Cerabyte Ceramic Nano Memory

Cerabyte entwickelt Ceramic Nano Memory, eine Datenspeichertechnologie mit einer extrem haltbaren, aufgesputterten Keramik-Nanoschicht mit einem breiten Absorptionsspektrum, einer „grauen Keramik“, die ultraschnelles Schreiben ermöglicht. Die Keramik wird auf beiden Seiten eines flexiblen, ultradünnen, planaren Substrats aufgetragen. Die Datenträger sind 100µm dick und die keramische Datenschicht etwa 50 nm.

Diese Substrate und die Beschichtung mit Keramik-Nanoschichten nutzen die vorhandenen Produktionskapazitäten für Displayglas. Das Unternehmen geht davon aus, dass es bis zum Ende dieses Jahrzehnts Medienbeschaffungskosten erreichen wird, die deutlich unter denen der derzeitigen Mainstream-Medien liegen.

Der Schreibvorgang erfolgt mit ultrakurzen Laserimpulsen in Kombination mit handelsüblichen digitalen Spiegelvorrichtungen (DMD), die häufig in Videoprojektoren und Head-up-Displays verwendet werden. Die Kombination aus Laser und DMD erzeugt eine Laserstrahlmatrix, die die Keramik-Nanoschicht dauerhaft abträgt und bis zu 2 Millionen Bits pro Impuls parallel mit hohen Wiederholungsraten im kHz-Bereich schreibt. Dies ermöglicht zukünftige Schreibgeschwindigkeiten von über 1 GB/s bei einer durchschnittlichen Leistung von weniger als 1 W, was 3-4 Mal schneller ist als LTO-Band- oder HDD-Technologie.

Der Lesevorgang verwendet dieselbe Mikroskopoptik, Hochgeschwindigkeitsbeleuchtung und einen ultraschnellen hochauflösenden Bildsensor mit mehr als 500 Bildern pro Sekunde. Die Dekodierung dieser Bilddaten in digitale Daten erfolgt dann durch parallele Verarbeitung über FPGA (Field Programmable Gate Array), wodurch Lesegeschwindigkeiten von mehr als 1 GB/s erreicht werden, was wiederum die Leistung von Festplatten bei weitem übertrifft.

Sowohl das Lesen als auch das Schreiben erfolgen über das Substrat, indem die Mikroskopoptik mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-XY-Tischen gescannt wird, die mit einem piezogesteuerten Autofokussystem im Fokus gehalten werden. Diese Anordnung ermöglicht einen wahlfreien Zugriff.

Mehrere 9 cm x 9 cm große Cerabyte-Blätter werden in einzelnen Kassetten gestapelt, um das Speichervolumen zu minimieren. Cerabyte verwendet den externen Formfaktor gängiger Magnetbandkassetten, während Medien im Direktzugriff abgerufen werden können, wodurch die Zeit bis zum ersten Byte im Vergleich zu LTO-Bändern deutlich verkürzt wird.

Cerabyte verwendet eine handelsübliche Bibliothekseinheit mit einer Remote-Write-Architektur. Die Bibliothek lokalisiert und ruft die Kassette ab, entlädt und entstapelt dann die Substrate, um das adressierte Substrat in der optischen Einheit zu positionieren.

Das Cerabyte-Prototyp-System mit einer einzigen Schreib- und Leseeinheit erreicht Schreib-/Lesegeschwindigkeiten von 5 MB/s. Das erste Demo-System für Archivierungskunden soll 2025 für Remote-Tests mit Schreib-/Lesegeschwindigkeiten von 100 MB/s und einer Kapazität von 1 PB/Rack mit bis zu 10 Roboter-Bibliotheksracks verfügbar sein. Im Jahr 2027 wird ein 20-Rack-System für Cloud-Rechenzentren mit Schreib-/Lesegeschwindigkeiten von 1 GB/s und einer Kapazität von 10 PB/Rack auf den Markt kommen, die im Laufe der Zeit steigen und bis zum Ende des Jahrzehnts Kapazitäten erreichen werden, die für Hyperscaler attraktiv sind.

Die visionäre Roadmap sieht den Einsatz einer Hochgeschwindigkeits-Partikelstrahlmatrix nach 2030 vor, die die Nanobeschichtungsgröße erheblich verringern und Speicherkapazitäten im Exabyte-Bereich erreichen wird, während gleichzeitig die Schreib- und Lesegeschwindigkeiten deutlich gesteigert werden.

Die Roadmap wird durch ein umfassendes Portfolio an geistigem Eigentum (IP) gestützt, das eine umfangreiche Sammlung internationaler Patente und Patentanmeldungen umfasst, die Speichermedien, Schreib-/Lesegeräte und hochdichte Matrixformate abdecken und das Engagement des Unternehmens für technologische Führerschaft und Innovation im Bereich der Cold-Data-Speicherung untermauern.

Cerabyte is developing Ceramic Nano Memory, a data storage technology featuring a sputtered deposited extremely durable ceramic nano layer with a broad absorption spectrum, a “grey ceramic”, which allows ultra-fast write. The ceramic is deposited on both sides of a flexible ultra-thin planar substrate.  The data carriers are 100 µm thick and the ceramic data layer is approximately 50 nm.

These substrates and the coating a ceramic nano layers leverage existing display glass production capacities. The company expects to achieve media acquisition cost significantly below current mainstream media by the end of this decade.

The writing process is using ultra-short laser pulses in combination with off the shelf digital mirror devices (DMD) which is commonly used in video projectors and head-up displays. The combination of the laser with a DMD generates a laser beam matrix which permanently ablates the ceramic nano-layer and writes up to 2 million bits per pulse in parallel at high repetition-rates in the kHz range. This enables future writing speeds of 1+ GB/s with less than 1 W average power which is 3-4 times faster compared to LTO tape or HDD technology.

The reading process uses the same microscope optic, high-speed illumination and an ultra-fast high-resolution image sensor with 500+ frames per second. The decoding of these image data into digital data is then performed by parallel processing via FPGA (Field Programmable Gate Array) thus enabling reading speeds of 1+ GB/s, again outperforming HDDs by far.

Both reading and writing are carried out across the substrate by scanning the microscope optics using high-speed XY stages kept in focus using a piezo driven auto focus system. This setup allows random access.

Multiple 9 cm by 9 cm Cerabyte sheets are stacked in individual cartridges to minimize volumetric storage volume. Cerabyte uses the external form factor of common magnetic tape cartridges, while media can be retrieved in a random-access regime achieving much shorter time to first byte compared to LTO tape.

Cerabyte employs a commercially available library unit utilizing a remote write architecture. The library will locate and retrieve the cartridge, then unload and unstack the substrates for positioning the addressed substrate in the optical unit.

The Cerabyte prototype system with a single write & read head unit achieves 5 MB/s write/read speeds. The first demo system for archiving customers is scheduled to be available for remote testing in 2025 with 100 MB/s write/read speeds and a capacity of 1 PB/rack with up to 10 robotic library racks. In 2027 a 20 rack system for cloud data centers will be launched with 1 GB/s write/read speeds and a capacity of 10 PB/rack, which increase over time and will achieve capacities attractive for hyperscalers by end of the decade.

The visionary roadmap foresees the usage of high-speed particle beam matrix beyond 2030, which will significantly decrease the nano-layer size reaching storage capacities in the Exabyte range while boosting writing and reading speeds significantly.

The roadmap is strengthened by a comprehensive intellectual property (IP) portfolio, comprising an extensive collection of international patents and patent applications covering storage media, writing/reading devices and high-density matrix formats underpin the company’s commitment to technological leadership and innovation of cold data storage.