Das nächste kleine Ding

Haris Pozidis hält dem Fotografen eine Platine entgegen: Grün, mit metallisch schimmernden Leiterbahnen und schwarzen Steckerleisten. Im Zentrum ruht ein briefmarkengroßer, graphitfarbener Chip unter einer Plexiglashaube. Pozidis' Bewegungen wirken zögerlich, vorsichtig. Das Baby sieht ganz unscheinbar aus, ist aber der ganze Stolz seiner Eltern im IBM-Forschungslabor im Schweizerischen Rüschlikon - und es hat das Zeug zum Star. Denn der kleine schwarzgraue Quader auf der Platine ist ein nanomechanischer Speicherchip, in dem jahrelange, intensive Grundlagenforschung steckt. Auf der diesjährigen Computermesse CeBIT will IBM den "Millipede"-Prototypen erstmals einer breiten Öffentlichkeit vorführen - ein Auftritt, der das Entwickler-Team lange im Vorfeld kräftig in Atem hält.

Schneeweiße Fassaden recken sich gegen den blitzblanken blauen Schweizer Himmel. Die Flachdach-Gebäude umringen einen kleinen Campus, auf dem ein geschickter Landschaftsgärtner einen kleinen Hügel vor einem Teich drapiert hat - mit knorrigem Baum an einem dekorativen Felsen. Schnee und Eis unterstreichen die Idylle des Wintertages, aber der erste Eindruck täuscht. Die goldenen Jahre sind vorbei: Das Labor in Rüschlikon nahe Zürich, zu dessen Füßen sich der malerische Zürichsee erstreckt, galt lange als nahezu unbegrenzte Spielwiese für hochbegabte Wissenschaftler. Mittlerweile hat auch hier das Management Fuß gefasst.

Seit der "Nahtod-Erfahrung" - wie manche Angestellte die Krise des Unternehmens in den frühen 90er Jahren respektlos nennen - hat der Konzern seine Nobelpreisträger stärker in die Pflicht genommen und richtet die Forschung an der Entwicklung potenzieller Produkte aus. Der Millipede-Speicher, ursprünglich eine skurrile Idee des Rasterkraftmikroskop-Erfinders Gerd Binnig und seines Forschungskollegen Peter Vettiger, ist ein gutes Beispiel für diese Veränderung. Der Speicherchip hat das Zeug, dem heute gängigen Flash-Speicher Konkurrenz zu machen. Ob und in welcher Form er auf den Markt kommen wird, hängt jedoch davon ab, welche Partner IBM für die Weiterentwicklung findet und welche Spezifikationen diese Partner der Technologie abverlangen.

Das Grundprinzip des "Probe-based Storage" von IBM ist simpel. Binnig, aus dessen Labor neben dem mit einem Nobelpreis belohnten Rastertunnelmikroskop auch das "Schweizer Messer der Nanowelt" - das Rasterkraftmikroskop - stammt, und Vettiger sollen die Idee gemeinsam auf einem Fußballplatz entwickelt haben. Winzige Hebelchen mit einer feinen Spitze aus Silizium schmelzen ebenso winzige Löcher in ein Polymer-Medium, um Bits zu schreiben. Dieselben Spitzen kann man auch verwenden, um diese Löcher nachzuweisen, also die Bits wieder auszulesen. Dazu bringt man die Spitze in die Nähe des Polymerfilms und erwärmt sie. Taucht die Spitze in einen Bit-Krater, erhöht sich der Wärmeaustausch zwischen ihr und dem Speichermedium, wodurch der elektrische Widerstand des Hebelchens, auch Kantilever genannt, abnimmt. Um ein Bit wieder zu überschreiben, erzeugt man mit der Spitze auf dem Kraterrand neue Vertiefungen, deren Ränder die alte Vertiefung überlappen und so das Polymer-Material in Richtung Krater drängen.

Weil die Löcher so enorm klein sind, kann man sie sehr dicht nebeneinander setzen und so fantastische Datendichten erreichen: Im vergangenen Jahr erzielten die Forscher in Rüschlikon einen Wert von 641 Gigabit pro Quadratzoll, wobei im Mittel nur eins von jeweils 10.000 Bits falsch gesetzt war. So ließe sich das Datenvolumen von etwa 20 DVDs auf der Fläche einer Briefmarke unterbringen. Um die Datenrate, also die Schreib- und Lesegeschwindigkeit, zu erhöhen, verwenden die Wissenschaftler nicht nur eine Spitze, sondern eine ganze Matrix von Hebelchen, die parallel arbeiten.

