ENGINEERINGNET.BE - In dit artikel bekijken we hoe we informatie kunnen opslaan in vloeistof, en hoe deze vloeistofgeheugens vanaf 2030 hun plaats kunnen verdienen naast de bestaande opslagmedia. Concreet nemen we twee innovatieve vloeistofgeheugens onder de loep: colloïdale en elektrolithische geheugens.
Om tegemoet te komen aan de toenemende vraag naar dataopslag, zijn geheugenexperts er door de jaren heen in geslaagd om de geheugendichtheid van de diverse opslagmedia systematisch op te drijven. Maar het wordt alsmaar moeilijker om deze trend te blijven aanhouden. Zo neemt de geheugendichtheid van harde-schijf-technologieën al enkele jaren niet meer toe volgens zijn historische trendlijn. Eenzelfde scenario verwachten we voor NAND-Flash-geheugens.
Tegen de tijd dat NAND-Flash nauwelijks nog zal evolueren, zal het geheugenlandschap er aan de opslagkant vermoedelijk anders uitzien. Verschillende opslagapparaten zullen er naast elkaar bestaan, elk met een verschillende troef: waar de ene zal uitblinken in uitleessnelheid, zal de andere een grotere opslagcapaciteit hebben.
Ze zullen de bestaande opslagmedia niet vervangen, maar een complementaire ‘snelheid vs. Gbit/kostprijs’ voor de gebruiker garanderen. Met al deze opslagmedia samen hopen we de noden van het >100 zettabyte-datatijdperk te kunnen aanpakken. Naar deze nieuwe concepten wordt vandaag naarstig onderzoek gedaan.
Eén van de meest besproken alternatieven is DNA-opslag. Hierin kan informatie miljoenen keren dichter worden opgeslagen dan in de huidige opslagapparatuur. In dit artikel bekijken we of we data ook kunnen opslaan in vloeistof. Concreet nemen we twee concepten voor vloeistofgeheugens onder de loep die bij imec hun oorsprong vinden: het colloïdaal en elektrolithisch geheugen.
Het colloïdaal geheugen: het manipuleren van nanodeeltjes
In het colloïdale geheugen worden tenminste twee soorten nanodeeltjes opgeslagen in een vloeistofreservoir, gevuld met bijvoorbeeld water. Dit colloïdaal systeem wordt verbonden met een rij van nanokanaaltjes. Door elektrodes aan te brengen bij de ingang en op de bodem van de kanaaltjes, kunnen we nanodeeltjes aantrekken en dieper in de kanalen leiden.
Wanneer we er voor zorgen dat de diameter van de nanodeeltjes slechts een beetje kleiner is dan de diameter van de kanalen, dan kunnen we ook de volgorde bewaren waarin de deeltjes in de kanalen worden gebracht. Het is in deze volgorde (of bit-sequentie) dat informatie kan worden gecodeerd. De grootste uitdaging bestaat er in om verschillende soorten nanodeeltjes selectief in de kanalen te leiden, en zo de informatie in het geheugen te ‘schrijven’.
Onderzoekers bij imec bekijken of ze daarvoor gebruik kunnen maken van diëlektroforese, een verschijnsel waarbij deeltjes in een inhomogeen elektrisch veld (in dit geval, een alternerend veld opgewekt rond de elektrode) in beweging komen. Of het deeltje door de elektrode wordt aangetrokken of afgestoten, hangt onder meer af van het soort deeltje en van de frequentie van het aangelegde elektrische veld.
Door twee deeltjes te kiezen die verschillend reageren op de aangelegde frequentie (aantrekking vs. afstoting), kunnen we, althans volgens de theorie, het geheugen selectief schrijven. Om te onderzoeken of dat ook in de praktijk werkbaar is, worden specifieke testchips ontworpen en gemaakt in imec’s 300 mm cleanroom.
De elektrodes aangebracht op silicium-wafers fungeren er als toegangspoorten. Een proof-of-concept op micrometerschaal toonde al aan dat we met diëlektroforese enkele honderden polystyreen-deeltjes selectief vanuit een oplossing in een enkel kanaaltje kunnen leiden. Testchips met kanaaltjes van 200 – 300 nm diameter en polystyreendeeltjes van ~200 nm diameter bevestigden recent dat we dat ook op nanoschaal kunnen waarmaken. Momenteel worden experimenten uitgevoerd met nog kleinere deeltjes en kanalen.
