KR100264634B1 - 저장 장치 및 그 내에 저장된 정보 삭제 방법 - Google Patents

저장 장치 및 그 내에 저장된 정보 삭제 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 로컬 프로브 어레이(72)와, 저장 필드 어레이(71)를 가진 저장 매체(70)를 포함하는 저장 장치에 관한 것이다. 로컬 프로브 어레이(72)는 저장 매체(70)와 대향하게 위치하여 로컬 프로브 어레이의 각 로컬 프로브(73)가 대응하는 저장 필드(71) 위를 스캐닝할 수 있도록 한다. 저장 장치는 저장 매체의 제1구역에서 삭제할 정보와 삭제하지 않을 정보를 구별하는 수단과, 삭제하지 않을 정보를 메모리, 바람직하게는 저장 매체의 다른 구역에 선택적으로 복사하는 수단과, 제1구역 전체를 삭제하는 수단을 더 포함한다.

Description

[발명의 명칭]
저장 장치 및 그 내에 저장된 정보 삭제 방법
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 로컬 프로브 어레이(local probe arrays) 및 적당한 저장 매체를 기반으로 하는 저장 장치에 관한 것이다.
[배경기술]
반도체 처리 기법이 개선됨에 따라 오늘날의 컴퓨터는 크기가 획기적으로 감소되고 있다. 그러나, 마이크로프로세서, 디스플레이 및 다른 부품들이 더욱 값싸지고 소형화되고 있는 반면에, 대형 데이터 메모리 유니트는 전체적인 크기 감소를 제한하고 있다. 크기 및 전력 소모를 더욱 감소시키기 위해서는 통상의 디스크 드라이브 저장 시스템을 소형의 고용량 저장 장치로 대체할 필요가 있다. 통상 회전 메모리(rotating memory)를 가진 이러한 디스크 저장 시스템을 1기가 정도의 많은 데이터를 저장하지만, 단지 밀리세컨드(millisecond) 정도의 판독/기록(read/write) 속도만을 제공한다. 반면, 고체 메모리(solid state memory)는 나노컨드(nanosecond)정도의 훨씬 빠른 판독/기록 속도를 제공하기는 하는데, 그의 저장 용량이 수 메가 비트(Megabit)로 제한된다. 비트당 가격으로 볼 때에는, 회전 메모리가 값싸기는 하나, 가동 부분(moving parts) 때문에 기계적으로 훨씬 더 신뢰할 수 없다.
분명, 1테라비트(Terabit) 이상의 저장 용량을 가진 단일의 저장 장치가 요망되는데, 이러한 저장 장치의 경우, 특히 그러한 저장 장치가 이미지 프레임(image frame)을 신속하고도 연속적으로 검색할 필요가 있는 멀티미디어 시스템에 사용되는 경우에는, 매우 높은 데이터 처리 속도(판독/기록 속도)를 달성할 수 있는 것이 더욱 중요하다. 그 외의 다른 중요한 것으로서는, 전력 소모, 전체 중량 및 크기, 신뢰성, 데이터 보안성, 그리고 내충격성(휴대용 컴퓨터 시스템에 사용되는 경우)이 있다. 회전 메모리의 용량을 고체 메모리의 속도, 크기, 전력 소모 및 신뢰성과 조합시키는 저장 장치는 컴퓨터의 성능을 비약적으로 향상시킬 뿐만 아니라 및 컴퓨터의 소형화에도 크게 기여할 것이다.
스캐닝 터널링 및 원자력 현미경(scanning tunneling and atomic force microscope)의 개발에 따라 병렬 로컬 프로브를 사용하는 최초의 저장 시스템이 제공되었다.
스캐닝 터널링 저장 시스템은 유럽 특허 EP247219에서 제안되고 있는데, 이 시스템에서는 전류 검출기를 캔틸레버 어레이(array of cantilevers)에 부착하고, 캔틸레버 어레이의 반대편에 저장 매체를 배치하며, 이 저장 매체를 2차원 압전 위치 설정 (2-D piezoelectric positioning) 장치에 의해 변위시킨다. 그러나, 이 특허는 정보를 삭제하는 적당한 방법을 개시하고 있지 않다.
미국 특허 제5,307,311호에 개시된 메모리 장치는 독립적으로 동작하는 서브 장치들의 초대형 세트를 사용하고 있는데, 이것은 비트들이 저장되는 영역을 가진 수백개의 마이크로 캔틸레버로 된 어레이를 활용한다. 이들 캔틸레버의 반대편에는 스캐닝 터널링 또는 원자력 현미경 스캐닝 팁(tip)과 특성이 유사한 수백개의 판독/기록 헤드(head)가 있다. 각각의 캔틸레버는 진동하는 형태로 이동하여 제각기의 판독/기록 헤드가 그 위에 저장된 비트들을 스캐닝하도록 한다.
그러나, 이러한 스캐닝 프로브 저장 시스템의 분명한 단점은 그 시스템이 매우 복잡하다는 것이다. 구체적으로 말해, 각각의 이러한 서브 저장 방식에서는 제각기의 구동 메카니즘 및 전기 배선과 수많은 판독/기록 헤드에 접속되는 기록선 및 판독선이 필요하다.
정보를 삭제할 수 있는 저장 장치가 필수적인데, 특히 이제까지 제안된 스캐닝 프로브 저장 시스템의 경우에는 신뢰할 수 있으며 만족스러운 삭제 기법이 제안된 바 없었다. 최근의 물질 연구 결과에 따라 원리적으로는 삭제 가능한 저장 매체로서 적합한 특수 물질이 밝혀졌으나, 그러한 물질 내에 저장된 정보를 삭제하는데 필요한 공정들이 느리거나 적절하게 제어될 수 없어 저장 매체 내의 단일 비트들을 용이하게 삭제할 수 없다.
스캐닝 프로브 저장 시스템에 사용하기에 적합한 공지된 매체의 단점에 비추어 볼 때, 특히 삭제 프로세스에 내재된 문제점들을 해소시키는 개선된 물질 및 저장 개념이 필요하다. STM 또는 AFM의 응용을 통해 이용 가능한 고 분해능이 분명 가장 바람직한 속성이나, 대량의 데이터를 저장하고자 할 경우 공지된 방식의 삭제 능력은 어떤 실제의 응용에서는 너무나도 느리다.
[발명의 개요]
본 발명의 목적은 공지의 스캐닝 프로브 저장 시스템을 개선한 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 저장된 정보를 신속하고도 신뢰성있게 삭제할 수 있게 하는 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
이들 목적은 다음과 같은 저장 장치, 즉, 정보가 요동부(perturbations)(12)의 형태로 위에 저장될 수 있는 저장 매체(10)와, 프로브(probes)(14)가 상기 매체(10)를 스캐닝(scanning)하도록 상기 매체와 대면하는 로컬 프로브 어레이(local probe array)(20)와, 상기 요동부를 스캐닝할 때 상기 프로브의 각각으로부터 신호를 얻는(READ) 수단과, 상기 매체 상에 상기 요동부를 기록하는(WRITE) 수단을 포함하되, 상기 매체의 제1구역에서 삭제할 정보와 삭제하지 않을 정보를 구별하는 수단과, 상기 삭제하지 않을 정보를 메모리, 바람직하게는 상기 매체의 다른 구역에 선택적으로 복사하는 수단과, 상기 제1구역 전체를 삭제하는(ERASE) 수단을 더 포함하는 저장 장치에 의해 달성된다.
[도면의 간단한 설명]
본 발명은 다음의 개략적인 도면을 참조하여 상세히 후술하겠다.
제1(a)도는 본 발명에 따른 저장 장치의 일부에 대한 사시도.
제1(b)도는 제1(a)도의 저장 장치에 대한 단면도.
제2도는 제1(a)도 및 제1(b)도에 일부가 도시된 본 발명에 따른 저장 장치의 사시도.
제3도는 본 발명에 따라 구성된 저장 매체의 평면도.
제4도는 본 발명에 따른 저장 필드의 평면도.
제5(a)도는 본 발명에 따른 저장 장치의 일부에 대한 단면도.
제5(b)도는 본 발명에 따른 제5(a)도의 저장 장치에 대한 평면도.
제6도는 본 발명에 따른 다른 필드에 유지된 저장 필드 및 테이블의 평면도.
제7도는 본 발명에 따른 적어도 3개의 레벨로 이루어진 다른 저장 장치의 사시도.
제8도는 본 발명에 따른 서브-어레이들로 이루어진 저장 매체의 일부에 대한 평면도.
