Przyszłe technologie pamięci masowych

Badania nad fizycznymi, chemicznymi, biologicznymi i innymi, często egzotycznymi technologiami pamięci trwają już od dawna. Rozwój technologii twardych dysków nieco ostatnio zwolni), tym bardziej więc pożądane są wariantowe rozwiązania na przyszłość, omówimy więc obecny stan i perspektywy tych technologii.

Badania nad fizycznymi, chemicznymi, biologicznymi i innymi, często egzotycznymi technologiami pamięci trwają już od dawna. Rozwój technologii twardych dysków nieco ostatnio zwolni), tym bardziej więc pożądane są wariantowe rozwiązania na przyszłość, omówimy więc obecny stan i perspektywy tych technologii.

Wiele z nich wykazuje daleko idące podobieństwo, jednak prace trwają niezależnie w różnych krajach i w różnych firmach, często również oczekuje się innych efektów. Paleta rozwiązań jest bardzo bogata - od pakowania danych w molekułach, przez techniki nanomechaniczne, aż po technologie proteinowe, elektryczne, optyczne i magnetyczne.

Podstawy

Liniowy w zasadzie rozwój dotychczasowych magnetycznych twardych dysków powinien jeszcze doprowadzić do uzyskania gęstości zapisu rzędu Tb/cal<sup>2</sup>. Ponieważ z dzisiejszego punktu widzenia wymagałoby to bardzo skomplikowanych środków technicznych i dużych nakładów finansowych, trwają intensywne poszukiwania innych rozwiązań. Bada się najróżniejsze technologie magnetyczne, termomechaniczne, elektryczne, chemiczne i biologiczne. Na efekty trzeba będzie z pewnością poczekać jeszcze kilka lat. Często bywa, że za pomocą tych samych technik podstawowych bada się zupełnie różne procesy, a dopiero później okazuje się, który z nich ma sens ekonomiczny. Jednym z ważnych kryteriów oceny technologii pamięci jest to, czy nośnik zachowuje swoją zawartość po wyłączeniu zasilania. Przyjęty za minimum okres przechowywania danych bez podtrzymywania zasilania to dziesięć lat. To również wartość tzw. bariery superparamagnetycznej w pamięciach magnetycznych. Nie jest to ścisła wielkość fizyczna, a jedynie miara wielkości domeny magnetycznej (1 b), czyli wielkości ziarna, które statystycznie po dziesięciu latach można jeszcze odczytać jako jedynkę lub zero.

Kolejne ważne kryteria to możliwość tylko jednokrotnego zapisu lub dowolnie wielu zapisów, z formatowaniem lub kasowaniem pomiędzy kolejnymi zapisami, a także odporność na światło i pola magnetyczne. Stosunkowo powolny zapis i odczyt próbuje zastąpić się w nowych technologiach dostępem równoległym. Przykładem takiego rozwiązania może być Millipede (stonoga, choć powinno być właściwie "tysiącnoga") firmy IBM, o czym będzie jeszcze mowa w dalszej części. Dla porównania trzeba przypomnieć, że stosunkowo dużą szybkość zapisu i odczytu twardych dysków uzyskuje się dzięki technice czysto sekwencyjnej. Dane są odczytywane i zapisywane jako bardzo szybki strumień oddzielnych bitów.

Techniki mechaniczne

Systemy nanomechaniczne mają pewne zalety w porównaniu z elektronicznymi. Stosuje się odmiany tunelowych mikroskopów skaningowych i mikroskopów sił atomowych, ze względu na ich niesłychanie wysoką dokładność pozycjonowania. Przemieszczenie mechaniczne wymaga niewiele energii i jest stosunkowo szybkie. Inaczej niż w rozwiązaniach elektronicznych, ciepło nie jest problemem, ponieważ elektrony nie muszą płynąć przez coraz cieńsze ścieżki i elementy przełączające. Naukowcy z uniwersytetu w Edynburgu oraz z Instytutu Badań Materiałów Nanostrukturalnych w Bolonii we Włoszech opracowali rodzaj molekularnego pisma Braille'a. Punkty Braille'a powstają na cienkiej folii z tworzywa sztucznego (3 do 35 nm) w wyniku działania molekuł o nazwie rotaxane. W laboratorium tego rodzaju wzór bitowy pozostawał stabilny przez kilka dni. Zależnie od grubości warstwy rotaxane, nacisk mechaniczny o wartości 2 nN tworzy punkty o średnicy 100 do 500 nm i wysokości 1-20 nm.