Der Teufel liegt jedoch, wie immer, im Detail. Und an kniffligen Details - das sollte das Millipede-Team recht bald bemerken - herrscht bei diesem Projekt kein Mangel. Jeder der V-förmigen Hebel ist 70 Mikrometer lang und einen halben Mikrometer dünn, ihre Silizium-Spitze 700 Nanometer lang und im Radius nur 20 Nanometer dünn. Um die Speicher-Löcher zu erzeugen, wird die Spitze mit einem Widerstand auf rund 400 Grad Celsius aufgeheizt. "Wir heizen, bis wir über die Glastemperatur des Polymers kommen", erklärt Johannes Windeln, einer der beiden Projektleiter. Dann wird eine positive Spannung auf das Hebelchen gegeben, sodass die Konstruktion aufgrund der elektrostatischen Anziehung gegen das Polymer gedrückt wird. Die heiße Spitze schmilzt ein Grübchen in das "hochgradig vernetzte und hochspezialisierte Polymer" und schnellt zurück, das Polymer kühlt ab, und "die Information wird sozusagen eingefroren".

Der Chemiker Windeln und Evangelos Eleftheriou, ein Elektrotechniker, sind seit Januar 2004 Projektleiter für Millipede. Insider werteten ihren Antritt bereits damals als Signal für ernsthafte kommerzielle Millipede-Ambitionen von IBM und munkelten über eine Produkteinführung in spätestens zwei Jahren. Anders als in früheren Mitteilungen übten die IBM-Forscher sich zunächst jedoch in demonstrativer Bescheidenheit, statt mit rekordverdächtigen Zahlen um sich zu werfen. Und der weltweit erste nanomechanische Speicher ist bislang noch nicht auf dem Markt.

Welches Material IBM für das Speichermedium verwendet, will Windeln nicht verraten. "Das ist der Kern der Sache", erklärt er mit einem entschuldigenden Lächeln. Die Glasübergangstemperatur bei Polymeren ist anders als etwa bei Eis keine Konstante, sondern abhängig von der Abkühl- beziehungsweise Erwärmungsrate. Kraft und Temperatur bestimmen die Größe der Löcher. Weiter gilt: Je kleiner die Löcher, desto dichter kann man sie zusammensetzen und desto schneller kann man sie schreiben - aber umso schlechter wird auch das Signal beim Auslesen.

Die optimalen Parameter werden noch immer erforscht: Auf weißen, mit Rollen versehenen Stahlgestellen, mit gelochten Edelstahl-Tischplatten, inmitten von Kabeln, Signalgeneratoren und Messinstrumenten, liegen winzige Platinen mit einzelnen Kantilevern wie Patienten auf der Intensivstation. Gleich nebenan steht eine Aluminium-Box im Teekisten-Format, die einen weiteren Prüfstand verbirgt. Beim Aufklappen der Kiste surren die Servo-Motoren. Im Inneren kann man alles an klimatischen Bedingungen herstellen, was man sich vorstellen mag.

Ein Kantilever im Millipede schreibt und liest aus einer ihm zugeordneten rund 100 mal 100 Mikrometer kleinen Zelle. Während sich beispielsweise bei Festplatten der Schreib- und Lesekopf und auch das Speichermedium bewegen, wird beim Millipede-Speicher nur das Medium bewegt. In Rüschlikon gibt es mittlerweile eine kleine Serienproduktion der dafür erforderlichen Mikroscanner. In flachen, milchigweißen Plastikschalen liegen jeweils rund ein halbes Dutzend dieser metallisch schimmernden Silizium-Plättchen, die unter dem Stereo-Mikroskop auf ihre Funktionstüchtigkeit geprüft werden.

Zwei winzige Spulen, die zwischen Magneten platziert sind, treiben die Bewegung des Plättchens an: Der Mikroscanner kann mit einer Genauigkeit von bis zu zwei Nanometern positioniert werden. Aus der überlappenden Fläche von streifenförmigen Sensoren kann man die Position jederzeit präzise bestimmen, allerdings verbrauchen diese Sensoren vergleichsweise viel Strom. Die IBM-Forscher opfern deswegen einige der Datenpunkte als Markierung - ein Verfahren, das auch bei magnetischen oder optischen Medien üblich ist.

Um die Daten schneller in den Speicher und wieder hinaus zu bekommen, bearbeitet eine komplette Matrix-Anordnung an Hebelchen das Medium gleichzeitig. Vor drei Jahren stellte das IBM-Team erstmals einen Chip mit 32 mal 32 Spitzen vor - im vergangenen Jahr machten dann die ersten Gerüchte von einem Prototypen mit 64 mal 64 Spitzen die Runde. "Wir haben eine solche Matrix angefertigt", bestätigt Evangelos Eleftheriou, "aber nur um eine neue Fertigungstechnik zu testen." Denn die winzige Mechanik bildet naturgemäß nur einen Teil des Systems. Auch die Elektronik zur Ansteuerung der Spitzen muss auf einem solchen Chip Platz finden.

