Veijo Hänninen 

Tallennusmateriaalien katsaus

Tietokoneiden muisteissa käytettäviksi suunnitelluista materiaaleista saadaan käyttöön uudenlaisilla tavoilla enemmän tallennuskapasiteettia pienemmällä tehonkäytöllä. Myös uusia menetelmiä on kehitteillä.

Puolijohdeteknisten muistiratkaisujen aiheuttamasta kilpailutilanteesta huolimatta pyörivän medialevyn tekniikan uskotaan tallennustiheyttään kasvattaen olevan käytössä tulevaisuudessakin.

Kiintolevyjen seuraava tihennystekniikka voi olla lämpöavusteinen tallennus (Heat Assisted Magnetic Recording, HAMR).

Kun nykyisen magneettisen tallennuksen rajat alkavat tulla vastaan, avuksi kaavaillun lämmön avulla saadaan aikaan pienempiä ja silti vakaita tallennusalueita.

Vaikka lämmitys ja jäähdytys, mikä tässä myös täytyy toteuttaa, mielletään yleensä hitaaksi prosessiksi, niin sopivalla median rakenteella voidaan saavuttaa yhden nanosekunnin muutosnopeuksia. Tämä tarkoittaa noin gigahertsin datanopeuksia.

Kirjoituspään täytyy toimittaa tallennusmediaan sekä magneettinen kenttä että optinen energia. Luenta tapahtuu tavanomaisemmalla magnetoresistiivisellä elementillä.

Suurempia tiheyksiä ilman lämpöä

Singaporelaisessa A*STAR Data Storage Institutessa tutkitaan mahdollisuutta tallentaa kukin databitti yhteen ohutkalvomedialle valmiiksi järjestettyyn magneettisen alkioon (Bit patterned media recording, BPMR).

Tutkijat ovat erilaisia tallennusprosessien mallinnuksia yhdistäen osoittaneet tämän olevan mahdollista käytännössä. Heidän tavoitteena on, että BPMR-tallennus voisi kasvattaa kapasiteettia yhden suuruusluokan verran, saavuttaen tallennustiheyden kymmenen terabittiä neliötuumalla.

Yksittäisiin magneettisiin rakeisiin perustuva tallennus lisäisi myös vakautta ja vähentäisi bitin kirjoituksessa tarvittavaa magneettikenttää.

Myös lämpöavusteisen tekniikan tutkijat ovat uumoilleet yksittäisten säännöllisten alkioiden käyttöä, jolloin tekniikalla yllettäisiin sadan terabitin tallennustiheyksiin per neliötuuma.

Apua plasmonisista materiaaleista

Purduen yliopistossa on tutkittu erilaisia plasmonisia tekniikoita HAMR-tekniikan tueksi.

Negatiivisen taittokertoimen materiaalit mahdollistaisivat hyödyntää elektronien pilviä eli pintaplasmoneita manipuloimaan ja hallitsemaan valoa.

Nykyiset plasmoniset materiaalit tukeutuvat metalleihin kuten kulta ja hopea, jotka kuitenkin aiheuttavat häviöitä eivät ne ole CMOS-yhteensopivia. Vaihtoehtoiset materiaalit vaihtelevat seostetuista puolijohteista, läpinäkyviin sähköä johtaviin oksideihin ja grafeeniin.

Plasmoniset materiaalit ovat lupaavia moniin eri sovelluksiin mutta Purduen yliopiston tutkijoiden muodostama startup-yritys, Nano-Meta Technologies keskittyy kahteen sovellukseen: uudenlaiseen magneettiseen tallennus-teknologiaan ja uuteen syövän hoitomuotoon.

Purduen tutkijat ehdottavat titaaninitridiä käytettäväksi datan tallennuksessa. Koska sillä on korkea sulamispiste, se on lupaava tekniikka lämpöavusteisessa tiedon tallennuksessa. Titaaninitridi on myös yhteensopiva CMOS-tuotannon kanssa.

