2023設(shè)備和系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)路線IEEE技術(shù)路線圖：SSD、硬盤、磁帶、光盤和DNA存儲(chǔ)

viii 磁帶 1 2DNA 圖.............................................................................................................13關(guān)鍵問(wèn)題 議.........................................................................................................16其他新興固態(tài)存儲(chǔ)器技術(shù) FeRAM).............................................................................................17磁阻RAM RAM(RRAM或 存......................................................................................................24 議.............................................................................................27ComputeExpressLink(CXL).............................................................................................................28硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)技術(shù). 題.....................................................................................................................31制造設(shè)備.....................................................................................................................................31制造流程. 圖......................................................................................................................37 爭(zhēng)....................................................................................................40技術(shù)需求研究開(kāi)發(fā)實(shí)施 議.............................................................................................43疊瓦式磁記錄 儲(chǔ).........................................................................................................................69情況分析 題）.................................................................................................74現(xiàn)有媒體 89 圖）.......................................................................................89 93 100 101 102DNA數(shù)據(jù) 109DNA（ 112讀取DNA（ 圖5.SSD每GB?均售價(jià)歷 圖12.原始存儲(chǔ)?均零售價(jià)格與時(shí)間 圖18.基于壓電的頭部微執(zhí)行器示例 圖22.疊瓦記錄和磁頭磁性 圖23.WesternDigital?22TB和Seagate?20TB密封氦氣硬 帶。 圖49.piqlFilm 圖53. 圖55.SonyPetaSite庫(kù)系統(tǒng) 圖64.Cerabyte企業(yè)歸檔系統(tǒng)產(chǎn)品路線圖

5

722022IARPADNADavidMMarkowitz 帶......................................................................................................................63表5 格........................................................................................................86表9.SonyPetaSite庫(kù)系統(tǒng)規(guī)格 89表11.光學(xué)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)路線圖–BDXLArchivalDisc Hoyt 安永/DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)聯(lián)NANDPCMCIA（PCNAND不如它們提供的某些重要屬性重要。5PB/ft2?DNA計(jì)人員尋找新的存儲(chǔ)技術(shù)TCO1bit/nm3盒里的數(shù)據(jù)中心力更句TCO。理由預(yù)計(jì)5?10年DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)生態(tài)系統(tǒng)的道路將逐漸清晰。NAND取代了現(xiàn)有的存儲(chǔ)介質(zhì)NAND拓了新市場(chǎng)IRDSNVM路線圖：PCMCIA（PCNAND12013年2022年NAND2023年的預(yù)測(cè)收入。(PDA)NAND）2023年的預(yù)估出貨量。HDD專門針對(duì)這個(gè)市場(chǎng)的SSD外形尺寸的開(kāi)發(fā)表明了這一點(diǎn)。L3性存儲(chǔ)器NANDHDD易失性存儲(chǔ)器

