Cursor | Onderzoek

Racebaan voor computergegevens

2 juli 2009 - Prof.dr. Stuart Parkin is de eerste ‘distinguished professor’ van de TU/e. De Engelsman -leider van een onderzoeksgroep aan het IBM Almaden Research Center in Californië- was afgelopen week voor het eerst in die functie te gast bij de onderzoeksgroep Fysica van Nanostructuren van prof.dr. Bert Koopmans, die vorig jaar ook optrad als erepromotor bij de toekenning van een eredoctoraat aan Parkin.

Het eerste dat opvalt aan Parkin is zijn snelle, onrustige manier van praten. Alsof hij vol zit met een energie die op de een of andere manier een uitweg zoekt. Als je iets langer naar hem luistert, is het makkelijk te geloven dat deze man -die in Cambridge studeerde en promoveerde- die energie al bijna dertig jaar omzet in originele en succesvolle ideeën in het lab van ’s werelds grootste IT-bedrijf, IBM. Zijn cv is inmiddels goed gevuld met prijzen en eredoctoraten.

Toch vindt Parkin het een ‘geweldige eer’ om als eerste distinguished professor te worden aangesteld door de TU/e. Hij noemt de TU/e een fantastische universiteit en zijn erepromotor en gastheer Koopmans een pionier op het gebied van de ‘ultrafast magnetisation dynamics’. Daarmee vult Koopmans’ onderzoek het zijne goed aan, zegt hij. Parkin houdt zich voornamelijk bezig met de toepassing van spintronica -de studie van elektronica gebaseerd op de magnetische eigenschappen van elektronen- voor nieuwe opslagmedia voor computers.

De distinguished professor komt elk jaar een week naar Eindhoven om college te geven, zich te onderhouden met zijn collega’s van Technische Natuurkunde en afgelopen week ook om de promotie bij te wonen van dr.ir Bastiaan Bergman, die op vrijdag 26 juni promoveerde op het onderzoek dat hij onder leiding van Parkin bij IBM uitvoerde. Parkin begeleidt diverse promotiestudenten in het lab van IBM, de meesten afkomstig van Stanford University waar hij als consulting professor werkt.

Parkin: “IBM is wat dat betreft best bijzonder: het is één van de weinige commerciële labs waar echt fundamenteel onderzoek wordt gedaan. Dat is ook wat mij aantrekt: we houden ons niet bezig met onderzoek dat in kleine stapjes vooruitgang boekt, we zijn op zoek naar ‘game-changing’ ontwikkelingen. Onderzoek met een groot risico op mislukking, maar met een geweldige impact als het wél lukt.”

Bij IBM was Parkin één van de pioniers op het gebied van ‘giant magnetoresistance’, een kwantummechanisch effect dat wordt toegepast in leeskoppen in harddisks en waarvoor in 2007 de Nobelprijs werd uitgereikt. Parkin en zijn collega’s bij IBM waren de eersten die dit effect wisten toe te passen in dataopslagtechnologie: met de zogeheten spin-valve sensor. Tegenwoordig is deze alweer vervangen door een volgende generatie sensoren op basis van de nog gevoeligere ‘magnetic tunnel junctions’ - ook hierbij speelde Parkins groep een belangrijke rol. Momenteel houdt Parkin zich bezig met diverse projecten, waaronder het onderzoek naar racetrack-geheugensystemen waarop Bastiaan Bergman bij hem promoveerde (zie kader).

Als hij volgend jaar terugkomt, hoopt Parkin een tour door Nederland te kunnen maken om alle hoogstaande vaderlandse onderzoeksgroepen op het gebied van nanotechnologie en spintronics te kunnen bezoeken (hij noemt er zo vier of vijf uit zijn hoofd). “Wonderbaarlijk dat jullie in zo’n klein land zo goed zijn op dit gebied.” Maar zijn eerste bestemming, toen hij afgelopen dinsdag, vertrok was Singapore. Daar is hij namelijk ook ‘visiting distinguished professor’./.

