Terabytes in Plastikfolie

Organische Massenspeicher vor der Serienproduktion?

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Die Meldung enthält Zündstoff: Eine kleine norwegische Firma kann angeblich für wenige Groschen einen Speicher mit einer Kapazität von bis zu 170 000 Gigabyte herstellen, der auf einer Scheckkarte Platz findet.

Verschiedene Zeitungen und Zeitschriften berichteten über die Errungenschaft der Osloer Firma Opticom, die der gesamten Industrie mit ihren Mammutspeicher auf Basis von Polymeren zu Leibe rücken will. Polymere sind auch der Grundstoff für Nylonstrümpfe und Plastiktüten. Das erste Serienprodukt des sogenannten 'organischen Speichers' soll schon im kommenden Jahr auf den Markt gelangen.

Wenn sich die Angaben bestätigen, steht der Computerwelt eine Revolution bevor, zumal die Norweger für ihren Polymerspeicher einen Preis weit unter dem aller etablierten Produkte versprechen: Festplatten, CD-ROMs, Tapes, aber auch Flash-Speicher und sogar RAM beziehungsweise ROM wären durch diese neue Technologie ersetzbar [#Lit1 [1]]. Die gesamte Speicherbranche könnte über kurz oder lang einpacken.

Mehr noch: Nichtflüchtige (Massen-)Speicher, die zudem auf flexiblen Substraten sitzen, sowie Displays und Logik auf Polymerbasis, an denen ebenfalls schon geforscht wird, würden zu einem kompletten Paradigmenwechsel führen. Der radikale Fortfall von Komponenten, die relativ viel Strom fressen und Hitze produzieren, zöge völlig neue Design-Konzepte nach sich - etwa papierdünne Computer, die aufgerollt in die Jackentasche passen. Die Siliziumindustrie heutiger Prägung wäre out.

Doch bislang reagiert die Computerindustrie äußerst verhalten auf die Sensationsmeldungen. Wir fragten führende Hersteller aus der Festplattenbranche, ob sie angesichts des Opticom-Superspeichers um ihre Zukunft fürchten. Ergebnis: Man kennt Opticom entweder gar nicht oder verweigert jeglichen Kommentar.

Renommierte Wissenschaftler dagegen wissen um das Potential der Polymer-Elektronik. Prof. Dr. Christoph Bräuchle von der Universität München, eine anerkannte Kapazität für optische Anwendungen von Polymeren, bestätigt die prinzipielle Möglichkeit, nichtflüchtige Speicher auf der Basis lichtemittierender Polymere und Proteine herzustellen. Hinsichtlich der Produktreife äußert er aber Bedenken: 'Ich kann mir nicht vorstellen, daß man wirklich schon so weit ist.'

Auch Prof. Dr. Josef Friedrichs vom Lehrstuhl für Physik Weihenstephan der TU München hält den organischen Speicher aus wissenschaftlicher Sicht für machbar. Allerdings wollte ihm der Sensationsgehalt der Nachrichten nicht recht aufgehen, habe er doch schon vor zehn Jahren einen ähnlichen Speicher im Labor eines großen japanischen Herstellers gesehen. Zur produktionstechnischen Seite eines organischen Speichers könne er nicht Stellung beziehen.

Bereits seit Jahren wird in Forschungsgruppen an Polymerelektronik gearbeitet. Vor allem an organischen lichtemittierenden Dioden forschen viele Uni-Institute und große Unternehmen. Das belegen zahlreiche wissenschaftliche Veröffentlichungen und Vorträge sowie die Reihe der Patentinhaber zum Thema Polymer-LED und Polymerherstellung: AT&T, Motorola, Philips, Sharp, Toshiba und auch Xerox sind auf der Liste zu finden. Auf etlichen firmeneigenen Forschungsseiten im Web findet man ebenfalls Hinweise auf die zukunftsträchtige Polymertechnik.

