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Die Datenspeicherung von morgen Teil 4 Der Racetrack-Memory-Effekt – mit Nanofäden Daten in drei Dimensionen stapeln

| Autor / Redakteur: Bernd Schöne / Nico Litzel

In der angewandten Wissenschaft sind die guten alten Ideen nicht totzukriegen. Speichermedien, wie Lochkarte, Magnetband und demnächst wohl auch die Festplatte, lassen sich anscheinend nicht verbessern – höchstens im kleineren Maßstab auf Nano-Ebene neu erfinden. Nach der Nanolochkarte Millipede steht jetzt das „Prinzip Band“ auf IBMs wissenschaftlicher Tagesordnung.

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Rotierende Speichersysteme stoßen trotz aller Tricks wie „Perpendicular Magnetic Recording“ und GMR-Effekt an absehbare Grenzen. Jetzt hat einer der Begründer hochkapazitiver Festplatten eine bessere Speicheridee.
Rotierende Speichersysteme stoßen trotz aller Tricks wie „Perpendicular Magnetic Recording“ und GMR-Effekt an absehbare Grenzen. Jetzt hat einer der Begründer hochkapazitiver Festplatten eine bessere Speicheridee.
( Archiv: Vogel Business Media )

Nanotechnik lässt seit Jahren Forscherherzen höher schlagen. Keine andere Technik bietet solche Möglichkeiten der Miniaturisierung und damit der Kosteneinsparung. Bei IBM hat man nun eine „neue“ Anwendungsmöglichkeiten für Nanofäden gefunden: Nanospeicher nach dem Tonbandprinzip. Hierbei werden Bits in drei Dimensionen gestapelt. Das verspricht 100-mal höhere Speicherdichten als sie rotierenden Magnetplatten der jüngsten Bauart derzeit erreichen. Die neue Speichertechnik soll spätestens in fünf Jahren serienreif sein und könnte dann neben der Flash-Speicherkarte auch gleich die Festplatte beerben.

Beim ersten Labormuster legt IBM-Forscher Stuart Parkin digitale Informationen in einer dreidimensionalen Halbleiterstruktur ab – und eröffnet damit der Storage-Szene eine neue Zukunftschance: Wesentlich höhere Speicherdichten lassen sich mit konventionellen Verfahren kaum noch erzielen, jetzt rücken deutliche Kapazitätssprünge wieder in greifbare Nähe.

Parkin forscht im kalifornischen Almaden, unweit San Franciscos, im Silicon Valley. Er half der IT-Industrie schon einmal aus der Klemme: Anfang der 90er-Jahre war die bis dahin verwendete Festplattentechnik an ihre Grenzen gestoßen.

Parkin bringt den GMR-Effekt zur Marktreife

Die Informationsdichte ließ sich nur noch langsam steigern. In Europa hatten kurz zuvor allerdings zwei Forscher den GMR-Effekt (Giant Magneto Resistance)entdeckt. Der GMR-Effekt ist ein quantenmechanisches Phänomen, das auf Wechselwirkungen zwischen den Spin-Ausrichtungen der Ladungsträger (Elektronen) und der Magnetschicht beruht. Parkin brachte das Kunststück fertig, innerhalb von zehn Jahren aus einer Entdeckung der Grundlagenforschung ein marktreifes Produkt zu gestalten. Jetzt will er seinen Erfolg mit der eigenen Entdeckung wiederholen.

Zuvor ein kurzer Rückblick auf den GMR-Effekt: Ein Sandwich aus dünnen magnetischen Eisenschichten, jeweils getrennt durch nichtmagnetische Chromschichten, ändert seinen elektrischen Widerstand erheblich, wenn ein schwaches Magnetfeld detektiert wird. Dieses schwache Magnetfeld liefert zum Beispiel die Speicherschicht einer Festplatte. Je schwächer das Feld sein darf, desto höher ist die erzielbare Speicherdichte, da der benötigte Raum pro Bit schrumpft.

Der Racetrack-Memory-Effekt

Die Erfinder des GMR wurden im Spätsommer dieses Jahres mit dem Nobelpreis geadelt. Parkin ging leer aus. Kurz vorher brachte er sich allerdings mit einer eigenen Entdeckung in Erinnerung, den oben erwähnten Nanofäden. Er gab ihnen den Namen „Racetrack-Memory-Effekt“ und veröffentlichte die Erfindung im angesehenen Wissenschaftsmagazin „Science“.

Bei dieser Methode werden kleine Nanofäden nach dem Prinzip des Tonbandes mit Informationen beschrieben. Die Fäden legt man dazu in Form einer Schlaufe um ein Siliziumplättchen. Allerdings bewegen sich weder die Fäden noch das Plättchen, sondern die magnetischen Domänen (kleine magnetische Blöcke) innerhalb der Fäden fangen an zu wandern, wenn eine äußere Spannung angelegt wird – wobei jede magnetische Domäne ein Bit repräsentiert.

Sofern sich die Hoffnungen der IBM-Forscher erfüllen, könnten Milliarden solcher Fäden in naher Zukunft Festplatten und Flash-Speicher ersetzen. Die erzielten Speicherdichten sind nämlich um den Faktor hundert höher als bei aktuellen Festplatten, da man die Informationen nun nicht mehr nur in zwei, sondern in drei Dimensionen speichern kann.

Daten auf der Rennstrecke

Den Namen „racetrack“, also Rennstrecke, hat das Verfahren von dem U-förmig um den Siliziumchip gewickelten Nanofaden. Das Gebilde erinnerte den Erfinder an die Form eines US-Rennparcours. Racetrack soll aber auch auf die Geschwindigkeit des Verfahrens hinweisen, denn ein entscheidender Vorteil der Technik ist ihre Schnelligkeit. Die Informationen bewegen sich mit rund 100 Metern pro Sekunde durch die Fäden, was Zugriffszeiten im einstelligen Nanosekundenbereich erwarten lässt, da die Abmessungen innerhalb des Gebildes – typisch für die Nanotechnik – extrem klein sind.

Selbst Millisekunden-schnelle Flash-Memory-Chips, die einzige im größeren Umfang zur Verfügung stehende Alternative zu Festplatte oder Band, sind verglichen mit der Racetrack-Technik langsam. Außerdem hätten Racetrack-Memory-Module einen weiteren Vorteil: Sie arbeiten beim Schreiben wie auch beim Lesen gleich schnell.

Von der Idee bis zur praktisch anwendbaren Technik soll es nicht lange dauern. In drei bis fünf Jahren, so Parkin in einem Interview mit der „New York Times“, will er aus dem Labormuster ein marktreifes Produkt fertigen. Der Erfinder sieht seine Nanofäden schon in Millionen von Video-iPods eingebaut, wo sie Hunderte von Fernsehstunden speichern könnten.

Doch Vorsicht, häufig wird mehr versprochen als dann gehalten wird. Auch holografische Speicher und die Nanolochkarte Millipede sind trotz jahrelanger Reifeprozeduren im Labor immer noch nicht auf dem Markt. Zu groß sind anscheinend die Schwierigkeiten, einen industriell einsetzbaren Formfaktor zu entwickeln, der in die vorhandene IT-Welt passt. Aber genau das hat Parkin ja schon einmal geschafft.

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(ID:2009199)