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Höchste Speicherdichte mit "Tausendfüssler" aus der IBM Forschung

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Zurich, Switzerland, 11. Juni 2002—Mit revolutionärer Nanotechnologie haben IBM Wissenschaftler eine Datenspeicherdichte von einer Billion Bits (1 Terabit) pro Quadratzoll erreicht — zwanzigmal mehr als in neusten auf dem Markt erhältlichen Magnetspeichern.

Die extreme Dichte von einem Terabit pro Quadratzoll — genug, um 25 Millionen Buchseiten oder den Inhalt von 25 DVDs auf der Fläche einer Briefmarke zu speichern — wurde im Rahmen des Projektes "Millipede" (Tausendfüssler) am IBM Forschungslabor Zürich in Rüschlikon erzielt. In dieser Entwicklung spielt Nanomechanik anstelle von herkömmlicher magnetischer oder elektronischer Speichertechnologie die zentrale Rolle: Mit Tausenden von feinsten Spitzen "schreibt" Millipede winzige Vertiefungen, die einzelne Bits repräsentieren, in einen dünnen Film aus Kunststoff. Das Resultat ist mit einer althergebrachten Lochkarte vergleichbar, allerdings auf der Skala von Nanometern (Millionstel-Millimetern), und die Bits lassen sich auch löschen und überschreiben.

Die Terabit-Dichte wurde mit einer einzelnen Silizium-Spitze erreicht, die Vertiefungen mit einem Durchmesser von nur gerade 10 Nanometern erzeugt — 50'000mal kleiner als der Punkt am Ende dieses Satzes. Die Technologie kann aber noch zu weit höheren Speicherdichten führen. "Da nanometer-scharfe Spitzen einzelne Atome adressieren können, sind weitere Fortschritte weit über den Terabit-Meilenstein hinaus möglich", sagt Nobelpreisträger Gerd Binnig, eine treibende Kraft hinter dem Millipede-Projekt. "Während die heute eingesetzten Speichertechnologien allmählich an fundamentale Grenzen stossen, steht unser nanomechanischer Ansatz erst am Anfang und hat ein Entwicklungspotential für tausendfach höhere Speicherdichte."

Die Funktionstüchtigkeit des Konzepts hat das Team am IBM Forschungslabor Zürich mit einem experimentellen Speicherchip mit mehr als tausend Spitzen erprobt. Derzeit arbeiten sie am Prototyp eines kompletten Speichersystems, das im nächsten Jahr betriebsbereit sein und nachweisen soll, dass die vielversprechende neue Technologie die praktischen Anforderungen an ein marktfähiges Produkt erfüllen kann. Dieser Prototyp wird über mehr als 4000 Spitzen verfügen, die in einem kleinen Quadrat von 7 Millimetern Seitenlänge angeordnet sind und parallel betrieben werden können. Die Dimensionen würden es ermöglichen, ein komplettes Speichersystem hoher Kapazität in das kleinste standardisierte Format für Flash-Memory (Secure Digital Card, 24 mm × 32 mm) zu packen. Während die Kapazität solcher Flash-Memories in absehbarer Zeit nicht über 1 - 2 Gigabytes (Milliarden Bytes, GB) steigen dürfte, wird dieses kleine Format mit Millipede-Technologie 10 - 15 Gigabytes aufnehmen können, ohne mehr Betriebsenergie zu benötigen. Ausserdem erwarten die Wissenschaftler eine kostengünstige Herstellung, da die Millipede-Technologie hauptsächlich auf etablierten Fabrikationsprozessen der Halbleiterindustrie basiert.

Nanomechanische Speichertechnologien wie Millipede könnten vorerst in Märkten Fuss fassen, wo minimale Gerätegrösse und geringer Energieverbrauch ausschlaggebend sind. "Millipede könnte mobilen Geräten wie PDAs, Mobiltelefonen und multifunktionalen Armbanduhren enorme Speicherkapazität verleihen", sagt Millipede-Projektleiter Peter Vettiger. "Wir denken aber auch bereits an die Nutzung unseres Konzeptes über die Datenspeicherung hinaus. Andere mögliche Anwendungen sind beispielsweise Lithographie im Nanometerbereich, mikroskopische Abbildungen von relativ grossen Bereichen, oder atomare und molekulare Manipulation."