Großes Interesse dokumentieren vor allem die Display-Hersteller. Denn durch den Polymer-Einsatz könnten die lichtschluckenden Polarisatoren samt Hintergrundlampe im LC-Display entfallen und der gesamte Herstellungsprozeß vereinfacht werden. Die Firma Uniax von Prof. Dr. Alan Heeger präsentiert bereits Prototypen von 7-Segment-Anzeigen mit lichtemittierenden Polymeren. Hochauflösende Polymeranzeigen als echte Alternativen zu Monitoren stecken jedoch noch in den Forschungslabors der großen Displayhersteller.

Das Prinzip des organischen Speichers ist so einfach wie genial: Eine Polymerschicht, die über eine Passiv-Matrix angesteuert wird, strahlt Licht auf das Speichermedium, eine Proteinschicht. Das Licht schaltet die Proteine zwischen zwei stabilen Zuständen hin und her. Die beiden Zustände unterscheiden sich vor allem darin, welche Lichtfarbe sie absorbieren und welche sie durchlassen [#Lit2 [2]]. Einmal geschaltet, bleiben die Zustände auch ohne Licht stabil. Mit Licht geringerer Intensität, das den Speicherinhalt nicht löscht, liest man die Daten aus: In einem Zustand absorbieren die Proteine mehr, im anderen weniger Licht. Eine weitere Polymerschicht, ebenfalls matrixgesteuert, dient als Photodetekor und mißt das am Protein gestreute Licht.


Das Bauprinzip des Opticom-Polymer-Speichers: Eine Matrix steuert die lichterzeugenden Polymere an. An einem Kreuzungspunkt beschreibt das Licht die Proteine in der Mitte des Sandwiches. Die untere Polymerschicht dient als Lichtempfänger, liest also den Speicherinhalt aus.

Ein einzelnes Matrixelement des Opticom-Speichers soll eine Ausdehnung von weniger als 100 nm haben, die gesamte Schicht soll etwa 350 nm dick sein. Im Vergleich zu Mikrochips sind dies zehn- bis hundertmal kleinere Strukturen, zur Herstellung kommen die üblichen Lithographieverfahren also nicht in Frage. Tatsächlich könnten solche Abmessungen gelingen, wenn auch die Leiterbahnen der Matrix aus (leitenden) Polymeren bestehen. Denn die nur wenige Nanometer dicken, aber sehr langen Polymerketten richten sich unter bestimmten Bedingungen von selbst aus und geben damit eine der Matrixrichtungen vor. Die zweite Polymerebene ließe sich möglicherweise durch Bestrahlung mit UV-Licht strukturieren.

Der Knackpunkt am organischen Speicher liegt jedoch in der Ansteuerung dieser Matrix. Jede einzelne Leiterbahn der Matrix muß an einen Transistor angeschlossen und von diesem getrieben werden. Den Abmessungen von Opticoms Traumspeicher mit 100 nm Linienabstand stehen die Dimensionen moderner Transistoren in 0,25-μm-Technik von einigen Mikrometer Breite entgegen. Zudem müßte man die Minileitbahnen auf engstem Raum mit den (verhältnismäßig riesigen) Transistoranschlüssen kontaktieren.

Es ist aber kaum anzunehmen, daß eine kleine norwegische Firma den Halbleitergiganten im Bereich der lithographischen Verfahren um Riesenschritte voraus ist. Deshalb bliebe auch für die Treiberlogik wohl nur der Wechsel auf ein anderes Material, also die Verwendung von Polymer-Transistoren. Wir fragten Hans Gude Gudesen, Direktor des Opticom-Forschungsteams, wie die Abmessungsdiskrepanz zu erklären sei. Der Firmenmitbegründer bestätigte im Prinzip zwar den Einsatz organischer Transistoren und gab etliche technische Erklärungsansätze. Doch immer, wenn es um konkretere Aussagen bezüglich des Herstellungsverfahrens ging, zeigte er sich mit Hinweis auf die notwendige Geheimhaltung verschlossen. Opticom sei zwar der geistige Urheber der Speichertechnologie, doch könne die Osloer Firma nicht selbst produzieren und sei deshalb gegenüber den Partnerunternehmen zu Stillschweigen verpflichtet.

