Onderzoekers Delft maken kilobyte geheugen op atoomschaal

Wetenschappers van de TU Delft hebben herschrijfbaar geheugen gemaakt waarbij door het verschuiven van slechts één chlooratoom een 0 of een 1 gevormd wordt. Daarmee wisten ze een geheugenblok van 1 kilobyte of 8000 bits te maken.

In vergelijking met de huidige vormen van opslag is dat een orde van grootte van twee tot drie keer meer. Het team wist een opslagcapaciteit te bereiken die op grote schaal uit zou komen op 80 terabit of 10 terabyte per vierkante centimeter. Het opslaan zelf is alleen nog erg omslachtig: het moet gebeuren bij -196°C oftewel de temperatuur van vloeibaar stikstof in een vacuüm. Ook zijn de lees- en schrijfsnelheden nog zeer laag: het lezen van een blok van 8 bij 8 bits kost nog ruim een minuut en het schrijven duurt nog zo'n 3 minuten per blok.

Het hele geheugenblok van een kilobyte bestaat uit een grid van 12 bij 12 blokken van elk 8 bytes, ofwel 64 bits, legt Sander Otte, onderzoeksleider en natuurkundige aan de TU Delft, aan Tweakers uit. "Om de bits van chlooratomen te scheiden, moeten er eveneens chlooratomen om de bit heen liggen en omdat elk atoom drie of vier buren heeft, blijven de atomen goed op hun plek. Deze enkele laag chlooratomen ligt op een substraat van koper." De atomen zijn ionisch gebonden doordat het een zoutverbinding is, namelijk koperchloride. "Daardoor zitten de atomen relatief stevig op het oppervlak, terwijl die atomen in het verleden bij andere experimenten er vrij los op lagen", zegt Otte, die voor de werking de vergelijking maakt met een schuifpuzzel.

Elk blok chlooratomen is anderhalf keer zo hoog als breed omdat de chlooratomen in de lengterichting moeten kunnen schuiven om een 0 of een 1 voor te stellen. De atomen worden met behulp van een scanning tunneling microscope of stm afgelezen of verschoven. Dit type microscoop kan niet alleen atomen individueel 'zien', maar ze ook verschuiven. De microscoop gaat één voor één over de individuele atomen heen en kan zo het geheugen lezen en schrijven. Daarbij is een lege ruimte een 0 en een ruimte opgevuld met een chlooratoom een 1.

"Een essentiële stap in dat proces is dat het volledig autonoom kan werken, waardoor het goed is op te schalen. We hebben hier een aantal blokken afgeschreven en dan staat in een marker dat het blok kapot is, zo kun je om kapotte sectoren heenwerken." Er is volgens Otte geen fysische reden waarom opschalen niet zou kunnen: "Het koperkristal dat wij gebruiken is millimeters in omvang. Waar we tegenaan lopen is dat de stm op microschaal nauwkeurig kan lezen, maar dat als je wil opschalen je een stappenmotor nodig hebt, en die zijn veel minder precies. Daar ligt een taak voor industriële ontwikkeling. Fysisch gezien zie ik geen obstakel."

Toch is temperatuur nog wel een probleem, al is het een stuk minder lastig te koelen met vloeibaar stikstof tot 77K in plaats van vlak boven het absolute nulpunt van -273 graden Celsius waarmee vroegere experimenten werden uitgevoerd. De eerste experimenten met het rangschikken van atomen werden begin jaren 90 door IBM gedaan. Het bedrijf wist 25 xenon-atomen te rangschikken. "Die techniek is de afgelopen 25 jaar niet echt veranderd en dan hebben wij nu toch wel echt iets nieuws bedacht", zegt Otte. "Er liggen bij ons 8000 missende atomen op hun plek en 60.000 chlooratomen en het systeem werkt ook nog autonoom."

