«Многоножка»

В начале 90-х годов прошлого века двое ученых из Альмаденского исследовательского центра корпорации IBM открыли возможность применения атомного силового микроскопа в качестве устройства записи и считывания информации. Тринадцать лет понадобилось специалистам IBM, чтобы реализовать эту идею и создать работающий прототип микросхемы памяти, показанный IBM на выставке CeBIT 2005.

В 1992 г. Ден Ругар и Джон Мамин разработали и продемонстрировали в действии схему, в которой игла атомного силового микроскопа играла роль как бы патефонной иглы на вращающейся поликарбонатной «пластинке-подложке». Запись производилась оптикотермомеханическим способом – за счет нагревания лазерным лучом иглы микроскопа. Прообраз будущей «многоножки» (Millipede) обеспечивал весьма высокую для своих времен плотность записи – до 4,7 Gb на квадратный сантиметр. Еще пять лет ушло на повышение быстродействия системы, изначально не предназначавшейся быть быстрой, до скорости выдачи считываемых данных 10 Mbps. Еще через год, в 1998 г., уже не совсем микроскоп «оброс» системой сервоуправления, аналогичной (по назначению) системам сопровождения дорожки в дисковых накопителях. И несмотря на достигнутый успех, до появления первого прототипа оставалось еще семь лет. И вот так, буквально после первого абзаца, наступила пора сделать и первое отступление от основной темы. Оно категорически необходимо, ведь без него представить себе, о чем идет речь, будет довольно сложно.

Немного о микроскопах

Непросто так сразу объяснить, зачем это надо читателю «компьютерного» журнала – узнавать что-то о микроскопах. Но! Вдруг у IBM получится через 5–10 лет довести нынешний опытный образец «многоножки» до серийного производства, и что тогда? Выход тогда будет один: срочно начинать учить про микроскопы. А так вам не придется суетиться – вы уже получите представление о том, с чем имеете дело. Насколько велика вероятность того, что Millipede станет массовой технологией, мы поговорим позже. А пока – все-таки о микроскопах.

Еще в начале XVII века Антонио ван Левенгук изготовил первый оптический микроскоп. Впоследствии техника микроскопии совершенствовалась, и в ХХ столетии для улучшения ее показателей начали использовать более короткие волны, чем световые – появились электронные и ионные микроскопы. Но, несмотря на различия, все эти устройства основаны на фундаментальном принципе: направление на исследуемый объект потока частиц (или волн) и последующие преобразования отраженного объектом потока. В списке этих преобразований не только очевидное «увеличение», а еще и непременное усреднение информации. В отличие от усредняюще-увеличивающей микроскопии ее молодая (и современная) сканирующая сестра занимается, образно говоря, не «осматриванием», а «ощупыванием» изучаемого предмета. Кроме того, вполне в духе современной всепроникающей цифровой моды, процесс этого «ощупывания» дискретен – сканирование производится в отдельных точках, из них «собирается» траектория ощупывания – растр.

Вот так может выглядеть ваш самодельный туннельный микроскоп

Основывается сканирующая микроскопия на обнаружении взаимодействия между собственно инструментом «ощупывания» – зондом – и поверхностью образца. Используемые в процедуре «ощупывания» взаимодействия определяют тип сканирующего микроскопа, его разрешающую способность. Главными взаимодействиями, используемыми в сканирующе-зондовой микроскопии, являются туннельный ток и силовое взаимодействие. Именно в их честь названы сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и сканирующий атомный микроскоп (САМ). К слову, сканирующие микроскопы – весьма технологичные конструкции, и желающие даже могут попытаться повторить одну из многочисленных самоделок, например, СТМ, описания которых есть в Сети (подсказка: достаточно набрать в вашей любимой поисковой машине такую строку «diy stm», а в качестве отправной точки взять проект университета Мюнстера sxm4.uni-muenster.de/stm-en/).

Туннельный микроскоп – это фактически система автоматического регулирования, поддерживающая постоянным так называемый туннельный ток, протекающий между иглой-зондом и поверхностью исследуемого образца. Остальное – например, способы формирования перемещений зонда – для нас пока несущественно.

В сканирующем атомном микроскопе используется датчик силового взаимодействия – кантилевер, или микробалка.

Эта важная деталь, на одном конце которой закрепляется собственно зонд-игла, изготавливается из упругого материала (часто – из кремния). Если в туннельных микроскопах зонд должен не соприкасаться с поверхностью образца, то в атомных, напротив, такое вполне возможно. В так называемых контактных атомных микроскопах зонд-игла именно «царапает» (только не вздумайте воспринимать этот эпитет всерьез) поверхность образца, а вызванный ее неровностями изгиб кантилевера можно зарегистрировать, например, с помощью оптических методов. В неконтактных атомных микроскопах зонд удален от поверхности, но в этом случае необходимо прибегать к способам слабых взаимодействий, «замаскированных» более сильными (почему именно так – можно узнать в соответствующей литературе). Общепринятым неконтактным методом измерения расстояния до поверхности в атомных микроскопах является вибромодуляционный. Суть его заключается в том, что кантилевер заставляют вибрировать на его резонансной частоте. Когда зонд находится на значительном удалении от поверхности образца, амплитуда колебаний кантилевера будет максимальной. По мере приближения к поверхности в силу сложной картины действующих сил амплитуда колебаний будет снижаться, что сравнительно просто регистрируется и позволяет, как и в случае туннельного микроскопа, замкнуть контур управления, отслеживающий изменения рельефа поверхности образца.

