Aus der Forschung
Ein Biopolymer-Film aus Lachs-DNA mit Silber-Nanopartikeln speichert Informationen kostengünstig und umweltverträglich. Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme nach der Bestrahlung mit UV-Licht: Philipp Mueller, CFN
Grundlagenforschung treibt Computertechnologie voran
Experimente an Teilchenbeschleunigern bei DESY oder der GSI, aber auch bei künftigen Anlagen wie FAIR und dem Röntgenlaser European XFEL erzeugen große Datenströme, die rasch und sicher verarbeitet werden müssen. Dies treibt die Entwicklung neuer Rechnerarchitekturen voran, die bei noch größerer Leistung deutlich weniger Energie verbrauchen. Gleichzeitig kommen aus der Grundlagenforschung neue und originelle Ideen für Datenspeicher der Zukunft. Einen knappen Überblick über Nachrichten der letzten Monate aus Helmholtz-Zentren finden Sie hier:
Green-Cube an der GSI
An der GSI wird von 2012 bis 2014 ein neues umweltfreundliches Höchstleistungs-Rechenzentrum aufgebaut: Das Konzept des Green-Cube basiert auf handelsüblichen Komponenten, besitzt aber eine neuartige Kühlung, die nur acht Prozent des Energieverbrauchs des Computers erfordert. Bei herkömmlichen Systemen liegt der Energieeinsatz für die Kühlung bei 50 bis zu 100 Prozent. Insgesamt werden rund 800 wassergekühlte Rechnerschränke in einem Hochregallager-ähnlichen Bau auf Stahlträgern in sechs Ebenen untergebracht. Dieser Aufbau ist bis zu 100-mal kompakter als bei herkömmlicher Bauweise. Mit dem Green-Cube werden jährlich mindestens 15.000 Tonnen CO2-Emissionen gegenüber konventionellen Supercomputern eingespart. Die Kosten von 19 Millionen Euro werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und der Helmholtz-Gemeinschaft als Ausbauinvestition finanziert. Die neue Computerarchitektur wurde von Volker Lindenstruth, dem Leiter des IT-Bereichs von GSI, gemeinsam mit Horst Stöcker, dem Wissenschaftlichen Geschäftsführer von GSI, entwickelt.
DESY und IBM entwickeln Speicherlösungen der nächsten Generation
Mit dem Scale Out Network Attached Storage (SONAS) von IBM hat DESY kürzlich eine Speicherlösung der neuesten Generation in Betrieb genommen, die sich durch hohe Skalierbarkeit, schnelle Speicherung und eine effiziente Verwaltung auch mehrerer Petabyte auszeichnet. Für die Auswertung der wissenschaftlichen Messdaten sind Transferraten von bis zu 10 Gigabyte pro Sekunde nötig. Gemeinsam entwickeln und erproben DESY und IBM nun neue Verfahren zum weltweiten Datenaustausch zwischen Forschungszentren. Forscher aus aller Welt sollen etwa über Web-Protokolle wie HTTPS und REST sicher auf große Mengen unstrukturierter Daten zugreifen können, die in SONAS gespeichert sind. Ziel ist es auch, die Eignung des Systems für sogenannte Cloud-Speicher im Forschungsumfeld zu testen.
Zwölf Atome sind ein Bit
Forscher vom Computerkonzern IBM und dem Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) haben den kleinsten magnetischen Datenspeicher der Welt konstruiert. Die Gruppe um IBM-Forscher Dr. Andreas Heinrich und CFEL-Forscher Dr. Sebastian Loth hatte mit einem Rastertunnelmikroskop ein regelmäßiges Muster aus Eisenatomen aufgebaut. Jeweils zwei Ketten aus sechs Atomen speichern dabei ein Bit. Ein Byte (8 Bit) konnten sie mit 96 Atomen auf 4 mal 16 Nanometern speichern. „Das entspricht einer 100 Mal höheren Speicherdichte als auf einer modernen Festplatte“, betont Loth. Beschrieben und ausgelesen wird der Nanospeicher ebenfalls mit dem Rastertunnelmikroskop. Die Blöcke aus zwölf Eisenatomen lassen sich durch elektrischen Strom zwischen zwei Magnetisierungszuständen umschalten. Diese entsprechen den Werten 0 und 1, den beiden möglichen Zuständen eines Bits. Allerdings sind die Nanomagnete bislang nur bei Temperaturen unter fünf Kelvin oder minus 268 Grad Celsius stabil. Das CFEL ist eine Kooperation des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg.