Een volgende stap is het kijken naar andere atomen binnen de halogenen. "We kunnen kijken naar andere halogenen, zoals jood. Misschien zijn er combinaties te vinden die richting kamertemperatuur gaan. Maar voor mij persoonlijk gaat de boodschap aan dataopslag voorbij. We kunnen een wereld met atomaire precisie heel goed controleren. Als we de vrijheid hebben om dit atoom daar te leggen en dat atoom daar, dan kun je die eigenschappen doorgronden. Dan is alleen onze fantasie nog de limiet en dan vind ik dataopslag nog een eenvoudig voorbeeld."

Otte hoopt dat het 'simpele recept' snel door anderen gereproduceerd wordt. "Veel bedrijven en universiteiten hebben de apparatuur en kunnen er nu mee aan de slag.

Op de vraag waarom ze een tekst van de beroemde natuurkundige Richard Feynman gebruikt hebben in hun voorbeeld, zegt Otte: "Feynman was een visionair. Hij zei op een gegeven moment tegen zijn vakgenoten psychologische barrières weg te nemen. Hij beschrijft letterlijk in een paar zinnen dat we ooit iets per 100 nanometer kunnen. En wij kunnen nu al met 1 nanometer uit elkaar dingen doen."

Otte heeft het werk niet alleen gedaan. Zijn promovendus Floris Kalff heeft met name de automatisering voor zijn rekening genomen. Het artikel is te vinden in Nature Nanotechnology.

1. Beschrijving atoommarkers 2. Geheugen van 1kB met deel van Richard Feynman's college waarin hij zegt "er is genoeg ruimte aan de onderkant" 3. Zelfde geheugen met andere tekst uit "De oorsprong der soorten" of Origin of Species van Charles Darwin

Helaas!
De video die je probeert te bekijken is niet langer beschikbaar op Tweakers.net.

Reacties (49)

[wouterg00]

"Als we de vrijheid hebben om dit atoom daar te leggen en dat atoom daar, dan kun je die eigenschappen doorgronden. Dan is alleen onze fantasie nog de limiet en dan vind ik dataopslag nog een eenvoudig voorbeeld."

Zoals? Dat is een serieuze vraag: zelf heb ik geen idee en zie ik eigenlijk niets meer dan dataopslag als mogelijkheid...

Wat voor baanbrekends wat nu nog niet kan kun je nog meer als je atomen met precisie kunt rangschikken?

[robvanwijk]

Wat voor baanbrekends wat nu nog niet kan kun je nog meer als je atomen met precisie kunt rangschikken?

Het is heel lastig om te voorspellen wat er hier nu exact mee mogelijk wordt, maar om een idee te geven waarom dit belangrijk is. Er zijn in de natuur ongeveer honderd verschillende atomen waaruit alles is opgebouwd. Door het vormen van moleculen kun je veel meer stofjes maken, maar er is ook een andere methode om een materiaal andere eigenschappen te geven: "verontreinigingen" (en dan bedoel ik het soort dat opzettelijk wordt toegevoegd). Het toevoegen (en goed vermengen) van een paar procent koolstof aan ijzer geeft bijvoorbeeld staal. Het toevoegen van specifieke elementen aan silicium geeft "N wells" en "P wells" (als dat je niks zegt, lees het dan maar als "transistors van slechts nanometers groot").

Deze techniek maakt het toevoegen van extreem nauwkeurige en volledig gecontroleerde verontreinigingen mogelijk. Wat dat gaat opleveren? Sorry dat ik niet concreter kan zijn, maar op dit moment valt er weinig meer te zeggen dan "nieuwe materialen"... Wat die doen en, nog belangrijker, wat we daar dan mee kunnen maken? Geen idee, maar dit is de ultieme opvolger van de techniek die ons ijzer door staal verving en elk geschiedenisboek kan je vertellen dat die ontdekking van immens belang was voor de ontwikkeling van de mensheid en onze huidige beschaving.

[Reactie gewijzigd door robvanwijk op 22 juli 2024 19:45]

[Mufmans]

Ik moet de daadwerkelijke publicatie nog lezen maar mij rest nog steeds enigszins de vraag of hier een fundamentele doorbraak gemaakt is of dat dit gewoon een interessante praktische toepassing van de STM is.

