밀리피드 메모리

밀리피드 메모리(Millipede memory)는 비휘발성 컴퓨터 메모리의 한 형태이다. 이는 제곱인치당 1 테라비트(제곱밀리미터당 1 기가비트) 이상의 데이터 밀도를 약속했는데, 이는 수직 기록 하드 드라이브의 한계에 가깝다. 밀리피드 스토리지 기술은 하드 드라이브의 자기 기록을 대체하고 기술의 물리적 크기를 플래시 미디어 수준으로 줄이는 수단으로 추구되었다.

IBM은 2005년 세빗에서 밀리피드 스토리지 장치 프로토타입을 시연했으며, 2007년 말까지 이 기술을 상용화하려고 노력했다. 그러나 경쟁 스토리지 기술의 동시적인 발전으로 인해 그 이후로 상용 제품은 출시되지 않았다.

 기술 

 기본 개념 
현대 컴퓨터의 주기억장치는 여러 DRAM 관련 장치 중 하나로 구성된다. DRAM은 기본적으로 일련의 축전기로 구성되어 있으며, 전하의 유무에 따라 데이터를 저장한다. 셀이라고 불리는 각 축전기와 관련 제어 회로는 하나의 비트를 저장하며, 여러 비트를 동시에 큰 블록으로 읽거나 쓸 수 있다. DRAM은 휘발성으로, 전원이 제거되면 데이터가 손실된다.

이와 대조적으로, 하드 드라이브는 자기 물질로 덮인 디스크에 데이터를 저장하며, 데이터는 이 물질이 국부적으로 자화됨으로써 표현된다. 읽기 및 쓰기는 단일 헤드에 의해 수행되며, 디스크가 회전하는 동안 요청된 메모리 위치가 헤드 아래로 지나가기를 기다린다. 결과적으로, 하드 드라이브의 성능은 모터의 기계적 속도에 의해 제한되며, 일반적으로 DRAM보다 수십만 배 느리다. 그러나 하드 드라이브의 "셀"은 훨씬 작기 때문에 하드 드라이브의 저장 밀도는 DRAM보다 훨씬 높다. 하드 드라이브는 비휘발성으로, 전원이 제거된 후에도 데이터가 유지된다.

밀리피드 스토리지는 이 둘의 특징을 결합하려고 시도한다. 하드 드라이브와 마찬가지로 밀리피드는 매체에 데이터를 저장하고, 헤드 아래로 매체를 이동시켜 데이터에 접근한다. 또한 하드 드라이브와 유사하게 밀리피드의 물리적 매체는 작은 영역에 비트를 저장하여 높은 저장 밀도를 제공한다. 그러나 밀리피드는 병렬로 읽고 쓸 수 있는 많은 나노스코프 헤드를 사용하여 주어진 시간에 읽는 데이터 양을 증가시킨다.

기계적으로 밀리피드는 수많은 원자힘 탐침을 사용하며, 각 탐침은 자신과 관련된 많은 비트를 읽고 쓰는 역할을 한다. 이 비트들은 썰매로 알려진 캐리어에 얇은 필름으로 증착된 열활성 중합체 표면에 피트 또는 피트의 부재로 저장된다. 어떤 하나의 탐침도 저장 필드라고 알려진 사용 가능한 썰매의 상당히 작은 영역만 읽거나 쓸 수 있다. 일반적으로 썰매는 전기 기계식 액추에이터를 사용하여 선택된 비트가 탐침 아래에 위치하도록 이동된다. 이 액추에이터는 일반적인 하드 드라이브에서 읽기/쓰기 헤드를 배치하는 액추에이터와 유사하지만, 실제 이동 거리는 비교할 수 없을 정도로 작다. 썰매는 x/y 스캔이라고 알려진 과정을 통해 요청된 비트를 탐침 아래로 가져오기 위해 스캐닝 패턴으로 이동된다.

