"Stonožka" od IBM

www.sciencephoto.com

www.nature.com

Millipede od IBM, neboli "stonožka" byla navržena jako nový typ netěkavé (beznapěťové) paměti  (tj. takové paměťové prvky, které si uchovávají informace i po vypnutí proudu). Idea na tento typ pevnolátkové paměti pochází z 90. let minulého století z laboratoří IBM v Zurichu. Jedná se o zajímavý koncept paměti založené na nanoindentaci materiálu pomocí hrotu s nanometrovým rozlišením (< 20 nm). Původně byla "stonožka" zamýšlena jako konkurence pro magnetické paměti jako jsou pevné disky, kde se očekávaly kratší časy zápisu a nativní kompatibilita s CMOS technologií. Na druhé straně IBM paměť nepředstavuje vážnou konkurenci pro velmi rychlé DRAM paměti, které jsou i pro jiné alternativní technologie (paměti s fázovým přechodem, paměti s vysoce mobilními ionty, NAND, NOR, magnetické paměti...), stále těžkým a rychlým soupeřem (rychlejší je SRAM, která je také dražší). Ve všech těchto paměťových prvcích patří IBM na první místa v oblasti výzkumu a vývoje. My se, ale budeme zabývat právě "stonožkou" jejíž koncept v sobě nese jistou krásu. První prototyp paměti na bázi hrotů byl představen v roce 2005 a očekávalo se, že v roce 2007 bude komerčně dostupná na trhu. Tento cíl se IBM zatím nedaří plnit. Hlavními nedostatky jak uvidíme dále jsou vysoké teploty operace (tj. vyšší spotřeba energie), nižší rychlost čtení a opotřebení hrotů.

Společnost IBM demonstrovala paměť s hustotou zápisu dat větší než 1 Tb/in² (toto je opravdu velice vysoká hodnota hustoty zápisu dat, na úrovni dnešních HDD, akorát o pár let dříve) při zachování velice nízkého počtu chyb, zaručující 100% čitelnost dat. Nová generace paměti používá 4096 hrotů, tj. pole o 64x64 hrotech na ploše o 7 mm². Každý hrot (vyrobený z křemíku a potažený tepelně vodivou vrstvou, délka hrotu 500 - 700 nm) je upevněn na konci raménka o délce 70 μm.
Na následujícím videu můžeme vidět tepelně-mechanického princip zápisu, čtení a vymazání dat. Tento proces si nyní popíšeme podrobněji.

• ZÁPIS: Během kontaktu temperovaného hrotu (nad teplotou skelné transformace polymeru) s hladkým povrchem aktivní vrstvy polymeru (např. PMMA, Tg ~ 400°C) dochází ke změknutí polymeru a vytvoření nano-kráteru, tj. zapsané informace "1". Nanoindent je vytvořen během několika mikrosekund aplikací síly v řádech nN na horký hrot. Dochází k elastické deformaci tj. tvorbě meta-stabilního stavu, který v důsledku rychlého zchlazení hrotu během indentace "zamrzne".

• ČTENÍ: se provádí na základě změny tepelného toku mezi předehřátým hrotem a tepelně vodivým substrátem (podložkou), na kterém je nanesena aktivní vrstva polymeru. Předehřátým hrotem na cca 150 - 200°C se skenuje povrch polymeru. Při přechodu hrotu nad prohlubní dojde k přiblížení temperovaného hrotu k tepelně vodivé podložce a tedy ke zvýšenému odvodu tepla z hrotu, což se projeví poklesem elektrického odporu hrotu, který lze snadno měřit. Simultánně lze měřit také změnu topografie. Čtení a zápis se provádí dvěma různými topnými tělísky umístěnými na raménku a hrotu. Teoretická rychlost čtení se zatím pohybuje ~100 Kb/s.

• VYMAZÁNÍ DAT: Proces probíhá podobně jako zápis. De facto se jedná o zápis v těsné blízkosti již vytvořeného kráteru. V důsledku lokálního zahřátí nově zapisované informace dojde k "roztání" zamrznutého stavu, tj. k uvolnění elastické energie a návratu původně zapsané informace v podobě kráteru na hladký povrch. Je tedy zajímavé, že zápis a vymazání dat probíhají souběžně, což snižuje celkovou časovou zátěž celé paměti. Starší prameny uvádí možnost cyklování až 100 000x. Nová data nejsou k dispozici. Jaké je opotřebení hrotu není jasné. Zvýšení životnost hrotu je primárně zajištěno jinými materiály než křemík, tj. hroty mohou být vyrobeny z "diamond like carbon" nebo PtSi.

Je nutné si uvědomit, že všechny výše uvedené operace probíhají na každém hrotu zvlášť. Pro jednoduchost je na videu ukázána práce pouze jednoho hrotu.

Jaká je budoucnost této zajímavé technologie? Na tuto otázku je těžké odpovědět. IBM v současné době informace již neaktualizuje a lze se tedy domnívat, že technologie zápisu hrotem se ukázala jako nevhodná alternativní cesta. V dnešní době mnohem propracovanějších konkurenčních paměťových prvků není tento fakt velké překvapení. Je jisté, že IBM může jen těžko přiznat porážku millipede. Je možné, že v hlavách inženýrů se již vyvíjí další plány, jak "stonožku" modifikovat pro jiné případné aplikace.

Nový trend ve "stonožkovém" způsobu zápisu mohou přinést polymery, které měknou pod tlakem a není nutné je zahřívat. Životnost hrotu při tlakovém způsobu zápisu se stává ještě více kruciální než u tepelně-mechanického způsobu. Výzkum v oblasti více hrotového zápisu je stále velice aktivní a tak se jistě brzy dočkáme nových překvapení.

Seznam použité literatury:

1. http://www.zurich.ibm.com/st/storage/publication.html
2. http://www.protem-fp6.org/
3. http://projects.exeter.ac.uk/ProTem/images/Bhaskaran%20IBM%20WIND_IMST%202008.pdf
4. A. Jo, W. Joo, W.-H. Jin, H. Nam, J. K. Kim, Nat. Nanotechnol. 4 (2009) 727
5. http://www.newscientist.com/article/dn17802-superdense-data-stores-cool-down.html

Posted in: jine materialy,polymery