Het vermogen om atomen individueel te verplaatsen door middel van deze techniek is al door Don Eigler in 1989 gedemonstreerd, hij maakte het IBM logo van 35 xenon atomen. Een probleem was (en dat lijkt nog steeds) dat het bijzonder traag werk is op bijzonder kleine oppervlakken.

Hoewel het natuurlijk ontzettend tof is om te zien dat ze er een microscopische harddisk mee hebben kunnen bouwen, krijg ik nog niet het idee dat die problemen echt zijn opgelost of dat hiermee een fundamentele stap is gemaakt naar het grootschalig praktisch toepassen van STM.

Edit: Het lijkt er inderdaad op dat het hoofdzakelijk om de automatisering van het proces gaat.

[Reactie gewijzigd door Mufmans op 22 juli 2024 19:45]

[robvanwijk]

Ik moet de daadwerkelijke publicatie nog lezen maar mij rest nog steeds enigszins de vraag of hier een fundamentele doorbraak gemaakt is of dat dit gewoon een interessante praktische toepassing van de STM is.

Daar ben ik inderdaad ook nog niet aan toegekomen. Maar het artikel hier op T.net klinkt in elk geval alsof het niet zozeer om de STM gaat, maar om het vinden van een materiaal dat geschikt is voor deze toepassing.

Een probleem was (en dat lijkt nog steeds) dat het bijzonder traag werk is op bijzonder kleine oppervlakken.

Er wordt wel vermeld dat het (grotendeels? volledig?) geautomatiseerd is; bij IBM indertijd was handwerk. Dat is in elk geval een nuttige stap op weg naar hogere snelheden.

En kleine oppervlakken... tja, dat was een beetje het doel he?

[Reactie gewijzigd door robvanwijk op 22 juli 2024 19:45]

[frank87]

Een bijkomend probleem in 89 waren de thermische bewegingen die er voor zorgde dat dat plaatje niet heel lang bestaan heeft.
Ik kan me voorstellen dat dit patroon iets stabieler is. Die temperatuur is ook wel laag maar nog geen vloeibaar helium.

[engibenchi]

En kleine oppervlakken... tja, dat was een beetje het doel he?

Vermoedelijk refereert hij eerder naar het opschalen. En de mogelijkheid om grotere oppervlakte te kunnen manipuleren.
Voor het maken van nano schaal geheugen misschien minder belangrijk. Maar als je het breder trekt. En over het maken en gebruiken van nanomateriaal voor andere applicaties (filters, warmte geleiding, "vuil" afstotend you name it) Dan wordt het bereik van je oppervlakte wel een onderwerp.

Om wat commentaar voor te zijn:
Nu gaat het in dit artikel specifiek over geheugen toepassing. Maar in een vraag daar onder werd gevraagd wat er baanbrekend is aan het kunnen plaatsen van atomen waar jij wilt.

[DeDooieVent]

replicator

[Tweekzor]

Valt teleportatie hier ook onder dan? Wanneer we deze atomen uit elkaar kunnen halen, versturen via bijvoorbeeld een vacuum buis en deze elders weer rangschikken is dat toch aardig in de richting.

[DeDooieVent]

nou ja, het probleem is dat die atomen heus niet door een buis gaan, maar de informatie waar welke atoom met welke spin moet zitten. je hebt op dat moment een 1 op 1 kopie, een kloon, dus jij moet geneutraliseerd worden als de kloon goed is... lijkt me toch een vervelend moment...

[Tweekzor]

Ik doelde in eerste instantie ook op het teleporteren van objecten, het in elkaar knutselen van levende dingen lijkt me toch een iets grotere uitdaging dan alleen wat atomen rangschikken.

[DeDooieVent]

die teleporteer je ook niet, hooguit klonen op afstand... het is veel sneller en werkbaarder om informatie over te brengen dan de losse atomen, dat gaat klonteren en doen

[Tweekzor]

Okee duidelijk, maar dat betekend dan wel dat aan de andere kant de atomen in voorraad moeten zijn. Dan ben je eigenlijk "gewoon" aan het 3d printen op nanoschaal in plaats van aan het teleporteren.
Daar gaat weer een droom.