Het elektrolithisch geheugen: elektrodepositie van metaallaagjes
Net als het colloïdaal geheugen is het elektrolithisch geheugen opgebouwd uit een vloeistofreservoir en een matrix van nanokanalen. Maar nu worden (tenminste) twee soorten metaalionen (A en B) opgelost in een elektrolytische vloeistof, en het schrijven en lezen gebeurt door de beter gekende technieken van elektrodepositie en -dissolutie.
Elk kanaaltje, gevuld met de vloeistof, wordt boven- en onderaan verbonden met een elektrode. Samen vormen die onderdelen een elektrochemische cel. Wanneer we een bepaalde spanning (of beter: potentiaal) aanbrengen op de onderste elektrode (de werkelektrode), dan wordt een laagje van metaal A neergezet op de elektrode. Hetzelfde kunnen we doen voor metaal B, alleen is daarvoor een andere spanning nodig.
Door de spanning te variëren, kunnen we een stapel van metaallaagjes genereren met afwisselend metaal A en metaal B. We kunnen nu verschillende manieren bedenken om informatie te coderen. Zo kunnen we bijvoorbeeld spelen met de dikte van de lagen door de spanningspuls langer of korter te laten duren. Waar 1 nm van metaal A zou kunnen staan voor binaire code ‘0’, staat een 2 nm dikke laag van datzelfde metaal A dan voor de binaire ‘1’.
Een laagje metaal B met vaste dikte (bijvoorbeeld 0,5 nm) kan dienen om de twee bits van elkaar te scheiden. Ook hier toonde een proof-of-concept met µm-grote elektrodes al de haalbaarheid aan van het concept. Recent werden experimenten uitgevoerd op testchips met 1 µm-diepe kanaaltjes van 80 – 150 nm diameter. Na optimalisatie van de condities van de elektrochemische cel kon de schrijf- en leesoperatie van 10 koperlagen (afgebakend door laagjes nikkel) met succes worden aangetoond.
Dat betekent dat het alvast mogelijk is om 10 bits per kanaal in een elektrolithische geheugencel te schrijven en uit te lezen. Dat aantal wordt vandaag systematisch opgedreven. Door te spelen met de duur van de spanningspuls voor het deponeren van koper, slaagden de onderzoekers er ook in om een meer geavanceerd coderingsschema in een kanaal te schrijven en uit te lezen. Maar het werd ook duidelijk dat de schrijf- en leestijden vandaag nog te klein zijn om bruikbaar te zijn voor bijvoorbeeld nearline-opslagtoepassingen.
De weg naar industriële toepassingen
Hoewel de ontwikkeling van deze nieuwe geheugens nog maar recent is gestart, werden de eerste mijlpalen bereikt. Ook de chipindustrie toont alvast heel wat interesse. We verwachten dat deze vloeistofgeheugens uiteindelijk een grotere geheugendichtheid zullen kunnen bieden dan 3D-NAND-Flash, met een weliswaar tragere uitleestijd.
Met deze eigenschappen zouden ze vanaf 2030 kunnen worden ingezet voor nearline-opslagtoepassingen die een ultrahoge opslagcapaciteit (>terabit/mm2) vragen. Zo zouden ze bijvoorbeeld gearchiveerde ‘inactieve’ data zoals beeld- en geluidsfiles of andere grote documenten binnen enkele seconden voor de gebruiker beschikbaar kunnen maken. Maar voor deze geheugens klaar zijn om de markt te veroveren, moeten er nog belangrijke stappen worden gezet.
Om de kaap van terabit/mm2 te halen, moeten we de nanokanaaltjes en elektrodes op nog geen 40 nm van elkaar kunnen plaatsen. Ook de aspect ratio van de kanaaltjes moet naar omhoog, tot 400:1 en 165:1 voor de colloïdale en elektrolithische geheugens, respectievelijk. Nearline-opslagtoepassingen vragen ook om specifieke geheugenkenmerken, zoals een uitleestijd van enkele seconden, een uithoudingsvermogen van 103 cycli, een vermogenverbruik van de orde van pJ om een geheugenbitje te schrijven, en meer dan 10 jaar retentie.