[일반적 설명]
본 발명의 여러 실시예에 대한 설명에 앞서, 본 발명에 따른 저장 장치의 기본적인 요소들에 대해 다룬다.
[캔틸레버(cantilevers) 및 캔틸레버 어레이(cantilever arrays):]
캔틸레버는 제조가 용이한 공지의 요소이다. 기존의 반도체 프로세스들이 활용될 수 있다. 본질적으로, 미세 기계 가공(micromachining) 기법을 이용하여 개개의 캔틸레버 및 캔틸레버 어레이를 만든다. 이러한 캔틸레버의 치수를 정할 때, 기판, 즉, 그 내에 캔틸레버가 형성되는 기판으로서 사용하는 물질의 특정 파라메터를 고려해야만 한다. 이러한 어레이를 적절하게 설계하면 어레이를 저렴한 비용 및 높은 수율로 대량 생산할 수 있다.
통상, 캔틸레버 및 캔틸레버 어레이는 실리콘 기판의 일부분들을 에칭 제거함으로써(by etching away) 제조된다. 이 기판은 통상 (100) 또는 (111)로 배향된다. (100)으로 배향된 실리콘은 예를 들어 에틸 디아민 파이로캐티콜(ethyl diamine pyrocatechol) 또는 KOH 용액을 사용하여 습식(wet) 에칭될 수도 있다. 습식 에칭법은 일반적으로 기판의 결정학적 방향에 따른다. 예를 들어, (100) 배향 실리콘은 (111)면에 대해 아주 느린 에칭 속도를 보여 (111)축에 따른 양호한 에칭 스톱(stop)으로 작용함으로써 (100)으로부터 54.7°로 양호하게 규정된 에칭면들이 생기게 한다. 다른 방법에서는, 건식(dry) 에칭법, 예를 들어, 반응성 이온 빔 에칭(reactive-ion beam etching:RIE), 화학적 이온 빔 에칭(chemical assisted ion beam etching), 또는 마이크로웨이브 플라즈마 에칭(microwave assisted plasma etching)이 사용된다. 프로세스 조건에 따라, 깊은 이방성 (deep and anisotropic) 구조를 얻을 수 있어 치수 제어가 우수하다. 마스크(mask)를 사용하여 에칭될 구조를 규정할 수 있다. 여기서 사용하는 캔틸레버는 포토리소그라피(photolithography) 및 에칭에 의해 얻을 수 있는 어떠한 형상도 가질 수 있다. 단면 형상은 예를 들어 직사각형, 원형, 타원형 또는 다각형의 형상일 수도 있다.
캔틸레버의 제조에는 또한 “dynamic Micromechanics on Silicon:Techniques and Devices, K.E. Petersen, IEEE Transactions on Electronic Devices, Vol. ED25, Ne. 10. 1978, pp. 1241-1249”에서 보고된 바와 같이 갈륨 아세나이드(gallium arsenide)와 같은 다른 반도체 물질도 적합하다.
[로컬 프로브(local probes) 및 로컬 프로브 어레이(local probe arrays):]
로컬 프로브로서는 통상 팁(tit)이 사용된다. 이러한 팁을 제조하는 기법은 여러가지가 알려져 있다. 이들 팁은 예를 들어 등방성 습식 또는 건식 에칭과 실리콘과 같은 단결정 물질의 산화를 조합하여 제조할 수 있다. 로컬 프로브 및 로컬 프로브 어레이의 제조에는 다음의 물질, 즉, 텅스텐(tungsten), 텅스텐 합금(tungsten alloy), 플라티늄(platinum), 몰리브덴(molybdenum), (도핑(doping)된 또는 도핑되지 않은) 실리콘, 도핑된 다이아몬드, 내화성(refractory) 금속 또는 도전성(conductive) 세라믹이 아주 적합하다. 습식 또는 건식 에칭과 리프트오프 플러스 산화(liftoff plus oxidation)을 조합하면 끝이 아주 뾰족한 콘(cone)이 생긴다. 팁을 더욱 예리하게 할수록, 저장 매체에 정보를 더욱 밀도 높게 저장할 수 있다. 즉, 저장 장치의 저장 용량이 더욱 크게 될 것이다. 프로브는 예를 들어 금과 같은 적당한 금속으로 코팅될 수 있다. 미국 특허 제5,204,581호에서는 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 팁 또는 팁 어레이의 제조법이 상세하게 설명되고 있다. 팁의 미세 제조에 대한 다른 예는 “Silicon cantilevers and tips for scanning force microscopy, J. Brugger et al., Sensors and Actuators A, Vol. 34,1992, pp. 193-200”에 개시되고 있다. 중요한 것은, 일괄 제조에 의해 로컬 프로브 어레이를 재현 가능하고도 값싸게 제조할 수 있다는 점에 주목해야 한다는 것이다.
[구동 회로:]
구동 회로, 전치 증폭기 및 정보 판독 및 기록용의 적당한 배선을 비롯한 어떤 수단들을 제공할 필요가 있다. 이들 수단을 제조하는 데에 반도체 및 고체 산업에서 일반적인 기존의 도구 및 프로세스가 이용될 수 있다. 구동 전자 회로 및 프로브는 스캐닝 터널링 현미경(scanning tunneling microscopy:STM)및 원자력 현미경(atomic force microscopy:AFM) 시스템에 사용되는 것과 같은 회로를 필요로 하나, 크기는 아주 작아야 한다. 소형화는 짧은 연결, 높은 속도 및 적은 전력 소비를 위해 필수적이다. 고도의 병렬 스캐닝 프로브 어레이에 의해 얻을 수 있는 높은 데이터 처리 속도와 필적하게 아주 빠른 정보 판독 및 기록용의 전자 회로를 제공할 필요가 있다.
[저장매체:]
본 발명에 따른 저장 매체는 정보가 실제 저장되는 저장 필드(fields)로 구획된다. 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 저장 매체는 다음과 같이 그룹화될 수 있다. 일반적으로, 요동부는 국부적으로
·토포그라픽 특징 또는 조성(tophograpic features or composition)을 생성하거나 변경하는 것
·결정상(crystalline phase)을 변경하는 것
·전자 상태(electronic states)를 생성하거나 변경하는 것
·현존의(existing) 전자 상태를 채우거나 비우는 것
·도메인(domain) 구조 또는 분극화(polarization) 상태를 생성하거나 변경하는것
·화학적 결합(chemical bonds)을 생성하거나 변경하는 것에 의해서 저장 매체 내에 형성되거나 그 매체로부터 제거될 수 있다.
상기한 예들 이외에도 어떠한 물리적 또는 화학적 효과도 사용될 수 있다. 적합한 여러 매체의 바람직하고도 상세한 설명에 대해서는 미국 특허 제5,307,311호가 참조된다.
이 미국 특허에서 상세하게 언급되지 않은 다른 방법은 아주 부드러운 왁스형(wax-like) 물질, 폴리머(polymer) 물질 또는 액정(liquid crystal) 물질을 사용하는 것이 있을 것인데, 이들 물질 내에는 그 물질을 국부적으로 가열하거나 프로브의 상하 이동에 의해 패턴 또는 피트(patterns or pits)를 각인함으로써 요동부가 생성된다. 상기 물질을 가열하여 그 물질을 국부적인 영역 또는 보다 큰 영역 예를 들어 하나의 저장 필드에 걸쳐 녹여 요동부를 없앨(지울) 수도 있다. 가열은 예를 들어 저항과 같은 국부적 가열 소자 또는 레이저 빔에 의해 전기적으로 행할 수도 있다. 예를 들어 각각의 국부적인 프로브 어레이에 예를 들어 저항과 같은 가열원을 제공하여 그 따듯한 프로브에 의해 요동부를 저장 매체 내에 생성할 수 있다. 가열 소자들을 저장 매체 내에 또는 배면에 설치하여 저장 구역들의 전체를 일시에 지울수도 있다.
요동부는 터널링 효과를 이용하여 원자를 이동시키고 제거함으로써 생성할 수도 있다. 이와 같이 정보를 저장 매체에 흡수되는 원자들의 패턴으로 저장하는 방법은 미국 특허 제4,575,822호에 개시되어 있다. 프로브는 기록의 경우 매체로부터 원자들을 제거하기 위해 또한 판독의 경우 스캐닝된 위치에서 원자의 유무에 의해 생긴 터널링 전류의 변화를 검출하기 위해 매체로부터 터널링 거리에 유지된다.
