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Die Super-Speicher kommen

Elektronische Speicher schrumpfen auf atomare Dimensionen. Ganze Sinfonien auf einer pfenniggroßen Schallplatte, abendfüllende Spielfilme im Zuckerwürfel – in den Labors der Computerhersteller sind die Speicher von morgen schon Realität.

Je näher die Forscher an das physikalische Limit der Datenspeicherung 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.

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.

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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.

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 Giant Magnetoresistive (GMR) und erlaubt Speicherdichten von derzeit 400 Millionen Bits pro Quadratzentimeter.

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.“

Bernd Müller
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