Tatsächlich ist die skandinavische Entwicklungsschmiede ein kleiner Betrieb mit nur 25 Beschäftigten. In Opticoms Technical Advisory Board sitzen drei renommierte Wissenschaftler aus dem Bereich der Polymerforschung: Prof. Dr. Alan Heeger von der Santa Barbara Universität in Kalifornien, der maßgeblich an der Entdeckung lichtemittiernder Polymere beteiligt war, Prof. Dr. Robert Birge von der Syracuse Universität in New York, der Pionierarbeit auf dem Gebiet der proteinbasierten Optoelektonik geleistet hat, und Prof. Dr. Olle Inganäs von der Universität Linköping, ein Vorreiter in Sachen Miniatur-LEDs auf Polymerbasis. Neben dieser geballten Ladung an Polymerwissen werden die Forschungen nach Aussage von Gudesen vor allem durch die Zusammenarbeit mit rund einhundert Wissenschaftlern und dreißig Instituten aus aller Welt vorangetrieben.

Nur durch die weite Streuung einzelner Forschungsbereiche lasse sich das geistige Eigentum der Firma schützen, sagt Gudesen. Denn Patente auf diesem Gebiet kann Opticom bisher nicht vorweisen. Allerdings haben die Norweger vor geraumer Zeit etliche Patentschriften eingereicht und warten nun auf eine Absegnung durch die jeweiligen Patentämter. Sie hoffen auf eine Anerkennung der Patente bis Mitte dieses Jahres. Da man sich zuerst rechtlich vor einem möglichen Technologie-Klau schützen muß, hängt die Bekanntgabe technologischer Details neben den getroffenen Non Disclosure Agreements wahrscheinlich auch von der Patentierung ab.

Allein aufgrund der Gerüchte, Opticom werde bereits Ende 1998 ein erstes Serienprodukt auf den Markt bringen, stieg der Aktienkurs der jungen Firma zeitweilig rasant in die Höhe. Opticoms Managementebene hält über 34 Prozent der Aktien, allein knapp 19 Prozent befinden sich im Besitz von Gudesen. Die Firma Eidos, europäischer Hersteller von Unterhaltungssoftware, hält weitere 15 Prozent der Anteile. Personell verquickt sind die Unternehmen durch Opticoms Managing Director Robert Keith, seines Zeichens zugleich Director von Eidos. Damit liegen rund 50 Prozent der Anteile in der Hand des Opticom-Managements. Hier drängt sich natürlich der Verdacht auf, daß der Speicher-Clou vielleicht nur ein Aktien-Clou ist.

Doch es gibt auch einige Anzeichen, die gegen eine solch böse Unterstellung sprechen. Im Oktober 1997 schloß Opticom ein Forschungsabkommen mit den renommierten Bell Labs (AT&T/Lucent Technology R&D). In dem 'Joint Development Agreement' soll das Know-how beider Unternehmen auf dem Gebiet der Polymerschaltungen zusammengeführt werden und in die Entwicklung von integrierten Schaltungen für organische Massenspeicher münden.

Die Forscher der Bell Labs arbeiten bereits seit geraumer Zeit an sogenannten Plastik-Transistoren. Sie geben an, funktionierende Schaltungen aus polymeren Transistoren erzeugen zu können. Deren Strukturen werden mit einer Art Siebdrucktechnik, wie sie bei Dickfilm-Schaltungen zum Einsatz kommen, auf flexible Substrate aufgeprägt. Hierin könnte tatsächlich die Lösung für das Ansteuerungsproblem der Opticom-Speichermatrix liegen.