GB

SSDSSDHDDB量SSDHDDSSDHDDBNANDHDD32BNAND332B3SSDNANDSSDOHDD。設(shè)備和設(shè)備和系統(tǒng)HDD的數(shù)據(jù)訪問(wèn)HDDHDD5SSDGB?SSDSSDSanDiskNANDSSDNANDDRAM圖目前已不再使用2D?面工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)。歲（15nm不再可行MLC（2128Gbits。NANDNAND7NANDNAND3D閃存市場(chǎng)的90%以上。3D分NAND市場(chǎng)。3DNAND3DNAND增加芯片層數(shù)3DNAND24?36100SK3D3D）NANDLDPCECC(SLC)(MLC)(TLC)(QLC)(PLC)PLCTLCTLC3DNAND3kQLCPLC理SSDB（）的SSDNAND相比之下5100JEDEC（聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì)發(fā)布了一系列規(guī)范NAND漏足。NAND度下運(yùn)行150oC的存儲(chǔ)溫度。NANDNANDP） （薄層色譜）（薄層色譜）（薄層色譜 （薄層色譜+）（薄層色譜? 不適 3D32?4864?96 200 200 面2DNANDNAND3D03年03DNANDC3DNANDC15nm2D23QLC）PLC）3D3DNAND5.520?128GB）DRAMHDD將使NAND閃存技術(shù)至少在未來(lái)十年繼續(xù)主導(dǎo)非易失性存儲(chǔ)器市場(chǎng)。B的NAND年%2年NANDCMLC2DC于0C3DNANDCNAND3DNAND能耗也很重要HDD的每GB成本仍然較低）ReRA（）SRAMFRA（RAM并且已投入量DRAMNAND律”5量。0.700.49DRAM）ES3DNANDNAND0SRAM較慢的SRAM緩存。FeRAMCoughlinAnalysis2023“S“1S力FRAMFRAMFRAMFRAMFRAM?磁阻RAM自年代中期以來(lái)磁各向異性（RAMMeRAM）正在考慮作為未來(lái)應(yīng)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開(kāi)的研究。OvonyxOUM結(jié)構(gòu)有望產(chǎn)生比FRAM更小的有效單元尺寸。PCMPCMOptane）。（PMCm“CBRAM（RAM使用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)創(chuàng)建用于產(chǎn)品驗(yàn)證的物理不可克隆功能(PUF)芯片。SemiconductorHPEMachine2015TheDRAMReRAM行了對(duì)比PMCmFRAMReRAM3?150.03-5103?51?100 1.5-ReRAMFerro（100%）“SCM”（NVM(JEDEC?SCM（將在下文詳細(xì)討論）年Optane（英特爾的名稱上市。PCMXPoint給德州儀器2022年7月下旬Optane部門。3D2021XPoint2022年Optane部門。3D3D3D為DRAM?衡。OptaneOptaneCXL力SMRAM或ReRAMC量力。3Dt3Dt它使用三種協(xié)議PCIe的塊輸入/輸出協(xié)議(CXL.io)(CXL.cache)和設(shè)備內(nèi)存(CXL.mem)CXLCXL20193里巴巴集團(tuán)EMCMeta(HPE)OpenCAPIGen?ZOpenCAPICCIX署了一份意向書(shū)CCIXCXL2023年底CXLI/O行業(yè)焦點(diǎn)。CXLCXLCXLCXL1.0/1/1/2.0PCIe5.0x16x8x432GT/s64GB/sNIC）設(shè)備需要對(duì)主機(jī)CPU內(nèi)存進(jìn)行一致訪問(wèn)。ASIC或FPGA）。類型3（使用CXL.io和CXL.mem） DRAM理速度的非易失性存儲(chǔ)類內(nèi)存在這里會(huì)更合適。HDD）HDD）12）HDDHAMR（INSIC有挑戰(zhàn)性13（HGA資料來(lái)源：Naniwa,I.Sato,K.Nakamura等人，MicrosystTechnol15,1619–1627Resonac購(gòu)買所有磁頭。圖16行（Nidec唯一的獨(dú)立磁頭供應(yīng)商是一家日中合資企業(yè)（TDK/SAE）TDKHeadway/SAE已經(jīng)具備了批量生產(chǎn)先進(jìn)磁阻磁頭的條件ShowaDenko（Resonac）些進(jìn)展包括160Gb/cm2（1,000Gb/in21Tb/in2密度的磁頭SMR（（TDMR技術(shù)將需要采用新工藝和新材料的HDD設(shè)計(jì)。（料5R（16aTE（（16b）17(aTMR(PM)(SAF(AFM(bTMR表面(ABS)視圖 3(HDD

