211service.com
IBM próbuje na nowo odkryć pamięć
Nowe urządzenie pamięci oparte na nanoprzewodach, opracowywane przez naukowców z IBM, mogłoby łączyć najlepsze cechy różnych typów pamięci używanych obecnie, obniżając koszty i poprawiając wydajność. Jeśli pamięć eksperymentalna wyczerpie się – a praca jest wciąż na bardzo wczesnym etapie rozwoju – może służyć jako pamięć uniwersalna, zastępująca różne obecnie używane typy.
Pamięć nanoprzewodowa: Magnetyczny nanodrut (cienka linia u góry) wykonany z żelaza i niklu jest rozciągany między stykami elektrycznymi, aby przetestować właściwości, które mogą prowadzić do lepszych urządzeń pamięci. Urządzenie przechowuje bity w postaci ścian domen (pokazanych na dole), czyli obszarów, w których spotykają się dwa regiony magnetyczne w nanodrutach.
Stuart Parkin , fizyk eksperymentalny w IBM Centrum Badawcze Almaden , w San Jose w Kalifornii, mówi, że pamięć, która upakowałaby sto bitów danych na jednym nanodrutze, mogłaby potencjalnie przechowywać od 10 do 100 razy więcej danych niż flash – rodzaj pamięci używany w aparatach cyfrowych i innych małych urządzeniach przenośnych – podczas pracy z dużo większą prędkością. A ponieważ jest to pamięć półprzewodnikowa, byłaby znacznie bardziej wytrzymała niż magnetyczne dyski twarde, które do odczytu i zapisu danych wymagają urządzeń mechanicznych. W zasadzie moglibyśmy być tańsi niż flash, gęstsi niż flash i rzędy wielkości szybsi, mówi Parkin. I nie ma mechanizmu zużywającego się, więc jest całkowicie niezawodny.
Wszystko to powinno być możliwe, mówi Parkin, w wyniku zastosowania nowych spostrzeżeń na temat zachowania materiałów magnetycznych w nanoskali i prądów elektronicznych w tych materiałach, które otwierają drogę do przechowywania wielu bitów danych na pojedynczym nanodrutze. Parkin zademonstrował podstawowe elementy nowego typu pamięci, ale nie zbudował jeszcze kompletnego prototypu.
Chociaż są na wczesnym etapie rozwoju, badania przyciągnęły uwagę ze względu na osiągnięcia Parkina w dokonywaniu poważnych przełomów w pamięci magnetycznej. Jego wcześniejsze odkrycia i wynalazki doprowadziły do tysiąckrotnego wzrostu gęstości zapisu na magnetycznych dyskach twardych, torując drogę dla ogromnych centrów przechowywania danych kluczowych dla dzisiejszego Internetu, a także umożliwiając ogromną pojemność pamięci urządzeń przenośnych, takich jak jako iPody. Nowe urządzenia pamięci łączyłyby zalety trzech powszechnie stosowanych obecnie typów pamięci — dysków twardych, dysków flash i dynamicznej pamięci o dostępie swobodnym (DRAM) — przy jednoczesnym uniknięciu wielu ich wad. Podobnie jak dyski twarde, które są najtańszą formą pamięci, urządzenia proponowane przez Parkin przechowują bity danych na nośniku magnetycznym. Ale w przeciwieństwie do dysków twardych, do odczytywania i zapisywania tych bitów nie wymagałyby ruchomej głowicy i obracających się dysków. Rzeczywiście, nie byłoby żadnych części mechanicznych, dzięki czemu pamięć Parkina byłaby znacznie bardziej wytrzymała niż dysk twardy: nie byłoby niebezpieczeństwa, że głowica odczytująco-zapisująca zderzy się z nośnikiem magnetycznym i zniszczy dane.
Multimedialne
Zobacz dwie możliwe konfiguracje nowego typu pamięci.
Pamięć Parkina miałaby również przewagę nad konwencjonalną pamięcią półprzewodnikową, taką jak DRAM i flash. W przeciwieństwie do DRAM, nowa pamięć nie wymagałaby ciągłego dostarczania energii do przechowywania danych. Pamięć flash ma również tę przewagę nad DRAM: może przechowywać dane bez zasilania. Ale jest powolny. Nowa pamięć może być o rząd wielkości szybsza niż flash, nawet dorównując szybkością pamięci DRAM, mówi Parkin.
