Forschungen über physikalische, chemische, biologische und andere (exotische) Speichertechniken gibt es schon lange. Nachdem sich der Entwicklungsfortschritt bei Festplatten in jüngster Zeit etwas verlangsamt hat, werden jetzt wieder intensiver Alternativen für die Zukunft untersucht. Nachfolgend finden Sie den Stand der Technik und die derzeitigen Entwicklungsvorhaben alternativer Techniken beschrieben. Viele Techniken ähneln sich. Sie werden aber derzeit unabhängig voneinander an verschiedenen Orten in verschiedenen Laboren parallel und mit unterschiedlichen Zielvorstellungen entwickelt. Den holographischen Techniken haben wir einen eigenen Artikel gewidmet.
In dem in Kürze erscheinenden zweiten Teil dieser Artikelserie finden Sie alles über die Zukunft von optischen, elektrischen und magnetischen Speichertechniken.
Grundlegendes
Die mehr oder weniger lineare Weiterentwicklung der bisherigen magnetischen Festplattentechnik soll zumindest noch für eine Speicherdichte bis in den Bereich von Tbit/in.² reichen. Da diese Speicherdichten für Magnetplatten aus heutiger Sicht nur noch mit sehr großem technischen Aufwand und daher sehr hohen Kosten erreichbar sein dürften, wird eifrig nach Alternativen geforscht. Neuartige magnetische, optische, thermo-mechanische, elektrische, chemische und biologische Verfahren werden intensiv erforscht. Es bleiben aber noch einige Jahre Entwicklungszeit, bis diese alternativen Techniken einspringen müssen. Oft werden mit ähnlichen Grundtechniken ganz unterschiedliche Verfahren erprobt, wobei sich erst später erweisen wird, welche Technik ökonomisch zu verwirklichen ist.
Speichertechniken werden häufig danach beurteilt, ob sie nach dem Abschalten der Stromzufuhr ihren Dateninhalt behalten oder nicht. Der übliche Maßstab für den Datenerhalt sind zehn Jahre ohne erneute Energiezufuhr. Dies ist auch das Maß für das so genannte superparamagnetische Limit bei magnetischen Plattenspeichern. Dies ist keine physikalische Größe, sondern nur ein Maß für die Größe einer magnetischen Domäne (ein Bit), also der Korngröße, die statistisch nach zehn Jahren noch unterscheidbar als NULL oder EINS gelesen werden kann.
Weitere Unterscheidungsmerkmale sind einmal oder beliebig oft beschreibbare Datenträger, mit oder ohne zwischengeschaltete Formatierung/Löschung sowie die Anfälligkeit gegen Licht oder magnetische Felder. Generell versucht man die relativ langsamen Schreib- und Lesezyklen von manchen der neuen Materialien durch Parallelzugriff zu beschleunigen. Ein Beispiel dafür ist der unten beschriebene Tausendfüßler (Millipede). Zum Vergleich sei daran erinnert, dass die relativ hohe Schreib-/Lesegeschwindigkeit bei Festplatten auf einer rein sequenziellen Technik beruht. Die Daten werden immer nur als ein Strom von einzelnen Bits geschrieben und gelesen, das aber bei sehr hoher Bitrate.
Mechanische Verfahren
Nanomechanische Systeme haben gewisse Vorteile gegenüber elektronischen Lösungen. Dabei kommen Varianten von STM (Scanning Tunneling Microsope, Rastertunnelmikroskop) und AFM (Atomic Force Microscope, Rasterkraftmikroskop) wegen ihrer extrem genauen Positioniermöglichkeit zum Einsatz. Die mechanische Bewegung benötigt wenig Energie und ist relativ schnell. Hitze ist kein großes Problem, weil sich im Gegensatz zu elektronischen Lösungen die Elektronen nicht durch immer engere Leiterbahnen und Schaltelemente zwängen müssen.