英 3.5

3.5

（男TB（?均4.2-4.2-4.2-4.5-4.5-4.5-

力

TDMRePMRHAMRSMR

力面密度路線圖顯示2022年至2035年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為20%。SSDSSD）封的氦氣驅(qū)動(dòng)器（包括許多數(shù)據(jù)中心和企業(yè)硬盤可將空閑功耗降低20%以上。HDD））A?Star(ASTC)(NIST10%（=B的O一個(gè)相關(guān)問(wèn)題I/O(IOPS)（即訪問(wèn)密度正在下降。問(wèn)密度反過(guò)來(lái)會(huì)轉(zhuǎn)化為$/TB問(wèn)題。磁盤是一種輸入或輸出操作Seagate(Armorcache)OptiNANDdB以來(lái)自通道更好的通道更好的讀取器和寫入器SNR以及更好的介質(zhì)都有助于提高面密度（從而增加處理能力）TMR（隧道磁阻（更小的晶粒更SNR2.4料的極限。HAMR(HDMRHDMRHAMRHDD用R5BHDD0TBpsi20%22年3在2（比3在HDD年）。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)HDD架構(gòu)需要特殊的算法（描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)）2022年25SMRSMRHDDWDC噪音更小2013盡管取得了這些進(jìn)展(a)需要(AD)(b)的面密度24顯示了說(shuō)明HAMR寫入過(guò)程的草圖。NFT示意圖26顯示了將激光器內(nèi)置到磁頭本身的方法。具即可年HAMR2023年開(kāi)始批量出貨這些硬盤。IEEEMag.2006BPIBPIMAMRZhuIEEE4032008092014MAMRMAMRHDD量（28）圖29TDMRTMRC2015讀取頭的復(fù)雜性逐漸增加更復(fù)雜的數(shù)據(jù)編碼和密度·通過(guò)多個(gè)讀取元件（參見(jiàn)圖30或多次自旋讀取多個(gè)相鄰軌道(ITI)不同線性密度(LD)和軌道密度(TD)點(diǎn)能夠產(chǎn)生更高的AD和更好的讀取性能TDMR產(chǎn)品由Seagate于2017年HDD型號(hào)。HDMR為高級(jí)研究10年后引入批量生產(chǎn)。圖SAOP和Izumi4751?54SNRIBM以將其用作重新利用的FDE驅(qū)動(dòng)器（新密鑰或進(jìn)行處理。解決方案所需的一層密鑰管理FDE功能。FDE）FDE（下載地址：https://）2E2883?2022EAMRTS1170(ECC)35(a332(b)332(CR32(R01?R322S2)W32的預(yù)放大和濾波ECCASICASIC的成本。(LTFS)單磁帶行為L(zhǎng)TFSRESTfulAPI力力”32(TDS)TDSTDS并提高磁道跟隨精度IBM括索尼和富士膠片IBM的TS11xx磁帶驅(qū)動(dòng)器制造介質(zhì)HPEIBM和QuantumTPC（技術(shù)提供商公司LTOHPEIBMQuantumSpectraLogicTandbergG0的（HDD8%[1]27PB10CO2e量(OCPBryceCanyonHDD行了比較96%14%202564%37LTO?9（LinearTapeOpenGeneration9TS1170更高的最大本機(jī)容量TS4500量877PB而不417PB（請(qǐng)注意LTOTS4500LTO以便于快速部署IBM最近推出的Diamondback庫(kù)就是一個(gè)例子[3]。更短的時(shí)間內(nèi)更(OCP)機(jī)架占用相同的空間LTO9技術(shù)在單個(gè)8?方英尺（0.7?方米的占地面積內(nèi)提供高達(dá)69.5PB的壓縮容量。磁帶存儲(chǔ)的另一個(gè)最新趨勢(shì)是支持磁帶對(duì)象存儲(chǔ)SpectraLogicBlackPearlS3quantumActiveScaleColdStorage它為具有通用名稱空間S3實(shí)現(xiàn)對(duì)象存儲(chǔ)[5]OTFormat[6]寫入磁帶更多IBMS3開(kāi)源計(jì)劃使用磁帶后端（OpenStackSwiftHLM（高延遲媒體）實(shí)現(xiàn)對(duì)象存儲(chǔ)[7]。（a（aIBM（bSpectraLTOLTO?9。2.5:1MB/sLTO?9IBMTBMB/sGb/in2TS1170BaFeLTO?7BaFeMP力受到薄玻璃涂層的需求限制MP術(shù)的最小顆粒尺寸限制在約3000nm3與Pe和e9和IBM0e0e與e力LTOTS1160TS1170更穩(wěn)定但也更昂貴的芳族聚酰胺基基板BaFeSrFeLTO路線圖沒(méi)有提供時(shí)間表LTO代大約每2.5年發(fā)布一次4預(yù)計(jì)到2031年32%27%HHFHHHFHHH*FHHH*FHHH*FHHH*FHHH*FHHH*FHHH*FHHH*FHHH* Perp。增強(qiáng)型Perp