«Микроголовка» записи/чтения – массив кантилеверов «в сборе»

Пока что мы ни разу не упомянули о собственно «микроскопичности». Все дело в том, что использованные для измерения эффекты (туннельный ток, силовое взаимодействие) характеризуются как крайне малым значением расстояния, на котором они проявляются (нанометры), так и сильной зависимостью в пределах этого расстояния. Например, туннельный ток при использовании идеального зонда-иглы (настолько острой, что ее острие заканчивается одним атомом) может изменяться на порядок при изменении расстояния зонд-объект на один ангстрем. Осталось привести два факта – сведение о том, что изменение тока (пусть и малого) сравнительно несложно регистрировать, и то, что 0,1 нанометра – вполне соизмеримое с межатомным расстоянием значение. Вот, собственно, источник «микроскопичности» – возможность отследить «неровность» поверхности высотой в доли нанометра. Для того чтобы получить изображение фрагмента поверхности исследуемого образца, надо многократно в отдельных точках измерить такие «высоты» и передать получившиеся цифры программе визуализации.

Поиск путей

Конструкция кантилевера c зондом-иголкой в Millipede последнего поколения. В ней уже нет сложного механизма прижима отдельного кантилевера к носителю информации

После краткого введения в технику микроскопии уже легче объяснять возможные направления поиска учеными из IBM решения одной проблемы – как преодолеть физический барьер плотности записи для современных магнитных накопителей. Дело в том, что при использовании даже самых совершенных технологий магнитной записи добиться плотности свыше 24 Gb на квадратный сантиметр не удается. А потребность в большей плотности есть. С другой стороны, современные накопители, основанные на магнитном принципе, обеспечивают очень высокую скорость чтения/записи (до 800 Mbps). Естественно, конкурирующая технология должна одновременно обладать и высшей плотностью записи, и хотя бы не меньшей скоростью. Однако еще ранние эксперименты Ругара и Мамина убедительно показали, что достичь скорости, большей нескольких мегабит в секунду, с помощью сканирующего атомного микроскопа невозможно. Дело в том, что при резких быстрых перемещениях зонда в кантилевере возбуждаются резонансные колебания, и это искажает результаты измерения «высоты» и нарушает работу всей системы в целом. Сканирующие туннельные микроскопы в силу специфики (в первую очередь – обусловленной принципом «медленной» обратной связи) вообще не способны претендовать на роль быстродействующих устройств. Решение было найдено традиционным «программистским» способом – «разделяй и властвуй». Еще в 1994 г. Ругар поделился с коллегами мыслью о том, что можно попробовать использовать для записи/считывания информации сразу несколько тысяч зондов-иголок – это позволит увеличить на три порядка скорость считывания/записи информации и создавать накопители, способные конкурировать по быстродействию не только с магнитными, но и, например, сугубо электронными – такими, как флэш-память. Официально проект Millipede был инициирован Ругаром в непростом для IBM 1996 г. В корпорации назревали серьезные изменения, которые проявились пусть нескоро, но зато в более чем убедительной форме – в 2002 г. IBM продала свой бизнес накопителей на жестких дисках, приобрела Pricewaterhouse Coopers и официально объявила о смещении акцентов бизнеса в сторону разработки программного обеспечения и оказания услуг. Ругар понимал, что в таких условиях проект должен быть «быстротечным», и посему его команда спешила. В 1998 г. группе разработки Millipede удалось создать массив из 25 кремниевых кантилеверов с алюминиевыми нагревателями под иглами-зондами и отдельными пьезоэлектрическими толкателями каждого кантилевера. Этот прототип не предназначался для выполнения операций записи – он мог только считывать информацию. Но это уже был большой прорыв. Следующее достижение, за которое боролась команда – добиться возможности нагревания иглы-зонда протекающим током и научиться синхронно прижимать толкателем кантилевера иглу-зонд к находящейся под ней поверхности полимерной пластинки, на которой хранится информация, для того чтобы на ней след нагретой иглы «отпечатался». Однако быстро выяснилось, что подводит изначально казавшаяся правильной конструкция кантилевера – с алюминиевым нагревателем. Так как для «пропечатывания» одной точки (бита) в полимере нужна высокая температура (порядка 400 °C), то через нагреватель требуется пропускать значительный ток. Алюминий такой нагревательной «микроспирали» под действием тока и температуры ионизировался, при этом наблюдался эффект группирования ионов и образования пустот, в результате чего «микронагреватель» утрачивал проводимость и способность к нагреванию вообще. Но это была только первая проблема, и решение нашлось достаточно быстро – алюминиевый нагреватель заменили на тот же кремний, из которого выполнен кантилевер (фактически «производство» нагревателя выродилось в легирование фрагмента кантилевера). Вторая проблема оказалась также непростой. При записи на нагреватель кантилеверов необходимо подавать мощный импульс тока, а параллельный характер устройства требует одновременной подачи таких импульсов на множество нагревателей. При этом паразитные реактивности цепи «перезаряжаются» импульсами тока записи и создают серьезные препятствия нормальной работе всего устройства. Даже на 25-игольчатой многоножке проблема паразитных токов оказалась настолько серьезной, что фактически поставила под угрозу увеличение масштабов устройства. Ее можно было бы решить, расположив коммутирующие токи транзисторы поближе к нагревательным элементам, но, к сожалению, ни один транзистор не выдерживает температурных режимов внутри Millipede. Двое коллег Ругара (Веттингер и Дюпон) предложили воспользоваться для устранения проблем с паразитными токами в системе питания нагревателей известным приемом коммутации характеризующихся индуктивностью нагрузок. А именно, задействовать в цепи питания каждого нагревателя диод с переходом типа «металл-полупроводник» (диод Шоттки). Такие диоды отличаются высоким быстродействием, позволяющим им мгновенно «закрывать» путь паразитным токам после подачи импульса нагрева. Впоследствии разработчики Millipede вспомнили о давно забытой в цифровой технике диодной логике и на диодах Шоттки организовали интегрированные дешифраторы, инициирующие операции чтения/записи/стирания для каждого кантилевера. Однако идея использования диодов Шоттки оказалась не только продуктивной в чисто инженерном смысле – ее реализация «в кремнии» дала команде Millipede возможность открыть… новый механизм считывания информации. Выяснилось, что температура нагретого зонда-иголки, попавшего в микролунку ранее сделанного «отпечатка», резко падает, что обеспечивает его надежное обнаружение. Над нетронутой ранее поверхностью полимерного носителя информации такого эффекта не наблюдалось. Это явление позволило избавиться от пьезоэлектрических толкателей кантилеверов и настолько упростить конструкцию Millipede, что уже к маю 1998 г. команде удалось создать считывающе-записывающую «микроголовку», содержащую 1024 организованных в массив 32•32 кантилеверов, снабженную схемами защиты-дешифрации команд на диодах Шоттки и кремниевыми нагревателями. Фактически она стала гибридом «параллельного» атомного сканирующего микроскопа с массивом быстродействующих «паяльников», способного одновременно «ощупать» поверхность несущего информацию образца сразу в 1024 точках. Вместо 1024 механизмов, обеспечивающих прижим к носителю информации, теперь использовался один, причем разработчики его вообще убрали из конструктива «микроголовки», которая в Millipede сделана неподвижной. В этом смысле Millipede похож на… обычный магнитофон – с неподвижной головкой записи/считывания, относительно которой движется носитель информации.

