物理

奈米硬碟粉墨登場

這群瘋狂的科學家,想讓硬碟縮小到跟郵票一樣大!

撰文/費帝格(Peter Vettiger,IBM蘇黎士研究實驗室資深的微米及奈米製造技術專家)、賓尼希(Gerd Binnig,1986年諾貝爾物理獎得主)
翻譯/蔡雅芝(清華大學物理所博士)、蔡雅鈴(台灣大學海洋研究所博士班)
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物理

奈米硬碟粉墨登場

這群瘋狂的科學家,想讓硬碟縮小到跟郵票一樣大!

撰文/費帝格(Peter Vettiger,IBM蘇黎士研究實驗室資深的微米及奈米製造技術專家)、賓尼希(Gerd Binnig,1986年諾貝爾物理獎得主)
翻譯/蔡雅芝(清華大學物理所博士)、蔡雅鈴(台灣大學海洋研究所博士班)
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千足計畫(Millipede Project)小檔案

■今日的數位儲存元件已迫近物理上的極限,容量無法再增加。千足計畫中的「奈米硬碟」,是一種由奈米級零件構成的微機械元件,卻有能力在現行科技技窮之處大展身手。(圖為第二代原型機,有1024根懸臂,現已可達4096根懸臂)
■「千足」採用排列成格狀的微型懸臂,在聚合物介質上讀、寫及清除資料。懸臂的探針在塑膠表面戳出凹陷做為位元1;沒有凹陷代表位元0。
■第一項「千足」產品很可能是只有郵票大小、適用於可攜式電子裝置的記憶卡,應該在三年內就會問世。


設計出一項能大量生產並風行全球的新奇產品,是許多工程師夢寐以求的事。我們甚至願意以高於50:50的賭注下注,三年之內,我們將體驗到發展出一種全新型態的機械所帶來的珍貴喜悅。


近來,奈米科技以新興領域之姿受到廣泛討論;在這個領域之中,機械是在十億分之一公尺的尺度下操作。以晶片技術製造微小可移動零件的微機電系統(microelectromechanical systems, MEMS)也曾引發大量宣傳,但商業化的產品卻相對地寥寥無幾。然而,在投注了六年光陰於首批適合量產的奈米機械裝置之重點計畫後,我們能夠證明,在這麼微小的尺度下,工程學非得與科學研究結合不可。從驗證原理的實驗到可操作的原型機,一直到上市的產品,整個過程出現許多預想不到的障礙。


在IBM,我們把這個計畫叫做「千足計畫」(Millipede,見右圖,最新的千足原型機)。如果我們維持預期的進度,大約在2005年之前,你就能為你的數位相機或MP3播放機買到郵票大小的記憶卡;它能儲存的影音資料可不只一般快閃記憶卡所能容納的數十MB(百萬位元組),而是好幾GB(十億位元組),足夠容納整張音樂光碟或是幾部短片,還能將卡上的資料清除或是覆寫。它的速度很快,而且一般電力即可。你可以稱它為「奈米硬碟」(nanodrive)。


或許奈米硬碟初期的應用還算有趣,但稱不上驚天動地,畢竟有數GB容量的快閃記憶卡早已上市。「千足」吸引人之處,在於它儲存數位資料的方法,與磁性硬碟、光碟及以電晶體為主的記憶晶片完全不同。這些成熟的科技在數十年間歷經了驚人的進步,然而目前已即將進入尾聲,物理上的極限已隱約出現在前方。


相對地,第一批奈米機械硬碟只不過是牛刀小試,未來還有數十年的改進空間。原則上,「千足」這類的未來裝置所讀寫及清除的數位位元會愈來愈小,小到一個位元就是一個分子甚至原子。一旦奈米硬碟的可移動零件變得愈小,它們就工作得愈快,電力的使用也會更有效率。首件使用「千足」技術的產品,應該是高容量的資料儲存卡,可以應用在相機、行動電話或其他可攜式裝置上。在這些裝置上,奈米硬碟卡運作的方式與現今的快閃記憶卡大致相同,但它能夠以較低的價格提供數GB的容量。這個技術對材料科學、生物科技或是目前仍不可預見的各項應用,也可能會帶來極大的助益。


瘋狂的主意


在某些方面,「千足計畫」可說是在足球場上開始的。我們兩人都在IBM蘇黎士研究實驗室工作,也都參加了實驗室的足球隊;我們是透過另一位隊員羅瑞爾(Heinrich Rohrer)的引介而認識。羅瑞爾和我們其中一人(費帝格)一樣,都是1963年開始在蘇黎士研究實驗室工作,他和我們其中另一人(賓尼),在1981年一起發明了掃描穿隧顯微鏡(STM),這個技術成就了人類追尋已久的能力,能看到並操控單一的原子。


1996年時,我們都在變化頗大的環境中尋找新計畫。90年代初期的IBM極為艱困,公司把雷射科學成果賣了,其中的技術部份便是由費帝格負責管理。賓尼則關閉了他在德國慕尼黑的衛星實驗室,搬回蘇黎士。我們與羅瑞爾一起開始鑽研如何將STM或其他掃描探針技術,特別是原子力顯微鏡(AFM),應用到純科學以外的世界。