[DeDooieVent]

misschien jouw droom, maar als het een nier betreft in het lab naast het bed van een nierpatiënt is er ook weer een droom geboren, dus win win

[svennd]

De vraag is natuurlijk als je tot op nanoschaal nagemaakt bent of jij gewoon niet op twee plaatsen bestaat die andere jouw weet namelijk exact wat jij weet, en is vast teleur gesteld dat hij maar een kopie is inplaats van een originele. (die op geen enkele manier van elkaar te onderscheiden is)

[Ayporos]

Dat is in feite ook wat een teleporter zou moeten zijn.

Je 'leest' een object/persoon uit en converteert dit naar data en energie. Je stuurt de data naar een 2e machine en die gebruikt dan weer energie om het object/persoon te bouwen.

Probleem hiervan is dat je eigenlijk een 'snapshot' moet kunnen maken, je kunt niet 1 voor 1 elk deeltje/impuls meten als daar tijd overheen gaat want dan eindig je met iets wat niet is wat het moet zijn. Een ander bijkomend probleem is het feit dat je niet richting én snelheid (impuls) tegelijk kunt meten.

Deze twee problemen zorgen er voor alsnog voor dat een echte 'teleporter' die levende organismen kan transporteren tot de science-fiction blijft behoren.

(En, indien je gelovig van aard bent, uiteraard het idee dat een 'ziel' die zich niet in onze dimensie bevind niet door zo'n transporter kan worden gelezen en gekopieerd. Zelf heb ik daar geen last van want ik geloof niet in een ziel of iets zweverigs zoals dat maar gezien het gross van alle mensen op deze aardkloot wel in iets meer geloven dan enkel onze materiele lichamen vernoem ik het hier toch maar.)

[Reactie gewijzigd door Ayporos op 22 juli 2024 19:45]

[Greymane]

Pretty much inderdaad. Komt m'n Star Trek droom toch misschien nog uit in dit leven. Nu nog een holodeck en m'n leven is compleet.

[daellat]

Ik vind dat niet zozeer de klassieke zin van teleportatie als meer een atomair identieke cloon. Holodek zie ik aan de andere kant wel nog gebeuren binnen mijn leven. In ieder geval een basale veriant.

[Coolstart]

Ik kan me inbeelden dat data storage een limiterende factor is. Gigabytes zijn relatief duur, zeker als ze snel zijn. (zie cache cpu's) De vraag is hoe snel deze atomen van positie kunnen veranderen. Het idee van atomen te positioneren is niet nieuw, IBM kon dat al in 1989. https://en.wikipedia.org/wiki/IBM_(atoms)

Wat wel nieuw is, is het positioneren van atomen on the flow + uitlezen. Al hadden ze dar dt principe in 2013 ook al onder de knie: nano movie: https://www.youtube.com/watch?v=QOujRp2xKTY

In feite is dit filmpje van 5 jaar geleden bijna een copy:
https://www.youtube.com/watch?v=hpKMShooDBo


Toepassingen:

Data:
- Gebruik nano-bots in uw lichaam die veel data moeten opslaan in een nano-behuizing. Ik kan me inbeelden dat die bots gigabytes an data moeten opslaan, al is het tijdelijk.

Mogelijke andere toepassingen:
- sturing van Licht interferentie (data transmissie)
- Slijtageonderdelen repareren (opnieuw genereren toplaag lager)
- Waterzuivering, zware metalen + virussen verwijderen zodat enkel puur H2O overblijft.
- Biosensoren (kanker opsporen, reuk, ...)

[Timoo.vanEsch]

Daarmee zou je jou in theorie kunnen omvormen tot een alien, bijvoorbeeld. Of terugtoveren naar een aap. Als we op atomic scale kunnen schakelen, is letterlijk niets nog "vast"; dan is het mogelijk om een tegel te transformeren in een wiel of een luchtbel, dat te verplaatsen en vervolgens weer om te toveren tot een tegel.

Of, om een partij zand zó te herstructureren dat er een mooi tegelpad ontstaat. Zie het als 3D-printen op nano-schaal, waarbij de grondstof tevens eindproduct is.

