Kein tragbares Loch

Das Schöne am britischen Wissenschaftsjournalismus ist, dass er seinem Metier immer eine Prise Pop beimischt. So auch auf dem Cover der aktuellen Ausgabe von Nature: "Digital storage in five dimensions" steht darauf in großen Lettern. Fünf Dimensionen! Ist endlich das tragbare Loch erfunden worden, dachte ich kurz?

Natürlich fällt auch der Prototyp des in Nature vorgestellten Superdatenspeichers nicht aus dem bekannten Raumzeitkontinuum heraus. Bei den Dimensionen handelt es sich um die eines abstrakten Parameterraumes. Drei davon sind tatsächlich Raumrichtungen. Im Unterschied zu CDs und DVDs, auf denen Bits in einer Ebene dargestellt werden, wird auch die räumliche Tiefe ausgenutzt. Das ist noch nicht neu: Seit Jahren wird bereits an holografischen Datenspeichern gearbeitet, die das ganze dreidimensionale Volumen eines Polymerkörpers nutzen - bekannt wurde etwa die "Tesa-ROM".

Drei Forscher der Swinburne University of Technology (Australien) fügen noch zwei weitere Parameter zu, die in einem einzigen Verfahren genutzt werden können und keiner Dimension im üblichen Sinne entsprechen: die Wellenlänge des Laserlichts, mit dem die Informationen geschrieben werden, sowie dessen Polarisationsrichtung. Damit gelingt es ihnen, in ein und derselben Schicht mehrere Datenbestände parallel zu speichern, und das jeweils in mehreren übereinander liegenden Schichten.

Wie funktioniert das? Der Clou an dem Verfahren sind unzählige Nanostäbchen aus Gold in drei verschiedenen Abmessungen (37 x 19, 50 x 12 und 50 x 8 Nanometer), die zufällig in einem Polymer verteilt sind. Jede Stäbchenvariante spricht im Prototyp jeweils nur auf eine bestimmte Laser-Wellenlänge an: die kurze auf 710, die längliche auf 840 und die lange, dünne auf 900 Nanometer. Ultrakurze, energiereiche Laserpulse dieser Wellenlängen übertragen ihre Energie (über die sogenannte Oberflächenplasmonenresonanz) auf die entsprechenden Stäbchen, aber nur, wenn die Stäbchen parallel zur Polarisationsrichtung des Lichts liegen. In diesem Fall schmelzen die Stäbchen zu Klümpchen. Solche Stellen erscheinen dann später als dunkel, wenn ein – diesmal schwacher – Laserpuls derselben Wellenlänge und Polarisierung darauffällt. Alle anderen erscheinen hell. Dunkle und helle Flächen können so die Bitwerte "0" und "1" repräsentieren und von einem Sensor registriert werden.

Die Datendichte des Prototyps ist schon bei nur drei beschriebenen Schichten enorm: 1,1 Terabit pro Quadratzentimeter. Die 340-fache Datendichte einer herkömmlichen DVD. Die Schreibgeschwindigkeit ist ebenfalls gewaltig: 1 Gigabit pro Sekunde. Allerdings ist der "5D-Datenspeicher" nicht wiederbeschreibbar.

Interessant ist auch ein anderer Vergleich. Der vor einigen Jahren von IBM entwickelte Datenspeicher namens "Millipede", eine Art Nanolochkarte, erreicht eine Datendichte von 150 Gigabit (0,15 Terabit) pro Quadratzentimeter. Der Millipede ist das bislang einzige ausgereifte Konzept eines ganz neuen Nanodatenspeichers (IBM hat es aber bis heute nicht kommerzialisiert). Die Löcher, die jeweils ein Bit repräsentieren, haben einen Durchmesser von nur 15 Nanometern und sind jeweils 10 Nanometer voneinander entfernt. Die Datendichte wurde also durch eine außerordentliche Verkleinerung hinunter auf die Nanoskala erreicht – was ein ganz neues technisches Konzept erforderte (die Löcher werden mit den Spitzen winziger Hebel gestanzt, was eine ausgeklügelte Steuerung benötigt).

Dagegen muten die charakteristischen Größen des australischen "5D-Speichers" geradezu gewöhnlich an. Die Bitpunkte haben einen Durchmesser von 750 Nanometern - 75 mal größer als beim Millipede. Die Dicke einer Speicherschicht beträgt 1 Mikrometer, nanotechnisch gesehen grobschlächtig. Die Datendichte wird hier nicht durch Verkleinerung erreicht, sondern durch massive Parallelität. Und im Unterschied zum Millipede ist auch keine neue Technologie nötig. Die Forscher benutzten nur Technologien, die bereits heute zur Verfügung stehen. Nanoskalig sind nur die Goldstäbchen, und deren Positionierung muss nicht einmal präzise kontrolliert werden.

Gemessen daran ist der "5D-Speicher" also eine verblüffend "schlichte" und deshalb umso cleverere Anwendung der reichhaltigen Möglichkeiten von Nanotechnik.

Ob wir schon bald umfangreiche "5D"-Filmbibliotheken haben werden, die in einen Schuhkarton passen, ist dennoch fraglich. Die Entwicklung der (einfach dreidimensionalen) holografischen Datenspeicher ist viel weiter fortgeschritten. Tesa-ROM-Speicher etwa könnten im Prinzip schon kommerziell produziert werden. Dennoch gibt es bisher offenbar keinen Markt dafür.

Zwar ist die Datenexplosion der digitalen Welt gewaltig. Nach Angaben von Cisco wurden im vergangenen Jahr von Youtube-Servern monatlich 30.000 Terabyte abgerufen (1998 schätzten Kognitionsforscher die Datenmenge des "Weltgeistes" auf 1.340.000 Terabyte). Die Google-Server verarbeiteten laut Wired bereits vor knapp einem Jahr alle 72 Minuten 1000 Terabyte. Nach IBM-Schätzung wird sich der weltweite Datenbestand irgendwann im nächsten Jahr alle elf Stunden verdoppeln.

Doch der Löwenanteil dieser Daten zirkuliert, wird kurzzeitig gespeichert, weitergeleitet, gelöscht, erneut gespeichert und so weiter. Nicht wiederbeschreibbare Speicher dürften da in einigen Jahren ein Nischenprodukt sein. So könnte der 5D-Speicher am Ende ein konzeptioneller Meilenstein sein, aber kein bahnbrechender Entwicklungssprung. Der könnte vielmehr in der Erkenntnis liegen, dass wir uns irgendwann auf weniger und dafür wesentlichere Daten konzentrieren. Und für die Entsorgung des Datenmülls erfindet dann vielleicht doch noch irgendjemand ein tragbares Loch.

Das Paper zum "5D-Speicher" (ohne Abo nur Abstract zugänglich):
Peter Zijlstra et al., "Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in gold nanorods", Nature, Vol. 459, 21. Mai 2009.

Anmerkung nbo: "Weltgeist"-Datenmenge korrigiert (siehe Forum). (wst)