2000000000000000000 Byte – zwei Milliarden Milliarden Byte – so umfangreich ist das “Weltwissen”, das derzeit auf Bändern, CD, Festplatten und sonstigen Datenträgern in den digitalen Archiven schlummert. Allein zehn Billionen Bytes sind übers Internet abrufbar – und täglich kommen Unmengen hinzu. Der Siegeszug von Datenbanken, die nicht nur Texte, sondern auch Bilder und sogar Videofilme anbieten, wird die Datenmenge nach Meinung von Experten noch verzigtausendfachen.
Angesichts dieser Datenexplosion stellt sich immer drängender die Frage, wo all die Bits und Bytes untergebracht werden. Als IBM 1956 das erste Festplattenlaufwerk vorstellte, rotierten in einem schrankgroßen Gehäuse 50 Magnetscheiben mit einem Durchmesser von 60 Zentimetern. Zusammen faßten sie fünf Millionen Bytes – ein Fünftel der modernsten Diskettengeneration. Für das gesamte gespeicherte Wissen des Jahres 1997 wären fast eine halbe Billion dieser Ungetüme nötig gewesen. Daß Computer keinen Schrank mehr beanspruchen, sondern in die Aktentasche passen, verdanken wir der immer höheren Dichte, mit der die Datenbits auf die Magnetschichten geschrieben werden. Rund 400 Millionen Informationseinheiten (Bits) – das entspricht 25000 Schreibmaschinenseiten – bringen Festplatten in modernen PC auf einem Quadratzentimeter unter.
Doch grenzenlos lassen sich die Daten nicht zusammenpressen. Nach derzeitigem Wissensstand müßte bei vier bis sechs Milliarden Bits pro Quadratzentimeter die Physik ausgereizt sein. Dann sind die einzelnen Datenbits – die kleinsten Informationseinheiten auf der Festplatte – so klein, daß die atomare Wärmebewegung die winzigen magnetischen Kräfte einzelner Bits auf der Platte zunichte macht und selbst hochsensible Sensoren die Magnetpunkte nicht mehr trennen können.
Je näher die Forscher an das Limit heranrücken, um so intensiver treiben sie die Suche nach völlig neuen Möglichkeiten der Informationsspeicherung voran. Ein Ansatz ist, die Bits mechanisch in eine Scheibe zu pressen und mit einer feinen Nadel wieder auszulesen. Das klingt verwunderlich, wird uns doch seit den achtziger Jahren eingetrichtert, daß die mechanische Datenspeicherung eines Plattenspielers dem berührungslosen optischen Verfahren einer CD hoffnungslos unterlegen ist. Argument der Industrie damals: Der mechanische Plattenspieler verschleiße die Oberfläche der Vinylscheibe, außerdem sei die Abtastnadel zu träge, um noch die letzten Nuancen der Musik wiederzugeben.
Daß das im Reich der Atome ganz anders sein kann, haben Forscher des Almaden Research Centers von IBM in San José, Kalifornien, bewiesen. Sie ritzen mit einer unvorstellbar dünnen Nadel feine Bit-Muster in die Oberfläche einer Kunststoffscheibe aus Polymethyl-Methylacrylat. Als Nadel dient ein Atomkraftmikroskop (AFM), das 1986 vom Physiknobelpreisträger Prof. Gerd Binnig am IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon bei Zürich erfunden wurde.
Ursprünglich dazu entwickelt, filigranste Kristalloberflächen abzutasten, haben die amerikanischen Kollegen das Gerät zum Miniaturplattenspieler umgerüstet. Mit einer Heizspirale versehen, gleitet die Nadelspitze mit sanftem Druck über die rotierende Scheibe und brennt mittels eines Heizdrahtes im Rhythmus der Bits Löcher in den Kunststoff. Die Kerben eines Bits sind 50 Nanometer (milliardstel Meter) breit und 100 Nanometer lang – das entspricht tausend Atomen nebeneinander gereiht. Ein Bit des Nanoplattenspielers wäre im Vergleich zu einer Schallplattenrille wie ein Kieselstein im Grand Canyon.
Ausgelesen werden die Vertiefungen mit derselben Nadel, die dazu mit einem empfindlichen Piezosensor gekoppelt ist, der die feinen Schwingungen der Nadel in elektrische Impulse rückübersetzt. Auch wenn der sogenannte AFM-Speicher noch in der Grundlagenforschung steckt, können sich seine technischen Daten bereits sehen lassen: Die Speicherdichte beträgt zehn Milliarden Bits pro Quadratzentimeter – also das 25fache moderner Festplatten. Der nur faust-große Prototyp im IBM-Labor arbeitet mit einer pfenniggroßen Plastikscheibe, auf der eine ganze CD Platz findet.
