Banker ut harddisken

  • ikt

Ekspertene ved Zürich-labben mener at deres nye teknologi kan banke harddisken ned i støvlene, både på arealtetthet, dataoverføringshastighet og ikke minst aksesstid – det vil si den tiden det tar før lagringsenheten finner fram til filen.

Nyvinningen har sin bakgrunn i scanning tunnelling-mikroskopet som de to IBM-forskerne Gerd Binnig og Heinrich Rohrer fikk Nobelprisen i fysikk for i 1986. Dette mikroskopet gjør det mulig å se individuelle atomer. IBM har senere videreutviklet det til et mikroskop basert på atomære krefter (AFM) som den nye, mekaniske datalagringen er basert på.

Umettelig

Nesten 300 millioner harddisker produseres hvert år, og antallet øker 14 prosent årlig. Industrien omsetter harddisker for nesten 300 milliarder kroner årlig, og behovet for datalagring synes umettelig. Frem til 1990-årene økte lagringstettheten med 25 prosent årlig. Deretter lå veksten på 60 prosent årlig, inntil vi nå ser en dobling av pakketettheten hvert år. I laboratoriene har forskerne klart å pakke 50 Gbit inn på en kvadrattomme disk.

Skremmende skyer lurer imidlertid i horisonten. Pakketettheten trues av den superparamagnetiske grensen, som sier at de individuelle magnetiske domenene blir ustabile over tid og påvirkes av temperatur når de blir for små. I dag tror man denne grensen går ved rundt 100 Gbit pr kvadrattomme.

Et annet problem er hastigheten. Selv om diskene leverer inntil 300 MByte i sekundet, ønsker kundene mer. Dessuten er det bare når disken leser store, kontinuerlige filer at slike fantastiske tall kan oppnås. Når det er snakk om store mengder enkeltopplysninger, og det er det gjerne ved databaseoppslag, tar det noen millisekunder før hodet finner frem til hver fil. Databasetransaksjoner utgjør en svært stor del av samfunnets databruk, enten det er oppslag på Internett eller banktransaksjoner.

Tusenbeinet

Millepede – Tusenbeinet – kalles prosjektet som får IBM til å søke tilbake til sine mekaniske røtter. Starten på Millepede skjedde ved IBMs Almaden Research Center i California for rundt ti år siden. Da klarte forskerne å benytte AFM-teknologi til datalagring ved å skrive og lese topografiske strukturer. IBM klarte til og med å skrive de tre bokstavene i navnet sitt med individuelle atomer. – Problemet var at det tok sekunder og minutter å flytte atomene, og det ville ta år å lese en fil på denne måten, sier Peter Vettiger, som leder instituttets forskning på mikro- og nanomekanikk.

Allikevel ble dette et gjennombrudd for det som har utviklet seg til Millipede-prosjektet. Millipede er basert på mikromekaniske nåler. De ligner de som er brukt i scanning tunneling-mikroskopet. Hver nål sitter på enden av en silisiumbjelke som føres over en 40 nanometer (nm) tykk polymerfilm (PMMA).

Varmes opp

Polymerfilmen er bevegelig både i x- og y-retning i forhold til nålen og bjelken, og den flyttes ved hjelp av magnetiske spoler. Hvis det skal skrives ett-tall, varmes bjelken opp til rundt 600 grader ved å føre en strøm gjennom den. Varmen bøyer bjelken mot filmoverflaten, og nålen smelter et avtrykk i den. På samme måte som avtrykket representerer et ett-tall, representerer mangelen på avtrykk en null.

Disse dataene kan leses tilbake ved å varme opp bjelken igjen – ikke så mye at den smelter PMMA-belegget, men slik at nålen presses ned i hullet. Når nålen presses ned i hullet, treffer den et termisk ledende metallag i bunnen av hullet som leder bort varme. Da endres motstanden i bjelken.

Ved å varme opp polymeren til 160 grader, flyter den sammen, og avtrykkene forsvinner. Forskerne hos IBM har klart å utvikle en teknologi som sletter avtrykkene på individuell basis, men de vil ikke forteller hvordan dette gjøres.

– Så rart det enn kan høres, er det nesten ikke mulig å måle mekanisk slitasje, sier Vettiger. Dette er ikke som de gamle grammofonplatene som mistet diskanten etter å ha blitt spilt en stund.

Smått

Avtrykkene som nålen setter fra seg i PMMA-belegget som brukes i labben, er fra 20 til 40 nm dype, men Vettiger tror det er mulig å komme ned i 10 nm. Siden nano betegner en milliarddel, er det ikke rare avstanden. De nye prosessorene som er kommet på markedet i dag har strukturer som er 180 nm (0,18 milliondels meter). Neste sprang som kommer om noen år, vil bli 130 nm.

Med slike knøttsmå dimensjoner blir det naturlig nok plass til mange avtrykk, selv om overflaten på substratet ikke trenger å være stor. Ved 10 nm avtrykk kan hver kvadrattomme lagre mellom 400 og 500 milliarder ett-tall og nuller. Det er opptil ti ganger tettere enn forskerne har klart å presse harddiskene opp til i laboratoriene, og det er langt over den grensen der superparamagnetismen setter for denne teknologien.

Fort og tett

Hver nål kan lese, eller skrive, hundre tusen ett-tall og nuller i sekundet, og forskerne tror de kan presse dette opp i en million. Foreløpig er det langt fra nok til å konkurrere med harddisker. Løsningen er å bruke mange nåler i parallell. Forskerne arbeider nå med en enhet som har 32 ganger 32, eller 1024 nåler, på et tre ganger tre mm silisiumsubstrat. I praksis kan tallet være tusen ganger tusen eller mer, og det betyr en million nåler som jobber samtidig. For det er nettopp en av de store fordelene med denne teknologien. I motsetning til en harddisk hvor hodet leser dataene sekvensielt, kan Tusenbeinet lese data samtidig fra alle nålene og slikt blir det fart av.

Det er ikke umulig at vi om noen år vil se små databrikker som pumper ut av seg en terrabit i sekundet. Med en samling slike på et lite kort vil de fleste plass- og hastighetshungrige IT-folk bli tilfredsstilt.

Dessverre kan vi ikke løpe ut å kjøpe IBMs nye tusenbein ennå. En skikkelig prototyp er klar først om to, tre år. IBM regner med at de første brikkene vil være på markedet i tidsrommet fra tre til fem år fra nå, og de ser for seg anvendelser i alt fra store datasentere til små mobiltelefoner.

Ikke alene

Selv om utsiktene for IBMs nye termomekaniske lagringsteknologi er lysende er ikke sikkert denne teknologien blir alene om å utfordre harddisken. Både IBM og andre jobber med flere optiske lagringsteknologier som kan bli tøffe utfordrere.

Holografisk lagring har lenge vært en lovende teknologi som kan gjøre det mulig å lagre enorme datamengder i små krystaller ved hjelp av lasere. Denne teknologien kan, hvis alle de praktiske problemene løses, lagre enda større datamengder og bli enda raskere.