical_technology/index.html（2022年12月1日访问） optical_technology/index.html（2022年12月1日访问）年年月 archiver/pdf/E_WhitePaper_ArchivalDisc_2nd_Edition.pdf（2022121）年月年年月日访问 Moore （2022121 “格式规范‑R3格式规范(BDXL™)。https://blu‑/format‑spec/r3‑spec.php（2022年1日访问） ） LillyHotHardwarenews/pioneer‑optical‑disc‑drive‑pc（2022121）（2022121年月

archiver/pdf/E_WhitePaper_ArchivalDisc_2nd_Edition.pdf（2022121）年月日访问年月年月日访问

photos‑film‑537562（2022121）（2022121://A

ICEBOX Smolaks）

“第三代光盘档案库”SonyProhttps://pro.sony/ “第三代光盘档案库”SonyProhttps://pro.sony/

“第三代光盘档案库”SonyProhttps://pro.sony/://年12月1日访问）年12月1日访问）/cns/archiver/product/#Outline（2022年12月1日访问） Y.QinJ.‑G.Zhu，用卷积神经网络TDMRɋ扰”，IEEETransactionsonMagnetics572 MellorFolioBlocks YTanakaTOgataSImagawa，于使用带有单独引导层的多层磁盘虚拟轨道的解耦直接跟踪控制系统”，JpnJApplPhys5409MB03，20158YTanakaTOgataSImagawa，“基于使用带有单独引导层的多层磁盘虚拟轨道的解耦直接跟踪控制系统”，JpnJApplPhys5409MB03，20158M.OgasawaraK.TakahashiM.NakanoM.InoueA.Kosuda和T.Kikukawa，“带有分离引导层的16层一次写入光盘”，Jpn.J.Appl.Phys.50 ://年月日访问 16(4)2022doilpor.202100563:// 47 美国专利US9,208,813B2US9,508,376B2US9,640,214B2US10,033,961B2US10,067,697 47WO2021028035WO2022033800WO2022194354 capacity‑type（202391） MillerI