Lämpöavusteisessa tekniikassa tarvitaan erityistä optiikkaa keskittämään lasersäteen lämmitysvaikutus mahdollisimman pienelle alalle. Nano-Meta Technologies kehittääkin nanorakenteisia yhdisteitä, jotka voivat keskittää valoa plasmonisen vaikutuksen avulla ohi diffraktiorajan asettaman rajan.

Optinen magneettisuuden vaihto

Optinen magneettisuuden vaihto lupailee terahertsin nopeuksia tulevaisuuden kiintolevyille ja RAM-muisteille.

Yhdysvaltain energiaministeriön Ames Laboratoryn, Iowa State Universityn ja University of Kreetan tutkijat ovat löytäneet uuden tavan vaihtaa magnetismin suuntaa. Menetelmä olisi vähintään tuhat kertaa nopeampi kuin nykyisissä magneettisissa muistitekniikoissa.

Ames Laboratoryn fyysikko Jigang Wang ja hänen ryhmänsä käyttivät lyhyitä laserpulsseja luomaan femtosekuntien kuluessa magneettisuuden muutoksia kolossaalisessa magnetoresistiivisessä (CMR) materiaalissa.

Tällä kertaa magneettisuuden muutosta ohjasi kvanttimekaaninen ilmiö eikä lämpeneminen. Jo 20 vuotta on tiedetty, että ferromagneetit voidaan demagnetoida erittäin nopeasti laservalopulsseilla mutta vasta äskettäin on onnistuttu selvittämään ilmiön taustoja.

Tutkijoiden tavoitteina onkin käyttää täysoptisia kvanttimenetelmiä tuottamaan magneettisuuden vaihto ja ohjaus magnetismille. Se loisi perustaa etsiä nopeampaa magneettisuuden vaihtokytkentää ja CMR-aineiden mahdollisuuksia spinelektroniikan parissa.

Kolmas laji magnetismia

MIT:n (Massachusetts Institute of Technology) tutkijat ovat havainneet, että perinteisen ferromagnetismin ja antiferromagnetismin lisäksi on olemassa kolmas perustavanlaatuinen tila magnetismia.

Tämän uuden tilan nimeksi tutkijat antoivat kvanttispinneste (quantum spin liquid, QSL). Kyseessä on kiinteä kide mutta sen magneettista tilaa kuvataan kuten nestettä, jossa magneettiset suuntaviivat vaihtelevat jatkuvasti, kuten molekyylien liike nesteessä.

Löydöllä voisi olla merkitystä tallennuksessa tai viestinnässä hyödynnettäessä eksoottista kvantti-ilmiötä eli pitkän kantaman lomittumista.

Hampurin yliopiston fysiikan tutkijaryhmä on puolestaan onnistunut luomaan ennätysmäisen pienen magneetin. Se on rakennettu vain viidestä rauta-atomista. Mielenkiintoista on, että näin pieni magneetti on kuitenkin vakaa, joten sitä voitaisiin käyttää tietojen tallentamiseen tulevaisuudessa.

Magneettisuus pois ja päälle grafeenissa

memory-machester-magnetismia-grafeenissa.jpgKansainvälinen tutkijaryhmä on löytänyt tavan tehdä grafeenista magneettista niin, että se voidaan kytkeä päälle ja pois ulkoisella sähkökentällä.

Manchesterin yliopiston johtama tutkijaryhmä, johon kuului myös suomalaisia ja singaporelaisia tutkijoita osoitti miten luoda alkeismagneettinen momentti grafeeniin ja kytkeä sitä päälle ja pois.

Tähän asti spintroniikka on rajoittunut kahden magnetointisuunnan tallentamiseen mutta se ei ole pystynyt tuottamaan aktiivisia laitteita, joissa magneettisia ominaisuuksia voisi ohjailla transistorien tapaan.

Grafeenin hilarakenteesta voi poistaa atomeja, josta syntyvää aukkoa kutsutaan vakanssiksi. Havaittiin, että elektronit tiivistyvät vakanssien ympärille pieniksi elektronisiksi pilviksi, jotka toimivat kuin mikroskooppinen magneetti kantaen yhtä yksikköä magnetismia eli spiniä.