Komórki pamięci o wielkości atomów

Badania struktur o wielkości mierzonej w nanometrach i budowa MEMS (Micro Electronic Mechanical Systems) wymaga zastosowania mikroskopu sił atomowych (Atomic Force Microscope). Tego rodzaju urządzenie do wafli o średnicy 8 cali kosztuje około 100 tysięcy dolarów. W laboratoriach badawczych IBM stosowane są takie mikroskopy z obrotowym stołem roboczym. Układ pamięci z komórkami o wielkości atomu opracował ze swoim zespołem profesor Franz Himpsel z Uniwersytetu Wisconsin. W ten sposób po raz pierwszy wykazał, że możliwe jest to, co już w roku 1959 przepowiadał słynny fizyk Richard Feynman: wszystkie słowa zapisane w ciągu całej historii ludzkości można by zmieścić w kostce o boku 0,1 mm, gdyby do zapisu jednego bitu użyć jednego atomu. Model laboratoryjny opracowany przez profesora Himpsela jest jednak zaledwie dwuwymiarowy, a nie trójwymiarowy, co byłoby potrzebne w przypadku wspomnianej kostki. Nawet i bez tego gęstość zapisu jest około miliona razy większa niż we współczesnych płytach CD. Według tradycyjnie stosowanej miary, wynosi ona 250 Tb/cal<sup>2</sup>, czyli jest około 2500 razy większa niż najwyższa obecnie gęstość zapisu na twardych dyskach.

Dwadzieścia atomów na bit

Opracowany przez profesora Himpsela krzemowy układ pamięci ma na powierzchni rowki. W tych rowkach znajdują się pojedyncze atomy krzemu, jak piłki tenisowe w rynnie. Jeżeli usunąć pojedyncze atomy za pomocą tunelowego mikroskopu skaningowego, powstaną puste miejsca, które stanowią logiczne zero. Atomy pozostające na swoich miejscach stanowią logiczne jedynki. Odczyt, zapis i formatowanie takiego układu pamięci odbywa się w temperaturze pokojowej. Manipulowanie pojedynczymi atomami jest wprawdzie łatwiejsze i bardziej precyzyjne w skrajnie niskich temperaturach, ale też znacznie droższe. Rowki na powierzchni struktury krzemowej nie powstały w tradycyjnej technologii naświetlania i wytrawiania. Takie struktury (dzisiaj około 90 nm) byłyby za duże o rząd wielkości.

Profesor Himpsel napylił na powierzchnię krzemu ultracienką warstwę złota. W ten sposób powstały podłużne rowki. Na nie ponownie naniesiono krzem. Atomy krzemu wpadają do rowków utworzonych przez złoto, jak jajka do kartonu. Jednocześnie automatycznie powstają równomierne odległości między atomami, dzięki czemu można je pojedynczo usuwać bądź dodawać, nie naruszając sąsiednich atomów. Tak powstaje opisane wcześniej odwzorowanie bitowe. Ta technika potrzebuje jeszcze lat, jeśli nie dziesięcioleci, żeby nadawać się do komercyjnego wykorzystania. Po pierwsze, potrzebna jest próżnia. Po drugie, urządzenie zapisująco-odczytujące w postaci tunelowego mikroskopu skaningowego jest powolne, ponieważ operuje pojedynczymi atomami, a w dodatku niesłychanie drogie.

Siła sygnału jest skrajnie mała. Wzmocnienie sygnału powyżej poziomu szumów termicznych jest bardzo skomplikowane. Gęstość zapisu przewyższa nawet wartości uzyskane przez naturę w długim procesie ewolucji: profesor Franz Himpsel potrzebuje 20 atomów na bit, natomiast w jednym łańcuchu DNA potrzeba 32 atomów do zapisania jednostki informacji.

