Магнитная память «на беговой дорожке»: быстро, дешево и надежно

Рис. 1. Движение доменных стенок под действием спин-поляризованного электрического тока
Рис. 1. Движение доменных стенок под действием спин-поляризованного электрического тока

Исследовательская группа под руководством Стюарта Паркина анонсировала первые результаты работ по созданию нового класса энергонезависимой памяти — памяти «на беговой дорожке» (magnetic racetrack memory, MRM), или трековой памяти. Она соединит в себе быстроту оперативной памяти и дешевизну жестких дисков, превзойдет их по плотности записи и при этом будет потреблять в десятки раз меньше энергии. Вероятно, уже в следующем десятилетии MRM заменит энергозависимую оперативную память, что позволит избавиться от ожидания при загрузке компьютеров — ведь операционная система и прикладные программы будут сохраняться в ОЗУ после их выключения!

В наши дни цифровая информация хранится на двух основных типах запоминающих устройств — на жестких магнитные дисках (hard disk drive, HDD) и твердотельных накопителях (solid state drive, SSD). Поскольку в основе механизма HDD лежит вращающийся магнитный диск, это уменьшает надежность хранения данных и делает доступ к ним довольно медленным — около 5 мс. У лишенных подвижных частей SSD-устройств (к ним относятся оперативные запоминающие устройства и флэш-память) время доступа к информации в миллион раз меньше — до 5 нс, но зато стоимость хранения одного бита примерно в 100 раз выше, чем у HDD. При этом оба типа накопителей построены на двумерной геометрии, так что увеличение их емкости может происходить только за счет дальнейшей миниатюризации ячеек.

Принципиально новую технологию хранения данных разрабатывает группа Стюарта Паркина (Stuart Parkin) из Альмаденского исследовательского центра (Almaden Research Centre) компании IBM в Сан-Хосе (США). Эта технология базируется на открытых не так давно спинтронных эффектах, в частности на использовании спинового тока для перемещения наноразмерных магнитных объектов — доменных стенок — в пределах магнитных нанопроволок. Под действием такого тока доменные стенки бегут друг за другом по этой проволоке, словно бегуны по спринтерской дорожке (треку). Поэтому такая технология получила название «память на беговой дорожке» (magnetic racetrack memory, MRM), или «трековая память».

Подобный подход позволит создать твердотельную память, соперничающую с жесткими дисками по стоимости и вместимости, но превосходящую их по производительности и надежности. Всё это может произвести революцию в сфере доступа и управления информацией.

Как работает память «на беговой дорожке»

Давайте сначала вспомним, как воспроизводилась музыка в старых кассетных магнитофонах. Магнитная лента, на которой расположены участки разной намагниченности, протягивается с постоянной скоростью мимо считывающей головки, которая «чувствует» намагниченность проходящего рядом участка ленты. Нечто подобное происходит и в устройствах с памятью «на беговой дорожке» — правда, с одной очень важной разницей: лента остается неподвижной, а движутся сами участки намагниченности!

Как такое может быть? Пусть у нас есть тонкая ферромагнитная проволока, в которой создана такая намагниченность, как показана на рис. 1. Отдельные стрелочки («маленькие магнитики») показывают направление локальной намагниченности материала; области, где это направление одинаковое, называются магнитными доменами. Домены разделены доменными стенками — узкими областями, где намагниченность перестраивается с одного направления на другое. На рисунке показаны три домена, разделенные двумя доменными стенками противоположной полярности.

Теперь в дело включается спинтроника. Когда ток проходит сквозь намагниченный материал, он становится спин-поляризованным (подробнее об этом процессе см.: Нобелевская премия по физике — 2007 и Первый спиновый транзистор на основе кремния открывает путь к электронике нового поколения). Спин-поляризованный ток, в свою очередь, начинает разворачивать маленькие магнитики в ту или иную сторону. В результате такого разворота доменная стенка как бы сдвигается, причем направление сдвига одинаково для всех стенок.

Рис. 2. Схематичное изображение последовательности доменов, пробегающих вдоль вертикальной нанопроволоки под действием спин-поляризованного тока (анимация со странички www.almaden.ibm.com)
Рис. 2. Схематичное изображение последовательности доменов, пробегающих вдоль вертикальной нанопроволоки под действием спин-поляризованного тока (анимация со странички www.almaden.ibm.com)

Если на проволоке имеется какая-то последовательность стенок, то все они будут под действием спин-поляризованного тока «бежать» вперед с одинаковой скоростью. Получается, что магнитные домены, ограниченные этими стенками, движутся, но сама проволока остается на месте. Теперь достаточно поместить туда записывающее и считывающее устройство, и прототип трековой памяти готов (см рис. 2).

Работа с этой проволочкой выглядит так. Вертикальная ячейка памяти (рис. 2) установлена на кремниевую подложку поверх индивидуальных считывающего и записывающего элементов. Считывающий элемент создается на основе магнитного туннельного перехода (МТП) — одного из базовых элементов спинтроники. В нем есть два тонких магнитных слоя, разделенные изолятором. По законам классической теории электричества ток сквозь непроводящую прослойку течь не должен, но благодаря квантовому явлению туннелирования небольшой ток всё же течет, причем его сила очень чувствительна к направлению намагниченности участка беговой дорожки.

