Memoria de milpiés

La memoria principal de los ordenadores modernos se compone de varios dispositivos DRAM . La DRAM consiste básicamente en una serie de condensadores que almacenan datos en función de la presencia o ausencia de carga eléctrica. Cada condensador y su circuito de control asociado, denominado celda , almacena un bit , y se pueden leer o escribir varios bits en grandes bloques simultáneamente. La DRAM es volátil : los datos se pierden al interrumpirse la alimentación.

En cambio, los discos duros almacenan datos en un disco recubierto de material magnético ; los datos se representan mediante la magnetización local de este material. La lectura y escritura se realizan mediante un único cabezal, que espera a que la ubicación de memoria solicitada pase por debajo mientras el disco gira. Por consiguiente, el rendimiento de un disco duro está limitado por la velocidad mecánica del motor y, por lo general, es cientos de miles de veces más lento que la DRAM. Sin embargo, dado que las "celdas" de un disco duro son mucho más pequeñas, la densidad de almacenamiento de los discos duros es mucho mayor que la de la DRAM. Los discos duros son no volátiles : los datos se conservan incluso después de desconectar la alimentación.

El almacenamiento Millipede intenta combinar características de ambos. Al igual que un disco duro, Millipede almacena datos en un medio y accede a ellos moviendo dicho medio bajo el cabezal. También de forma similar a los discos duros, el medio físico de Millipede almacena un bit en un área pequeña, lo que permite altas densidades de almacenamiento. Sin embargo, Millipede utiliza múltiples cabezales nanoscópicos que pueden leer y escribir en paralelo, aumentando así la cantidad de datos leídos en un momento dado.

Mecánicamente, Millipede utiliza numerosas sondas de fuerza atómica , cada una responsable de leer y escribir una gran cantidad de bits asociados a ella. Estos bits se almacenan como una cavidad, o la ausencia de ella, en la superficie de un polímero termoactivo , que se deposita como una película delgada sobre un soporte conocido como plataforma. Cada sonda solo puede leer o escribir en un área relativamente pequeña de la plataforma disponible para ella, conocida como campo de almacenamiento . Normalmente, la plataforma se mueve para que los bits seleccionados se posicionen debajo de la sonda mediante actuadores electromecánicos. Estos actuadores son similares a los que posicionan el cabezal de lectura/escritura en un disco duro típico; sin embargo, la distancia real recorrida es mínima en comparación. La plataforma se mueve siguiendo un patrón de escaneo para colocar los bits solicitados debajo de la sonda, un proceso conocido como escaneo x/y.

La cantidad de memoria que maneja cada par de campo/sonda es bastante pequeña, al igual que su tamaño físico. Por lo tanto, se utilizan muchos de estos pares para conformar un dispositivo de memoria, y las lecturas y escrituras de datos se pueden distribuir en paralelo entre varios campos, lo que aumenta el rendimiento y mejora los tiempos de acceso. Por ejemplo, un único valor de 32 bits normalmente se escribiría como un conjunto de bits individuales enviados a 32 campos diferentes. En los dispositivos experimentales iniciales, las sondas se montaron en una cuadrícula de 32x32, para un total de 1024 sondas. Dado que esta disposición se parecía a las patas de un milpiés (animal), el nombre se mantuvo. El diseño de la matriz de voladizos implica la fabricación de numerosos voladizos mecánicos, sobre los cuales se debe montar una sonda. Todos los voladizos están hechos completamente de silicio, mediante micromecanizado superficial en la superficie de la oblea.

En cuanto a la creación de hendiduras o cavidades, los polímeros no reticulados mantienen una temperatura de transición vítrea baja , alrededor de 120  °C para el PMMA ^{[ 1 ]} , y si la punta de la sonda se calienta por encima de dicha temperatura, deja una pequeña hendidura. Las hendiduras se realizan con una  resolución lateral de 3 nm ^{[ 2 ]} . Al calentar la sonda justo al lado de una hendidura, el polímero se vuelve a fundir y la rellena, borrándola (véase también: litografía de sonda de barrido termomecánica ). Tras la escritura, la punta de la sonda puede utilizarse para leer las hendiduras. Si cada hendidura se trata como un bit, teóricamente se podría alcanzar una densidad de almacenamiento de 0,9  Tb/pulg² ^{[ 2 ] .}

Cada sonda en la matriz de voladizos almacena y lee datos termomecánicamente, procesando un bit a la vez. Para realizar una lectura, la punta de la sonda se calienta a unos 300 °C y se mueve cerca del soporte de datos. Si la sonda se encuentra sobre una cavidad, el voladizo la empuja hacia el interior, aumentando la superficie de contacto con el soporte y, a su vez, incrementando la refrigeración a medida que el calor se disipa en el soporte desde la sonda. En el caso de que no haya ninguna cavidad en esa ubicación, solo la punta de la sonda permanece en contacto con el soporte, y el calor se disipa más lentamente. La resistencia eléctrica de la sonda es función de su temperatura y aumenta con el incremento de la misma. Por lo tanto, cuando la sonda cae en una cavidad y se enfría, esto se registra como una disminución de la resistencia. Una resistencia baja se traduce en un bit "1", o en un bit "0" en caso contrario. Durante la lectura de un campo de almacenamiento completo, la punta se arrastra sobre toda la superficie y se monitorizan constantemente los cambios de resistencia.