Datenspeicher aus Lachs-DNA und Nanosilber
Ein Biopolymer-Film aus Lachs-DNA mit Silber-Nanopartikeln speichert Informationen kostengünstig und umweltverträglich. Entstanden ist das organische System in Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des DFG-Centers for Functional Nanostructures (CFN) am KIT und des Institute of Photonics Technologies an der National Tsing Hua University in Taiwan. Der DNA-Datenspeicher eignet sich unter anderem für biotechnische Anwendungen, etwa als Bauteil in Biosensoren. Das System besteht aus einer dünnen Schicht der DNA eines Lachses, die mit Silbersalzen versetzt und zwischen zwei Elektroden eingebettet ist. Wird es mit UV-Licht stimuliert, bilden sich Silber-Nanopartikel, durch die Strom fließen kann. So entsteht ein Biopolymer-Film, auf den sich Daten schreiben lassen. Der Speicher lässt sich einmal beschreiben und mehrmals auslesen (WORM – Write-Once-Read-Many-Times). „Dieser DNA-basierte Speicher ist kostengünstiger als herkömmliche Speicher, die aus anorganischen Materialien wie Silizium bestehen“, erklärt Dr. Ljiljana Fruk vom CFN. „Außerdem ist er recycelbar, und die Rohstoffe sind in der Natur reichlich vorhanden.“
Spin-Ventil für Datenspeicher
Datenspeicher sind entweder ganz flüchtig oder speichern die Informationen nur für mehrere Jahre zuverlässig. Forscher um Florin Radu vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben nun jedoch eine Struktur entwickelt und zum Patent angemeldet, mit dem man Datenspeicher mit beliebiger Haltbarkeit bauen könnte. Dieses "Spin-Ventil" besteht aus verschiedenen hauchdünnen Schichten mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften und ermöglicht es, Informationen für einen beliebigen Zeitraum, der sich vorab einstellen lässt, zu speichern. Mit dem Spin-Ventil lassen sich nun elektronische Geräte konstruieren, die ähnlich wie bei der MRAM-Technik sofort nach dem Einschalten betriebsbereit sind und deren Datenspeicher sich praktisch unendlich oft wieder beschreiben lassen. An der Forschung waren auch Kollegen aus Bochum und den Niederlanden beteiligt.
Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Wissenschaftler jetzt im Fachmagazin Nature Communications (DOI: 10.1038/ncomms1728).
Spintronik II:
Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) ist es jetzt gemeinsam mit Kollegen aus Dresden und Jülich gelungen, die elektronischen Oberflächenzustände eines Metalls dauerhaft zu konservieren. Dazu versiegelten sie die Oberfläche des Metalls Iridium mit einer Lage aus Kohlenstoffatomen. Diese als Graphen bezeichnete Modifikation des Kohlenstoffs schirmt äußere Einflüsse wirksam ab und erhält so die elektronischen Oberflächenzustände, was interessante Anwendungen im Forschungsfeld Spintronik in Aussicht stellt.
Projektleiter Dr. Andrei Varykhalov hat mit seinem Team die Graphenschicht sowie die Spinzustände der obersten Metallschicht am Elektronenspeicherring BESSY II untersucht. „Wir konnten dabei zunächst nachweisen, dass sich die Spinzustände des Iridiums unter der Graphenschicht nicht verändern. Das haben auch Modellrechnungen am Forschungszentrum Jülich bestätigt“, erklärt Varykhalov: „In einem zweiten Schritt haben wir dann festgestellt, dass sie auch an der Luft exakt erhalten bleiben“ Dies sei ein wichtiger Fortschritt für die Spintronik.
Ihre Ergebnisse haben die HZB-Forscher im Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht (DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.066804).
Optische Kontrolle des Magnetismus
Magnetische Medien speichern Daten in winzigen Bereichen, die durch Magnetpulse beschrieben werden. Lichtpulse könnten diese Aufgabe wesentlich schneller erledigen. Physiker des Forschungszentrums Jülich haben nun aufgeklärt, wie sich magneto-optisches Schalten kontrollieren lassen könnte. Dabei arbeiteten sie mit Kollegen am Landesforschungszentrums OPTIMAS in Kaiserslautern sowie der Universität von Colorado und des National Institut of Standards and Technology in Boulder, USA, zusammen.
Normalerweise beeinflussen sich die Elementarmagnete eines magnetischen Metalls oder einer Legierung gegenseitig. Ungeklärt war bisher die Frage, ob in einer Legierung zweier magnetischer Metalle die beteiligten magnetischen Elemente auf sehr kurzen Zeitskalen unterschiedliche magnetische Eigenschaften zeigen oder ob sie sich stets synchron verhalten. Den Forschern ist es nun gelungen, ein kurzzeitig asynchrones Verhalten der beiden magnetischen Elemente Eisen und Nickel in der Legierung Permalloy festzustellen. Dadurch könnte es gelingen, magnetische Schaltvorgänge zu beschleunigen. Möglich wurde der Nachweis durch eine selbstentwickelte Methode, mit der die Wissenschaftler magnetische Schaltprozesse erstmals mit einer Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden (Billionstel Millisekunden) beobachten konnten.
