Как показали недавние исследования, технология хранения данных в полимерных пленках имеет очень большой потенциал по плотности информации – до 4 терабайт на квадратный дюйм. О своих последних достижениях в этой отрасли рассказывают исследователи из IBM.

О принципе работы считывающего устройства с матрицей параллельных МЭМС-кантилеверов мы уже писали. Знаменитая «многоножка», которую IBM делает уже не один год в своих лабораториях, столкнулась с рядом проблем в области коммерциализации, поэтому о ее появлении на рынке пока ничего не известно.

Напомним, что первоначальный чип «многоножки» изготовлен по 10-нанометровому техпроцессу, позволяющему размещать на органической пленке (которая выступает в качестве носителя информации) углубления диаметром 10 нанометров. Расстояние между отдельными углублениями составляет 100 нанометров, что позволило разместить на чипе довольно большую матрицу атомно-силовых кантилеверов. Наличие углубления соответствует логической «1», а его отсутствие – логическому «0». Кантилевер – это специальный атомно-силовой зонд, который «ощупывает» сканируемую поверхность, изменяя свое положение в пространстве в зависимости от того, встретит он на пути углубление или нет.

Рис. 1. Принцип считывания информации кантилевером

При чтении данных специальный привод кремниевого «стола», на котором размещена пленка с данными, перемещает ее в плоскости по заданным координатам X и Y. А привод мультиплексора позволяет управлять каждым кантилевером индивидуально, обеспечивая адресацию памяти. При этом матрица кантилеверов обеспечивает параллельное чтение/запись данных.

При этом каждый кантилевер производит операции «чтения/записи» только в отведенной для него области. Операция записи происходит термомеханическим путем с помощью головок кантилеверов. Для поддержания постоянной температуры пленки, необходимой для проведения процедур записи и стирания данных, на чипе находится ряд нагревательных элементов. Толщина слоя ПММА (ПММА – полиметилметакрилата), на котором хранятся данные, – 70 нанометров. Принцип работы устройства в целом позаимствован у систем, работающих с перфокартами. Но в отличие от бумажных перфокарт «Многоножка» умеет стирать продырявленную ею информацию (благодаря пластическим свойствам ПММА и ряду нагревательных элементов).

Но технологии сканирующего чтения МЭМС-устройствами не стоят на месте, и ученые из Цюрихской исследовательской лаборатории IBM сообщили о новом прорыве в области кантилеверных устройств.

На ряд вопросов касательно новой полимерной технологии хранения данных смог ответить Урс Дуриг (Urs Dürig) из Исследовательской Лаборатории IBM в Цюрихе (IBM's Zurich Research Laboratory).

С какими трудностями вы столкнулись, работая над устройством?

Наиболее трудная задача, которую нужно преодолеть при перемещении в наноразмерный диапазон длин – точное управление кантилевером. Скорость его передвижений – 10–30 миллиметров в секунду. Это на четыре порядка выше, чем в современной сканирующей зондовой микроскопии! Точно позиционировать с нанометровой точностью головку, перемещающуюся с такой скоростью довольно сложно.

Рис. 2. Компоновка чипа

Также для того чтобы избежать вибраций и резонансных колебаний всего кантилевера в будущем мы планируем делать их меньшими по размеру. Но в целом нам удалось преодолеть проблемы позиционирования с помощью системы сложной обратной связи и специальной механической конструкции кантилевера. Это – новое слово в МЭМС вообще. Как я и говорил, мы не собираемся останавливаться на достигнутом, и в ближайшем времени разработаем новый, меньший по размеру и более точный кантилевер.

Насколько прочны считывающие головки? Ломались ли они вообще?

В ходе экспериментов и интенсивной работы устройства ни один зонд кантилевера не был сломан, хотя головки постоянно выдерживали механические нагрузки. Для чтения ~1011 символов головка проходит по полимеру путь, эквивалентный 750 метрам, и запаса ее прочности достаточно для столь длительной работы. После этого интенсивного теста мы смогли продолжить использование устройства на областях полимера с плотностью информации 1 Тбит/дюйм2.

Рис. 3. Полимер с нанесенной на его поверхность информацией

Где, по вашему мнению, может впервые появиться устройство?

Ну, например, в ноутбуках – в качестве жесткого диска. Вообще же первоначально проект «многоножка» был направлен на разработку замены SD-картам. Представьте себе устройство размером с SD-карту, но обладающее при этом емкостью в несколько десятков гигабайт! При достаточно высоких скоростях чтения.

Для более простой интеграции «многоножки» в современную электронику мы даже разработали специальную архитектуру, разделив отдельно МЭМС-модуль и систему электронного позиционирования, включающую модуль коррекции ошибок.

Однако, с 2000 года технологии флеш-памяти развились достаточно сильно, что привело к появлению на рынке недорогих USB-устройств с большой емкостью. Но дальнейшее наращивание гигабайт будет более эффективным только на основе полимерных пленок. Информация, записанная в них, банально занимает меньше места.

На коммерциализацию «многоножки» даже выделен грант Европейской Рамочной программы FP6 ProTem, и их команда занимается внедрением сканирующих устройств хранения информации в состав банков данных, где миниатюризация оборудования всегда востребована.

Каким будет следующий шаг в ваших исследованиях?

Еще и еще раз – повышение скорости чтения. Мы хотим достичь значения 50 мм/сек для кантилеверов, что очень много даже для наших прототипов, но, я считаю, у нас получится.

Рис. 4. Микрофотография матрицы кантилеверов

Маленький размер всего прибора обеспечивает быстрое позиционирование считывающих головок, что, в свою очередь, приводит к сокращению времени чтения/записи. Оно составляет 1 мс, в то время, как в традиционных жестких дисках на проведения аналогичной операции требуется 10 мс.

Не последнюю роль в скорости чтения играет распараллеливание этого процесса. Так, одновременно могут работать сразу несколько кантилеверов, что увеличит скорость работы устройства во столько раз, будет считывающих головок.

Также устройства на базе «многоножки» благодаря конструкции, и, опять-таки, малому размеру, будут устойчивы к вибрации и ударам.

Свидиненко Юрий