Stolz ist Dan Rugar, Entwickler des AFM-Speichers, auf die Verschleißfestigkeit des Prototyps: “Auch nach 150 Stunden Dauertest, bei dem jedes Bit 500000mal gelesen wurde, waren unter dem Mikroskop keine Schleifspuren oder zerstörten Bits zu sehen – lediglich die Nadelspitze war etwas abgerundet.”
Das Problem, die Nadel auf Kurs zu halten, hat Rugars Team elegant gelöst: Kontrollbits und strahlenförmige Muster auf der Scheibe verraten der Steuerelektronik, in welcher Entfernung vom Zentrum – und damit in welcher Spur – sich die Nadel gerade befindet. Diese Navigationsdaten werden von einer simplen Mechanik, die aus einem handelsüblichen CD-Spieler stammt, zur Kurskorrektur der Nadel umgesetzt.
Ein ungeschriebenes Gesetz ist, daß im Vergleich verschiedener Speichertechniken die Schreib- und Lesegeschwindigkeit einer Methode um so geringer ist, je dichter die Daten gedrängt sind. Das gilt auch für den AFM-Speicher: Mit einer Datenrate von zehn Millionen Bits pro Sekunde ist er zwar so schnell wie ein schnelles CD-ROM-Laufwerk in einem Personal Computer, angesichts der gigantischen Informationsmenge, die auf die Scheibe paßt, ist das dennoch zu langsam. Dan Rugar ist optimistisch: Vor drei Jahren habe die Geschwindigkeit nur ein Zehntel des aktuellen Wertes betragen. In Zukunft soll sie noch erheblich gesteigert werden.
Wie das gehen könnte, untersucht eine Arbeitsgruppe am IBM-Forschungslabor Zürich. Teamleiter Peter Vettiger setzt gemeinsam mit Gerd Binnig auf Kombinationen mehrerer Nadeln in einem Abtastkopf. Sie haben bereits einen Prototyp gebaut, der mit fünf Reihen à fünf Nadeln arbeitet und Daten zeilenweise auf einem Speichersubstrat liest. Bis zu 1000 Spitzen könnten es einmal sein. Dann würden die Informationen theoretisch 1000mal schneller von der Kunststoffscheibe gelesen.
Eine Kombination aus beiden Ansätzen hätte vielleicht das Zeug, in fünf bis zehn Jahren neue Anwendungen in der Computertechnik oder der Unterhaltungselektronik zu eröffnen. Der gegen Erschütterungen erstaunlich unempfindliche Speicher könnte direkt in knopfgroße Kopfhörer eingebaut werden und den Benutzer stundenlang mit Musik berieseln oder in digitalen Kameras Tausende von Bildern speichern.
Dan Rugars Nanoplattenspieler ist bislang nur als WORM (Write Once Read Many) gedacht, das heißt, die Kerben lassen sich nur einmal in die Plastikscheibe brennen und dann beliebig oft auslesen – wie bei einer CD. Für Taschencomputer von der Größe einer Scheckkarte müßte ein Verfahren entwickelt werden, um die Bits wieder zu löschen und die Scheibe neu zu beschreiben. Das Züricher Team hat dieses Problem zum Teil gelöst: Mit kleinen Heizelementen will man Teilbereiche der Polymerschicht schmelzen und wieder in ihren Ausgangszustand versetzen; einzelne Bits lassen sich aber nicht löschen.
Hohe Speicherdichte, hohe Geschwindigkeit – es gibt nur eine Speichertechnik, die diese Forderung ohne aufwendige Tricks erfüllt: die Holografie. Dabei handelt es sich um ein Prinzip, das bereits in den vierziger Jahren von dem ungarischen Nobelpreisträger Dennis Gabor erdacht und Anfang der sechziger Jahre erstmals demonstriert wurde. In mehreren Labors wird seit dieser Zeit an der Entwicklung holografischer Speicher – insbesondere für digitale Bilder – gearbeitet.
