Slaan we binnenkort onze data op in vloeistof?

Het geheugenlandschap: van snelle werkgeheugens tot trage opslagmedia

Het geheugenlandschap wordt gevormd door een scala aan geheugentypes. Elk geheugen vervult zijn specifieke rol in het opslaan van informatie en in het uitwisselen van data met de rekeneenheid van het elektronisch systeem. In traditionele computerarchitecturen maken we onderscheid tussen de duurdere, vluchtige, actieve geheugens die snel data van en naar de processor sturen (zoals static random access memory (SRAM) en dynamic RAM (DRAM)), en de tragere, goedkopere opslagmedia – bedoeld om grote hoeveelheden data voor langere tijd op te slaan.

Tot deze laatste categorie behoren de NAND-Flash-geheugens, harde schijven en tapes. Waar tape-opslag gebruikt wordt om data voor langere tijd te archiveren, worden harde schijven en NAND-Flash-geheugens eerder ingezet voor zogenaamde online- en nearline-opslag: zij moeten meer frequent kunnen worden geraadpleegd dan tapes, en mogen daar niet langer dan enkele seconden over doen. Van deze twee opslagmedia biedt NAND-Flash niet alleen de snelste uitleestijd, maar ook het laagste vermogenverbruik. We vinden dit populaire opslagmedium dan ook terug in diverse elektronische toepassingen, zoals smartphones, dataservers, PCs, tablets en USB-sticks.

Almaar meer data opslaan: een toenemende bezorgdheid

Om tegemoet te komen aan de toenemende vraag naar dataopslag, zijn geheugenexperts er door de jaren heen in geslaagd om de geheugendichtheid (of nog, het aantal bits dat per volume-eenheid kan worden opgeslagen) 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. Ondanks hun driedimensionale (3D) architectuur (met nu al meer dan 230 lagen aan NAND-Flash geheugencellen boven op elkaar) verwachten we dat NAND-Flash pas tegen 2029 een geheugendichtheid van 70Gbit/mm² zal bereiken. Dat is een vertraging van bijna vier jaar ten opzichte van zijn traditionele ‘roadmap’.

De opkomst van nieuwe opslagmedia in het post-NAND-tijdperk

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 (waarbij zetta staat voor 10²¹ of triljard).

Naar deze nieuwe concepten wordt vandaag naarstig onderzoek gedaan. Eén van de meest besproken alternatieven is DNA-opslag, waarbij de informatie vervat is in de volgorde van de ‘letters’ (A, C, G, T) in kunstmatige DNA-moleculen. Hierin kan informatie miljoenen keren dichter worden opgeslagen dan in de huidige opslagapparatuur. Door de relatief trage uitleestijd verwachten we dat DNA-opslag eerder zijn plaats zal vinden in archiveringstoepassingen, zoals het bewaren van video’s en wetenschappelijke data.

In dit artikel kijken we verder dan de bestaande denkkaders, en 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.

Toegangsapparaatjes: sleutel tot een grotere geheugendichtheid?

Voor we het kernidee achter de werking van vloeistofgeheugens belichten, bekijken we eerst waarom het zo moeilijk is om de geheugendichtheid van de bestaande geheugen- en opslagtechnologieën nog verder op te drijven.

De geheugencellen van de klassieke SRAM-, DRAM- en (3D-)NAND-Flash-geheugens worden gerangschikt in twee- (of drie-)dimensionale matrices, op het kruispunt van zogenaamde woord- en bitlijnen. Elke geheugencel bestaat uit een geheugenelement waarin een bit aan informatie wordt opgeslagen (bij DRAM bijvoorbeeld is dat een condensator) en een toegangsapparaatje (een transistor of diode) (zie figuur 2a). Dat toegangsapparaat, verbonden met het geheugenelement door ten minste twee metaaldraden, is nodig om het geheugen in de matrix te selecteren om het vervolgens te kunnen lezen of schrijven. Heb je een terabit aan geheugens op één enkele chip, dan heb je dus ook een terabit aan toegangsapparaatjes nodig. En daar knelt het schoentje... Terwijl we de geheugenelementjes zelf klein genoeg kunnen maken om de dichtheid verder te vergroten, is het veel uitdagender om de toegangsapparaatjes en hun bedrading op een kostenefficiënte manier mee te verkleinen.

Harde schijven en tapes werken op een andere manier. In deze opslagapparaten maakt een veel kleiner aantal toegangsapparaatjes verbinding met een groter opslagmedium (figuur 2b). Denk bijvoorbeeld aan het kleine aantal lees-/schrijfkoppen die de bits opgeslagen in een draaiende harde schijf lezen/schrijven. Op die manier kunnen hogere geheugendichtheden bereikt worden aan een lagere kostprijs. Maar dat werkingsprincipe maakt die opslagmedia ook trager, groter en minder energiezuinig dan bijvoorbeeld NAND-Flash. In het geval van de harde schrijf moet de arm met lees- en schrijfkoppen immers mechanisch op de schijf worden gezet.

Vloeistofgeheugens: het beste van twee werelden

Waarom niet beide concepten combineren om zowel ultragrote opslagdichtheden (groter dan harde schijven) als relatief kleine uitleestijden (sneller dan tapes) te bereiken aan een redelijke kostprijs?

Stel, we werken opnieuw met een dichte matrix van toegangsapparaatjes. Maar in plaats van elk toegangsapparaatje (bijvoorbeeld, een transistor) te verbinden met slechts 1 bit aan informatie, zorgen we dat we duizenden bits per toegangstransistor kunnen opslaan (figuur 2c). Om de bits te lezen, laten we ze bewegen naar deze transistoren. En voor die beweging is vloeistof een uiterst geschikt medium.

Om het concreter te maken, zullen we ionen, moleculen of (nano-)deeltjes in de vloeistof brengen. De informatie - het schrijven van het geheugen - kan dan bijvoorbeeld vervat zitten in de volgorde waarin we verschillende soorten deeltjes aan de vloeistof toevoegen, analoog aan hoe in DNA de informatie vervat zit in de volgorde van de moleculen. Die deeltjes zullen we moeten kunnen manipuleren en in grote volumes laten bewegen naar de verschillende toegangstransistoren in de matrixstructuur.

Wereldwijd worden manieren gezocht om die bits aan informatie in vloeistof te laten bewegen. Bij imec werden twee vernieuwende concepten bedacht om dat te kunnen doen: colloïdale en elektrolithische opslagconcepten.

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 300mm 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 200-300nm diameter en polystyreendeeltjes van ~200nm 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 1nm van metaal A zou kunnen staan voor binaire code ‘0’, staat een 2nm dikke laag van datzelfde metaal A dan voor de binaire ‘1’. Een laagje metaal B met vaste dikte (bijvoorbeeld 0.5nm) 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 1µm-diepe kanaaltjes van 80-150nm diameter. Na optimalisatie van de condities van de elektrochemische cel kon de schrijf- en leesoperatie van 10 koper-lagen (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 40nm van elkaar kunnen plaatsen. Ook de aspect ratio (of nog, de hoogte-breedte-verhouding) 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 (dit is, het aantal lees- en schrijfcycli voor het geheugen faalt), een vermogenverbruik van de orde van pJ om een geheugenbitje te schrijven, en meer dan 10 jaar retentie (of, hoe lang het geheugen zijn informatie kan vasthouden). Imec zal zijn testchips inzetten om al deze parameters te evalueren en de geheugens verder te verbeteren.

Dit artikel is eerder verschenen in EngineeringNet.

Bekijk ook deze aflevering van de Bollebozen op ROBtv:  "Hoe gaan we in de toekomst zoveel data opslaan?"