니트라이드-옥사이드-실리콘(nitride-oxide-silicon) 매체는 본 발명의 제 실시예와 관련하여 보인 바와 같이 매우 적합하다. 니트라이드-옥사이드-실리콘 매체에 대해 소정 거리에 위치하는 스캐닝 터널링 팁 또는 스캐닝 캐패시턴스는 요동부의 측정 및 검출을 위해 사용될 수 있다. 이에 대한 더욱 세부적인 사항에 대해서는 “Charge storage in a nitride-oxide-silicon medium by scanning capacitance microscopy, R. C. Barrett et al., Journal of Applied Physics, Vol. 70, No. 5, 1 Sept. 1991, pp. 2725-2733”가 참조된다.
영구적인 저장 매체 외에도 일시적인 저장 매체가 알려져 있는데, 그 일예로서는 정보 기록시 전하가 그 내에 트랩(trap)되는 매체가 있다. 이 정보는 잠시 후에 사라지는데 이는 전하가 확산되기 때문이다. 이러한 작용을 보이는 물질은 후술할 바와 같이 본 발명과 관련하여 사용될 수도 있다.
STM을 기반으로 한 방법 다음으로, 어떠한 전류도 사용하지 않고서도 절연 및 자기 저장 매체상의 콘트라스트(contrast)(요동부)를 식별할 수 있는 AFM 방법이나 또는 AFM과 STM의 어떤 조합이 사용될 수 있다.
여러 다른 저장 매체를 구성하여 그 위에 개별적인 저장 필드를 제공할 수도 있다. 이들 필드는 그들이 오버랩(overlap) 되지 않게 배치한다. 통상 인접한 필드들 사이에는 서정의 거리가 있어 각 필드의 데이터는 명확하게 구별된다. 이들 저장 필드를 조밀하게 배치할수록 전체적인 저장 장치의 저장 밀도가 높아진다.
[스캔 운동(scan movement):]
본 발명에서는 저장 매체에 대한 프로브의 스캔 운동을 달성하기 위해 여러가지 방법이 사용된다. 가장 간단한 방법은 저장 매체의 위치를 변경하지 않으면서 전체 로컬 프로브 어레이를 이동시키거나 또는 회전시키는 것이다. 부가적인 자유도(degree of freedom)는 저장 매체 및 로컬 프로브 어레이가 이동되는 경우에 달성될 수 있다. 바람직하게는 예를 들어 저장 매체를 제1축에 평행한 방향으로 서서히 전진 이동 및 후진 이동시키는 것이 좋다. 저장 매체의 스캔 행정은 로컬 프로브가 대응하는 저장 필드를 이탈하지 않도록, 즉 스캔 행정이 저장 필드의 치수가 대략 같도록 선택된다. 동시에, 로컬 프로브 어레이는 수직 방향으로 단계적으로 이동된다. 로컬 프로브 어레이 및 저장 매체의 조합된 운동 덕분에 저장 필드들의 제1열이 스캐닝된다. 그 다음, 저장 매체가 후진 이동하기 전에 프로브들은 다음 열로 점프한다. 이때 다음 열이 반대 방향으로 스캐닝된다. 이 과정은 반복된다. 이 방법은 스캐닝 전자 현미경의 분야에서 “바스켓-위브 스캐닝(basket-weave scanning)”으로서 알려져 있다.
펄스식 및 연속식(pulsed and continuous) 스캐닝을 비롯한 다양한 스캐닝 방법과 각종 속도가 이용될 수 있다.
[트래킹(tracking):]
로컬 프로브들이 자신의 액츄에이터(actuator)를 갖지 않는 저장 시스템에서, 트래킹은 감시하는 저장 매체의 에지(edges)에 특정의 트랙을 위치시킨 다음에 로컬 프로브 어레이를 이동시키는 것에 의해 행할 수 있다. 트래킹은 예를 들어 사전 설정된 방향을 따라 로컬 프로브 어레이를 안내하는 기계적 수단에 의해 달성될 수 있다. 이러한 기계적 트래킹 수단은 광학적 또는 다른 무접촉 트래킹 수단과 조합되거나 그것에 의해 완전 대체될 수 있다. 로컬 프로브 어레이상의 편향 센서(deflection sensor)는, 그들이 저장 매체상의 상대 요소와 상호 작용하게 배치되어, 저장 매체에 평행하게 어레이가 정밀하게 이동될 수 있게 한다. 특정의 트래킹 표식을 사용하여 저장 필드 및/또는 저장 매체의 경계를 표시할 수 있다. 이러한 표식에 이르면, 로컬 프로브 어레이는 트리거(trigger)되어 예를 들어 후진 이동하거나 다른 위치로 점프할 수 있다.
트래킹은 전원 공급 중단 후 또는 저장 장치의 파킹(parking) 후 저장 장치가 잘 규정된 위치에 복귀하도록 하기 위해서도 중요하다.
전체적인 로컬 프로브 어레이 및/또는 저장 어레이를 이동시키는데 이용되는 엑츄에이터 외에도 각각의 로컬 프로브 또는 그것이 위에 위치하는 캔틸레버가 자신의 엑츄에이터를 가질 수도 있다. 각각의 이러한 엑츄에이터는 적당한 배선 및 구동 회로를 필요로 한다. 이러한 비자동 로컬 프로브를 사용하는 경우에 두가지의 다른 구성을 생각할 수 있다. 즉, 1) 로컬 프로브 엑츄에이터가 재조 공차를 보상하고 저장 매체의 국부적인 표면 거칠음(surface roughness)을 없애기 위해 사용될 수도 있고, 2) 로컬 프로브 자신이 복잡한 로컬 엑츄에이터가 요구되는 스캔 운동에 기여할 수도 있다. 이러한 로컬 프로브 엑츄에이터가 사용되는 경우, 저장 필드에 입각한 트래킹을 제공하는 것을 또한 생각할 수도 있다. 그 일예로서 열을 따라 길다란 원자열을 배치하여 그들 원자가 로컬 프로브에 의해 검출될 수 있게 하는 것이 있을 것이다.
[엑츄에이터:]
각각의 캔틸레버는 완화된(relaxed) 위치로부터 편향된(deflected) 위치로의 또는 편향된 위치로부터 완화된 위치로의 변위를 위해 엑츄에이터를 구비한다. 엑츄에이터에 의한 변위는 예를 들어 손상의 방지를 위해 감쇠될 수도 있다.
트랜스듀서(transducer)로서도 언급되는 일체형 압전 엑츄에이터에 의해 달성 가능한 여러가지 캔틸레버 운동은 PCT 특허 공개 WO 89/07256의 제34-37도에 도시된다. 이와 같이 달성 가능한 각종 운동은 캔틸레버 어레이의 밖에 있는 각 캔틸레버의 부가적인 자유로운 활동을 용이케 한다. 어레이 전체가 저장 매체에 걸쳐 완만한 폐루프(closed loop) 형태로 스캐닝되고 각 캔틸레버가 현재 얻을 수 있는 보다 작은 서브영역(subarea)을 스캐닝하는 것을 생각할 수 있다.
[개략적(coarse) 액츄에이터:]
각 캔틸레버의 액츄에이터 외에도, 특정 응용에 따라 초미세 거리의 개략적 조정이 필요할 수도 있다. 개략적 액츄에이터는 어레이의 프로브들을 저장 매체 및 캔틸레버의 미세(fine) 액츄에이터 범위 내에서 이동시켜 갭(gap)이 제어될 수도 있게 한다. 개략적 변위는 본 발명에 따라 제조 공차를 보상하여 어레이의 미사용시 또는 소정 영역의 삭제시 어레이를 파킹 위치로 이동시키는데 사용될 수 있다. 개략적 변위를 위해, PZT(압전 세라믹 물질; 리드 지르코네이트 티타네이트(Lead Zirconate Titanate) 액츄에이터 또는 정밀한 레버 및 마이크로미터 스크류가 사용될 수 있다.
상기한 액츄에이터는 본 발명의 저장 장치에 합체될 수 있거나 별도로 실행될 수 있는 특정 구동 회로를 필요로 한다. 스캔 운동이 데이터의 판독 및 기록에 사용되는 멀티플렉서/디멀티플렉서와 동기되도록 하는 것은 중요하다.
[인터페이스 전자 회로:]
구동 수단 및 판독/기록 전자 회로 외에도 인터페이스 회로가 필요하다. 이러한 회로는 마이크로프로세서, 멀티플렉서/디멀티플렉서, 병렬-직렬 변환기, 아나로그/디지탈 면환 회로 등을 포함할 수도 있다. 특히 중요한 것은 에러 정정 수단이다. 어떤 응용의 경우, 저장 장치의 모든 활동을 조정하는 마이크로프로세서를 이용하는 것이 바람직하다. 또한 저장 장치가 일 구성 요소로 되는 컴퓨터와 상호 작동하게 본 발명의 저장 장치를 설계하는 것을 생각할 수 있다. 아주 빠른 전자적 또는 광학적 스위치가 본 발명에 따른 저장 장치의 수백 또는 수천 프로브를 통해 억세스 가능한 막대한 양의 데이터를 다를 수 있게 이용될 수도 있다.