Ein holografischer Speicher besteht – vereinfacht gesagt – aus zwei Komponenten: einem Laser und einem optischen Speichermedium. Der Laserstrahl wird in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Der eine Strahl tastet ein Bild ab, zum Beispiel das Muster eines Lichtmodulators – einer Art elektronischer Maske, die im Prinzip wie ein LCD-Bildschirm in Laptops oder in Anzeigen von Armbanduhren oder Autoradios funktioniert. Der Modulator erzeugt ein beliebiges Pixelmuster, wobei manche Punkte schwarz, andere durchsichtig sind. Fällt das Licht des Bildlasers durch den Lichtmodulator, wird dem Licht das entsprechende Pixelmuster aufgeprägt.
Kreuzt der Bildstrahl den zweiten Strahl – den Referenzstrahl -, entsteht dahinter ein charakteristisches Interferenzmuster, das man in einem optischen Speicher, zum Beispiel in einem Kristall aus Lithiumniobat, konservieren kann. Wird der Kristall erneut mit dem Referenzlaser beleuchtet, gibt er das ursprüngliche Bild wieder ab. Ein lichtempfindlicher Chip, wie er in Videokameras verwendet wird, wandelt das Licht wieder in elektrische Signale um.
Ein holografischer Speicher hat Vorteile, die keine andere Technik bietet: Alle Pixel eines Bildes können auf einen Schlag ausgelesen werden. Ein Prototyp im IBM Forschungslabor in San José liest eine Million Bits (Pixel) eines Bildes in einer Tausendstel Sekunde. Das entspricht einer Datenrate von einer Milliarde Bits pro Sekunde – keine andere Speichermethode schafft das auch nur annähernd. In einem Kristall von der Größe eines Zuckerwürfels lassen sich 10000 Bilder festhalten. Das sind zehn Milliarden Bits pro Kubikzentimeter. Dazu wird der Referenzstrahl bei jedem Bild geringfügig anders abgelenkt, so daß in jeder Schicht des Kristalls ein eigenes Interferenzmuster erscheint. Ziel der IBM-Forscher ist eine Datendichte von einer Billion Bits pro Kubikzentimeter. Die Holografie ist die einzige Methode, bei der man das Speichermedium beschädigen kann, ohne daß Information verlorengeht. Selbst wenn der Kristall zerbricht, bliebe in jedem Bruchstück das komplette Interferenzmuster erhalten. Lediglich die Intensität des abgegebenen Lichts würde verringert.
Laser, Lichtmodulatoren und CCD-Chips sind in den letzten Jahren so gut und so billig geworden, daß ein holografischer Speicher prinzipiell erschwinglich wäre. Wie greifbar nahe die Technik ist, zeigt eine Vorführung im IBM-Labor in San José: Ein kurzer Videofilm aus 1200 Hologrammen, der 1996 zum vierzigsten Geburtstag der Magnetspeicherplatte aufgenommen wurde, läuft in bester Qualität aus dem Kristall – so als käme er vom Videorecorder.
Dennoch werden holografische Speicher in nächster Zeit nicht zu kaufen sein, sagt der deutsche Physiker Hans Coufal, der seit 16 Jahren bei IBM arbeitet und dort Leiter des Holografieprojekts ist: “Noch haben wir nicht das richtige Speichermedium gefunden, das unsere Anforderungen erfüllt.” Ein Problem ist, daß die Bits beim Lesen unwiederbringlich gelöscht werden. Dem will Coufals Team mit einem Trick begegnen: Mit Licht aus einer billigen Lampe, die eine andere Farbe als der Laser hat, werden die Elektronen im Kristall erst auf ein energetisches Zwischenniveau gehievt, bevor die eigentliche Information aufgeprägt wird. Beim Lesen reicht die Energie des Referenzlasers nicht aus, die Elektronen in ihren Grundzustand zurückzuwerfen.
Die noch offenen Probleme zu lösen, ist das Ziel zweier Forschungsprojekte, an denen zahlreiche amerikanische Firmen wie IBM, Kodak und Rockwell sowie verschiedene Universitäten beteiligt sind. PRISM (Photorefractive Information Storage Materials) dient der Entwicklung geeigneter Speicherkristalle, HDSS (Holographic Data Storage System) widmet sich der Verbesserung der übrigen Komponenten und wurde dazu für vier Jahre mit 90 Millionen Mark Forschungsgeldern ausgestattet.
Wenn die Anstrengungen Erfolg haben, eröffnen sich mit einem Schlag völlig neue Möglichkeiten der Archivierung von Bildern oder Videofilmen. So arbeitet Hans Coufals Team an einem trickreichen Verfahren, in vielen tausend Hologrammen bestimmte Bildmuster aufzuspüren, die am besten zu einem vorgegebenen Muster passen.