ε?FeO=ε

EAMR量輔助磁記錄2017IBMIBMGb/in2[11]。式容量更2022年CoPtCr?SiO2CoPtCrB400Gb/in2[12]。圖39.LTO聯(lián)盟路線圖LTO計(jì)劃IBM的進(jìn)步TDS補(bǔ)償可達(dá)到類似的精度水?提供了一些信心。遷移和調(diào)用的性能（包括虛擬磁帶通過(guò)將訪問(wèn)速度更快的存儲(chǔ)（HDD與磁帶存儲(chǔ)系統(tǒng)EB過(guò)去十年量保持了每年30?40道磁阻磁頭的結(jié)合ECC年Acilla20222022Gateway”2022Archive”2022“OTFormat2022123httpsMedia20222022(INSIC20192022123IEEEMagn.2018 IEEE577DOI10.1109TMAG.2021.30768684

，LTOCD1985（CD?DA）1988DVDCD/DVDUDOGB4K前的水?42[5RRWRRWRAMRE（F[11]NAND的SSD落SSD[12][18][19]/TB[20]20年iii TB塔佩 HDD0年0介質(zhì)保護(hù)漏洞不受電磁脈沖(EMP)和水浸的影響。PB不到整個(gè)存儲(chǔ)市場(chǎng)的1%的一半。隨著音樂(lè)量的要求不斷提高CDDVD2014而實(shí)現(xiàn)了檔案光盤技術(shù)容量的顯著提升PRMLVerbatim不是傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)材料濺射工藝。[21]98%4層的制造產(chǎn)量6總結(jié)了一些當(dāng)前和新穎的光學(xué)產(chǎn)品和技術(shù)。表GB（MB/秒 xiBDXL（預(yù)計(jì)405nm100405BDXL的BD層而不增加其面密度來(lái)實(shí)現(xiàn)的FolioPhotonics驅(qū)動(dòng)器也支持BD光盤。7%1TB5周后仍可讀取不具有磁性不受地磁事件和其他電磁脈沖(EMP)源的影響。1B量1B7piqlFilm年之久piqIFilmPiqlASRuneBjerkestrandpiqlFilm51）PiqlpiqlWriter40MB/spiqlFilm檢索數(shù)據(jù)需要：）?）?））?Piql）piqlReader或每秒12個(gè)數(shù)據(jù)幀。Piql）piqlVaultpiqlFilmPiqlGitHub行也是土層的安全保險(xiǎn)庫(kù)中北極世界檔案館等寒冷?燥的氣候下儲(chǔ)存2000年。了AmethystumZLBDXL光學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)的規(guī)格。 口? PBI/O?18GB5.5TB375MB187.5M（3Gbps1.5Gbps）ODSL60E56Freeze?rayLB?DH6（左LB?DH7（右數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)。56Freeze?rayLB?DH6（左LB?DH7（右數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)。

（3.19PB

3TB（AD）1.2T（BD）

直流+24V(AD量500GB6TB12LTOLFFHDD容量HDDLTO年每張光盤的容量6TTFB料）

進(jìn)料FolioFolio此類光盤（58）[53]。59所示[56]。FolioFolio8800GB1TB更1111BDXLFolio11BDXLFolio202720332035數(shù)千個(gè)（或更多介質(zhì)中Group47Cerabyte122維圖像分析進(jìn)行Piql商業(yè)化用于數(shù)據(jù)保存不那么嚴(yán)格605D背景后的雙折射圖像(10μmx10μmd(c量延遲和方位角的極坐標(biāo)圖60](DOTS)EMP讀的圖像DOTS2002000年?9°C66°C[64]。1.2TBCerabyte()2020[67陶瓷沉積在柔性超薄?面基板的兩側(cè)100μm[6810μm[692030年TB1(DMD)GB/s?Cerabyte(CeramicDataSolutionsHoldingGmbH行ChristianPflaumXYFPGA如圖