본 발명의 완전한 저장 장치를 설명하기에 앞서, 제1(a)도를 참조하여 그의 기본적인 구성 블럭도를 설명한다.
제1(a)도, 제1(b)도 및 제2도를 참조하여 본 발명의 제1실시예를 설명한다. 저장 필드(storage field)는, 제1(a)도에 도시한 바와 같이, 저장 매체(10) 내의 작은 요동부(perturbation)들을 포함한다. 이들 요동부의 각각은 비트(bit)를 표현한다. 이러한 요동부는 아주 작을 수 있다. 이 분야에서는 수 nm의 크기를 가진 요동부가 보고 되었다. 이러한 요동부의 용이한 검출을 위해서는 인접한 요동부들의 중심들을 약 30nm 만큼 이격시켜야 한다. 본 발명의 저장 필드는 30㎛×30㎛의 크기를 가져 106개 비트의 저장 밀도/저장 필드를 제공할 수도 있다. 제2도에는 네개 저장 필드(11.1-11.4)의 서브-어레이가 도시된다. 이러한 서브-어레이 내에는 4×106개의 비트가 저장될 수 있다. 저장 매체 및 요동부의 검출에 사용되는 프로세스에 따라, 약 100kHz/팁의 비트 스캔 속도(판독 속도)가 달성될 수 있다. 본 발명에 따르면, 각각의 팁에 대해 네개의 캔틸레버(13.1-13.4)를 가진 로컬 프로브 어레이가 전체적으로 대응하는 저장 필드(11.1-11.4)에 걸쳐 스캐닝되고 각 저장 필드 내의 데이터가 거의 동시에 어드레스된다. 이 측방향 운동 외에도 매체에 수직한 방향에서의 어레이 변위가 예를 들어 어레이의 파킹시에 유용할 수도 있다. 팁의 최대 측방향 스캔 행정은 단일 저장 필드의 치수에 의존한다. 이 실시예에서 최대 스캔 행정은 ≥30㎛이다. 공지된 x-y 위치 설정 수단을 사용하면 1ms 내지 1㎲의 억세스 시간이 달성될 수 있다. 이것은 약 10ms의 현재 디스크 억세스 시간에 아주 가까운 것으로 생각된다. 제2도에 도시된 저장 시스템의 경우, (106비트/저장 필드, 4 필드 및 100kHz 스캔 속도를 가정하면) 4×105비트/초의 총 데이터 처리 속도가 얻어질 수 있다. 물론, 이들 수치는 스캔 속도 및 저장 필드 수에 비례한다.
이제, 제1실시예 및 이 실시예에 사용되는 물질에 대해 보다 상세하게 설명한다. 로컬 프로브 어레이(20)는 금속화된 캔틸레버(13.1-13.4) 및 팁을 갖는다. 저장 매체는 얇은 옥사이드(oxide) 층(15)으로 덮인 반도체 기판(10)으로 이루어진다. 옥사이드 층(15)은 패턴화된 유전체(dielectric) 층(11.x)으로 코팅(coating)된다. 이들 유전체 층(11.x)의 크기 및 형상은 저장 필드를 규정한다. 캔틸레버(13.x)는 팁이 저장 필드에 대해 가압되도록 설계된다. 전체 어레이(20)를 저장 매체(10)에 걸쳐 스캐닝할 때 팁을 사용하여 대응하는 저장 필드의 전기적 특성을 측정한다.
제1실시예에 따른 저장 장치의 로컬 프로브 어레이는 네개의 X-Y 억세스 라인에 의해 간단히 어드레스될 수 있다. 억세스 라인의 각각은 로컬 프로브 어레이의 중요한 위치에 의해 주어진 저장 필드 내의 비트 위치에서 선정된 저장 필드내의 로컬 프로브의 판독/기록을 가능케 한다. N×N의 저장 필드를 가진 저장 장치의 경우, N2의 X-Y 억세스 라인이 필요할 것이다.
기판(10)으로서의 실리콘과 유전체 층(11.x)으로서의 니트라이드와의 조합이 저장 매체로서 아주 적합하다. 이러한 물질의 경우. 정보는 니트라이드 층 내에 트랩(trap)되는 전하의 형태로 저장될 수 있다. 전하는 바이어스를 각 팁에 인가하는 것에 의해 도입 즉 기록된다. 이같은 바이어스 인가는 옥사이드 층(15)을 통한 전하의 터널링을 야기하여 전하가 니트라이드 층(11.x) 내에 트랩되게 한다. 이들 전하 형태의 요동부는 수일에 걸쳐 안정될 수 있는 것으로 관찰되었다. 이들 요동부는 로컬 프로브의 팁을 사용하거나, 금속화된 캔틸레버의 사용에 의해 캐패시턴스 영상을 얻는 것에 의해서 검출 즉 판독된다. 요동부들은 팁과 저장 매체 간에 역 바이어스를 인가하는 것에 의해 대부분 제거될 수 있다. 전하 트랩 메카니즘은 완전 가역적이지 않아 항상 어느 정도의 전하 잔류물이 남겨진다. 특히, 짧은 역 바이어스 펄스를 팁에 인가하는 것에 의해 요동부를 삭제하려는 경우에는 그들 요동부가 완전하게 제거되지 않는다. 이러한 저장 매체를 오래 사용할 수록 저장된 정보의 판독시에 신호 대 잡음 비는 더욱 악화된다. 정보를 통상의 방법 즉 비트 단위로 삭제할 경우, 제2도의 전체 서브-어레이가 전체적으로 차단되거나 인접 필드들의 판독/기록 프로세스가 느린 삭제 프로세스로 인해 지연될 것이다. 본 발명에서는, 이같은 문제점을 때때로 전체 필드를 완전하게 지우는 것에 의해 해소했다. 이를 위해, 팁을 역 바이어스시켜 저장 매체 위에서 천천히 이동시키거나 부가적인 수단을 제고하여 전하를 제거시킬 수 있다. 별개의 접점들이 저장 매체의 배면 상에 있고 인접 저장 필드들이 서로로부터 충분하게 격리된 경우, 인접 저장 필드들을 예를 들어 개별적으로 지울 수 있다. 이는 한 저장 필드에 역 바이어스를 인가하는 것이 정보를 인접 필드에 기록하는 중에 가능케 한다.
이를 위해, 데이터 관리 방법 및 이의 구현을 위한 적정 수단이 제공된다. 비트 단위별 삭제를 위한 신뢰할 수 있고도 신속한 삭제 메카니즘이 존재하지 않으며 또한 존재 가능성도 없기 때문에, 다른 방법이 제안된다. 본 발명에 따르면, 새로운 정보나 변경될 정보가 특정의 선택된 빈 저장 필드나 이러한 저장 필드의 영역에 기록된다.
제3도에 일예가 도시된다. 이 도면에, 수개의 저장 필드(31)를 가진 저장 매체(30)의 평면도가 도시된다. 저장 필드(31)의 삭제 전, 여전히 필요한 이 필드 내의 모든 정보가 다른 빈 필드로 이전된다. 마찬가지로, 여전히 필요한 이러한 정보를 저장하기 위해 통상의 메모리 장치가 이용될 수 있다.
본 발명의 저장 장치는 여전히 필요한 정보로부터 더 이상 필요치 않은 정보를 식별해내는데 도움이 되는 수단을 포함한다. 이같은 식별은 유보된 별도의 저장 필드(33) 내에 유지된 테이블에 의해서 또는 예를 들어 각 저장 필드의 유보된 비트들에 의해서 행해질 수 있다. 두 가지 다른 방법을 제4도 및 제5(b)도와 관련하여 개관해 본다. 이들 도면에서, 저장 필드(40)는 예를 들어 25개의 비트 기억 위치를 포함한다. 이들 비트 중에서 두개(41)가 여전히 필요하고 모든 다른 비트가 더 이상 필요하지 않다고 가정하면 이들 두 비트는 적당히 표기되어야 한다. 제4도에서, 행 플래그(row flag:RF)(44)로서 언급되는 플래그 열(column of flags)과 열 플래그(CF)로서 언급되는 플래그 행이 존재한다. CF(45)의 제1 및 제2비트(43)가 상승되고(‘1’로 되고) RF(44)의 제2플래그(42)도 상승된다. 이들 플래그(42,43)는 비트(41)를 여전히 사용중의 것으로서 분명하게 인식한다.