Wissenschaftler an den Universitäten von Edinburgh in Schottland und Bologna (Institut für das Studium von Nanostruktur-Materialien) in Italien haben eine Art molekularer Braille-Schrift entwickelt. Die Braille-Punkte entstehen auf einem dünnen Plastikfilm (3 bis 35 nm) mit Hilfe von Rotaxane-Molekülen. Im Labor waren solche Bitmuster einige Tage stabil. Je nach Dicke der Rotaxane-Schicht werden mit einer Kraft von 2 nN Punkte von 100 bis 500 nm Durchmesser bei einer Höhe von 1 bis 20 nm als Folge des mechanischen Drucks geformt.
Speicherzellen in Atomgröße
Für die Forschung im Nanometer-Bereich und für MEMS (Micro Electronic Mechanical Systems) werden entsprechende AFMs (Atomic Force Microscopes, Rasterkraftmikroskope) benötigt. Ein solches Messgerät für 8-Zoll-Wafer kostet derzeit etwa 100.000 US-Dollar. Die AFM-Technik wurde in den Forschungslaboren bei IBM auch schon mit rotierenden Scheiben genutzt.
Einen Chip für Speicherzellen in Atomgröße hat Franz Himpsel, Physikprofessor an der Universität von Wisconsin (USA) mit einem Team von Wissenschaftlern hergestellt. Damit wurde zum ersten Mal bewiesen, was der berühmte Physiker Richard Feynman bereits 1959 vorhergesagt hatte. So könnten theoretisch alle jemals in der Menschheitsgeschichte geschriebenen Worte in einen Würfel mit einer Kantenlänge von weniger als 0,1 mm passen, wenn jedes Atom zur Speicherung eines Bit genutzt würde.
Das Labormuster von Franz Himpsel ist allerdings erst zweidimensional, also noch nicht dreidimensional, wie es für die vorgenannte Speicherdichte nötig wäre. Aber auch so ist die Speicherdichte schon etwa eine Million mal dichter als bei heutigen CD-ROMs. Nach herkömmlicher Rechnung wären das 250 Tbit/in², was etwa 2500-mal so viel ist wie heute maximal bei Plattenspeichern möglich.
20 Atome pro Bit
Der von Professor Himpsel entwickelte Silizium-Speicherchip hat auf seiner Oberfläche Längsrillen. Darin liegen einzelne Silizium-Atome wie Tennisbälle nebeneinander in einer Rinne. Werden nun einzelne Atome mit der Spitze eines STM (Scanning Tunneling Microscope) herausgenommen, entstehen Fehlstellen, die als logische NULL gelten. Atome, die am Platz bleiben, repräsentieren jeweils eine logische EINS. Lesen, Schreiben und Formatieren eines solchen atomaren Speichers geschieht bei Raumtemperatur. Zwar ist die Manipulation einzelner Atome bei extrem tiefen Temperaturen technisch einfacher und präziser, aber auch teurer.
Die Rinnen (Gräben) an der Silizium-Oberfläche wurden nicht in herkömmlicher Wafer-Technik belichtet und herausgeätzt. Solche Strukturen (heute etwa 90 nm) wären um Größenordnungen zu grob.
Professor Himpsel bedampfte seine Silizium-Speicherchips extrem dünn mit Gold. Dadurch entstanden Strukturen mit Längsrillen. Danach wurde darauf noch Silizium aufgedampft. Die Siliziumatome fallen von allein in die vom Goldüberzug erzeugten Gräben, wie Eier in den Eierkarton. Dabei entstehen automatisch regelmäßige Abstände zwischen den Atomen, die somit einzeln herausgenommen oder eingefügt werden können, ohne Nachbaratome zu beeinflussen. Das sind dann, wie oben schon beschrieben, die atomaren Bits.
Diese Technik benötigt sicher noch Jahre oder Jahrzehnte, bis sie kommerziell genutzt werden kann. Nachteilig ist, dass ein Vakuum benötigt wird. Das Lese-/Schreib-Gerät in Form eines STM ist langsam, weil es nur einzelne Atome bewegt, und außerordentlich teuer. Die Signalstärke ist offensichtlich extrem klein. Die Verstärkung aus dem thermischen Rauschen heraus ist sehr aufwendig.
Die Speicherdichte übertrifft dabei selbst die in der Natur nach einem langen Evolutionsprozess erreichten Werte: Franz Himpsel benötigt etwa 20 Atome je Bit. In der DNA werden 32 Atome für eine Informationseinheit je Basenhalbpaar benötigt.