Dazu wird der Kristall zum Auslesen nicht mit dem Referenzstrahl beleuchtet, sondern mit dem Bildstrahl des Vergleichsbildes. Als Resultat erhält man den Referenzstrahl, dessen Intensität die Übereinstimmung zwischen Vergleichsbild und den gespeicherten Bildern verrät. Innerhalb von Millisekunden findet die Apparatur aus 1000 Bildern das passende heraus. Besonders das Militär ist daran interessiert, weil sich damit in Satellitenbildern feindliche Waffen oder Truppen leichter aufspüren lassen.
Ob sich Atomkraftmikroskop- oder holografische Speicher einmal durchsetzen, wird davon abhängen, wie sich die herkömmlichen Magnetspeicher entwickeln. Auch dort ist der technische Fortschritt atemberaubend: Anfang der neunziger Jahre wuchs die Speicherdichte auf Magnetplatten jedes Jahr um 30 Prozent. Inzwischen hat sich das Tempo auf 60 Prozent pro Jahr beschleunigt.
Basis des Erfolgs ist die MR(Magnetoresistive)-Technologie. Sie erlaubt dem Magnetsensor im Lesekopf einer Festplatte, kleinste Schwankungen der Magnetfelder auf der Platte zu messen. MR wurde von IBM 1991 eingeführt und von allen führenden Festplattenherstellern übernommen. Die Weiterentwicklung heißt GMR (Giant Magnetoresistive) und erlaubt Speicherdichten von derzeit 400 Millionen Bits pro Quadratzentimeter.
Die ersten Festplatten mit GMR-Köpfen wurden im November von IBM vorgestellt. Zur Jahrhundertwende soll die Marke von 1,5 Milliarden Bits pro Quadratzentimeter überschritten werden, bei gleichzeitig deutlich gesteigerter Geschwindigkeit.
Das Geheimnis von GMR ist der Lesekopf, der dünner ist als ein Haar. Er besteht aus vier Schichten: zwei ferromagnetischen Schichten (in der Grafik links: grün und rosa), die durch ein nichtmagnetisches Metall (gelb) getrennt sind, sowie einer antiferromagnetischen Trägerplatte (violett), die die davor liegende (rosa) Schicht magnetisch fixiert. Die magnetischen Orientierungen der beiden ferromagnetischen Schichten sind im Ruhezustand um neunzig Grad gegeneinander gedreht. Wirkt von außen ein schwaches Magnetfeld ein – von einem magnetisierten Bit auf der Festplatte -, wird die Orientierung der vorderen Schicht gekippt, und der elektrische Widerstand des Sandwichs ändert sich so stark, daß ein meßbarer Spannungsimpuls entsteht.
Das schwächste Magnetfeld, das ein GMR-Sensor gerade noch lesen kann, beträgt nur ein Zehntel Mikrotesla. Zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld ist rund 500mal stärker.
Dank dieser Fortschritte konnte die steigende Kapazität von magnetischen Festplatten bisher mit dem wachsenden Speicherbedarf mithalten. Jedes Jahr verdoppelt sich die weltweit verkaufte Festplattenkapazität. Wenn das Wachstum so weitergeht – und das wird es nach Expertenmeinung in den nächsten fünf bis zehn Jahren, wird es für alternative Speichertechnologien schwer, im Markt Fuß zu fassen.
Currie Munce, bei IBM für die Erforschung von Speichertechnologien zuständig, glaubt, daß Holografie und AFM-Technik herkömmliche Festplatten nie ersetzen, sehr wohl aber ergänzen könnten. Egal was kommt – das banalste Gesetz der Computertechnik wird auch in Zukunft gelten, sagt Munce: “Speicher hat man nie genug.”
Bits und Bytes
Ein Bit ist die kleinste Informationseinheit in der Computertechnik – entsprechend einem magnetisierten Fleck auf einer Festplatte oder einer Vertiefung auf einer CD. Acht Bits ergeben zusammen ein Byte, das ein Zeichen (Buchstaben, Zahl) darstellt. Eine CD enthält 650 Millionen Byte (Megabyte), moderne Festplatten haben eine Kapazität von einer Milliarde Byte (Gigabyte) oder mehr, beziehungsweise die achtfache Menge an Bits.
Bernd Müller