Urządzenia mogą być również bardziej kompaktowe i tańsze niż konwencjonalne pamięci półprzewodnikowe. Przypominałyby taką pamięć w tym sensie, że wykorzystywałyby miliony ciasno upakowanych urządzeń odczytująco-zapisujących ułożonych w siatkę na chipie pamięci, a nie kilka głowic odczytująco-zapisujących używanych w dyskach twardych. Ale w przeciwieństwie do konwencjonalnej pamięci półprzewodnikowej, w której każde urządzenie do odczytu i zapisu może przechowywać od jednego do czterech bitów, każde z nich byłoby połączone z nanoprzewodem, który może przechowywać od 10 do 100 bitów. Bity te byłyby szybko przemieszczane wzdłuż nanodrutu, napędzane impulsami elektronicznymi, a następnie odczytywane lub zapisywane w jednym punkcie wzdłuż nanodrutu.
Użycie mniejszej liczby głowic odczytująco-zapisujących na bit jest bardziej kompaktowym układem niż konwencjonalna pamięć półprzewodnikowa. Dzieje się tak szczególnie w przypadku, gdy nanodruty są zorientowane prostopadle do powierzchni chipa, tak że wyrastają pionowo z powierzchni lub są osadzone w zagłębieniach wyrzeźbionych w chipie. W takim przypadku 100 bitów może być przechowywanych w tym samym obszarze, co jeden bit w konwencjonalnym urządzeniu. Ten układ jest kluczem do zwiększenia gęstości pamięci i zmniejszenia jej kosztów.
Kluczowe znaczenie dla tej technologii ma znalezienie sposobu na przemieszczanie bitów wzdłuż nanodrutu. W pamięci Parkina fragmenty informacji byłyby przechowywane poprzez tworzenie lub usuwanie granic magnetycznych zwanych ścianami domen w magnetycznych nanoprzewodach. Te bity ściany domeny wytwarzają charakterystyczne pola magnetyczne, które można odczytać za pomocą konwencjonalnych urządzeń. Naukowcy od dawna wiedzą, że te ściany można przesuwać za pomocą pól magnetycznych, ale ściany poruszałyby się w tym samym kierunku, anihilując się nawzajem. Kluczem do działania urządzenia było odkrycie, że prądy elektroniczne w materiałach magnetycznych mogą przemieszczać te ściany wzdłuż nanodrutu i poruszać nimi wszystkie w tym samym kierunku. Umożliwia to przesuwanie bitów w celu odczytania przez pojedyncze urządzenia do odczytu i zapisu.
Zanim takie urządzenia pamięci trafią na sklepowe półki, trzeba rozwiązać kilka problemów. Po pierwsze, prąd wymagany do przeniesienia ścian domeny jest zbyt wysoki, aby było to praktyczne. Parkin mówi, że robi postępy na tym froncie, ponieważ odkrył, że prąd można zmniejszyć, dostosowując częstotliwość krótkich impulsów. Pracuje również z nowymi materiałami, które mogą wymagać mniej prądu.
Drugim wyzwaniem jest lepsze zrozumienie zachowania ścian domen. Na przykład nie jest jasne, w jaki sposób defekty w nanodrutach mogą wpływać na ich zachowanie lub jak blisko mogą być rozmieszczone ściany domen. Odpowiedzi na te pytania mogą decydować o tym, o ile gęstsza będzie pamięć, mówi Stuart Wolf , profesor inżynierii materiałowej na University of Virginia. Wolf zauważa również, że trudno będzie osiągnąć prędkości DRAM, ponieważ będzie pewne opóźnienie związane z przemieszczaniem ścian domen po nanodrutach.
Naukowcy prawdopodobnie zaczną od prostej wersji technologii, w której nanodruty są ułożone poziomo na chipie, a nie pionowo. Dzięki temu układy pamięci będą mniej więcej tak gęste jak pamięć flash, ale będą miały znacznie wyższą wydajność i większą niezawodność niż flash. Jeśli to się powiedzie, uzasadnia to wydawanie większych pieniędzy na jeszcze bardziej kompaktowe urządzenia z pionowymi nanoprzewodami, mówi Parkin.