ヤスデの記憶

ミリピード メモリは、不揮発性コンピュータ メモリの一種です。1平方インチあたり1テラビット(1平方ミリメートルあたり1ギガビット)以上のデータ密度が期待されており、これは垂直記録 ハード ドライブの限界に近いものです。ミリピード ストレージ技術は、ハード ドライブの磁気記録の潜在的な代替として、また、この技術の物理的サイズをフラッシュメディアのサイズまで縮小する手段として追求されました。

IBM はCeBIT 2005でミリピード ストレージ デバイスのプロトタイプをデモし、2007 年末までにこのテクノロジを商用化しようとしていました。しかし、競合するストレージ テクノロジが同時に進歩したため、それ以降商用製品は提供されていません。

現代のコンピュータのメインメモリは、多数のDRAM関連デバイスの 1 つから構成されています。DRAM は基本的に、電荷の有無によってデータを保存する一連のコンデンサで構成されています。各コンデンサとそれに関連する制御回路 (セルと呼ばれる) は1ビットを保持し、複数のビットを大きなブロックで同時に読み書きできます。DRAM は揮発性であり、電源が切れるとデータは失われます。

対照的に、ハード ドライブは磁性材料で覆われたディスクにデータを保存します。データは、この材料が局所的に磁化されることによって表されます。読み取りと書き込みは 1 つのヘッドによって行われ、ディスクが回転している間に要求されたメモリ位置がヘッドの下を通過するのを待機します。その結果、ハード ドライブのパフォーマンスはモーターの機械速度によって制限され、一般に DRAM よりも数十万倍遅くなります。ただし、ハード ドライブの「セル」は DRAM よりもはるかに小さいため、ハード ドライブのストレージ密度は DRAM よりもはるかに高くなります。ハード ドライブは不揮発性であり、電源を切ってもデータは保持されます。

Millipede ストレージは、両方の機能を組み合わせることを試みています。ハード ドライブと同様に、Millipede はデータをメディアに保存し、ヘッドの下でメディアを移動してデータにアクセスします。また、ハード ドライブと同様に、Millipede の物理メディアは小さな領域にビットを保存し、高いストレージ密度を実現します。ただし、Millipede は、並列に読み取りと書き込みができる多数のナノスケールのヘッドを使用するため、一度に読み取られるデータの量が増えます。

機械的には、ミリピードは多数の原子間力プローブを使用し、各プローブはそれに関連付けられた多数のビットの読み取りと書き込みを担当します。これらのビットは、スレッドと呼ばれるキャリア上に薄膜として堆積された熱活性ポリマーの表面にピットとして、またはピットがない状態で保存されます。1つのプローブは、ストレージ フィールドと呼ばれる、使用可能なスレッドのかなり小さな領域のみを読み書きできます。通常、スレッドは、電気機械アクチュエータを使用して、選択されたビットがプローブの下に配置されるように移動されます。これらのアクチュエータは、一般的なハード ドライブの読み取り/書き込みヘッドを配置するものに似ていますが、実際の移動距離は比較するとごくわずかです。スレッドは、要求されたビットをプローブの下に持ってくるスキャン パターンで移動します。このプロセスは、x/y スキャンと呼ばれます。

1 つのフィールド/プローブ ペアで処理されるメモリの量はかなり少ないですが、その物理的サイズも小さいです。したがって、このようなフィールド/プローブ ペアを多数使用してメモリ デバイスが構成され、データの読み取りと書き込みを多数のフィールドに並行して分散できるため、スループットが向上し、アクセス時間が改善されます。たとえば、1 つの32 ビット値は通常、32 の異なるフィールドに送信される 1 ビットのセットとして書き込まれます。初期の実験デバイスでは、プローブは 32x32 グリッドにマウントされ、合計 1,024 個のプローブがありました。このレイアウトがヤスデ(動物) の脚に似ていることから、この名前が付けられました。カンチレバーアレイの設計では、多数の機械式カンチレバーを作成し、その上にプローブをマウントする必要があります。すべてのカンチレバーは、ウェーハ表面で 表面マイクロマシニングを使用して完全にシリコンで作られています。

くぼみやピットの形成に関しては、非架橋ポリマーはガラス転移温度が低く、PMMAの場合は約120℃です^[4]。プローブの先端をガラス転移温度以上に加熱すると、小さなくぼみが残ります。くぼみは3nmの横方向分解能で作られます。^[5]くぼみのすぐ隣でプローブを加熱すると、ポリマーが再溶融してくぼみを埋め、くぼみを消去します（熱機械走査プローブリソグラフィーも参照）。書き込み後、プローブの先端を使用してくぼみを読み取ることができます。各くぼみを1ビットとして扱うと、理論的には0.9Tb/in ²のストレージ密度を実現できます。^[5]