Tutkimukset osoittivat, että magneettiset pilvet voidaan hallitusti haihduttaa ja sitten tiivistää takaisin. Temppu mahdollistaa rakentaa laitteen, jossa informaatio tallennetaan vaihtamalla grafeenin tilaa magneettisen ja ei-magneettisen välillä. Tilat voidaan sitten lukea joko tavanomaisesti sähkövirran avulla tai vielä parempi, spinvuon avulla.

Näin syntyvät uudenlaiset laitteet voitaisiin integroida elektronisiin piireihin tuottamaan toiminnot, joilla hallitaan magnetismia ja sähkövarausta eli ne yhdistäisivät magneettiset muistit sähköisiin virtapiireihin.

Magneettinen muistitekniikka ilman kestomagneetteja

Jerusalemin yliopiston ja Weizmann Institute of Sciencen tutkijat ovat kehittäneet yksinkertaisen magnetisoitumisen tuoton, joka poistaa kestomagneettien tarpeen muistilaitteista.

Kvanttimekaniikan mukaan spin antaa elektroneille niiden magneettiset ominaisuudet. Uusi tekniikka, jota kutsutaan magnetless spin memory (MSM), ajaa virtaa läpi kiraalisen materiaalin ja valikoiden siirtää elektroneja magnetoimaan nanomagneettisia kerroksia tai nanopartikkeleita.

Tällä tekniikalla on mahdollista luoda magneettis-pohjainen muistilaite, joka ei vaadi kestomagneettia, ja joka voisi mahdollistaa muistibittien miniatyrisoinnin aina yhteen nanohiukkaseen.

Teknologialla on potentiaalia ylittää muiden magneettipohjaisten muistiteknologioiden puutteet ja mahdollistaisi luoda edullisia ja tiheitä muisti-on-chip laitteita, jotka vaativat paljon vähemmän virtaa kuin nykyiset tekniikat.

Yhteensopivuus mikropiirien valmistuksen tekniikoihin voisi mahdollistaa edullisen, tiheän ja universaalin muisti-on-chip tuotannon.

Energiatehokkaita MeRAM-muisteja

Viime vuoden lopulla Kalifornian yliopiston (UCLA) tutkijat tekivät merkittäviä parannuksia haihtumattomasti toimivaan magneettisresistiiviseen MRAM-muistiin.

Normaalisti bittimuutos saadaan näissä piireissä aikaan virran tuottamalla magneettikentällä mutta UCLA:n tutkijat onnistuneet ohjaamaan tilamuutosta jännitteen avulla mikä vähentää energiankäyttöä ja mahdollistaa jopa viisi kertaa tiheämmän muistirakenteen.

Uusimmat kaupalliset MRAM-muistit perustuvat STT (spin-transfer torque) -tekniikkaan, jossa hyödynnetään elektronien spinejä ja varauksia magneettisen tunneliliitoksen tilan muuttamiseksi rakenteen läpi kulkevan tunnelointivirran avulla. Muun muassa Everspin Technologies on esittelyt 64 megabittistä ST-MRAM-piiriä, joka on liitettävissä DDR3-muistiratkaisuihin.

Jänniteohjattu MeRAM-muistipiiri on kuitenkin 10 - 1000 kertaa energiatehokkaampi. Valmistuksessa voidaan käyttää samoja materiaaleja ja prosesseja kuin nykyisissä STT-MRAM:ssa.

Edeltäjiensä tapaan uudenlainen MeRAM perustuu eristettyihin magneettisten materiaalien kerroksiin (MJT). Niistä toisen suunta on kiinteä ja toinen on ohjattavissa, jolloin nanokokoisen kerrospaketin resistanssi muuttuu.

Nyt kehitetyt rakenteet on tehty sähkökentille herkiksi. Sähkökenttä tuottaa jännitteen kahden magneettisen kerroksen välille. Tämä jännite kerryttää tai kuluttaa elektroneja näiden kerroksien pinnalta, tuottaen näin informaatiobittejä muistiin.

Resistiivisiä muisteja

Resistiivisen muistin perusta on materiaalissa tapahtuva resistanssin muutos. Nanotasolla esiintyvä ilmiö on havaittu muun muassa siirtymämetallien oksideissa ja monenlaisissa muissa materiaaleissa.