어떤 필드/탐침 쌍에 의해 서비스되는 메모리 양은 상당히 작지만, 물리적 크기도 작다. 따라서 많은 이러한 필드/탐침 쌍이 메모리 장치를 구성하는 데 사용되며, 데이터 읽기 및 쓰기는 많은 필드에 걸쳐 병렬로 분산될 수 있어 처리량을 증가시키고 접근 시간을 향상시킨다. 예를 들어, 단일 32비트 값은 일반적으로 32개의 다른 필드로 전송되는 단일 비트 세트로 작성된다. 초기 실험 장치에서 탐침은 32x32 그리드로 총 1,024개의 탐침이 장착되었다. 이 레이아웃이 노래기 다리처럼 생겼기 때문에 이름이 붙여졌다. 외팔보 어레이의 설계는 탐침이 장착되어야 하는 수많은 기계적 외팔보를 만드는 것을 포함한다. 모든 외팔보는 웨이퍼 표면에서 표면 미세가공을 사용하여 전적으로 실리콘으로 만들어진다.

인덴테이션 또는 피트 생성에 관해서는 비가교 중합체는 낮은 유리 전이 온도를 유지하며, PMMA의 경우 약 120 °C이다. 탐침 팁이 유리 온도 이상으로 가열되면 작은 인덴테이션이 남는다. 인덴테이션은 3 나노미터 측면 해상도로 만들어진다. 인덴테이션 바로 옆에서 탐침을 가열하면 폴리머가 다시 녹아 인덴테이션을 채워 지운다(참조: 열역학적 주사 탐침 리소그래피). 쓰기 후, 탐침 팁은 인덴테이션을 읽는 데 사용될 수 있다. 각 인덴테이션을 하나의 비트로 취급하면 이론적으로 0.9 Tb/in2의 저장 밀도를 달성할 수 있다.
섬네일|비트의 열적 기록 및 지우기

 데이터 읽기 및 쓰기 
외팔보 어레이의 각 탐침은 열역학적으로 데이터를 저장하고 읽으며, 한 번에 한 비트를 처리한다. 읽기를 수행하기 위해 탐침 팁은 약 300 섭씨도로 가열되고 데이터 썰매 근처로 이동된다. 탐침이 피트 위에 위치하면 외팔보가 피트 안으로 밀어 넣어 썰매와 접촉하는 표면적을 증가시키고, 차례로 탐침에서 썰매로 열이 누출되면서 냉각이 증가한다. 해당 위치에 피트가 없는 경우 탐침의 가장 끝 부분만 썰매와 접촉하게 되며, 열은 더 천천히 누출된다. 탐침의 전기 저항은 온도에 따라 달라지며, 온도가 증가하면 저항이 증가한다. 따라서 탐침이 피트 안으로 떨어져 냉각되면 저항 감소로 기록된다. 낮은 저항은 "1" 비트로 번역되거나, 그렇지 않으면 "0" 비트로 번역된다. 전체 저장 필드를 읽는 동안 팁은 전체 표면 위로 끌어당겨지며 저항 변화는 지속적으로 모니터링된다.

비트를 쓰기 위해 탐침 팁은 일반적으로 아크릴 유리로 만들어진 데이터 썰매를 제조하는 데 사용된 폴리머의 유리 전이 온도보다 높은 온도로 가열된다. 이 경우 전이 온도는 약 400 °C이다. "1"을 쓰기 위해 팁 근처의 폴리머가 부드러워지고, 팁이 부드럽게 접촉하여 찌그러짐을 유발한다. 비트를 지우고 0 상태로 되돌리려면 팁이 표면에서 위로 당겨져 표면장력이 표면을 다시 평평하게 만든다. 이전 실험 시스템은 일반적으로 더 많은 시간이 걸리고 덜 성공적인 다양한 지우기 기술을 사용했다. 이러한 이전 시스템은 약 100,000번의 지우기를 제공했지만, 현재 참조 자료에는 이러한 새로운 기술로 개선되었는지 여부를 알 수 있는 충분한 정보가 포함되어 있지 않다.