От прототипа до… ?

Цельный однокристальный массив кантилеверов со считывающими зондами

Исследователям IBM потребовалось тринадцать лет для преодоления барьеров, стоящих между идеей и прототипной реализацией претендующего на серийное производство продукта. Учитывая потенциальную «аппетитность» устройств массовой памяти с такой емкостью, которую обещает Millipede (речь идет о терабайтовых накопителях размером с традиционную карточку памяти), напрашивается вопрос о том, сколько еще потребуется лет, чтобы «довести» Millipede до уровня массового производства? Точно ответить на него непросто. Но пока понятно одно – у разработки есть масса особенностей, не позволяющих претендующим на объективность специалистам делать какие-то надежные прогнозы. Так, сегодняшний прототип, способный одновременно считывать/записывать 1024 бита, – только первый этап масштабирования устройства. У некоторых экспертов вызывает сомнения возможность создания «микроголовок» с несколькими десятками тысяч кантилеверов, но безусловно достижимой в течение пяти лет считается «микроголовка», которая может одновременно выполнять операции над 4096 битами. Это поднимет скорость чтения/записи до более чем конкурентоспособных показателей. Однако есть одно очень серьезное «но» – несмотря на «достаточную надежность» метода определения наличия в точке ранее записанного бита, Millipede все-таки характеризуется весьма высоким количеством ошибок чтения/записи. Кроме того, у использованного в качестве носителя информации полимера со временем могут (и непременно будут) изменяться свойства, что наверняка скажется на росте количества ошибок в ходе эксплуатации. Если с первой составляющей можно бороться известными архитектурными приемами, то вторая требует фундаментальных исследований в материаловедении.

В принципе, пока понятно одно – спешить избавляться от вашего накопителя на жестком диске пока не стоит. До создания серийной памяти на основе «многоножки» никак не меньше пяти лет. Правда, свои коррективы в этот прогноз может внести появление у IBM на рынке еще не существующих устройств микроэлектромеханической памяти реального конкурента – компании NanoInk, которая недавно анонсировала разработки аналогичного назначения.