Haihtumattomista resistiivisistä muisteista veikataankin flashin korvaajaa. Niitä on jo olemassa kaupallisina tuotteina mutta tutkimustyö tuo esiin myös uusia mahdollisuuksia.

University of California tutkijat ovat kehittäneet resistiivisen muistiratkaisun, josta voidaan rakentaa muistisoluja, jotka ovat pienempiä, nopeampia ja tarjoavat enemmän tallennustilaa kuin nykyiset flash-muistisolut.

Keskeinen edistysaskel tässä työssä oli luoda itseasentuvia sinkkioksidisia nanosaarekkeita piille. Resistiivinen muisti on yleensä metal-oksidi-metalli- rakenne, johon liittyy valitsin. Uudessa rakenteessa on havaittu kolme toimintatilaa, joten siinä ei tarvita valitsinta.

Lisäksi tutkijat ovat havainneet, että resistiivinen muisti voidaan skaalata alle kymmenen nanometrin mittakaavaan. Rakenne on myös yksinkertainen mikä alentaa valmistuskustannuksia.

Kolmiulotteisia läpinäkyviä muisteja

memory-rice-flex-memory-300t.jpgSyksyllä 2012 Rice Universityn esittelivät joustaville kalvoille suunnittelemiaan läpinäkyviä ja kolmiulotteisia muistipiirejä.

Tekniikka perustuu piioksidin kytkentäominaisuuksiin eli läpimurtolöytöön, joka tehtiin Ricessä jo vuonna 2008. Tällöin havaittiin, että lasia muistuttava ja eristeenä toimiva piioksidi voi itsessään toimia kuin kytkin.

Jännitteen avulla nanomittaisten piioksidikerrosten rakenne muunnetaan metalliseksi piiksi. Pienemmällä jännitteellä kanava voidaan sitten katkaista ja yhdistää toistuvasti ja siten lukea kuin ykkös- ja nollabittiä.

Kun flash-muistit vaativat kolme liitintä kutakin bittiä kohti niin Ricen yksikkö, toimii kahden liitännän avulla eli se voidaan helposti pinota kolmiulotteisiksi rakenteiksi.

Nyt rakennetta on parannettu läpinäkyväksi ja joustavaksi grafeenisten tai indiumtinaoksidisten liitäntäelektrodien avulla.

Ferrosähköiset muistit

Jo pitkään on tiedetty, että ferrosähköisillä materiaaleilla on potentiaalia tarjota enemmän tallennuskapasiteettia kuin magneettiset kiintolevyt ja nopeampaa kirjoitusnopeutta ja pidempää elinikää kuin flash-muistit.

Ferrosähköisyydelle on ominaista spontaani sähköinen polarisaatio, joka voidaan sähkökentän avulla suunnata uudelleen.

Vuonna 2011 University of Michiganin tutkijat tarkkailivat ferrosähköisen muistibitin vaihtumista 0- ja 1-tilan välillä reaaliaikaisesti. He havaitsivat, että ferrosähköisen muistin kytkentäprosessi alkaa eri paikasta materiaalia kuin he aluksi uskoivat. Lisäksi kytkentä voidaan käynnistää paljon pienemmällä teholla kuin tutkijat olivat arvelleet.

Tutkitussa järjestelmässä sähkökentät muodostuivat luonnollisesti ferrosähkö/elektrodi rajapinnoissa, mikä alentaa kytkennän kynnystä eli dataa voi kirjoittaa paljon pienemmällä virrankulutuksella.

Michiganin tutkijat kehittelevät erityisiä hybridimateriaaleja, jotka sisältävät sekä ferrosähköisiä että magneettisia komponentteja ja jotka voisivat olla seuraavan sukupolven magnetosähköisten muistipiirien perustana.

Hybridimateriaalien etu muisteissa olisi, että niissä yhdistyvät sähköisten ja magneettisten muistitapojen edut: ferrosähköisen muistin kirjoituksen helppous ja magneettisen muistin lukemisen helppous.