제5(b)도에서, CF(45)는 회전되어 RF(44)의 다음에 위치된다. 제4도에서와 같이, CF(45)의 플래그는 저장 필드(40)의 제각기의 행을 가리키고 RF(44)는 저장 필드(40)의 제각기의 열을 가리킨다. 이같은 구성의 장점은, 제5(a)도의 단면도에 도시한 바와 같이, 병렬 레버(47) 프로브(46)의 어레이가 있다고 하면, 저장 필드 내의 비트들과 동시에 플래그들이 판독될 수 있다는 것이다. 다른 방법에서는 이들 병렬 프로브(46)를 하나의 동일한 캔틸레버의 단부에 설치할 것이다. 이 경우에는, z-축에 따른 어떤 자유로운 운동을 각 프로브에 부여하여 저장 매체의 표면 거칠음(surface roughness)을 없애는 부가적인 수단이 제공되어야만 한다. 30nm의 비트 크기를 가정하면, 팁의 실현을 위한 공간이 충분하지 않을 것인데, 이는 팁들 간의 거리도 30nm일 것이기 때문이다. 이같은 문제점을 극복하기 위해서는 저장 매체 상의 데이터를 중간 삽입 식으로 배열할 수도 있다. 인접 팁들 간의 거리가 30nm라고 가정하면 제1, 11, 21, 31 등의 열이 동시에 판독될 것이다. 이때, 프로브 어레이(46)는 30nm 만큼 이동되고 제2, 12, 22, 32 등이 판독된다.
별도의 테이블 또는 열 및 행 플래그를 사용하는 대신에 저장 필드 내의 각 비트 워드(word)가 그 워드 내에 포함된 정보가 여전히 필요한 지의 여부를 나타내는 헤더(header)를 포함한다.
저장 필드 내의 정보의 어떤 부분이 여전히 필요한 지를 나타내는데 사용되는 수단은 삭제 포인터(pointer)로서 후술되며, 차후에 사용될 수도 있는 정보와 더 이상 사용되지 않는 정보를 구별하는데 사용되는 프로세스는 삭제 데이터 관리로서 언급된다. 각 비트에 대해 열 및 행 플래그를 사용하는 경우, 저장 매체 상의 많은 공간이 이들 포인터에 대해 허비된다. 저장 필드 내의 정보를 구성하는 방법에 따라, 보다 적은 수의 포인터가 필요하다. 제6도에는 저장 필드 내의 5개 8-비트 워드에 대한 일 예가 도시된다. 이 도면에 도시되지 않은 전체 서브-어레이는 예를 들어 제각기 5개의 8-비트 워드를 저장하기 위한 용량을 가진 즉 전체 저장 장치가 800비트의 용량을 가진 20개 저장 필드(n=20)를 포함한다. 이 실시예에서는 제11의 저장 필드(60)(n=11)가 삭제될 것인데, 이는 대부분의 정보가 폐기되기 때문이다. 이 필드(60) 내의 제5의 워드만이 필요하다. 대응하는 삭제 포인터 테이블(62)에서, 제11저장 필드(60)(n=11) 내의 제5워드가 삭제되지 않아야만 하는 것을 나타내는 플래그(61)가 상승된다. 결과적으로, 제5워드는 전체 저장 필드(60)가 지워지기 전에 다른 필드로의 복사에 의해 구조된다.
이 실시예 및 이전 실시예로부터 명백하듯이, 정보가 삭제될 수 있는 지의 여부를 판정하기 위해 생각할 수 있는 많은 방법이 있다. 저장 필드 내의 비트 워드가 길수록 삭제 포인터 테이블 내의 포인터의 수가 더 적어지거나 더 적은 수의 삭제 플래그가 필요하다.
이제 삭제 데이터 관리 프로세스의 기본적인 단계를 설명한다.
1. 첫째, 삭제 포인터를 체크하여 특정 정보가 여전히 필요한지 또는 필요하지 않은지, 즉, 대응하는 플래그 및 헤더나 별도의 테이블이 고려되어야 하는지를 검출한다. 제4도 및 제5도에 도시된 예의 경우, 각 행 및 열의 간단한 AND 조합이 생성될 수도 있다. 다음 이 AND 조합의 결과는 저장 필드 내의 정보에 매핑(mapping)되어 여전히 필요한 정보로부터 더 이상 필요치 않은 정보를 식별한다.
2. 여전히 필요한 것으로 식별된 정보는 각 저장 필드로부터 다른 빈 저장 필드(예를 들어 제3도의 필드(32))로 이전된다. 일단 발원지(originating) 저장 필드 내의 모든 정보가 ‘구조’되면 다음 단계가 시작된다.
3. 전체 발원지 저장 필드 또는 수개의 이러한 필드는 이제 일시에 삭제된다. 이것은 저장 매체로서 사용되는 물질에 따라 상술한 바와 같이 조사(illumination), 가열, 소자화(demagnetizing) 또는 방전에 의해 행해질 수 있다. 하나 또는 수개의 저장 필드가 삭제되는 동안 저장 필드의 전체 표면이 캔틸레버와의 간섭없이 억세스될 수 있는 식으로 캔틸레버 어레이를 파킹하거나 이동시키는 것이 바람직하다. 개략적 액츄에이터는 예를 들어 캔틸레버 어레이를 제거하는데 이용될 수도 있거나 형상 기억 합금(shape memory alloy:SMA)이 어레이를 변위 또는 플립시키는데 사용될 수 있다.
4. 삭제된 저장 필드는 이제 빈 저장 필드로서 표기되어 처리될 수 있다.
삭제 포인터에 의해 지시되지 않은 정보가 다른 빈 필드로 이전되는 동안, 에러 정정 메카니즘이 정보의 붕괴 여부에 대한 체크를 위해 적용될 수도 있다. 순환 용장도 체크(cyclic-redundancy check)와 같은 어떤 유형의 에러 검출 메카니즘이 활용될 수 있다.
삭제될 정보를 지시하는 것 외에도 변경될 필요가 있는 정보를 억세스하기 위한 유사 방법이 사용될 수 있다. 이러한 ‘변경 포인터(change pointer)’를 사용하여 저장 필드로부터 워드를 검색할 수 있다. 이 워드는 그 다음 그를 처리하고 변경하는 프로세서에 보내진다. 변경된 워드는 그 다음 다른 빈 필드에 저장되고 그 월드가 저장된 저장 필드 내의 위치가 삭제 포인터에 의해 표기되는데, 그 이유는 이 정보가 더 이상 필요치 않기 때문이다. 계산 결과, 워드의 변경이 필요 없으면, 어떠한 삭제 플래그의 상승도 필요 없으며 그 워드를 다른 저장 필드 내에 기록할 필요가 없다.
정보의 중복 기록은 통상 가능하지 않기 때문에 저장 장치의 저장 필드는 어떤 상황에서는 채워질 것이다. 막대한 저장 용량에도 불구하고 이것에는 데이터 보상이 요구된다. 본 발명에 따르면 상술한 삭제 프로세스와 협력하여 데이터를 기하학적으로 보상하는 프로세스가 설명된다. 다음에서는 두 가지의 다른 보상 방법을 다룬다.
[인-아웃 클린 업(In-out clean up):]
상기 삭제 프로세스와 관련하여 설명한 바와 같이, 저장 필드는 각각의 삭제 포인터를 사용하여 더 이상 필요하지 않은 정보에 대해 탐색된다. 여전히 필요한 정보는 다른 빈 저장 필드로 이전된다. 본 발명에 따르면 이같은 정보 전달은 기하학적으로 행해진다. 즉, 발원지 저장 필드의 빈 영역은 비트 단위 별로 복사되어 목적지(destination) 저장 필드의 빈 영역으로서 나타난다. 이제, 보상 메카니즘(퍼지 퍼즐(fuzzy puzzle) 클린-업)이 목적지 필드 내의 빈 갭에 잘 들어맞는 다른 저장 필드 또는 서브-어레이로부터 파일 또는 워드를 탐색하기 시작한다. 수백 심지어는 수천의 다른 저장 필드가 존재한다는 사실로부터, 이러한 워드나 파일을 발견할 가능성이 아주 높다. 퍼즐에서와 같이, 이제 목적지 필드는 그의 저장 용량이 거의 또는 어떤 경우에서는 심지어 전체적으로 사용될 때까지 채워진다. ‘트래블링 세일즈맨(traveling salesman)’알고리즘이나 유전학적(genetic) 알고리즘을 사용하는 유형의 트래블링 세일즈맨 방법은 저장 밀도가 발전적 방식으로 최적화 되도록 사용될 수도 있다. 이러한 트래블링 세일즈맨 알고리즘 또는 유전학적 알고리즘은 정보가 한 저장 필드로부터 다른 것으로 직접 신속하고도 효과적으로 복사될 수 있게 한다. 이러한 빠른 알고리즘이 구현되지 않는 경우, 여전히 필요한 정보를 일시적인 저장 필드 또는 외부 저장 장치로 복사하는 것이 바람직하다. 정보는 그 다음 압축된 후에 예를 들어 빈 저장 필드에 저장된다.