Para escribir un bit, la punta de la sonda se calienta a una temperatura superior a la temperatura de transición vítrea del polímero utilizado para fabricar el soporte de datos, que generalmente es de vidrio acrílico . En este caso, la temperatura de transición es de alrededor de 400  °C. Para escribir un "1", el polímero cercano a la punta se ablanda y luego se toca suavemente con la punta, dejando una pequeña hendidura. Para borrar el bit y devolverlo al estado cero, se retira la punta de la superficie, permitiendo que la tensión superficial la aplane nuevamente. Los sistemas experimentales más antiguos utilizaban diversas técnicas de borrado que, por lo general, eran más lentas y menos eficaces. Estos sistemas antiguos permitían alrededor de 100 000 borrados, pero las referencias disponibles no contienen suficiente información para determinar si esto ha mejorado con las técnicas más recientes.

Como cabría esperar, la necesidad de calentar las sondas requiere una cantidad considerable de energía para su funcionamiento general. Sin embargo, la cantidad exacta depende de la velocidad de acceso a los datos; a velocidades más bajas, el enfriamiento durante la lectura es menor, al igual que la cantidad de veces que la sonda debe calentarse a una temperatura más alta para escribir. Cuando opera a velocidades de datos de unos pocos megabits por segundo, se espera que Millipede consuma alrededor de 100 milivatios, lo que se sitúa en el rango de la tecnología de memoria flash y considerablemente por debajo de los discos duros. Sin embargo, una de las principales ventajas del diseño de Millipede es su alta paralelización, que le permite funcionar a velocidades mucho mayores, del orden de GB /s. A estas velocidades, cabría esperar requisitos de energía más similares a los de los discos duros actuales, y de hecho, la velocidad de transferencia de datos está limitada al rango de kilobits por segundo para una sonda individual, lo que equivale a unos pocos megabits para toda la matriz. Los experimentos realizados en el Centro de Investigación Almaden de IBM demostraron que las puntas individuales podían soportar velocidades de datos de hasta 1 o 2 megabits por segundo, lo que potencialmente ofrecería velocidades agregadas en el rango de GB/s.

La memoria Millipede se propuso como una forma de memoria no volátil para computadoras, con el objetivo de competir con la memoria flash en términos de almacenamiento de datos, velocidad de lectura y escritura, y tamaño físico. Sin embargo, otras tecnologías la han superado, por lo que actualmente no parece ser una tecnología en desarrollo.

Los dispositivos de milpiés de primera generación utilizaban sondas de 10 nanómetros de diámetro y 70 nanómetros de longitud, que producían hoyos de unos 40  nm de diámetro en campos de 92  μm x 92  μm. Organizado en una cuadrícula de 32 x 32, el chip resultante de 3  mm x 3  mm almacena 500 megabits de datos o 62,5 MB, lo que da como resultado una densidad de área , el número de bits por pulgada cuadrada, del orden de 200 Gbit/in². IBM presentó inicialmente este dispositivo en 2003, con planes de comercializarlo en 2005. Para entonces, los discos duros se acercaban a los 150 Gbit/in², y desde entonces lo han superado.

Los dispositivos presentados en la CeBIT Expo de 2005 mejoraron el diseño básico, utilizando chips en voladizo de 64 x 64 con un carro de datos de 7  mm x 7  mm, aumentando la capacidad de almacenamiento de datos a 800 Gbit/in² utilizando cavidades más pequeñas. Parece que el tamaño de la cavidad puede escalarse a unos 10  nm, lo que resulta en una densidad de área teórica de poco más de 1 Tbit/in². IBM planeaba introducir dispositivos basados ​​en este tipo de densidad en 2007. A modo de comparación, a finales de 2011, los discos duros de portátiles se comercializaban con una densidad de 636 Gbit/in², ^{[ 3 ]} y se espera que la grabación magnética asistida por calor y los medios con patrones juntos puedan soportar densidades de 10 Tbit/in². ^{[ 4 ]} La memoria flash alcanzó casi 250 Gbit/in² a principios de 2010. ^{[ 5 ]}

A fecha de 2015, debido a los avances simultáneos en tecnologías de almacenamiento de la competencia, todavía no se ha comercializado ningún producto.