Dan wordt het in principe mogelijk om elk concept per direct om te zetten in tastbare realiteit.

[Verwijderd]

Conceptueel kun je dan bv denken aan het bouwen van nano robots, klein genoeg om bv in een levende cel beschadigd DNA te repareren of om een ongewenste DNA sequence uit een chromosoom te verwijderen (bv viraal DNA). Dat laatste komt overeeen met een cybernetisch verbeterd immuum system.

Een andere mogelijkheid is bv het bouwen van een moleculaire spinneret voor fabricatie van eindeloze Carbon Nano Tubes. Hiermee zou je extreem lichte en sterke kabels kunnen maken, waardoor veel grote hangbrugeen mogelijk worden dan nu het geval is. Ook zouden dit soort kabels het mogelijk moeten maken om ruimte liften te constueren.

[EraYaN]

Dan kun je dus werkelijk alles maken. ECHT alles wat uit atomen bestaat.

[gjmi]

nee.
Je kunt atomen verplaatsen, je kunt niet zomaar een bak met willekeurige atomen klaar leggen en deze in moleculen rangschikken om er 'alles' mee te kunnen maken.

[Verwijderd]

Dat is nou het punt van deze ontwikkeling, de chlooratomen op dit substraat rangschikken van nature in een bijna perfect rasterwerk. Het is dus goed geordend, en hiermee kun je dan aan het werk.

[Coffee]

Is 8k byte niet 8192 bit? 8kbit is 8000 bit...

Toch?

[uiltje]

12 * 12 * 8 bytes = 1152 bytes. Dat is dus precies 1.152 Kilobyte. 1 Kilobyte is "close enough" wat mij betreft. Dan zeggen dat het 8000 bits is niet zo handig inderdaad. Dat getal komt rechtstreeks uit de video presentatie. Het kan natuurlijk zijn dat niet alle bitjes het doen in de grid. Als er 4 "sectoren" uitvallen dan hou je er keurig 1000 over.

Voor degenen die nog steeds denken dat rekenen in 1024 tallen handiger is, graag het aantal Kibi bytes in 3 cijfers achter de komma.

[Reactie gewijzigd door uiltje op 22 juli 2024 19:45]

[robvanwijk]

Voor degenen die nog steeds denken dat rekenen in 1024 tallen handiger is, graag het aantal Kibi bytes in 3 cijfers achter de komma.

Mijn computer heeft bijvoorbeeld 3,000 GB RAM (al zul jij het "3,000 GiB" willen noemen); doe jij even de conversie naar "decimal-kilo"? En als je toch bezig bent, licht meteen even toe waarom dat belangrijk en/of nuttig is!?

Soms zijn machten-van-1000 handiger, soms machten-van-1024. Tja, dan komen sommige berekeningen niet mooi uit, helaas, maar niks aan te doen.

@haling hieronder:
Google anders even de betekenis van het belangrijkste woord van de tweede alinea: "soms". En als je toch bezig bent, kijk ook even naar het woord "context"; gewichten van kazen en personen hebben er niks mee te maken.

[Reactie gewijzigd door robvanwijk op 22 juli 2024 19:45]

[haling]

Jij bestelt ook 1024 gram kaas? En hoeveel weeg jij in 1024 grams kilo's?

Daarom:
Kilo = 1000.
Kibi = 1024.

[supersnathan94]

De kaasboer vraagt dan netjes of het ook iets meer mag zijn .

[Coffee]

Thanks!

[Timoo.vanEsch]

Ligt aan je perspectief. Als consument is 1024 rampzalig. Als producent echter, is het een vaste rekeneenheid die eenvoudigweg vermenigvuldigd wordt. Marketing afdelingen hadden dat goed door en hebben [dus] een 3TB schijf zo dicht als mogelijk op 3x1000 laten zetten, ipv 3x1024. Geeft ze een extra foutenmarge, minder materiaalverbruik, etc. etc.

Dus als jij vraagt of kibi makkelijker is dan kilo, kan ik enkel antwoorden dat een computer in getallen tot de macht 2 rekent (en 1000 dus een afwijking is), terwijl mensen in getallen tot de macht 10 rekenen (en 1024 dus onbegrijpelijk is).