데이터 압축 방법은 예를 들어 비워질 저장 필드의 선택을 위한 소정의 규칙을 인가하는 것에 의해 더욱 개선되거나 수정된다. 이 필드는 소정 필드의 폐기 데이터의 양과 다른 필드들의 데이터의 양을 비교하는 것에 의해 선택될 수도 있다. 대부분의 폐기 데이터를 가진 저장 필드, 즉 수개의 비트만이 필요한 필드가 먼저 처리될 수 있다. 그런 후, 그 다음의 후속하는 저장 필드들이 처리된다. 소정의 저장 필드들을 클린-업하기 위한 규칙들이 사용자에 의해 규정되거나 저장 장치의 설계시에 구현될 수 있다.
이제 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 통상적인 저장 수단의 대용으로서 적합한 저장 수단을 얻기 위해 저장 용량이 충분히 클 필요가 있다. 이러한 큰 저장 용량은 많은 저장 필드(71)를 가진 저장 매체(70)가 사용됨으로써 구현될 수 있다. 제7도에 개략 도시된 실시예에서, 저장 매체(70)는 1000×1000의 저장 필드(71)를 가진다. 각각의 저장 필드는 106비트의 용량을 가진다. 이것에 의해, 1테라비트까지 저장할 수 있는 저장 장치가 제공된다. 이같은 정보의 억세스를 위해 1000×1000의 캔틸레버(73) 및 프로브를 가진 2차원 로컬 프로브 어레이(72)가 제공된다. 이 어레이(72)는 저장 매체(70)에 가깝게 배치되고 프로브는 각 저장 필드에 할당된다. 이 예에서, 저장 장치는 정보의 판독 및 기록을 위해 터널링 효과를 이용한다. 각 프로브의 개별적인 어드레스를 위해 적당한 배선이 필요하다. 저장 매체의 배면에 공통의 접점을 사용하는 것에 의해 접지 전위에 저장 매체를 유지하는 경우 1억세스 라인/프로브가 필요하다. 이같은 가정은 캔틸레버가 z-변위를 위한 미세 엑츄에이터와 같은 능동 위치 설정 수단을 필요로 하지 않는 경우에만 유지된다. 2차원 로컬 프로브 어레이(72)의 기판상 공간은 10002의 억세스 라인을 운반하기에는 충분치 않다. 본 발명에 따르면, 이같은 문제는 캔틸레버 어레이(72)를 가진 기판상으로 플립되는 레벨 3로서 언급되는 다른 층(74)을 저장 장치가 포함한다는 점에서 반복적이다. 레벨 3은 판독/기록 라인(75.x) 및 선택 라인(76.x)과 공간이 허용되는 한 부가적인 전자적 판독/기록 회로를 운반한다. 이들 라인(75.x, 76.x)의 이용에는, 제9도를 참조하여 상세히 후술하는 다중화된 어드레싱 구성이 필요하다. 본 발명 저장 장치의 3개 레벨은 제7도에 개략적으로만 도시된다.
레벨 3 보드(board)(74)의 한 면에 전기적 배선을 구현할 수 없는 경우, 수개의 금속층 및 고립 시트를 가진 인쇄 회로판을 사용할 수 있다. 적당한 비아(via)에 의해 억세스 라인은 인쇄 회로판을 관통하여 금속 패드(pad)에 이른다, 이들 패드는 레벨 3 보드(74)가 로컬 프로브 어레이(72) 위로 플립될 경우에 어레이(72)의 프로브에 대한 접점이 보장되게 배치된다. 수개의 인쇄 회로판을 접속하는데 통상 사용되는 땜납 접합은 본 발명과 관련하여 사용하기에 아주 적합하다. 이렇게 얻을 수 있는 정렬 정확도는 본 발명의 고밀도 저장 장치를 구현하기에 충분하다. 정렬 및 기계적 상호 접속을 위해 땜납 접합을 사용하는 것 외에도 이들 접합은 로컬 프로브 어레이와 보드(74)간의 접속 수단으로서 작용할 수 있다. 레벨 3으로부터 레벨 2로의 용량성 결합을 생각할 수도 있다.
제7도의 실시예는 다음의 물질을 포함하고 판독/기록 프로세스는 후술하는 방법에 근거한다. 저장 매체(70)는 로컬 프로브 어레이(72)의 프로브에 의해서 국부적으로 분극화(polarizing)되는 강자성(ferroelectric) 물질 예를 들어 PZT를 포함한다. 박막 강자성 물질이 아주 적합하다. 저장 매체는 팁이 다음 비트 위치로 순방향 이동된 후에 국부적인 잔류 분극화를 보유한다. 인가된 역분극화 전압은 매체를 반대 방향으로 분극화시킬 것이다. 이 효과는 보다 높은 저장 밀도를 가진 쌍안정 저장 장치에 사용될 수도 있다. 국부적인 분극화는 비휘발적이다. 즉, 국부적인 분극화는 로컬 프로브가 이동되어 버린 경우에 변화되지 않은 상태로 유지된다. 국부적인 분극화 형태의 요동부는 로컬 프로브에 의해 인가된 필드의 상호작용 및 분극화 상태를 측정하는 것에 의해 검출, 즉 판독될 수 있다. 이 상호작용에 의해 터널링 전압 또는 전류가 변화된다. 바람직한 실시예에서는 팁이 저장 필드와 접촉없이 그 필드를 스캐닝할 것이다. 팁과 대응하는 저장 필드 간에 필요한 판독 및 기록 전압을 인가하는 것에 의해 정보가 저장 및 검색될 수 있다. 정보의 삭제를 위해 로컬 프로브 어레이(72)의 팁은 판독 및 기록에 사용된 터널링 전류 모드 대신에 전계 방출 모드로 동작된다. 전계 방출 모드에서는 보다 큰 전압 또는 전류가 저장 필드에 도입될 수 있다. 이 방법은 정보의 비트 단위별 삭제에 아주 적합하지는 않는데 이는 분해능이 감소되어 느리기 때문이다. 본 발명에 따르면 전계 방출 모드는 전체 필드의 클린-업에 사용된다. 이 클린-업 프로세스는 제1실시예와 관련하여 언급한 특정 데이터 관리 수단(data management means)에 의해 제어되고 수행된다.
제8도에 다른 저장 매체(80)의 일부를 도시한다. 이 저장 매체는 수개의 서브-어레이(81)로 분할된다. 각각의 이러한 서브-어레이는 제1도, 제2도 또는 제7도와 관련하여 예로서 설명한 바와 같은 많은 수의 저장 필드(82)(확대 스케치 참조)를 갖는다. 이런 식으로 저장 매체를 분할하는 것에 의해 훨씬 더 큰 저장 용량의 저장 장치가 구현될 수 있다. 이제 하나의 로컬 프로브 어레이가 서브-어레이(81)에 할당된다. 이들 로컬 프로브 어레이는 기계적으로 독립되어 어떤 서브-어레이들이 판독/기록 모드에 있는 반면에 다른 서브-어레이들은 파킹 또는 플립됨으로써 바로 아래의 저장 필드가 클린-업되도록 한다. 각각의 서브-어레이는 판독/기록 전자 회로 및 멀티플렉서/디멀티플렉서를 가질 수도 있다. 보다 높은 레벨의 데이터 관리 수단은 서브-어레이 간의 데이터 흐름을 제어하여 어떤 서브-어레이들이 현재 유용하지 않거나 억세스 가능하지 않은 등의 경우에 입력 데이터가 재분배하도록 제공된다.
에러 검출 및 정정(EDC)은 단일 또는 이중 비트 어레이를 검출하여 단일 비트 어레이를 정정할 수 있게 하는 서브-어레이에 의해 그러한 저장 장치에서 수행된다. 이것은 1 바이트의 에러 정정 코드(EDC)를 메모리의 각 4 바이트에 부속시키는 것에 의해 바람직하게 행해진다.
