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Trends in der Technik der Datenspeicherung

Die unlängst auf den Markt gekommen magnetooptischen Systeme sind den herkömmlichen, rein magnetischen bisher noch in der Speicherdichte überlegen. Doch läßt sich bereits absehen, daß dies nicht so bleiben wird.


Die steigenden Anforderungen an die Informationsverarbeitung stimulieren die Fortentwicklung der Halbleitertechnologie mit dem Ziel, die Rechengeschwindigkeit immer weiter zu erhöhen; gleichzeitig aber müssen auch die Methoden zur Speicherung der anfallenden riesigen Datenmengen verbessert werden.

Noch immer sind konventionelle, rein magnetische Systeme die meistgenutzten Aufzeichnungsmedien. Vor wenigen Jahren schien es allerdings, als könnten sie mit der sehr hohen Speicherdichte der neu aufkommenden magnetooptischen Datenträger nicht mithalten (siehe Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1987). Nun, da solche Systeme kommerziell erhältlich sind, wird jedoch deutlich, daß die traditionelle Magnetaufzeichnung ihre Kapazitätsgrenzen bei weitem noch nicht erreicht hat.

Magnetooptische Speicherung


Bei der magnetooptischen Speicherung macht man sich eine Kombination von optischen, thermischen und magnetischen Eigenschaften des Aufzeichnungsmediums zunutze. Stellvertretend für die verschiedenen Verfahren soll hier das sogenannte Curie-Punkt-Schreiben vorgestellt werden (Bild 1).

Die Speicherschicht besteht dabei aus einem dünnen Film, dessen Magnetisierung bevorzugt senkrecht zur Schichtebene orientiert ist; weil der Nordpol entweder nach oben oder nach unten weisen kann, gibt es zwei verschiedene Zustände. Wird das Medium mit einem scharf fokussierten Laserstrahl lokal bis über die Curie-Temperatur erhitzt, bei der die Magnetisierung verschwindet, läßt sich beim anschließenden Abkühlen schon mit einem schwachen Feld die Magnetisierungsrichtung an dieser Stelle neu festlegen.

Die Speicherung ist also ein magnetothermischer Vorgang; dagegen geschieht das Ablesen optisch. Dabei nutzt man den Kerr-Effekt, wonach die Schwingungsebene von linear polarisiertem Licht bei der Reflexion an einem magnetischen Medium je nach der Magnetisierungsrichtung verschieden gedreht wird.

Magnetooptische Speichermaterialien müssen somit eine geeignete Curie-Temperatur, einen ausreichend großen Kerr-Effekt und eine genügend hohe Koerzitivkraft bei Raumtemperatur haben (ihre Magnetisierungsrichtung darf durch schwache Felder nicht umkehrbar sein). Diese Voraussetzungen erfüllen amorphe (glasartige, nicht-kristalline) Legierungen von Seltenerd- und Übergangsmetallen wie etwa Eisen-Terbium-Cobalt sowie Cobalt-Platin-Vielfachschichten und bestimmte Granate.

Die nutzbare Speicherdichte hängt jedoch nicht nur von den Eigenschaften des Mediums selbst, sondern insbesondere auch von der Wellenlänge des Laserlichtes ab. Derzeit verwendet man rote Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 800 Nanometern (millionstel Millimetern); damit ergibt sich bei digitaler Aufzeichnung – die hier ausschließlich betrachtet werden soll – eine nutzbare Speicherdichte von rund einem Bit pro Quadratmikrometer (millionstel Quadratmillimeter). In Laborversuchen kam man mit blauem Laserlicht einer Wellenlänge von ungefähr 400 Nanometern zwar schon auf vier Bit pro Quadratmikrometer; blaues Laserlicht zu erzeugen ist allerdings zur Zeit noch zu teuer für den Einsatz in kommerziellen Produkten.

Magnetische Speicherung


Ein magnetisches Speichermedium besteht im Prinzip aus einem permanent-magnetischen Werkstoff, in dem man bestimmte Magnetisierungsstrukturen festhalten kann (Bild 2; siehe auch Spektrum der Wissenschaft, Oktober 1980, Seite 46, und Dezember 1986, Seite 106). Sie werden durch das Feld eines sich relativ zum Medium bewegenden Elektromagneten – des Magnetkopfes – erzeugt.

Beim Lesevorgang entsteht in der Spule eine elektrische Spannung, wann immer sich der vom Kopf aufgefangene magnetische Fluß ändert; das Lesesignal tritt demnach bei einer Magnetisierungsänderung – also gewissermaßen zwischen den Bits – auf. Man kann zum Lesen aber auch den Umstand ausnutzen, daß der elektrische Widerstand bestimmter magnetischer Materialien in einem Magnetfeld mit dessen Orientierung und Stärke variiert. Solche magnetoresistiven Köpfe sind wesentlich empfindlicher als induktive, und anders als bei diesen hängt die Stärke des Lesesignals auch nicht von der Relativgeschwindigkeit zwischen Kopf und Medium ab.