Ik verwacht dat er wel meer misverstanden bestaan tussen computers en mensen...

[uiltje]

Het is meer dat ik de computer het rekenwerk wil laten uitvoeren. Een kilo betekend duizend. En harddisks en netwerken capaciteit wordt altijd in duizendtallen weergegeven.

Stel ik heb 1 KB aan data. Moet je dan aan me gaan vragen of het geheugen-KBs zijn of HDD KB's?

[letatcest]

In het originele artikel (zie link aan eind art.) staat ook 1 kilobyte of 8000 bits. Dat kan inderdaad verwarrend zijn. Het is enkele jaren geleden dan ook veranderd, zie o.a. :

https://nl.wikipedia.org/wiki/Kilobyte

KiB is 1024 bytes en kB of kilobyte 1000 bytes.

Aan de andere kant had ik niet de simpele berekening gedaan die @uiltje deed...

[Reactie gewijzigd door letatcest op 22 juli 2024 19:45]

[DamirB]

En hoe betrouwbaar is dit geheugen?

[TweakTom92]

Dat zijn ze 'vergeten' te vermelden..

[sjettepetJR.]

Hebben ze zeker niet zo'n goed geheugen?

[Relief2009]

Ook de hippe animatie videos hebben hun weg gevonden in de wetenschappelijke wereld.

Mooie manier om een concept tastbaarder te maken voor de gewone man. Kost wel wat.

[gjmi]

Jammer dat deze link er niet bij stond:
Van IBM:
https://youtu.be/oSCX78-8-q0

[CAPSLOCK2000]

Volgens het filmpje is dit geheugen 500x kleiner dan conventioneel geheugen.
Volgens de Wet van Moore wordt geheugen iedere 18 maanden 2x zo klein.
Om 500x kleiner te worden moet je 9 keer verdubbelen.
Over 13 jaar kunnen we dus geheugen van dit formaat in onze computers verwachten.

[laptopleon]

Ik zat ook in deze richting te denken, alleen niet zozeer over hoeveel jaar Moore etc. maar meer… Nu is een zekere bodem bereikt qua huidige hardware technieken. Kleiner dan atomen kun je niet gaan. Om daarna nog aan Moore te voldoen, moet de chip groter worden (wat de eerste tijd niet zo'n probleem zal zijn, maar uiteindelijk weer wel) of moet er een andere techniek worden ingezet. Quantum of zo.

[Verwijderd]

schitterend, ik las hier elders al over. Ik wist dat deze stap ooit een keer gemaakt zou gaan worden maar ik denk dat technologie als in de film de Total Recal of Terminator toch nog wel een eindje weg is.

Niet dat ik vóór een Skynet ben overigens maar het zou wel per direct alle problematiek op alle mogelijke fronten oplossen heden ten daags maar ook in de toekomst.

[aryan1171]

Nederlanders en hun wetenschap. Veel mensen in de wereld niet weten dat Nederlands vreselijk veel innovatie en technologie produceert en handhaaft. Ik moet eerlijk zeggen dat het land de laatste tijd een beetje achteruit is gegaan qua doen en laten maar ik ben er alsnog trots op mijzelf een Nederlander te mogen noemen. Ik hoop ook op een dag iets terug te kunnen doen voor Nederland in de tech-realm. Maar wat is dit fantastisch. Als het koelen op een stabielere en goedkopere manier kan kunnen we ongelooflijk veel data opslaan.

Edit: Kijk bij Reddit eens hoeveel er over Nederland langskomt: https://www.reddit.com/r/...s&sort=new&restrict_sr=on

[Reactie gewijzigd door aryan1171 op 22 juli 2024 19:45]

[SHVTTR]

Mooi hoe Nu.nl alleen de 80 Terabyte beschrijft maar niet aangeeft op wat voor schaal ze op dit moment aan het werk zijn... gelukkig is Tweakers er.

[DoubleYouPee]

En hoeveel keer grotere density in vergelijking met SSDs?