전술한 바와 같이, N×N의 저장 필드 및 N×N의 로컬 프로브를 가진 저장 장치는 N2의 어드레스 라인을 필요로 한다. 1000×1000의 로컬 프로브를 가진 저장 장치는 로컬 프로브 어레이의 표면 영역에 들어맞지 않을 106의 어드레스 라인을 필요로 한다. 제9도를 참조하여 설명되는 다른 방법은 이러한 상황에서 사용될 수 있다. 이 도면에 2차원 1000×1000 로컬 프로브 어레이의 팁(90)을 개략적으로 도시한다. 판독 증폭기(93.x) 및 기록 증폭기(92.x)를 가진 판독/기록 라인(91.x)은 로컬 프로브 어레이의 좌측 편에 도시된다. 부가적으로, 이 저장 장치는 1000개의 선택 라인(95.x)을 갖는다. 이 구성에 따르면, N개의 판독/기록 라인 및 N개의 선택 라인, 즉 총 2×N개의 라인만이 필요하며, 판독/기록 프로세스가 스태거(staggered) 방식으로 수행된다. 즉, 짧은 펄스들이 선택 라인(95.x)을 통해 공급된다. 이 때문에, 한 행의 팁이 다른 행의 팁 다음에 어드레스된다. 이 예에서, 제9도의 최상부에 도시한 바와 같이, 인접 행의 팁이 어드레스될 때까지는 100ns가 걸린다. 모든 1000 선택 라인(95.x)을 어드레스하는 데에는 100㎲가 걸린다. 저장 매체에 저장된 정보를 판독하는데 캡-센싱(cap-sensing)을 사용하면 팁 용량(102)은 간단한 트랜지스터 스위치(102) 및 판독 증폭기(100)를 사용하여 100ns의 속도로 샘플링될 수도 있다. 제각기의 블록도를 제10도에 도시한다. 유사한 방법이 현재의 동적 랜덤 억세스 메모리(BRAM)에 사용되었는데, 단지 차이점은 DRAM 용량이 로컬 프로브의 용량, 즉 팁 용량에 의해 대체된다는 것이다. 이하에서 본 발명에 따른 저장 장치를 포함하는 컴퓨터 시스템을 개관한다. 저장 장치는 기계적으로 독립된 로컬 프로브 어레이를 제각기 가진 다수의 서브-어레이를 포함한다. 서브-어레이들은 뱅크(banks) 및 페이지(pages)로 배열되어 저장될 데이터 비트를 수신하고 상기 장치로부터의 데이터 비트를 보유한다. 또한, 저장 장치는 상기 프로브에 접속되어 이것에 대한 데이터 전달을 행하는 다수의 판독/기록 라인을 포함한다. 커넥터는 상기 판독/기록 라인에 결합되어 저장 장치를 컴퓨터 시스템에 결합한다. 전체 저장 장치는 보호성의 봉합체 내에 위치한다. 메모리 제어기는 본 발명에 따른 데이터 관리 수단을 포함할 수도 있거나 직렬 또는 병렬 상호 접속 버스를 통해 그러한 데이터 관리 수단과 상호 작용할 수도 있다. 본 발명의 저장 장치는 정적 랜덤 억세스 메모리(SRAM) 버퍼에 또한 접속되어 저장 장치로부터의 데이터 행을 저장할 수도 있다. 상기한 메모리 제어기는 이 경우 SRAM의 로딩 및 선택을 위해 SRAM과 또한 상호 작용할 것이다. 이러한 SRAM은 클린-업을 위해 일시적인 메모리로서 또한 사용된다.
본 발명의 저장 장치는 비디오 저장 장치로서 사용하기에 아주 적합하다. 예를 들어, 64-비트 워드는 아주 빠르게 저장되고 검색될 수 있다. 저장 장치가 고속 버스 시스템 예를 들어 광학 버스를 통해 영상 프로세서에 연결되면 영상은 신속하고도 계속적으로 처리되고 디스플레이될 수 있다.
상술한 저장 장치는 막대한 저장 용량을 갖는다. 이러한 저장 장치는 그것이 사용되는 컴퓨터 또는 시스템에 따라 충분할 수도 있는데, 이는 주간, 야간, 주말에 한번 클린-업 및 데이터 비교를 행하거나 어떠한 프로그램도 저장 장치에 대해 억세스를 동시에 행하지 않는 경우에 그러하다. 제7도에 도시된 바와 같은 장치에서, 데이터 관리 수단은 레벨 1-3 중의 하나로 합체되거나 별도의 유니트로서 수행된다. 데이터 관리 수단이 저장 장치가 거의 찼거나 폐기 데이터를 포함하는 필드가 많다고 판단하는 경우에 클린-업 프로세스가 개시된다. 수행 상태에 따라, 키보드나 어떠한 응용 프로그램도 활동하지 않는다고 데이터 관리 시스템이 이해하는 경우에만 클린-업 프로세스가 시작된다. 휴대용 컴퓨터에 있어서, 클린-업 프로세스는 컴퓨터가 대기 모드인 경우에 시작된다.
전술한 바와 같이, 저장 매체는 또한 정보의 삭제를 위해 가열, 조사, 소자될 수도 있다. 이렇게 하기 위해서는 저장 매체가 위로부터 억세스될 수 있도록 캔틸레버 어레이가 플립되어야 하거나 파킹되어야 한다. 정보의 삭제를 위해서는 저장 매체를 아래로부터 억세스하는 것도 가능하다. 저항성 층은 예를 들어 저장 매체의 배면에 부착될 수도 있다. 이 저항성 층에 전압을 인가하는 것에 의해 매체의 온도가 상승될 수도 있다. 사용되는 저장 매체에 따라 이러한 온도 처리에 의해서 요동부가 제거된다.
요동부가 비트 단위 별로 제거되는 어떤 저장 매체가 이 분야에 알려져 있다. 이러한 요동부가 전체적으로 제거될 수 없다고 보고되고 있다. 이에 따라 신호 대 잡음비가 증가되어 더 이상 저장 매체가 사용될 수 없게 된다. 이때 저장 필드 또는 심지어는 포괄적 삭제 프로세스를 때때로 사용하여, 정보로서 잘못 표명될 수도 있는 매체 상의 잔류물을 제거할 수 있다. 이러한 저장 필드 또는 포괄적 삭제 프로세스는 항상 상당한 어떤 에너지를 필요로 한다. 본 발명의 저장 매체를 휴대용 컴퓨터에 사용하는 경우에는 컴퓨터가 AC 전원에 접속될 때까지 기다리는 것이 좋다. 이때 삭제 프로세스는 배터리로부터의 에너지 소비 없이 수행될 수 있다.
로컬 프로브 어레이가 본 발명에 따른 저장 장치의 가장 비싼 부분이기 때문에 불필요하게 저장 장치의 가격을 상승시키지 않고서도 다음과 같이 저장 장치의 용량을 증대시킬 수 있다. 로컬 프로브 어레이의 각각의 로컬 프로브는 수개의 저장 구역에 할당될 수도 있다. 열개의 로컬 프로브를 가진 로컬 프로브 어레이의 각각의 로컬 프로브에 열개의 저장 구역이 할당된다고 가정하면, 처음 열개의 저장 구역은 열개의 프로브에 의해 병렬로 억세스될 수도 있다. 이들 열 개의 구역중의 하나가 채워지면 다음 열개의 저장 구역이 억세스되도록 전체 로컬 프로브 어레이가 이동되고, 이러한 과정은 반복된다. 상기 로컬 프로브에 의해 현재 작동되지 않는 저장 구역 내에 저장된 정보에 대한 판독 억세스가 느려지는데, 이는 각 저장 구역에 로컬 프로브가 이를 수 있기 전에 전체 로컬 프로브 어레이가 더욱 긴 거리에 걸쳐 이동되어야 할 필요가 있기 때문이다.
본 발명은 멀티프로세서 환경에서 사용하기에 아주 적합하다. 이러한 환경에서, 본 발명의 저장 장치는 다수의 자주적인 서브-어레이(multiple autonomous sub-arrays)로 분리 구획될 수도 있다. 각각의 이러한 서브-어레이는 이때 멀티프로세서 시스템의 특정 프로세서에 할당될 수도 있다. 저장 장치의 다른 서브-어레이는 소정 계산의 결과가 모든 프로세서에 유응하게 되도록 공유될 수도 있다. 이들 공유된 서브-어레이에는 응용 프로그램이 또한 저장될 수 있다.
본 발명에 따르면, 소형화된 로컬 프로브 어레이의 병렬 동작에 의해, 테라비트 급의 저장 밀도 및 100 기가비트/초의 데이터 처리 속도가 달성될 수 있다.