Bei traditionellen Magnetspeichern liegt die magnetische Vorzugsachse in der Ebene des Mediums parallel zur Aufzeichnungsrichtung. Dadurch entstehen zwischen den Bits entmagnetisierende Felder, die der Magnetisierungsänderung entgegenwirken und damit die Tendenz haben, die Übergangszone zwischen den Bits zu vergrößern. Dies kann die maximale Aufzeichnungsdichte begrenzen.

Seit Mitte der siebziger Jahre wird deshalb als Alternative zu dieser Longitudinal- die Vertikalaufzeichnung propagiert, bei der die magnetische Vorzugsachse wie bei den magnetooptischen Speichern senkrecht zur Schicht orientiert ist (Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1987, Seite 84). Als entscheidender Vorteil gilt, daß in diesem Falle die entmagnetisierenden Felder mit abnehmender Bitlänge kleiner werden, was eine besonders dichte Speicherung ermöglichen sollte. Eine genauere Analyse zeigt jedoch, daß der Entmagnetisierungsvorteil durch andere Faktoren teilweise oder sogar völlig wieder aufgehoben wird.

Die mutmaßliche Überlegenheit der Vertikalaufzeichnung löste weltweit intensive Forschungsarbeiten aus. Als Medium werden fast ausschließlich dünne Schichten aus Cobalt-Chrom diskutiert, die sich mit der gewünschten vertikalen magnetischen Vorzugsachse und mit einer geeigneten Mikrostruktur herstellen lassen. Parallel dazu mußte viel Arbeit in die Entwicklung von geeigneten Köpfen gesteckt werden.

Dennoch hat die Vertikalaufzeichnung bis heute keine kommerzielle Bedeutung erlangt. Demgegenüber konnten in Laborversuchen mit longitudinaler Aufzeichnung auf dünnen Filmen aus Cobalt-Platin, die durch Sputtering (Niederschlagen der zerstäubten Legierung) hergestellt worden waren, inzwischen Speicherdichten von 1,5 und 3 Bit pro Quadratmikrometer erzielt werden – also mehr, als beim heutigen Stand der Technik mit magnetooptischen Systemen möglich ist.

Erreicht wurde diese Steigerung der Aufzeichnungsdichte mit Medien, die aus sehr kleinen, möglichst voneinander isolierten magnetischen Teilchen bestehen. Mit dieser Technik scheinen sogar Werte bis zu 15 Bit pro Quadratmikrometer realistisch. Die physikalische Grenze für die maximal mögliche Speicherdichte ist nämlich das Auftreten von Superparamagnetismus, wenn die Teilchen eine kritische Größe von wenigen Nanometern unterschreiten; dann verlieren sie gewissermaßen ihr Gedächtnis, weil die thermische Energie bei Zimmertemperatur schon ausreicht, die Magnetisierung umzuklappen.

Die genannten Zahlen beziehen sich auf Festplatten. Aber auch bei den am weitesten verbreiteten magnetischen Medien, den Bändern, hat man die Speicherdichten wesentlich steigern können. Ihre Beschichtungen bestehen derzeit fast ausschließlich aus kleinen, meist nadelförmigen Partikeln, die in eine nichtmagnetische Bindemittelmatrix eingearbeitet sind (Bild 3 oben). Als Nadelmaterial dienen gewöhnlich Eisenoxide, Chromdioxid oder Reineisen; nach englisch metal particles (Metallteilchen) spricht man im letzteren Falle von MP-Bändern.

Seit einigen Jahren sind auch Dünnfilm-Bänder auf dem Markt, die durch Aufdampfen einer Legierung aus Cobalt und Nickel unter kontrollierter Zugabe von Sauerstoff hergestellt werden (Bild 3 unten); sie heißen nach englisch metal evaporated (verdampftes Metall) ME-Bänder. Strenggenommen gehören sie weder zu den longitudinalen noch zu den vertikalen Medien, weil die Vorzugslage der Magnetisierung herstellungsbedingt gegen die Schichtebene geneigt ist.

Bei ME- wie MP-Bändern hält man für die künftige Video-Aufzeichnung etwa für hochauflösendes Fernsehen Speicherdichten bis zu 1 Bit pro Quadratmikrometer für realistisch. Welch gigantische Informationsmengen sich damit speichern lassen, zeigt die einfache Multiplikation mit der Bandfläche, die bei einer gebräuchlichen Acht-Millimeter-Video-Kassette ungefähr einen Quadratmeter beträgt. Daraus errechnet sich eine Kapazität von einer Billion Bits oder 125 Gigabyte. Das Magnetband erreicht damit den mit Abstand niedrigsten Preis je Bit und wird deshalb mit Sicherheit noch lange als Aufzeichnungsmedium dominieren.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 1994, Seite 28
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
11 / 1994

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 11 / 1994

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