Millipede
Bei der von IBM im Forschungslabor Rüschlikon bei Zürich Millipede (Tausendfüßler) genannten thermomechanischen Technik werden Bits in Molekülgröße gespeichert. Peter Vettiger, einer der Erfinder dieser Technik, gibt an, dass die Idee bei einem kühlen Bier nach dem wöchentlichen firmeninternen Fußballspiel entstand. Die erreichbare Speicherdichte (1 Tbit/In²) des Millipede ist etwa 20-mal so hoch wie bei heutigen Festplatten. Kern der Millipede-Technologie ist laut IBM-Research eine zweidimensionale Anordnung von V-förmigen Silizium-Federzungen (Kantilever), die 0,5 Mikrometer dünn und 70 Mikrometer lang sind.
Beim Millipede bewegt sich ein Kamm aus 32 x 32 elastischen Federzungen mit Kegelspitze über eine Plastikoberfläche. Damit werden beim Schreiben, je nach Bitmuster, bei 400 Grad Celsius Löcher in die Oberfläche geschweißt. Beim Lesen wird die Meldung, Loch oder kein Loch, als EINS oder NULL interpretiert. Die Löcher haben einen Durchmesser von etwa 10 nm. Gelesen wird etwa durch die Temperaturänderung, die sich ergibt, wenn eine Federspitze auf eine atomare Erhöhung stößt (Reibungswärme). Die Zugriffszeit soll bei etwa 500 µs liegen.
Denkbar sind kleine Speicherkarten als Ersatz für Flash-Speicherkarten, wobei die mechanische Bewegung durch MEMS-Elemente erzeugt würde. Auch eine multi-funktionale Uhr mit etwa 15 GByte an Speicher ist nach Meinung von Vettiger machbar. Allerdings gibt es derzeit bei IBM keine Pläne, ein Millipede serienreif zu entwickeln. Wenn doch, dann könnten erste Produkte bereits 2005 erscheinen.
Die für Millipede und die anderen oben genannten thermomechanischen Verfahren genutzte Technik wird auch Probe Technology (Tasttechnik) genannt. Das Schreib- und Lesegerät (Tastmechanismus) beruht auf Varianten von AFM (Atomic Force Microscope, Rasterkraftmikroskop) beziehungsweise STM (Scanning Tunneling Microsope, Rastertunnelmikroskop), oft mit mehreren Tastköpfen parallel.
Molekülspeicher
Drähte oder Röhren aus Nanostrukturen werden schon zur Stromleitung und zur Datenspeicherung genutzt. Nanotubes ermöglichen um bis zu drei Größenordnungen höhere Stromdichten als entsprechend kleine Kupferdrähte. Transistoren aus Nanotubes sind etwa hundert Mal kleiner als herkömmliche Transistoren. Ein Nanometer, der typische Durchmesser der Nanotubes, entspricht etwa dem Vierfachen eines Atomdurchmessers oder einem Fünfzigtausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. IBM, Infineon und viele andere Firmen arbeiten an der Erforschung von Nanotubes.
Motorola hat nach eigenen Angaben den weltweit ersten 4-Mbit-Speicherbaustein aus Silizium-Nanokristall mit einem 90-nm-Prozess erzeugt. Dabei werden Kugeln aus Nanokristallen mit 5 nm Durchmesser zwischen zwei Oxidlagen eingebettet. Kritisch ist es, die Nanokugeln gleichmäßig in Größe und Verteilung zu erzeugen. Die Ladung pro Flächeneinheit ist das Kriterium für die Speicherung von NULL oder EINS. Motorola hat die Q-Flash-Technik im Dezember 2002 vorgestellt und möchte schon bald solche Chips produzieren.
An der Universität von Oklahoma haben Professor Bing Fung und seine Wissenschaftler im Oktober 2002 ein Pixelmuster (32 x 32) im Inneren eines Flüssigkristall-Moleküls gespeichert und wieder ausgelesen. Dabei wird der Spin der einzelnen Atome im Molekül als Speichermedium genutzt. Das verwendete Molekül bestand aus nur 19 Atomen. Deren Spins können aber in sehr vielen unterschiedlichen Anordnungen "arrangiert" werden. Die 1024 Bit wurden mit einem Magnet-Resonanz-Spektrometer geschrieben und ausgelesen. Die Speicherdauer beträgt derzeit nur eine Zehntelsekunde. Das Experiment hat vorläufig noch keine praktische Bedeutung.
