Lager superminne med nanoteknologi

Lager superminne med nanoteknologi

IBM-forsker Stuart Parkin utvikler lagringsteknologi som kombinerer harddiskens kapasitet med internminnets hurtighet og Flash-minnets stabilitet.
ALMADEN: Uten Stuart Parkins forskning ville det ikke være mulig å lage Ipod-er og andre musikkavspillere med harddisk. Det var nemlig Parkin som i 1991 oppdaget at tykkelsen på det ikke-magnetiske laget mellom de magnetiske lagene i en harddisk gir store utslag mellom såkalt parallell og anti-parallell magnetisering.

Et par år senere, i 1994, tok Stuart Parkin og hans kolleger på IBM Research i bruk denne "Giant Magnetoresistive"-effekten" (GMR) til å lage lese/skrivehoder som mangedoblet lagringskapasiteten i harddisker.

GMR-teknologien, som idag brukes av alle harddisk-produsenter i verden, gjør at vi kan legge hele platesamlingen, og vel så det, på en harddisk som får plass i bukselomma.

Forenkler 3D-lagring

Selv om det nå er tre år siden IBM solgte sin harddisk-produksjon til Hitachi, har Stuart Parkin fortsatt med sin forskning på magnetiske effekter og "spintronics" (utnyttelse av elektronenes spin-egenskaper).

Parkin har vært involvert i utviklingen av Magnetic Random Access Memory (MRAM) som kombinerer den lave kostnaden til DRAM (Dynamic RAM), hurtigheten til SRAM (Static RAM) og stabiliteten til Flash-minne. Denne teknologien, og variantene PCRAM (Phase Change RAM) og FRAM (Ferro electric RAM), er nå i produksjon og derfor av mindre interesse for fysikerne på IBM Research.

I stedet har Stuart Parkin, som i 1999 fikk den høythengende tittelen IBM Fellow, kastet sine øyne på det han har kalt "Magnetic Race-Track Memory". Idéen bak Race-Track er å lagre bit tredimensjonalt uten å måtte lese og skrive informasjon i tre dimensjoner.

-- 3D-lagring, som for eksempel holografisk lagring, er vanskelig å få til i praksis fordi teknologien er vanskelig å miniatyrisere, sa Parkin da Computerworld traff ham på IBMs forskningslaboratorium i Almaden, sør for San Jose i Silicon Valley, tidligere i sommer.

Opticom og Thin Film Electronics' mislykkede forsøk på å utvikle tre-dimensjonal lagring i polymer har han ikke hørt om...

Hundre i høyden

I Race-Track lagres hvert bit i en rekke U-er ved siden av hverandre. Hvert bit skyves fram og tilbake mellom høyre og venstre side av U-en, forbi et skrive-/lesehode. Det gjør at lagringstettheten blir større enn i konvensjonelle lagringsmedier, inkludert harddisker med såkalt "Perpendicular Recording" (stående bit).

-- Hvis vi med Race-Track klarer å lagre ti bit i høyden konkurrerer vi med Flash. Klarer vi hundre, som vi tror, kan vi konkurrere med lagringskapasiteten til harddisken, sier den meget anerkjente forskeren.

Fordelen med internminne, eller RAM, er at det er veldig raskt. Ulempen er at dataene blir borte når strømmen skrus av (gjelder S- og DRAM). De ulike Flash-teknologiene (NAND, NOR og lignende) er også raske, og i tillegg ikke-volatile slik at informasjonen er trygg også uten strøm.

Ulempen med Flash er at minnet kun kan skrives over et begrenset antall ganger. En grense på for eksempel en million overskrivninger ville gjort Flash-minnet ubrukelig etter noen minutter som internminne i en pc.

Uvisst resultat

Alle disse "solid state"-minnene uten bevegelig deler har begrenset lagringskapasitet. Når det gjelder kapasitet er harddisken uslåelig, i alle fall hvis vi ser bort fra magnetbånd (tape) som også i framtiden vil ta unna de aller største lagringsoppgavene.

Dessverre har harddisk lang aksesstid. I tillegg gir de bevegelige delene utstyret begrenset levetid.

Parkin ubeskjedne mål er å kombinere det beste fra alle de ulike lagringstypene, samtidig som han unngår ulempene. Han har bevist prinisippene bak Race-Track, men han understreker gang på gang at ingen vet om det er mulig å komme helt i mål.

-- Hvis vi visste resultatet ville det ikke være forskning, sier han med en omskrivning av et sitat fra Albert Einstein.

Flytter vegger

I magnetiske lagringsmedier representeres informasjonen, eller bit-ene, ved at punkter på lagringsmediet har ulik magnetisk orientering. Den magnetiske retningen bestemmes av om elektronene har "spin up" eller "spin down".

En av utfordringene Parkin står overfor er hvordan spin kan flyttes uten av elektronene flytter på seg. På IBMs laboratorium i Almaden viser forskerne hvordan denne spin-forflytningen skjer gjennom at såkalte "domain walls" (vegger som skiller mellom elektroner med ulik magnetisk retning) beveger seg når de tilføres strøm.

"Domenevegger" som beveger seg betyr at informasjons-bit kan flyttes fram og tilbake over lese-/skrivehoder som står i ro. Og hvis bitene lagres i en slags stående hestesko, oppnås tre-dimensjonal lagring.

Mye strøm

-- Dagens lesehoder kan brukes, mens det blir en utfordring å lage en helt ny type skrivehoder, forklarer Parkin.

Et annet problem Parkin sliter med, er å begrense strømmen som må til for å flytte domeneveggene. I dag brukes strøm som nesten flytter atomene, noe som ikke er ønskelig fordi slik bevegelse vil slite ut materialet.

Forskerne strides forøvrig om domeneveggene har masse eller ikke. Parkin hører til dem som ikke tror at flytting av domeneveggene representerer massesløs bevegelse. Andre forskere hevder dette.

Utenfor IBM

Forskerne ved IBM Research i Almaden bare trekker på skuldrene av begrepet nanoteknologi. Det meste av det fysikerne ved laboratoriet holder på med er nemlig på atom-nivå. Det gjør nanometer (en milliarddels meter) til en dagligdags måleenhet.

For å klare å implementere Race-Track vil forskerne bruke "nano trap", som er lag med metalliske nanopartikler med en eller to atomers tykkelse kombinert med lag av polymer. Ladde partikler på fra en til tre nanometer spres altså i halvledende polymermateriale.

Denne "nanoimplanteringen" er vanskelig fordi den elektriske motstanden i lederne blir stor med slike tynne lag. Dessuten er det selvsagt en utfordring å lage materialer med to atomers tykkelse.

IBM har tatt patent på Race-Track. Men selskapet kommer ikke til å stå for produksjonen - hvis Stuart Parkin skulle klare å nå sine mål. I stedet er det aktuelt å etablere et eller flere selskaper som kan videreutvikle og kommersialisere teknologien. Samtaler med investeringsselskaper er allerede innledet.