Magnetisch racetrack-geheugen

Magnetisch racetrackgeheugen: data wordt opgeslagen in de vorm van domeinen met verschillende magnetisatie (rood en blauw) die middels een elektronenstroom door een nanodraad worden geduwd en op de chip (grijs) worden uitgelezen. De verticale configuratie (b) biedt een grotere opslagcapaciteit in drie dimensies.

Het nadeel van elektrische (‘solid-state’) opslagmedia, zoals flash, is volgens Parkin dat elke bit verbonden is met een transistor, waardoor de capaciteit en kosten van het opslagmedium uiteindelijk worden bepaald door de -relatief grote- transistoren. Magnetische opslag biedt daarom betere mogelijkheden om grote hoeveelheden data goedkoop op te slaan. De huidige harddisktechnologie is echter veel te traag om de rol van RAM-geheugen (het werkgeheugen van de computer) over te nemen. Een enkele leesactie op een harddisk duurt tot wel tien milliseconde en in die tijd kan een moderne computer miljoenen bewerkingen uitvoeren. Die traagheid komt doordat de data geschreven en uitgelezen wordt met behulp van bewegende onderdelen: een leeskop die over een snel ronddraaiende schijf beweegt (7200 rondjes per minuut is de huidige standaard). Als de leeskop de schijf raakt (‘crasht’), leidt dat bovendien vaak tot verlies van gegevens en beschadiging van het mechaniek.

In 2002 stelde Parkin daarom voor om magnetische opslag te ontwikkelen die zonder bewegende onderdelen kan worden uitgelezen. In magnetisch racetrackgeheugen blijven de leeskoppen gewoon op hun plek en wordt de data middels een stroom elektronen door een nanodraadje

-vele malen dunner dan een mensenhaar- ‘geduwd’, zodat alle bits een voor een langs het leesmechanisme stromen. De nanodraad fungeert als een soort racebaan voor bits, vandaar de naam. Eigenlijk stroomt zo alleen de informatie zelf -en niet de gemagnetiseerde atomen waarin de informatie is opgeslagen-, onder de invloed van de elektronenstroom. Het concept is niet geheel nieuw, geeft Parkin toe. Al in de jaren zeventig werd geëxperimenteerd met magnetische domeinen voortgestuwd door een ingewikkeld systeem van magneetvelden, maar dat raakte in de vergetelheid door de snelle miniaturisering van harddisks en andere opslagmedia.

De magnetische domeinen bewegen met honderden kilometers per uur door de nanodraad, waardoor de bits miljoenen malen sneller kunnen worden uitgelezen dan in harddisks. Racetrackgeheugen is daardoor ongeveer net zo snel als state-of-the-art DRAM-werkgeheugen, maar heeft daarboven het voordeel dat het gaat om permanent geheugen: de gegevens verdwijnen niet als de stroom wordt uitgeschakeld. Een snelwerkend permanent geheugen op basis van het racetrackconcept moet volgens Parkin binnen zeven jaar alle vormen van elektronische dataopslag vervangen. Het zal dan niet langer nodig zijn om binnen een computer gebruik te maken van verschillende opslagsystemen voor het werk- en permanent geheugen, denkt hij. “Dat zou een gigantische omslag betekenen. De markt voor flashgeheugen wordt tegen die tijd geschat op vijftig miljard dollar.”

Parkin voorziet twee vormen van racetrackgeheugen: “De tweedimensionale vorm is relatief eenvoudig te produceren en moet al kunnen concurreren met flashgeheugen, maar we willen eigenlijk een geometrie gebruiken waarbij de nanodraden in een soort U-vorm uit het vlak van de chip steken, waarbij het lees- en schrijfmechanisme zich bij de basis van de U op de chip bevindt. Zo creëer je een driedimensionale structuur met een nog veel grotere opslagcapaciteit.”

Interview/Tom Jeltes
Foto/Bart van Overbeeke