Rüschlikon, 3. März 2005 — Aufgrund der stark anwachsenden
Datenmengen, die auf mobilen Geräten wie Handys oder PDAs abgerufen
werden, nimmt der Bedarf an geeigneten Speichermedien mit immer
größerer Kapazität zu. Auf der CeBIT zeigt IBM erstmals
den MEMS* — Prototypen eines nanomechanischen Datenträgers
— bekannt als "Millipede"
Projekt. Mit revolutionärer Nanotechnologie ist es IBM Wissenschaftlern
im Züricher Forschungslabor gelungen, in den Bereich der Millionstel
Millimeter vorzudringen. So konnte bei der Speicherung von Daten
eine Aufzeichnungsdichte von 1 Terabit (1000 Gigabit) pro Quadratzoll
überschritten werden - was etwa dem Inhalt von 25 DVDs auf
der Fläche einer Briefmarke entspricht.
Tausende von feinsten Spitzen "schreiben" winzige Vertiefungen
in einen dünnen hochspezifischen Polymerfilm. Dabei repräsentiert
jede Vertiefung einen Speicherzustand "1". Das Prinzip
ist mit dem der früheren Lochkarte vergleichbar, nun aber mit
Strukturgrössen im Bereich von Nanometern. Ein weiterer entscheidender
Unterschied zur Lochkarte besteht darin, dass sich mithilfe der
eingesetzten Technologie Bits löschen und überschreiben
lassen.
Die hohe Speicherdichte von einem Terabit pro Quadratzoll wird
mit Silizium-Spitzen erreicht, die Vertiefungen mit einem Durchmesser
von circa 10 Nanometern erzeugen - 50'000mal kleiner als der Punkt
am Ende dieses Satzes. Experimentelle Chips verfügen über
mehr als 4000 solcher Spitzen, die in einem kleinen Quadrat von
6,4 Millimetern Seitenlänge angeordnet sind. Diese Dimensionen
ermöglichen es, ein komplettes Speichersystem hoher Kapazität
selbst in das kleinste standardisierte SD-Format für Flash-Memory
zu packen.
In Laborversuchen wurde unlängst die technische Machbarkeit
eines Produktes etwa hinsichtlich Speicherdichte, Leistung und Verlässlichkeit
demonstriert. Während die heute eingesetzten Speichertechnologien
allmählich an fundamentale Grenzen stoßen, hat der nanomechanische
Ansatz ein enormes Entwicklungspotential: Speicherdichten, die molekularen
Strukturgrössen entsprechen, erscheinen möglich. Zudem
wurde dieser nanomechanische Datenträger hinsichtlich geringen
Stromverbrauchs optimiert. Avisiert ist daher der Einsatzbereich
in mobilen Geräten wie digitalen Kameras, Mobiltelefonen oder
USB-Sticks. Andere mögliche Anwendungen sind beispielsweise
Lithographie im Nanometerbereich oder atomare und molekulare Manipulation.
Mittels eines Videomikroskops können die Messebesucher in
das Innere des Speicherbausteins vordringen und etwa beobachten,
wie die Polymeroberfläche mithilfe eines mikromechanischen
Mechanismus relativ zu den Spitzen bewegt wird. Eine Animation illustriert
den aus parallelen Spitzen bestehenden Schreib- und Lese-Array und
zeigt das Funktionsprinzip der einzelnen Spitzen und macht so auch
die Vorgänge auf der Nanometerskala deutlich.
Technologischer Hintergrund
Kern der "Millipede"-Technologie ist eine zweidimensionale
Anordnung von v-förmigen Silizium-Federzungen (Kantilever),
die 70 Mikrometer (Tausendstel-Millimeter) lang sind. Am Ende jedes
Kantilevers befinden sich neben der eigentlichen Schreibspitze sowohl
ein Sensor von der Groesse eines Mikrometers zum Lesen als auch
ein ebenso kleiner Heizwiderstand oberhalb der Spitze, der zum Schreiben
benötigt wird. Die kegelförmige Spitze ist knapp 1 Mikrometer
lang mit einem Radius von nur wenigen Nanometern am zulaufenden
Ende. Die Zellen mit den Kantilevern sind in einem 10 mm x 10 mm
großen Chip als Array angeordnet, das z.Zt. aus insgesamt
4096 (64x64) Kantilevern besteht. Die MEMS-Komponenten werden mittels
etablierter Technologien aus einem Silizium-Einkristall herausstrukturiert.
Der eigentliche Datenträger besteht aus einem nur wenige Nanometer
dünnen Polymerfilm auf einem Silizium-Substrat. Die Spitzen
können einzeln angesteuert jeweils das gewünschte Bit
lesen, schreiben oder löschen.
Ein raffiniertes Design gewährleistet die exakte Nivellierung
der Spitzen über dem Speichermedium und dämpft Vibrationen
und Stöße von außen. Um hohe Datenraten zu erreichen,
wird eine Schreib- bzw. Lese-Elektronik verwendet, mit der man viele
Spitzen parallel betreiben kann. Elektromagnetische Aktuation bewegt
das polymere Speichermedium auf dessen Oberfläche sehr präzise
in x- und y-Richtung, so dass jede Spitze in ihrem Speicherfeld
von 100 Mikrometer Seitenlänge lesen und schreiben kann. Die
kurzen Distanzen tragen wesentlich zu einer schnellen Zugriffszeit
bei.
Für die Funktionen des Gerätes, das heißt Lesen,
Schreiben und Löschen bzw. Überschreiben, werden die Spitzen
mit dem Polymerfilm in Kontakt gebracht. Das Schreiben von Bits
erfolgt durch Aufheizen der Spitze auf eine Temperatur oberhalb
der Glasübergangstemperatur des Polymers mit dem im Kantilever
integrierten Heizwiderstand. Kommt die Spitze mit dem Polymer in
Kontakt, wird dieses erhitzt und leichter verformbar. Dadurch kann
die Spitze in das Polymer einsinken und eine Vertiefung von wenigen
Nanometern hinterlassen. Das Polymer wird hierbei mechanisch verspannt.
Zum Lesen wird der von der Spitze räumlich getrennte Lese-Sensor
nur leicht erhitzt. "Fällt" nun die Spitze in eine
Vertiefung, kühlt sich dieser wegen des geringeren Abstands
zum Substrat ab, was zu einer messbaren Veränderung des Widerstands
führt.
Das Überschreiben der Daten gelingt dank thermomechanischer
Effekte. Diese führen dazu, dass die Verspannungen des Polymers
im unmittelbaren Umkreis eines neu gesetzten Bits abgebaut werden.
Somit lassen sich bestehende Vertiefungen durch das Erzeugen sehr
naher neuer Vertiefungen wieder löschen. Deutlich mehr als
10'000 Überschreib-Zyklen haben den Nachweis erbracht, dass
sich das Konzept für einen wiederbeschreibbaren Speichertyp
eignet.
* MEMS: Micro-Electro-Mechanical System.
|