Ferrosähköisten ja magneettisten vuorovaikutusten ansiosta hybridimateriaalit olisivat integroitavissa myös muihin uusiin rakenteisiin kuten spintroniikkaan, joissa hyödynnetään elektronien luontaista "ylös" tai "alas" spinejä.

Monitoimisia rajapintoja

memory-penn-monitoiminen-li_tunneljunction-300__kopio.jpgPenn State Universityssä toimineen tutkimusryhmän kehittämällä menetelmällä voitaisiin myös luoda monitasoisia ja monitoimisia piirejä sekä tehostaa nanoelektroniikan ja spintroniikan komponentteja.

Tutkijaryhmä kehitteli materiaalirajapinnan, joka yhdistää samaksi rakenteeksi sekä sähköisen että magneettisen tunneliliitoksen. Ferrosähköisissä materiaaleissa on spontaani negatiivinen ja positiivinen polarisaatio joka voidaan kääntää. Toisaalta, ferromagneettiset materiaalit, kuten rauta, muodostavat kestomagneetteja joiden magnetointisuunta on myös käännettävissä.

Tutkijoiden tavoitteena on luoda monitoiminen rakenne korvaamalla tunneliliitoksen estokerros ferrosähköis-magneettisella rajapinnalla. Kuvassa liitos kahden polarisaation kokoonpanossa.

Uutta laitetta voi pitää nelilukuisen tilan laitteena, koska siinä ferrosähköinen tunnelointi, jota voidaan käyttää kytkimenä tai muistina, on integroitu magneettiseen tunneliliitokseen eli magneettiseen muistityyppiin (MRAM).

Tässä vaiheessa tutkimus osoittaa vain tekniikan toteutettavuuden mutta tulevaisuudessa samassa laitteessa voisi olla nopeampi kytkentä ja tallennus tai vaihto tilojen 1, 2, 3 ja 4 välillä.

Muistipiirejä hiilinanoputkista

Hiilinanoputkia käytetään jo käytännön muistipiireissä vaikka kuluttajamarkkinoilla niitä ei vielä näykään.

memory-nantero-nram.jpgYhdysvaltalainen Nantero on kehitellyt tekniikkaa koko 2000-luvun ja sen tavoitteena on kaupallistaa hiilinanoputkiin perustuvia haihtumattomia muisteja, joilla voi korvata DRAM-, SRAM-, flash-muistit ja jopa kiintolevyt.

Hiilinanoputkisia NRAM-muisteja testattiin keväällä 2009 onnistuneesti avaruussukkula Atlantiksen lennolla. Sittemmin Nantero on keskittynyt kaupallisempiin sovelluksiin ja sen yhteistyökumppaneita ovat muun muassa ON Semiconductor, Hewlett-Packad ja LSI Logic.

Nanteron muistipiirit valmistetaan tavanomaisella CMOS-prosessilla eikä yhtiöllä omaa valmistuskapasiteettia olekaan.

NRAM-muistin perusta on hiilinanoputkista uutettu matto, jonka hieman erilleen sojottavien nanoputkien päitä kytketään ja avataan, jolloin maton kokonaisresistanssi muuttuu. Bitin eli resistanssin muutos saadaan aikaan kirjoituspulssien sopivilla jännitteillä ja virroilla ja valittu tila pysyy ilman jännitettä.

Nanoputkien päät ovat niin lähellä muita putkia, että niihin vaikuttavat Van der Waalsin voimat ja toisaalta nanoputkilla on niin vahva jäykkyys, että ohjaamattomina ne pysyvät asennossaan.

NRAM on huomattavasti nopeampaa ja tiheämpää kuin DRAM ja sillä on olennaisesti pienempi tehonkulutus kuin DRAM:lla tai flashilla.

Pehmeä bioyhteensopiva muistipiiri

North Carolina State Universityn tutkijat ovat kehittäneet hyytelömäisen muistilaitteen. Sen kyky toimia kosteissa olosuhteissa ja geelin bioyhteensopivuus lupailevat uudenlaista rajapintaa elektroniikan ja biologisten järjestelmien välille.