Trotz allem bleibt die Frage offen, ob die Technik schon so weit entwickelt ist, daß sie sich für die Massenfertigung eignet. Gude Gudesen beteuert, daß dem so sei. Spätestens im kommenden Jahr werde ein erster Proteinspeicher in Serie gehen. Aus den Andeutungen des Forschungsleiters läßt sich schließen, daß es sich bei dem angedachten Produkt um eine nichtflüchtige SRAM/DRAM-Kombination mit einer Speicherkapazität von einigen Gigabyte handeln könnte. Doch eine explizite Aussage war von Gudesen weder zum Typ des ersten Produkts noch zu fertigungstechnischen Einzelheiten zu bekommen.

Theoretisch hält der Forschungsdirektor einen organischen Speicher aus tausend und mehr Lagen für möglich, wobei zur Ansteuerung von 1 MByte nur 9000 Transistoren notwendig seien. Aufgrund der Parallelisierung der Schichten würde der ultimative Speicher damit 170 000 GByte fassen. Die Zugriffszeit auf ein Wort soll laut Gudesen weniger als 5 ns betragen, alle Lagen des Superspeichers könnten zudem parallel ausgelesen werden.

Bei den Zugriffszeiten tun sich allerdings Widersprüche zwischen gesprochenem und gedrucktem Wort auf: Im Gegensatz zu Gudesens Aussagen wird in allen uns vorliegenden Schriften (diverse Artikel, Börsenanalyse, Bankenanalyse) eine Zugriffszeit von 50 ns genannt. Ob hier ein Mißverständnis vorliegt, die Zeit tatsächlich um eine Zehnerpotenz verbessert werden konnte oder Gudesen schlicht übertreibt, bleibt offen.

Vorerst denkt Opticom nicht in Terabytes, sondern backt wesentlich kleinere Brötchen. Zwei Prototypen seien fertig, sagt Gudesen. Diese bestünden allerdings nur aus einer einzigen Schicht. Welche Kapazität dieser einschichtige Speicher hat, war ebensowenig zu erfahren wie Details zur Vorgehensweise bei der weitereren Schichtung. Ein Laborbesuch könne c't im Hinblick auf die notwendige Geheimhaltung leider nicht gestattet werden.

Mit einem Einschichtspeicher läßt sich zwar demonstrieren, daß die Speichertechnik prinzipiell funktioniert. Doch der Weg vom Labor-Protoyp bis zur Serienfertigung ist lang und steinig. Etliche weitere Unternehmen arbeiten ebenfalls an dreidimensionalen Proteinspeichern, beispielsweise mit Bakteriorhodopsin, bei denen die Ansteuerung durch Laserstrahlen erfolgt. Auch holographische Speichersysteme auf organischer Basis erfreuen sich großer Beliebtheit unter den Wissenschaftlern. Beispielsweise hat IBM diese Art optischer Polymerspeicher in der Entwicklung.

Womit die Frage offen bleibt: Bringt Opticom tatsächlich innerhalb des nächsten Jahres ein serienreifes Produkt hervor - oder könnte die Konkurrenz gar schneller sein? (jr)

[1] Tom Sperlich, Das Ei des Kolumbus, Eiweiß als Nachfolger von Silizium, c't 10/96, S. 106

[2] Jens Krätzschar, Naturspeicher, Bakteriorhodopsin: Bio-Material zur Informationsverarbeitung, c't 2/93, S. 44

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Das Protein Bakteriorhodopsin ist eines der vielversprechendsten organischen Speichermaterialien. Sieben schraubenförmige Polymere bilden eine Membranstruktur, die ein Molekül, das sogenannte retinale Chromophor, enthält. Das Chromophor absorbiert Licht bestimmter Wellenlängen und kann damit neben dem Grundzustand einen weiteren stabilen Zustand annehmen. Nur blaues Licht kann das Molekül dann wieder in den Grundzustand zurückschalten.

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