圖采用商用庫(kù)單元500MB/s5PB/機(jī)架1019202510?30PBGB/s+1PB90

5PB距第一個(gè)比特不到30秒

距第一個(gè)比特不到15秒

10[71]潛力[77]，[78]。高3D85TBLHDDHDD力力對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)行業(yè)來(lái)說(shuō) “IFPI全球音樂(lè)報(bào)告2023”IFPIhttps:///（2020年9月1日訪問(wèn) “IFPI全球音樂(lè)報(bào)告2023”IFPIhttps:///（2020年9月1日訪問(wèn) 2023/web/20150518082128/http:/5eshs.hpdst.gr/abstracts/139“理中“獨(dú)特信息載體2015?05?18原件存檔。 122212322018doi10.1021/ “美國(guó)銷售數(shù)據(jù)庫(kù)”RIAAhttps/us?sales?database/（2022121 WhittenDVDyears.html（2022年12月1日訪問(wèn) MSiegler殺死CDTechCrunch/2010/10/20/a?compact?death（2022年12月1日訪問(wèn)） Statt月1日訪問(wèn)） 月 WhittenDVDCNBCyears.html（2022121 standards/standards/ecma?167/（20239月1日訪問(wèn)） Walter擠進(jìn)更多的數(shù)據(jù)。”https:///article/kryders?law/（2023 optical_technology/index.html（2022年12月1日訪問(wèn)） optical_technology/index.html（2022年12月1日訪問(wèn)）年年月 archiver/pdf/E_WhitePaper_ArchivalDisc_2nd_Edition.pdf（2022121）年月年年月日訪問(wèn) Moore （2022121 “格式規(guī)范?R3格式規(guī)范(BDXL?)。https://blu?/format?spec/r3?spec.php（2022年1日訪問(wèn)） ） LillyHotHardwarenews/pioneer?optical?disc?drive?pc（2022121）（2022121年月

archiver/pdf/E_WhitePaper_ArchivalDisc_2nd_Edition.pdf（2022121）年月日訪問(wèn)年月年月日訪問(wèn)

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

ICEBOX Smolaks）

“第三代光盤檔案庫(kù)”SonyProhttps://pro.sony/ “第三代光盤檔案庫(kù)”SonyProhttps://pro.sony/

“第三代光盤檔案庫(kù)”SonyProhttps://pro.sony/://年12月1日訪問(wèn)）年12月1日訪問(wèn)）/cns/archiver/product/#Outline（2022年12月1日訪問(wèn)） Y.QinJ.?G.Zhu，用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)TDMR?擾”，IEEETransactionsonMagnetics572 MellorFolioBlocks YTanakaTOgataSImagawa，于使用帶有單獨(dú)引導(dǎo)層的多層磁盤虛擬軌道的解耦直接跟蹤控制系統(tǒng)”，JpnJApplPhys5409MB03，20158YTanakaTOgataSImagawa，“基于使用帶有單獨(dú)引導(dǎo)層的多層磁盤虛擬軌道的解耦直接跟蹤控制系統(tǒng)”，JpnJApplPhys5409MB03，20158M.OgasawaraK.TakahashiM.NakanoM.InoueA.Kosuda和T.Kikukawa，“帶有分離引導(dǎo)層的16層一次寫入光盤”，Jpn.J.Appl.Phys.50 ://年月日訪問(wèn) 16(4)2022doilpor.202100563:// 47 美國(guó)專利US9,208,813B2US9,508,376B2US9,640,214B2US10,033,961B2US10,067,697 47WO2021028035WO2022033800WO2022194354 capacity?type（202391） MillerI