Biospeicher
3D-Speicher in Proteinen werden derzeit intensiv erforscht. Biomasse ist im Vergleich zu Halbleitern aus Silizium oder ähnlichen Materialien besonders bei großen Stückzahlen preiswert herzustellen.
Mit optischer Lithografie und selbstorganisierenden biologischen Bauteilen sollen kleinste und billige Speicherelemente in großer Stückzahl herstellbar sein. 800 MByte sollten etwa drei US-Dollar kosten. Biologische Systeme arbeiten normalerweise parallel. Sie versprechen dementsprechend große Leistung oder Verarbeitungsgeschwindigkeit,ohne absolute Einzelspitzenleistungen zu verlangen. In einem Kubikzentimeter Proteinmasse kann etwa ein GByte an Daten gespeichert werden, aber auch die hundertfache Speicherdichte ist denkbar. Proteine reagieren etwa 1000-mal schneller auf Licht, als RAM-Speicher ihren Binärzustand wechseln. Ein parallel arbeitender Proteinspeicher ist also durchaus ein erstrebenswertes Bauteil. Bisher bremsen langsame Laser die Geschwindigkeit.
Ein bevorzugter Prozess zur Erzeugung von Nanopartikeln ist der Sol-Gel-Prozess. Dabei entsteht aus einer flüssigen Stoffmischung (Sol) durch chemische Reaktionen ein amorphes Netzwerk, das nach Abschluss der Reaktionen das Nanopartikel als einen partikulären Festkörper (Gel) hervorbringt. Die Art der Nanopartikel kann durch die Stoffe und durch die Steuerung des Entstehungsprozesses ausgewählt werden.
Anleihen bei der Natur
Satoshi Ueyama am Mitsubishi Forschungszentrum in Hyogo, Japan, ist es gelungen, eine extrem kleine Diode aus natürlichem Eiweiß und einem Vitamin zu züchten. Um als Speicher nützlich zu sein, müssten jetzt jeweils zwei Dioden zu einem Transistor zusammengeschaltet werden.
Chemie-Professor Birge an der Universität von Syracuse im Staat New York, USA, versucht, hybride Bauelemente aus konventioneller Halbleitertechnik mit optisch aktiven Schaltelementen aus Proteinen zur Verbesserung der Verarbeitungsgeschwindigkeit von Prozessoren und Speichern zu erzeugen. Biospeicher aus Bacterirhodopsin als Alternative zu RAM-Speichern sind derzeit in der Entwicklung. Dabei ist der Prozessor aus Silizium, aber RAM und Massenspeicher sind aus Proteinen aufgebaut. Biomolekulare Computer sollen etwa 15-mal kleiner werden als heutige Rechner. Die benötigten Proteinwürfel haben zurzeit noch Probleme mit der Schwerkraft.
Professor David Patterson von der Berkeley-Universität in Kalifornien erwartet, dass die zukünftigen Speicher parallel, assoziativ und damit architektonisch ähnlich wie biologische Systeme aufgebaut sein werden. Aus dem RAM wird dann ein IRAM (intelligentes RAM).
In einem Gramm DNA-Substanz sind 10exp21 DNA-Basen enthalten. Damit lassen sich etwa 108 TByte Speicherkapazität darstellen. In einigen Gramm DNA könnte man daher alle derzeitigen kommerziellen Daten auf der Welt speichern. Forscher an der Universität von Minnesota gehen dabei den Weg, die DNA als Gerüst für Nanopartikel zu verwenden. So ließe sich eine Speicherdichte von 10 Tbits pro Quadratzentimeter erreichen.