Technischer Hintergrund

Kern der Millipede-Technologie ist eine zweidimensionale Anordnung von u-förmigen Silizium-Federzungen (Kantilever), die 0,5 Mikrometer (Tausendstel-Millimeter) dick und 70 Mikrometer lang sind. Am Ende jedes Kantilevers ragt auf einer Seite eine weniger als 2 Mikrometer hohe Spitze heraus. Der derzeitige experimentelle Aufbau enthält in einem Quadrat von 3 mm Seitenlänge insgesamt 1024 (32 × 32) Kantilever, die aus dem Silizium herausgeätzt sind. Ein raffiniertes Design gewährleistet die exakte Nivellierung der Spitzen über dem Speichermedium und dämpft Vibrationen und Stösse von aussen. Zeitmultiplex-Elektronik, wie sie in ähnlicher Art in Memory-Chips (DRAM) verwendet wird, ermöglicht die Ansteuerung jeder einzelnen Spitze im Parallelbetrieb. Elektromagnetische Aktuatoren bewegen das Substrat mit dem 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 einem geringen Energieverbrauch bei.

Für die Funktionen des Gerätes, das heisst Lesen, Schreiben, Löschen und Überschreiben, werden die Spitzen mit dem nur wenige Nanometer dünnen Polymerfilm auf dem Siliziumsubstrat in Kontakt gebracht. Das Schreiben von Bits erfolgt durch Aufheizen des in den Kantilever integrierten Widerstands auf typischerweise 400 Grad Celsius. Die dadurch ebenfalls aufgeheizte Spitze weicht das Polymer auf, sinkt ein und hinterlässt eine Vertiefung. Zum Lesen wird die Temperatur des Widerstands auf typischerweise 300 Grad Celsius reduziert. Bei dieser Temperatur wird das Polymer nicht aufgeweicht. "Fällt" nun die Spitze in eine Vertiefung, kühlt sich der Widerstand wegen des besseren Wärmetransports leicht ab, was zu einer messbaren Veränderung des Widerstands führt. Das Löschen erfolgt durch so enges Schreiben, dass die jeweils vorangehende Vertiefung aufgefüllt wird und im Extremfall, wenn eine ganze Reihe vollständig gelöscht werden soll, nur am Ende eine Vertiefung übrigbleibt. Mehr als 100'000 Schreib- und Überschreib-Zyklen haben den Nachweis erbracht, dass sich das Konzept für einen wiederbeschreibbaren Speichertyp eignet.

Während mit dem gegenwärtigen Versuchsaufbau die Schreib- und Lesegeschwindigkeit pro Spitze auf einen Bereich von Kilobits pro Sekunde und somit bei 1000 Spitzen auf wenige Megabits beschränkt ist, wird schnellere Elektronik weit höhere Datenraten ermöglichen. Nanomechanische Experimente am IBM Forschungszentrum Almaden in Kalifornien vor einigen Jahren zeigten, dass mit einzelnen Spitzen Datenraten von 1 - 2 Megabits pro Sekunde erreicht werden können.

Der Energieverbrauch hängt stark von der Datenrate ab, mit der das Gerät betrieben wird. Bei wenigen Megabits pro Sekunde dürfte Millipede nicht mehr als 100 Milliwatt benötigen, was in etwa dem Energiebedarf eines Flash-Memory entspricht und deutlich unter demjenigen von magnetischer Speicherung liegt.

Mit dem experimentellen Chip mit 1024 Spitzen auf einem Quadrat von 3 mm Seitenlänge wurde vorerst eine Speicherdichte von 200 Gigabits pro Quadratzoll und eine potenzielle Kapazität von etwa 0,5 Gigabytes erreicht. Die nächste Millipede-Generation wird viermal mehr Spitzen aufweisen — 4096 oder 64 × 64 in einem Quadrat von 7 mm Seitenlänge.

Der neuste technische Bericht zum Millipede-Projekt erscheint im ersten Heft von "IEEE Transactions on Nanotechnology" im Juni 2002.

Press contact

Nicole Strachowski
Media Relations
IBM Research - Zurich
Tel +41 44 724 84 45

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