Es stellte sich allerdings heraus, dass es enorm schwierig ist, Mechanik und Elektronik in einem Stück auf einem Chip zu fertigen. Die Wissenschaftler entschlossen sich also, den Aufbau in zwei Stücken zu realisieren: Die Matrix der Mikrospitzen wird mit winzigen Kontaktstiften versehen, die unter dem Elektronenmikroskop aussehen wie die Noppen von Lego-Steinchen. Diese "Studs" werden dann mit den Gegenstücken auf der elektronischen Platine kontaktiert.

Als IBM Ende der 90er Jahre mit den ersten Veröffentlichungen zum Millipede-Projekt auftauchte, war das Medienecho groß. Gut fünf Jahre später ist die erste Aufregung vorbei - und richtig fertig ist der Millipede noch immer nicht. Trotzdem sind die Projektleiter hoch zufrieden: Seit dem vergangenen November gibt es den ersten Prototypen, in dem alle nötigen Systemkomponenten integriert sind.

"Wenn man die einzelnen Komponenten testet, ist das etwas anderes, als zu sehen, ob das Gesamtsystem funktioniert", sagt Eleftheriou. "Wir haben Text eingegeben und wieder ausgelesen. First Time Parallel Operation with 512 Gigabit per Square Inch, oder so etwas in der Art. Es war wirklich sehr aufregend." Die Feinheiten kommen später an die Reihe: "Wir haben uns nicht um die Speicherkapazität gekümmert, nicht um die Datenrate und nicht um den Energiebedarf", sagt Eleftheriou, "weil es so viele andere Dinge gibt, die man zum Laufen bringen muss."

Mittlerweile existiert eine ganze Reihe von Prototypen - sorgfältig behütet in Labor K062. Der mechanische Teil - das "MEMS Assembly" ist auf einem Chip mit einer Fläche von 6,4 mal 6,4 Millimetern untergebracht, der auf einer Platine mit Steckverbindern ruht. Die kleine Platine, die IBM auch auf der CeBIT vorführt, steckt auf einer größeren, durch die Verwendung so genannter "Field Programmable Gate Arrays" flexiblen Prüfschaltung. Diese enthält die Steuerungslogik für den MEMS-Teil, ebenso wie die Fehlerkorrektur und ein Interface, das einem angeschlossenen Computer suggeriert, bei dem ganzen Aufbau handele es sich um eine gewöhnliche Compact-Flash-Karte. Für das fertige Produkt soll auch dieses Zubehör noch auf die Baugröße einer normalen Speicherkarte geschrumpft werden.

Bis dahin bleibt noch einiges an Forschungsarbeit zu tun, das sich hinter lapidaren Schlagworten wie "Issues of Integration" oder "Issues of Reliability" verbirgt. Denn beispielsweise das Langzeitverhalten des Speichers zu testen ist nicht trivial. "Um Langzeitversuche planen zu können, muss man erst einmal wissen, welche Mechanismen da wirken. Man kann keine Experimente machen, die zehn Jahre dauern", sagt Windeln. Noch ist beispielsweise unklar, ob es notwendig sein wird, den Nanospeicher gegenüber Staub und Luftfeuchtigkeit zu verkapseln - zumindest unter dem Mikroskop sehen Staubkörner auf dem Speichermedium bedrohlich groß aus. Andererseits funktionieren die Prototypen bislang auch ohne Verkapselung. Die Gruppe arbeitet intensiv daran, zu verstehen, wie die verschiedenen Degradationsmechanismen funktionieren. "Aus den Modellen leiten wir Vorhersagen ab, um beschleunigte Testmethoden zu entwerfen."

Was nun aber tatsächlich für ein Produkt entsteht, ist zurzeit noch unklar. "Wir sind jetzt in der Phase", sagt Windeln, "in der wir Konzepte für ein mögliches Produkt entwerfen. Dabei ist nicht einmal klar, wie viele Kantilever wir verwenden. Das hängt ganz stark von den Spezifikationen ab, was Sie wirklich brauchen, was Sie für eine Datenrate haben wollen, wie viel Energie Sie zur Verfügung haben."