Andere Techniken
In den von Wissenschaftlern der Universität von Oregon, USA, entwickelten Speichern werden die Informationen als Muster unterschiedlich angeregter Atome gespeichert. Mehrere Laser strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und versetzen dadurch Thulium-Atome, die in einem Kristallgitter eingebunden sind, in verschiedene Energiezustände. So lassen sich etwa 12 Mbit/mm² speichern. Diese Technik hat allerdings noch ein kleines Problem: Das funktioniert derzeit nur bei minus 250 Grad Celsius, also nahe dem absoluten Nullpunkt.
Im Jahre 1999 verkündete die Keele High Density Ltd. (KHD), dass sie ein besonders dichtes Speichersystem entwickelt hat. Damit könnten etwa 2,3 TByte auf der Fläche einer Kreditkarte gespeichert werden. Inzwischen soll es weitere Fortschritte gegeben haben. Auf Grund der vielen laufenden Patentverfahren sind noch sehr wenige technische Einzelheiten bekannt.
Der physikalische Teil ist eine hybride Kombination aus magneto-optischen und elektrischen Verfahren auf Silizium. Das Speichermedium kann rotieren oder eine unbewegliche Oberfläche sein. Bisher werden mit rotierendem Medium auf einer Seite einer Scheibe 245 GByte unter Nutzung eines üblichen roten Lasers gespeichert. Auf den beiden Oberflächen einer Kreditkarte können insgesamt 3,6 TByte mit rotem Laser gespeichert werden. Die Kapazität lässt sich mit violetter Lasertechnik verdreifachen.
Diamantchips
Ende 2002 hat die japanische Regierung ein Gemeinschaftsprojekt initiiert, um im Jahr 2003 die Forschung mit Diamant-Chiptechnik zu unterstützen. Ab April 2003 sollte das Projekt mit etwa sechs Millionen US-Dollar angeschoben werden. Diamanten als Halbleiter können bis zu einer Temperatur von 1000 Grad Celsius betrieben werden (Silizium bis 150 Grad Celsius). Spannungen bis etwa 200 Volt können an Diamantchips angelegt werden (20 Volt an Silizium). Elektroden aus Diamant geben zudem mehr Elektronen ab und sind doppelt so lange einsetzbar wie herkömmliche Elektroden.
Es gibt schon vereinzelt Anwendungen, in denen man Diamantchips einsetzt. Allerdings sind diese um Größenordnungen teurer als Siliziumchips. Die Elektronengeschwindigkeit im Diamant ist nicht sehr hoch. Man versucht, diese mit Hilfe von gezielten Verunreinigungen (Doping) zu erhöhen. Besonders interessant ist Diamant als Laserquelle für ultraviolettes Licht mit 235 nm Wellenlänge. Die bisherige untere Grenze für kommerziell nutzbare Laserdioden liegt bei 405 nm. Kürzere Wellenlängen ermöglichen bei optischen Speichern kleinere Bitflächen und damit höhere Speicherdichten.
Ausblick
In dem in Kürze erscheinenden zweiten Teil des Artikels beleuchten wir den Entwicklungsstand bei elektrischen, magnetischen und optischen Speichertechniken. Diese basieren auf einer bestehenden Technologie und stehen zum Teil kurz vor der Markteinführung.
Bei den hier beschriebenen Techniken macht es zu diesem frühen Zeitpunkt ihrer Entwicklung wenig Sinn, darüber zu spekulieren, welche Technik billiger, einfacher herzustellen, schneller oder stabiler ist. Solche Parameter sind frühestens dann interessant, wenn Produkte kommerziell angeboten werden. Alle hier vorgestellten Techniken sind noch relativ weit von einer kommerziellen Verwertung entfernt. Es sollte niemand überrascht sein, wenn oft mehrere Jahre lang keine aufregenden Nachrichten über eine bestimmte Technik an die Öffentlichkeit gelangen. Erreicht dann allerdings eine der Techniken die Serienreife, könnte sie unser Leben entscheidend verändern. (mje)
Der Autor
Hermann Strass ist Berater für neue Technologien, insbesondere für Busarchitekturen, Massenspeicher sowie industrielle Netzwerke und Automation, Mitglied in nationalen und internationalen Normungsgremien, in der IEEE Computer Society sowie Technical Coordinator der VITA in Europa. Daneben ist er Autor von Fachbüchern und Zeitschriftenartikeln und organisiert Seminare.