Claims (30)

  1. ① 정보가 요동부(perturbations)(12)의 형태로 저장될 수 있는 저장 매체(stroage medium)(10)와, ② 프로브(plobes)(14)가 상기 매체(10)를 스캐닝(scanning)하도록 상기 매체와 대면하는 로컬 프로브 어레이(local probe array)(20)와, ③ 상기 요동부를 스캐닝할 때 상기 프로브의 각각으로부터 신호를 얻는(READ) 수단과, ④ 상기 매체 상에 상기 요동부를 기록하는(WRITE) 수단을 포함하는 저장 장치(strorage device)에 있어서, ⑤ 상기 매체의 제1구역(section)에서 삭제할 정보와 삭제하지 않을 정보를 구별하는 수단과, ⑥ 상기 삭제하지 않을 정보를 메모리, 바람직하게는 상기 매체의 다른 구역에 선택적으로 복사하는 수단과, ⑦ 상기 제1구역 전체를 삭제하는(ERASE) 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 삭제하는 수단은, 상기 로컬 프로브 어레이에 의해 운반되며(are carried), 상기 저장 매체의 전체 구역들을 일시에 삭제할 수 있도록 배열되는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 삭제하는 수단은, 상기 매체의 한 면 상에 위치되는 반면에 상기 로컬 프로브 어레이는 상기 매체의 다른 면 상에 위치되며, 상기 저장 매체의 전체 구역들을 일시에 삭제할 수 있도록 배열되는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 로컬 프로브 어레이(20)는 1-차원 또는 2-차원 캔틸레버 어레이(1-or 2-dimensional array of cantilevers)를 포함하며, 상기 캔틸레버의 각각은 상기 매체로부터 소정 거리에 유지되거나 접촉 모드(contact mode)로 동작되는 하나 또는 수개의 로컬 프로브를 운반하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 로컬 프로브 어레이 또는 상기 저장 매체는 각각의 프로브가 상기 저장 매체의 소정 구역을 스캐닝하도록 폐루프(closed loop) 방식으로 이동되는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  6. 제1 또는 5항에 있어서, 상기 매체는 제각기 적어도 하나의 대응하는 로컬 프로브에 의해 스캐닝되는 다수의 저장 필드(multiple storage fields)로 분할되는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 매체의 제1구역으로부터 삭제할 정보와 이 구역 내의 삭제하지 않을 정보를 구별하되 상기 삭제할 정보를 나타내는 포인터 또는 플래그(pointers or flags)의 분석을 통해 구별하는 데이터 관리 수단(data management means)을 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 데이터 관리 수단은 제1저장 필드로부터 삭제할 정보량을 다른 저장 필드의 정보량과 비교하여, 사전 규정된 규칙에 근거해서, 어떤 저장 필드를 먼저 삭제할 것인지를 판단하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 데이터 관리 수단은 트래블링 세일즈맨 또는 유전학적 알고리즘(traveling salesman or genetic algorithm)을 사용하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  10. 제7항에 있어서, 각각의 저장 필드가 그 저장 필드의 삭제될 비트들(bits)을 지시하는 플래그를 포함하거나, 상기 저장 매체가 그 저장 필드의 삭제될 비트들을 지시하는 삭제 포인터를 유지하는 테이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  11. 제4항에 있어서, 상기 캔틸레버는 전체 비트-워드(bit-words)가 상기 매체 상에 기록되거나 상기 매체로부터 판독될 수 있도록 수개의 프로브를 운반하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 로컬 프로브 어레이에 대한 상기 해체의 측방향 스캔 운동(lateral scan movement)이나 상기 매체에 대한 상기 로컬 프로브 어레이의 측방향 스캔 운동을 일으키는 엑츄에이터(actuator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  13. 제1항에 있어서, 삭제할 상기 매체의 구역(a section of said medium)으로부터 상기 로컬 프로브 어레이를 부분적으로 제거하거나 플립하는(remove or flip away) 엑츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 프로브에 대한 판독/기록 억세스(read/write access) 용의 어드레스 라인(address line)을 지지하는 보드(board)를 포함하며, 상기 보드는 각각의 어드레스 라인이 대응하는 프로브에 전기적으로 결합되도록 상기 로컬 프로브 어레이 위로 플립되는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 보드는 판독/기록 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  16. 제1 내지 15항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 매체는 다수의 자주적인 서브-어레이(multiple autonomous sub-arrays)로 분할되며, 이들 서브-어레이의 각각은 다수의 저장 필드와 로컬 프로브 어레이를 가지고, 이 로컬 프로브 어레이는 인접하는 서브-어레이들의 로컬 프로브 어레이들과는 독립적인 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  17. 제1 내지 15항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 매체는 얇은 옥사이드(oxide) 층(15)으로 덮인 반도체 기판(10)을 포함하고 이 옥사이드 층(15)은 유전체(dielectric) 층(11.x)으로 코팅(coating)되며, 요동부는 전하가 상기 매체 내에 트랩(trap)되도록 프로브에 의해 바이어스(bias)를 국부적으로 인가함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 프로브는 상기 반도체 기판(10)에 대한 배면 접점(back contact)을 포함함으로써, 팁과 상기 배면 접점 간에 전압이 인가되는 경우에 전하가 상기 매체 내로 국부적으로 도입되는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 매체는 강자성(ferroelectric) 물질을 포함하며, 이 강자성 물질 내에는 요동부가 상기 프로브에 인가되는 전압에 의한 국부적인 분극화(polarizing)에 의해서 생성되는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 요동부는 프로브에 인가되는 전압과 상기 요동부의 분극화의 상호 작용에 의해서 검출되는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 매체의 구역 또는 전체 저장 필드의 상기 요동부들은 그들이 전계 방출 모드로 동작하도록 상기 프로브에 충분히 큰 전압이나 전류를 인가하는 것에 의해서 또는 정보를 삭제하기 위한 다른 수단에 의해서 삭제되는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 매체는 국부적인 가열에 의해서 요동부들이 그 내에 형성될 수 있는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  23. 제22항에 있어서, 전체 구역의 상기 요동부들은 그 전체 구역의 가열에 의해 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  24. 제1항에 있어서, 상기 저장 매체는 유기물질(organic material), 바람직하게는, 폴리머(polymer)나 왁스(wax), 또는 액정(liquid crystal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  25. 제1항에 있어서, m개의 로컬 프로브와 이들 n개 로컬 프로브의 각각에 할당된 n개의 저장 구역, 즉 m×n개의 저장 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 장치.
  26. 제1 내지 25항에 따른 수개의 저장 장치를 포함하고 또한 컴퓨터 시스템과의 상호 접속을 위한 수단을 포함하는 대규모(mass) 저장 장치.
  27. ① 정보가 요동부(perturbations)(12)의 형태로 저장되는 저장 매체(stroage medium)(10)와, ② 프로브(probes)(14)가 상기 매체(10)를 스캐닝(scanning)하도록 상기 매체와 대면하는 로컬 프로브 어레이(local probe array)(20)와, ③ 상기 요동부를 스캐닝할 때 상기 프로브의 각각으로부터 신호를 얻는(READ) 수단과, ④ 상기 매체 상에 상기 요동부를 기록하는(WRITE) 수단을 포함하는 저장 장치(stroage device)에 저장된 정보를 삭제하는 방법에 있어서, ⑤ 상기 매체의 제1구역(section)에서 삭제할 정보와 삭제하지 않을 정보를 구별하는 단계와, ⑥ 상기 삭제하지 않을 정보를 메모리, 바람직하게는 상기 매체의 다른 구역에 선택적으로 복사하는 단계와, ⑦ 상기 제1구역 전체를 삭제하는(ERASE) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저장 장치에 저장된 정보의 삭제 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 매체의 제1구역으로부터 삭제할 정보와 이 구역 내의 삭제하지 않을 정보를 구별하되 상기 삭제할 정보를 나타내는 포인터 또는 플래그(pointers or flags)의 분석을 통해 구별하는 것을 특징으로 하는 저장 장치에 저장된 정보의 삭제 방법.
  29. 제27항에 있어서, 제1저장 필드 로부터 삭제할 정보량을 다른 저장 필드의 정보량과 비교하여 어떤 저장 필드를 먼저 삭제할 것인 지를 판단하는 것을 특징으로 하는 저장 장치에 저장된 정보의 삭제 방법.
  30. 제27항에 있어서, 삭제할 저장 필드로부터 판독한 정보를 압축한 후에 상기 메모리에 기록하는 것을 특징으로 하는 저장 장치에 저장된 정보의 삭제 방법.
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