Windelns Kollege Erich Rütsche aus der Abteilung "Business Development and Relations" skizziert die strategischen Optionen: Es sei vollkommen sinnlos, einen Wettbewerber auf einem Feld anzugreifen, auf dem dieser sehr stark sei, erklärt der Manager: "Technologie an sich hat keinen Wert." Dieser Wert werde vielmehr über den Markt bestimmt und lasse sich für den Millipede-Speicher recht leicht ermitteln.

Das Umfeld sieht so aus: Der Speicherhunger mobiler Geräte nimmt beständig zu. Flash-Karten haben den Nachteil, dass bei ihnen die Kosten pro Speichereinheit relativ konstant sind - jedenfalls bis zum Erreichen einer bestimmten Grenze. Festplatten und ihre kleineren Verwandten - Microdrives, die vereinzelt bereits in Compact-Flash-Gehäusen verbaut werden - dagegen haben zunächst vergleichsweise hohe Kosten für die Basis-Infrastruktur. Je größer die Speicherkapazität der Platte, desto stärker fällt aber der Preis pro Speichereinheit; die magnetischen Speicher sind andererseits vergleichsweise massiv, schwer und empfindlich. Der Millipede ließe sich also genau in der Lücke zwischen Flash-Speicher und (Micro-)Festplatten positionieren.

Man habe die "wichtigsten technischen Anforderungen adressiert", und nun befinde sich IBM mit einigen "wichtigen Partnern" in intensiver Diskussion, berichtet Rütsche. Daraus sollen Kooperationen hervorgehen, ohne die der Chip den Weg aus dem Labor wohl niemals finden wird: "Wir sind zum Beispiel kein Spezialist für die MEMS-Fertigung", sagt Rütsche, "wir brauchen die Erfahrungen unserer Partner." Welche Interessenten zurzeit an den Verhandlungen beteiligt sind, möchte er nicht verraten. Vielleicht ein Hinweis: Auf der Rednerliste des für Ende Februar geplanten Workshops "International Probe Storage III" in Zürich stehen unter anderem Vertreter von Nokia und Samsung.

Auf jeden Fall werden die Spezifikationen der Kunden die weitere Entwicklung entscheidend bestimmen. Wünscht der Abnehmer beispielsweise einen vom Energiebedarf her möglichst sparsamen Speicher, werde man sicherlich die Zahl der Mikrospitzen eher klein halten, sagt Windeln, für eine große Bandbreite mit schneller Übertragung müsse die Zahl der Kantilever eher hoch liegen. Denkbar sei aber auch, dass die Controller-Logik im sparsamen Modus nur einen Teil der Spitzen ansteuert und erst dann hochschaltet, wenn die Daten schneller transportiert werden sollen.

Flash-Karten sind als "Key Competitor" allerdings ein sehr schnell bewegliches Ziel. 2003 lag der Preis noch bei rund 0,2 Dollar pro Megabyte, noch in diesem Jahr könnte er unter die Marke von 0,1 Dollar pro Megabyte sinken. Trotzdem sind Windeln und Eleftheriou optimistisch, denn "wir sind nicht nur technisch besser, wir werden das auch zu niedrigeren Kosten machen können".

Einer der entscheidenden Faktoren dabei ist die Lithografie: Während die Konkurrenz immer neue, extrem kostspielige lithografische Verfahren entwickeln muss, um immer mehr Speicher auf einen Chip zu bekommen, lassen sich die vergleichsweise großen Mikrohebel mit herkömmlichen, etablierten Methoden fertigen. IBM sieht sich hier erst am Startpunkt einer viel versprechenden Entwicklung. "Die Speicherdichte ist nur durch die molekularen Dimensionen des Speichermediums begrenzt", sagt Windeln. "Bereits in der ersten Generation haben wir Speicherdichten von rund 500 Gigabit pro Quadratzoll erreicht. Wir haben guten Grund zu der Annahme, dass wir das noch um mehrere Größenordnungen verbessern können."

Wenn dieses Kunststück gelingt, haben die Forscher auf dem idyllischen Schweizer Campus weit mehr geleistet, als nur einen leistungsfähigen neuen Speicher auf den Markt zu bringen. Zunächst wird der Millipede die Computerwelt wahrscheinlich nicht einmal so sehr verändern wie die Einführung der Festplatte. Aber die symbolische Bedeutung des unscheinbaren Bausteins geht weit über sein unmittelbares Anwendungsgebiet hinaus: Mit dem Millipede kann es erstmals gelingen, jenseits von materialtechnischen Zaubereien wie superglatten Oberflächen oder smarten Fensterscheiben ein nanotechnisches Bauelement in die vorhandene Technik zu integrieren.

(entnommen aus Technology Review Nr. 3/2005; das komplette Heft können Sie hier bestellen) (sma)