Kombinierte Speichertechnik

5D-Recording soll Speicherkapazitäten auf das 10000-Fache steigern

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Australische Forscher erreichen höhere Speicherdichten durch die Kombination unterschiedlicher Speichertechniken und wollen auf DVD-Abmessungen 1,6 TByte unterbringen.

Mit der Entwicklung „fünfdimensionaler“ Speichermedien wollen Forscher an der australischen Swinburne University of Technology die 10 000-fache Speicherkapazität aktueller DVDs erreichen. Bisherige Ansätze versuchen, die Speicherdichte unter anderem durch eine verbesserte Ausnutzung von Wellenlängen, Polarisationen oder den drei räumlichen Dimensionen zu erhöhen. Peter Zijlstra, James Chon und Min Gu vom Zentrum für Mikrophotonik beschreiben nun im Wissenschaftsmagazin Nature die nach ihren Angaben erste Demonstration einer optischen Speichertechnik, die alle drei Wege gleichzeitig beschreitet (Ausgabe vom 21. Mai 2009, S. 410, doi:10.1038/nature08053). Sie erreichten damit bisher eine Bitdichte von 1,1 TBit/cm3, was bei einer Scheibe mit DVD-Maßen einer Kapazität von 1,6 TByte entsprechen würde.

Wählerische Speichertechnik: Abhängig von der Wellenlänge und der Polarisation des Laserlichts werden jeweils nur Goldnanostäbchen einer bestimmten Form und Ausrichtung photothermisch in eine Kugel umgewandelt.

Um mehrere Speichertechniken gleichzeitig am selben Speicherort nutzen zu können, braucht man nicht nur ein Material, mit dem die unterschiedlichen Techniken prinzipiell funktionieren. Die Daten müssen sich auch in der Kombination schreiben und auslesen sowie dauerhaft speichern lassen, ohne dass diese Vorgänge sich gegenseitig beeinflussen oder das Material zerstören. Die australische Forschergruppe nutzt ein Polymer, das Nanogoldstäbchen enthält. Bei diesen bewirkt ein Effekt namens longitudinale Oberflächenplasmonenresonanz eine recht hohe Empfindlichkeit für Wellenlängen und Polarisation: Variiert man diese im zum Schreiben und Auslesen verwendeten Laser, so sprechen abhängig von ihrer Form beziehungsweise ihrer Ausrichtung jeweils andere Nanostäbchen an.

Beim Schreiben erhitzt der Laserpuls nur diese Nanostäbchen so weit, dass sie schmelzen und ihre Form zu kürzeren Stäbchen oder Kugeln ändern. Zum Auslesen der Daten messen die Forscher die Zwei-Photonen-Photolumineszenz. Diese wird praktischerweise jeweils bei der gleichen Wellenlänge und Polarisation am stärksten angeregt, die für das Schreiben verwendet wurde, und gibt so nur die jeweils zugehörigen Bits gut wieder. Nach den Untersuchungen erhält man mit dieser Messmethode zugleich recht geringe Linienbreiten, sodass sich in Wellenlänge oder Polarisationswinkel benachbarte Speicherkanäle tatsächlich unabhängig voneinander auslesen lassen.

Kleiner Einstieg in große Datenkapazität: Die Einzelbilder der ersten Demonstration bestehen aus 75 Pixel x 75 Pixel und messen 100 µm x 100 µm. Innerhalb einer Schicht sind die Pixel der sechs Bilder jeweils am gleichen Ort gespeichert.

Während die Laser bei DVDs nur bei einer festen Wellenlänge schreiben und auslesen, haben die Forscher gleichzeitig mit drei verschiedenen Wellenlängen und zwei Polarisationsrichtungen gearbeitet, sodass sie mit ihrem Verfahren bisher an einem Punkt sechs verschiedene Bits speichern können. Dies soll sich noch ausweiten lassen.

Kombiniert man dies nun noch, wie auch bei DVDs üblich, mit mehreren Speicherschichten übereinander, multipliziert sich die mit einer Schreib- oder Lesekopfstellung schreib- oder auslesbare Bit-Anzahl entsprechend. Im Versuch haben die Forscher bis zu zehn Schichten übereinander beschrieben und ausgelesen. Die Dicke der Zwischenschichten soll sich noch auf ein Drittel des aktuellen Werts verringern lassen. Bei einer Speicherschichtdicke von 1 µm und einem Bitrastermaß von 1,33 µm erhielte man damit 7,2 TByte für eine Scheibe mit DVD-Maßen.

Die verwendete Bit-by-Bit-Schreibtechnik soll voll kompatibel sein mit herkömmlicher Laufwerkstechnik. Für ihre Versuche verwendeten die Forscher einen Femtosekundenlaser. Man könne für das Schreiben aber auch mit einem kostengünstigeren kontinuierlichen Laser oder einer Laserdiode arbeiten. Mit einer entsprechend schnellen Laserquelle sollen Speichergeschwindigkeiten von bis zu 1 GBit/s möglich sein. Da nur eine geringe Speicherpulsenergie notwendig ist (< 0,5 nJ pro Puls), könne ein drastischer Anstieg der Speichergeschwindigkeit erreicht werden, wenn man auch als Superkontinuum bezeichnetes weißes Laserlicht nutzt. Mit dessen breitbandigem Spektrum sollte man gleichzeitig auf allen gewünschten Kanälen speichern können.

Eine deutlich höhere Schreibgeschwindigkeit gegenüber der heutigen wird auch notwendig sein – die 10 000-fache Menge an Daten speichern zu können heißt schließlich nicht, dass man auch die 10 000-fache Zeit warten will, bis dies erledigt ist. Dies ist nicht die einzige Frage, die für eine Massenproduktion noch geklärt werden muss – die Forscher sind aber „zuversichtlich“, dass die 5D-Scheiben in fünf bis zehn Jahren in die Läden kommen werden. Ein möglicher Anbieter könnte Samsung sein. Die Forscher geben an, dass sie mit dem südkoreanischen Elektronikkonzern bereits ein Abkommen geschlossen haben.

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