Millipede

Technologia Millipede opracowana w laboratorium badawczym IBM Rüschlikon koło Zurychu to metoda termomechaniczna, umożliwiająca zapis bitowy za pomocą punktów o wielkości molekularnej. Peter Vettiger, jeden z jej twórców, mówi, że idea powstała podczas spotkania przy piwie po cotygodniowym firmowym meczu piłki nożnej. Możliwa do uzyskania gęstość zapisu - 1 Tb/cal<sup>2</sup> - mniej więcej dwudziestokrotnie przewyższa obecną gęstość zapisu na twardych dyskach. Sercem technologii Millipede jest dwuwymiarowy układ krzemowych igieł o grubości 0,5 /µm i długości 70 /µm, osadzonych sprężyście.

Grzebień złożony z 32x32 takich igieł przesuwa się nad powierzchnią z folii z tworzywa sztucznego. Podczas zapisu końce igieł o temperaturze 400° C tworzą w niej wgłębienia o średnicy około 10 nm. W trakcie odczytu wgłębienie interpretowane jest jako jedynka logiczna, brak wgłębienia - jako zero logiczne.

Odczyt następuje na podstawie zmiany temperatury, gdy ostrze igły trafia na wgłębienie. Gdy ostrze zaledwie dotyka gładkiej powierzchni spadek temperatury jest dużo wolniejszy. Czas dostępu ma wynosić około 500 µs.

Można sobie wyobrazić karty pamięci, które mogłyby zastąpić pamięci flash. Mechanika zbudowana byłaby w technologii MEMS. Vettiger mówi również o pomyśle wielofunkcyjnego zegara z pamięcią rzędu 15 GB. IBM nie podaje żadnych szczegółów na temat wprowadzenia takich pamięci do produkcji, ale ewentualna premiera mogłaby nastąpić w roku 2005. W Millipede oraz innych, wcześniej opisanych metodach termomechanicznych stosuje się tzw. nProbe Technology (technikę stykową). Urządzenie zapisująco-odczytujące jest odmianą mikroskopu elektronowego, względnie tunelowego mikroskopu skaningowego, z wieloma równoległymi głowicami.

Pamięci molekularne

Atom wewnątrz komórki znajduje się zawsze w jednym ze stanów stabilnych.

Atom wewnątrz komórki znajduje się zawsze w jednym ze stanów stabilnych.

Przewody lub rurki składające się z nanostruktur są już wykorzystywane jako przewodniki lub do zapisu danych. Nanorurki mogą przewodzić prąd o gęstości większej o trzy rzędy wielkości od przewodów miedzianych o takich samych wymiarach. Tranzystory wykonane z nanorurek są mniej więcej sto razy mniejsze od tradycyjnych tranzystorów. Jeden nanometr, typowa średnica nanorurki, to prawie czterokrotność średnicy atomu lub jedna pięćdziesięciotysięczna średnicy ludzkiego włosa. Badania nad nanorurkami prowadzi wiele firm, w tym IBM i Infineon. Motorola informuje, że wyprodukowała pierwszy na świecie układ pamięci o pojemności 4 Mb, wykonany z nanokryształów krzemowych w procesie produkcyjnym 90 nm. Kulki nanokryształów o średnicy 5 nm umieszczone są między dwiema warstwami tlenku. Krytyczne znaczenie ma jednolita średnica kulek oraz ich równomierne rozmieszczenie. Ładunek elektryczny na jednostkę powierzchni decyduje o tym, czy przechowywana jest logiczna jedynka czy też zero. Motorola zaprezentowała technologię Q-Flash w grudniu 2002 i chciałaby wkrótce produkować takie układy.

Profesor Bing Fung i jego współpracownicy z Uniwersytetu Oklahoma zapisali w październiku 2002 roku wzór składający się z 32x32 pikseli wewnątrz molekuły ciekłego kryształu, a następnie ponownie go odczytali. Nośnikiem pamięci był spin poszczególnych atomów molekuły. Zastosowano molekułę składającą się z 19 atomów. Ich poszczególne spiny można zaaranżować na bardzo wiele sposobów. Informację składającą się z 1024 bitów zapisano i odczytano za pomocą spektrometru rezonansu magnetycznego. Zawartość pamięci utrzymała się zaledwie przez 1/10 sekundy. Eksperyment nie miał żadnego znaczenia praktycznego.


Zobacz również