예상할 수 있듯이 탐침을 가열해야 하는 필요성 때문에 일반적인 작동에는 상당히 많은 전력이 필요하다. 그러나 정확한 양은 데이터 접근 속도에 따라 다르다. 느린 속도에서는 읽는 동안의 냉각이 더 작고, 쓰기 위해 탐침을 더 높은 온도로 가열해야 하는 횟수도 적다. 초당 몇 메가비트의 데이터 속도로 작동할 때 밀리피드는 약 100밀리와트를 소비할 것으로 예상되며, 이는 플래시 메모리 기술 범위에 있으며 하드 드라이브보다 상당히 낮다. 그러나 밀리피드 설계의 주요 장점 중 하나는 매우 병렬적이라는 점이며, 이를 통해 GB/s 범위에서 훨씬 더 빠른 속도로 실행할 수 있다. 이러한 속도에서는 현재 하드 드라이브와 더 밀접하게 일치하는 전력 요구 사항을 예상할 수 있으며, 실제로 데이터 전송 속도는 개별 탐침의 경우 초당 킬로비트 범위로 제한되며, 이는 전체 어레이의 경우 몇 메가비트에 해당한다. IBM의 알마덴 연구 센터에서 수행된 실험에 따르면 개별 팁이 초당 1~2메가비트의 높은 데이터 속도를 지원할 수 있어 잠재적으로 GB/s 범위의 총 속도를 제공할 수 있다.

 응용 분야 
밀리피드 메모리는 데이터 저장, 읽기 및 쓰기 속도, 기술의 물리적 크기 측면에서 플래시 메모리와 경쟁하기 위한 비휘발성 컴퓨터 메모리의 한 형태로 제안되었다. 그러나 다른 기술들이 그 이후로 이를 능가했으며, 따라서 현재는 추구되는 기술이 아닌 것으로 보인다.

 역사 

 첫 번째 장치 
초기 세대 밀리피드 장치는 직경 10나노미터, 길이 70나노미터의 탐침을 사용하여 92µm x 92µm 필드에 직경 약 40나노미터의 피트를 생성했다. 32x32 그리드로 배열된 결과 3mm x 3mm 칩은 500메가비트의 데이터 또는 62.5MB를 저장하며, 이는 제곱인치당 비트 수인 면적 밀도가 약 200Gbit/in²에 달한다. IBM은 2003년에 이 장치를 처음 시연했으며, 2005년에 상용 출시할 계획이었다. 그 당시 하드 드라이브는 150Gbit/in²에 가까워지고 있었고, 그 이후로 이를 능가했다.

 제안된 상용 제품 
2005년 세빗 엑스포에서 시연된 장치는 기본 설계를 개선하여 64x64 외팔보 칩과 7mm x 7mm 데이터 썰매를 사용하여 더 작은 피트를 사용하여 데이터 저장 용량을 800Gbit/in²로 높였다. 피트 크기는 약 10nm까지 축소될 수 있어 이론적인 면적 밀도는 1Tbit/in²를 약간 상회한다. IBM은 2007년에 이러한 밀도에 기반한 장치를 출시할 계획이었다. 비교를 위해, 2011년 말 현재 노트북 하드 드라이브는 636Gbit/in²의 밀도로 출하되고 있었으며, 가열 자기 기록과 패턴 미디어를 함께 사용하면 10Tbit/in²의 밀도를 지원할 수 있을 것으로 예상된다. 플래시는 2010년 초에 거의 250Gbit/in²에 도달했다.

 현재 개발 
2015년 현재, 경쟁 스토리지 기술의 동시적인 발전으로 인해 현재까지 상용 제품은 출시되지 않았다.

 같이 보기 
 나노전기기계 시스템
 나노 기술
 나노리소그래피
 천공 카드

 각주 

분류:나노기술
분류:IBM 기억 장치
분류:비휘발성 메모리
분류:주사 탐침 현미경