Opslagsystemen die compact en stroomzuinig én snel de zondvloed aan data aankunnen? Dat is de ‘graal’ die onderzoekers wereldwijd nastreven in hun laboratoria. Met groeiend succes, dankzij spitsvondige invullingen van wat soms wel een oud idee lijkt.

Harde schijven en flashgeheugen zijn al jaren de vaste waarden in de wereld van gegevensopslag en hebben verbluffende vooruitgang geboekt sinds hun eerste commerciële stappen. Zo had IBM’s 350 Disk Storage System uit 1956 (onderdeel van de IBM Ramac 305) een opslagcapaciteit van wel 5 miljoen tekens, verdeeld over 50 schijven. Flashgeheugen werd rond 1980 uitgevonden en vond zijn weg naar computers en later consumentenproducten vanaf 1988 (als opvolger van de beperktere EEPROM chips).

Vandaag dienen zich steeds duidelijker hun opvolgers aan, die de gigantische opslagcapaciteit van harde schijven paren aan de compactheid en stroomzuinigheid van ‘solid state’ opslag.

Op de renbaan

Zo meldt IBM Research Fellow Stuart Parkin vooruitgang in het onderzoek van zijn ‘racetrack memory’ technologie aan het Almaden researchcentrum in San Jose (CA, VSA). Concreet kan je een ‘racetrack memory’-chip voorstellen als een bos van opstaande, U-vormige nanodraden (nanowires) waar over de hele lengte van zo’n draad ‘bits’ worden opgeslagen als een opeenvolging van domeinmuren (domain walls, de scheidingen tussen magnetische domeinen, oftewel gebieden van materiaal met een uniforme magnetisering). Door middel van een aangepaste elektrische stroom kunnen deze domeinmuren doorheen de draad (als over een ‘renbaan’) voorbij een vaste lees/schrijf-voorziening (onderaan de ‘U’) worden gedreven. Dit principe werd ondertussen in de praktijk getoetst en blijkt berekenbaar in zijn gedragingen (belangrijk voor het betrouwbaar wegschrijven en teruglezen in praktische toepassingen), aldus IBM in een mededeling begin januari 2011.

De voordelen van zo’n ‘renbaangeheugen’ zijn velerlei. Potentieel biedt het een grote opslagcapaciteit door zijn (3D) volume, in tegenstelling tot de enkele opslaglaag van een schijf. Ten opzichte van flashgeheugen zou het op een zelfde oppervlak tot 100 maal meer kunnen opslaan, waarbij de opslagcapaciteit van elke nanodraad stijgt naarmate deze dunner en homogener is. Bovendien is het een stroomzuinig systeem, onder meer omdat er geen bewegende delen zijn (wat ook de betrouwbare werking ten goede moet komen). Ook zou renbaangeheugen niet de ‘slijtage’-kenmerken van flash-geheugen vertonen (wat daar resulteert in een relatief beperkt aantal lees/schrijfcycli). En het zou de snelheid hebben van dram-werkgeheugen in computers (lees/schrijven sneller dan een nanoseconde), met behoud van de data als de stroom wordt uitgeschakeld.

Mogelijke toepassingen zijn de lokale opslag van grote datahoeveelheden van alle mogelijke aard, zowel in consumenten producten, bedrijfsinformatiesystemen als industriële/medische/etc systemen. Wie niet wakker ligt van jaren onafgebroken muziek op een mp3-speler, kan beginnen denken aan de mogelijkheden als complete databases, niet op schijf of in werkgeheugen, maar wellicht in de cache van multicore processorchips beschikbaar zouden zijn… Een prototype van een renbaan-geheugenchip zou over een paar jaar klaar moeten zijn.

Overigens laat de afbeelding van zo’n renbaangeheugen toch ook wat terugdenken aan opslagideeën uit vroegere tijden, zoals de tape-eenheden met losse dataspoelen. Of zelfs de ‘delay line memory’ (vluchtig geheugen)eenheden uit de oerdagen van de ict.

Andere kandidaten

IBM’s renbaangeheugentechnologie is overigens niet de enige kandidaat om zowel het werkgeheugen als de externe opslagcapaciteit te vervangen. Zo kondigde HP medio 2010 al aan zijn ‘memristor’ technologie in samenwerking met Hynix Semiconductor te ontwikkelen tot ReRAM (resistive ram geheugen) geheugenchips. Geconcipieerd begin jaren zeventig vormt de memristor (de samentrekking van ‘memory’ en ‘resistor’) een ‘weerstand met een geheugen’, waarbij de weerstand afhankelijk is van de spanning waaraan het element werd blootgesteld. De waarde van die weerstand blijft ook na het uitschakelen van de stroom bewaard, zodat een memristor voor externe opslag kan worden aangewend. De memristor is evenwel ook snel, zodat een gebruik als werkgeheugen mogelijk is. In 2010 heeft HP zelfs aangetoond dat memristors ook als onderdeel van een verwerkingscircuit kan fungeren. Volgens HP opent dit mogelijkheden om ooit dataverwerking te doen in de opslageenheid zelf, in plaats van met behulp van een centrale verwerkingseenheid. HP maakt voor zijn memristortechnologie gebruik van titaniumdioxide, een materiaal waarvan deze eigenschappen al in de jaren zestig bekend waren.

Nog een mogelijke ‘magnetische ram’-vervanger (mram) van het klassieke dram-werkgeheugen steunt op de ‘spin torque transfer’ techniek (stt). Door de overdracht van spin draaimoment van de elektronen kan het stroomverbruik voor lezen en schrijven nog worden verminderd, zodat stt-mram mogelijke mram-beperkingen in chips met 65nm of kleinere geometrieën kan voorkomen.

Kortom, het is wellicht nog wat vroeg om al van de ‘geheugenkubussen’ in science-fiction verhalen te gaan dromen, maar er wordt wel degelijk gewerkt aan de meest fundamentele onderdelen van de computer in uw nabije toekomst.

MEER INLICHTINGEN:

IBM ‘racetrack memory’

– www.almaden.ibm.com/spinaps/research/sd/?racetrack

– www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/23859.wss#resource

HP ‘memristor’

www.hpl.hp.com/news/2008/apr-jun/memristor-faq.html

Guy Kindermans