資訊儲存的奈米極限 | 台灣環境資訊協會-環境資訊中心

資訊儲存的奈米極限

2003年10月01日
作者:張慶瑞 (台灣大學物理系教授)

在人類文明發展的歷程上,一直都有各式各樣的記錄媒體產生,早期的竹簡、紙張,到近代資訊化社會下的錄音帶、錄影帶、軟碟片、硬碟片、光碟片、智慧卡、記憶卡等,目前這些產品的發展上有四種技術在相互競爭,因此依照不同的記錄方式分類,為磁記錄、光記錄、磁光記錄及半導體記錄媒體,雖然是不同的技術領域,但對於滿足人類資料儲存、記錄的需求則是一致的。然而,但當製程進入奈米的尺度時,許多新的量子現象的出現,迫使我們不得不正視其物理極限的存在,也因此科學家不得不轉而尋求其他能夠突破極限的新技術與材料。

半導體製程極限

由於科技的進步,在半導體工業上不斷地將電晶體越做越小,同時不斷地高晶片性能,使得電腦的計算能力呈現高度的成長,記憶容量不斷地加大,過去的進步速度,幾乎完全是依循著摩爾定律(Moore's Law)前進,也就是每18個月,在相同尺寸晶片上的電晶體數目會增加一倍。而由於微小化極限的迫近,科學家轉而尋求其他尚在實驗研究階段的新技術,從開發新型態的材料如奈米碳管,設計新型態的電晶體到分子電腦、生物電腦,甚至量子電腦等新概念。另外,為解決奈米尺度下半導體材料的散熱及在子濃度稀薄等問題,一種同時具有非揮發性、低耗電量等特質,非常適合使用在能夠兼顧環保的自旋電子元件,其中包括自旋電晶體及磁性隨機存取記憶體(MRAM)也是最近相當熱門並且極具潛力的方案。

光儲存極限

超解析光碟片近場光碟片的結構之一傳統的光儲存技術在記錄密度愈來愈高時,也均會面臨訊號寫入或讀出的問題,如「光學繞射極限」(optical diffraction limit)的限制。目前一般的光學儲存媒體,如CD及DVD,是將光源經由透鏡聚焦於記錄層上來進行光學讀或寫的作用,算是一種遠場光學的儲存技術,而其可辨識出之記錄點的大小,則會受到繞射極限(Diffraction Limit)的限制,即r ³ 0.61l/NA ,其中r為解析度,l為所使用光源波長,而NA則為透鏡的數值孔徑(Numerical Aperture, NA)值。因此若要有效地提升記錄密度需縮小記錄點大小,則必須(1)使用短波長的光源;(2)使用高折射係數的介質;或(3)提升透鏡的NA值。但無論如何,遠場的光學記錄方式仍會受到繞射極限的限制。而近場光學的記錄方式則是在遠小於所使用的工作波長的距離內來作記錄,因為光的波動性質還未呈現出來,故近場光學記錄是不受繞射極限限制的一種新的光學記錄方法。近幾年來的一些近場光學記錄研發,除了各式近場光學探針讀寫的技術、固體浸入式鏡頭(SIL)的近場光碟機之外,主要是超解析結構(Super-resolution optical near-field structure, Super-RENS)近場光碟片,此種技術可以用一般光碟機的讀寫頭,在記錄層上寫入或讀出一個小於光學繞射極限尺寸的記錄點,公認是超高密度奈米光學資訊存儲技術的一大突破。圖1顯示了典型的超解析近場光碟片的結構。

磁儲存極限

硬碟記錄密度之發展趨勢尖端資訊時代的來臨,使得電腦使用者將需要更龐大之作業系統,以快捷地處理複雜的計算或作業流程;而網際網路的發達,也加速了資訊交流傳遞,這許許多多的因素,不斷地刺激電腦使用者對HDD在儲存容量上之需求。而從圖2中HDD之儲存密度隨時間之發展趨勢,我們可以預見100 Gb/in2之HDD勢必在幾年內成為主流。

隨著磁記錄密度不斷提高(大於500 Gb/in2),也將會遇到一大問題,即所謂的「物理超順磁極限」(super paramagnetic limit),此效應將限制磁紀錄的密度。而為了推遲此極限的來臨,目前有幾種方案可提供解決此一限制(1)垂直式記錄媒體﹔(2)鑄型媒體﹔(3)熱寫磁讀(HAMMER)等3種方式將是下一代超高密度硬碟的可能選擇。

展望

全球記錄媒體的產業規模,經過80年的發展,還是一直呈現持續成長的狀態。近年將先進的奈米技術應用在記錄工業,更使得資訊儲存的技術與密度都快速的提昇。目前這些奈米科技的研發成果均已相當成熟,而隨著奈米極限的迫近,目前科學家已在實驗室中證明了許多新興的奈米儲存方法的可行性,進而使得我們可以跨越目前的儲存極限,而目前這些新的方法才剛在起步的階段,相信在不久的將來,各種不同的奈米儲存技術會如雨後春筍般產生,在儲存科技上扮演重要的角色。

※歡迎讀者參加10月1日(三)下午2:20—3:50於科學教育館9樓國際會議廳參加「奈米新世界」與張慶瑞教授面對面會談