Pehmeä muistilaite toimii memristorin eli muistiresistanssin tavoin. Sen yksittäiset osat voidaan saattaa sähköä johtaviksi tai eristäviksi ja siten edustamaan ykköstä tai nollaa. Perinteisen elektroniikan elektronien sijaan ykkösinä ja nollina käytetään varattuja molekyylejä eli ioneja.

Lähes ikuinen muistisiru

Hitachi esitteli syksyllä 2012 tavan tallentaa digitaalista tietoa kvartsilasiin, jolloin tallenteet kestävät äärimmäisiä lämpötiloja ja vihamielisiä ympäristöjä lähes ikuisesti.

Tiedot tallennetaan pieninä pisteitä ohuen kvartsilasin sisälle, joka voidaan lukea tavallisella optisella mikroskoopilla. Kvartsilasirakenne on erittäin vakaa ja kestävä materiaali. Se sietää monia kemikaaleja, tuhannen asteen lämpötiloja eivätkä siihen vaikuta radioaallot.

Rakenteessa on tällä hetkellä neljä kerrosta pisteitä, jotka tuottavat tallennuskapasiteettia 40 megatavua per neliötuuma.

Datan tallennus yksittäisiin molekyyleihin

Tieteellisen tason kokeellista teknologiaa, jota kutsutaan molekyylimuistiksi tallentaa tietoja yksittäisiin molekyyleihin. Se lupailee jopa 1000-kertaista parannusta kiintolevyjen tallennustiheyteen.

Aiemmat molekyylimuistien rakenteet tukeutuivat fyysiseen järjestelmään, joka jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä. Sittemmin MIT:ssä toiminut tutkijaryhmä on esitellyt järjestelmää, joka toimii veden jäätymispisteessä - joka fysiikan kielenkäytössä lasketaan jo "huoneenlämpötilaksi".

memory-magnetismi-skyrmioneja-munchen-tum-250.jpgSaksalaiset tutkijat ovat puolestaan onnistuneet hallitsemaan pieniä magneettis-spin kuviota, jotka tunnetaan skyrmioneina. Seurauksena voi olla tiheä tulevaisuuden datatallennuksen teknologia sekä nanodigitaalinen elektroniikkalaite.

Skyrmionit ovat pieniä magneettisia pyörteitä, joita esiintyy monissa materiaaleissa, kuten mangaani-silisidi ohutkalvoissa ja koboltti-rauta-pii yhdisteessä.

Nykyisissä tietokoneen kovalevyssä tarvitaan noin miljoona atomia tallentamaan yhtä bittiä mutta pienin tunnettu magneettisessa materiaalissa esiintyvä skyrmioni koostuu vain 15 atomista. Lisäksi skyrmioni vaatii 100 000 kertaa vähemmän tehoa kuin perinteisen kovalevyn bitin tilan vaihto.

Keinotekoinen magneettinen monopoli

Skyrmionien eli magneettisien pyörteiden tutkiminen tuotti myös erään tiedemaailman kauan etsityn ilmiön, magneettisen monopolin.

Kölnin, Münchenin ja Dresdenin yliopistojen tutkijoista koostunut tutkijaryhmä onnistui luomaan keinotekoisia magneettisia monopoleja skyrmioneja yhdistellessään.

Tietyssä pisteessä, fyysikot pystyivät luomaan monopolin, jolla on samankaltaiset ominaisuudet kuin perushiukkasella, jonka Paul Dirac postuloi vuonna 1931.

Perustutkimuksen saavutusten lisäksi, keinotekoisilla magneettisilla monopoleilla voi olla soveltamisen mahdollisuuksia nimenomaan luotaessa ja tuhottaessa skyrmion-pyörteitä.

Hampurin yliopistossa toiminut tutkijaryhmä on jo osoittanut, että lähes absoluuttisessa kylmyydessä on mahdollista luoda ja tuhota yksittäisiä magneettisia skyrmioneja. Nyt tutkijat etsivätkin ohutkalvoja joissa ilmiö tapahtuisi huoneenlämmössä.

Lokakuu 2013