カンチレバー アレイの各プローブは、一度に 1 ビットずつ処理して、熱機械的にデータを保存および読み取ります。読み取りを実行するために、プローブの先端は約 300 °Cに加熱され、データ スレッドの近くに移動します。プローブがピット上にある場合、カンチレバーはプローブを穴に押し込み、スレッドと接触する表面積を増やし、プローブからスレッドに熱が漏れるため、冷却が促進されます。その場所にピットがない場合、プローブの先端のみがスレッドと接触したままになり、熱の漏れはより遅くなります。プローブの電気抵抗は温度の関数であり、温度の上昇とともに上昇します。したがって、プローブがピットに落ちて冷却されると、抵抗の低下として記録されます。抵抗が低い場合は「1」ビットに変換され、そうでない場合は「0」ビットに変換されます。ストレージ フィールド全体を読み取り中、先端は表面全体に引きずられ、抵抗の変化が常に監視されます。

ビットを書き込むには、プローブの先端を、データ スレッドの製造に使われるポリマー (通常はアクリル ガラス製) のガラス転移温度を超える温度に加熱します。この場合、転移温度は約 400 °C です。「1」を書き込むには、先端付近のポリマーを柔らかくしてから、先端をそっと触れてへこませます。ビットを消去してゼロ状態に戻すには、代わりに先端を表面から引き上げ、表面張力で表面を再び平らにします。古い実験システムでは、さまざまな消去手法が使用されていましたが、一般的に時間がかかり、成功率も低かったです。これらの古いシステムでは約 100,000 回の消去が可能でしたが、新しい手法でこれが改善されたかどうかを判断するのに十分な情報が、利用可能な参考文献には含まれていません。^[要出典]

予想どおり、プローブを加熱するには、一般的な操作にかなりの電力が必要です。ただし、正確な量は、データへのアクセス速度によって異なります。速度が遅いと、読み取り中の冷却が少なくなり、書き込みのためにプローブを高温に加熱する回数も少なくなります。数メガビット/秒のデータ速度で動作する場合、Millipede は約 100 ミリワットを消費すると予想されます。これは、フラッシュ メモリ技術の範囲内であり、ハード ドライブよりかなり低い値です。ただし、Millipede 設計の主な利点の 1 つは、高度な並列性により、GB /秒というはるかに高速で動作できることです。このような速度では、電力要件が現在のハード ドライブに近づくことが予想されます。実際、データ転送速度は、個々のプローブでキロビット/秒の範囲に制限され、アレイ全体では数メガビットになります。 IBM のアルマデン研究センターで行われた実験では、個々のチップが 1 ～ 2 メガビット/秒のデータ速度をサポートし、合計速度は GB/秒の範囲になる可能性があることが示されました。

ミリピード メモリは、データ ストレージ、読み取りおよび書き込み速度、およびテクノロジの物理的サイズの点でフラッシュ メモリと競合することを目的とした不揮発性コンピュータ メモリの一形態として提案されました。ただし、その後他のテクノロジがこれを上回ったため、現在追求されているテクノロジではないようです。

最も初期の世代のミリピード デバイスでは、直径 10 ナノメートル、長さ 70 ナノメートルのプローブが使用され、92 μm x 92 μm の領域に直径約 40 nm のピットが生成されました。32 x 32 のグリッドに配置された 3 mm x 3 mm のチップには、500 メガビットまたは 62.5 MB のデータが保存され、面密度(1 平方インチあたりのビット数) は約 200 Gbit/in² になります。IBM は 2003 年にこのデバイスを初めてデモし、2005 年に商業的に導入する予定でした。その時点でハード ドライブは 150 Gbit/in² に近づいており、その後それを上回りました。

2005 年のCeBIT Expoでデモされたデバイスは、基本設計を改良したもので、7 mm x 7 mm のデータ スレッドを備えた 64 x 64 カンチレバー チップを使用し、より小さなピットを使用してデータ ストレージ容量を 800 Gbit/in² に高めました。ピットのサイズは約 10 nm まで拡大でき、理論上の面密度は 1Tbit/in² をわずかに上回るようです。IBM は、2007 年にこの種の密度に基づくデバイスを導入する予定でした。比較のために、2011 年後半の時点で、ラップトップ ハード ドライブは 636 Gbit/in² の密度で出荷されており、^[6]熱アシスト磁気記録とパターン化メディアを組み合わせると、10 Tbit/in² の密度をサポートできると予想されています。 ^[7]フラッシュは、2010 年初頭にほぼ 250 Gbit/in² に達しました。 ^[8]

2015 年現在、^{[引用が必要]}競合するストレージ技術の同時進歩により、これまでのところ商用製品は提供されていません。

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