Выберем одно из двух возможных направлений намагниченности и назовем его «ноль», тогда второе направление будет соответствовать «единице». Нужно также зафиксировать длину каждого бита, чтобы длинный домен без стенок соответствовал длинной цепочке одинаковых битов. Если теперь к беговой дорожке приложить последовательность импульсов спин-поляризованного тока, домены придут в движение, а по изменению сопротивления на считывающем элементе будет фиксироваться череда нулей и единиц.

Запись информации производится еще одной магнитной нанопроволокой, расположенной поперек беговой дорожки. Она тоже манипулирует намагниченностью доменов — в нужные моменты времени импульсы тока в этом элементе порождают и сдвигают доменные стенки на беговой дорожке. Другими словами, записывающий элемент способен перестраивать доменную структуру так, как нам будет угодно.

Что сделано

Так всё должно выглядеть в идеале. А что уже удалось сделать на данный момент? Пока не так много, чтобы можно было говорить о коммерческом внедрении результатов работы, но реальность этой технологии была без сомнения продемонстрирована.

Паркин и его коллеги научились создавать доменные стенки и гонять их по проволоке в любом направлении со скоростью свыше 100 м/с. Для проволоки длиной в несколько микрон это отвечает времени доступа в несколько десятков наносекунд — довольно быстро даже по современным меркам. Более того, авторам удалось создать и продемонстрировать в работе самый настоящий трехбитный сдвиговый регистр (рис. 3) — возможно, на его основе через 6-7 лет будет построена полноценная память «на беговой дорожке».

Рис. 3. Трехбитный однонаправленный сдвиговый регистр на основе магнитных доменных стенок. A — изображение магнитной нанопроволоки («беговой дорожки»), соединенной с электрическими контактами, по которым подаются наносекундные импульсы для сдвига доменных стенок и измеряется сопротивление. Данные кодируются направлениями намагниченности для трех доменов — B1, B2 и B3, находящихся между подводящими контактами. B — изменение сопротивления дорожки в зависимости от серии импульсов, используемых для записи и сдвига вдоль регистра последовательности 010111. Значение сопротивления «чувствует» дискретную величину — количество доменных стенок на проволоке между контактами. Светлые и затемненные области указывают на операции записи и сдвига соответственно. Таблица, расположенная под графиком, показывает соответствующую эволюцию состояний битов в течение операций. Выделенные цветом цифры показывают, как последовательность входных битов трансформируется в выходной сигнал после двух операций «запись–сдвиг». C — пояснение к сдвиговой операции. Черные и белые прямоугольники представляют доменные стенки, образованные сходящимися и расходящимися направлениями векторов намагничивания соответственно. Черные стрелки указывают направление намагниченности в пределах одного домена. Синие и красные стрелки показывают направление движения электрического тока в записывающем контакте
Рис. 3. Трехбитный однонаправленный сдвиговый регистр на основе магнитных доменных стенок. A — изображение магнитной нанопроволоки («беговой дорожки»), соединенной с электрическими контактами, по которым подаются наносекундные импульсы для сдвига доменных стенок и измеряется сопротивление. Данные кодируются направлениями намагниченности для трех доменов — B1, B2 и B3, находящихся между подводящими контактами. B — изменение сопротивления дорожки в зависимости от серии импульсов, используемых для записи и сдвига вдоль регистра последовательности 010111. Значение сопротивления «чувствует» дискретную величину — количество доменных стенок на проволоке между контактами. Светлые и затемненные области указывают на операции записи и сдвига соответственно. Таблица, расположенная под графиком, показывает соответствующую эволюцию состояний битов в течение операций. Выделенные цветом цифры показывают, как последовательность входных битов трансформируется в выходной сигнал после двух операций «запись–сдвиг». C — пояснение к сдвиговой операции. Черные и белые прямоугольники представляют доменные стенки, образованные сходящимися и расходящимися направлениями векторов намагничивания соответственно. Черные стрелки указывают направление намагниченности в пределах одного домена. Синие и красные стрелки показывают направление движения электрического тока в записывающем контакте

Давайте разберемся, как этот регистр работает. Перед началом записи с помощью достаточно сильного магнитного поля вся дорожка намагничивается в одну сторону (то есть записана последовательность единиц). Затем при помощи импульсного генератора через поперечный контакт (рис. 3А, слева) пропускается ток длительностью 10 нс. В зависимости от его направления и намагниченности дорожки непосредственно под ним может образоваться или не образоваться новая доменная стенка. Второй такой импульс, длительностью уже 70 нс, протекая вдоль дорожки, смещает стенки на длину одного бита. Цикл «запись–сдвиг» повторяется, и в итоге возникает последовательность логических нолей и единиц, как показано на рис. 3 (B и C).

Перспективы и проблемы

Рис. 4. Проект массива беговых дорожек для высокоплотной трехмерной записи информации
Рис. 4. Проект массива беговых дорожек для высокоплотной трехмерной записи информации

Что обещает создание нового класса памяти? Во-первых, из-за отсутствия движущихся частей (и даже движущихся атомов!) это будет быстрая, долговечная и в перспективе дешевая энергонезависимая память. Во-вторых, если на двумерной подложке создать «лес» вертикальных нанопроволочек (см. рис. 4) и на каждой записать не один, а много битов, то получится память с настоящим трехмерным хранением данных. Именно поэтому автор разработки считает, что эта технология вскоре превзойдет по плотности записи традиционные носители.

Сравнить различные типы памяти поможет таблица. Синим и красным цветом выделены наилучшие и наихудшие значения параметров соответственно. Как видно из таблицы, память «на беговой дорожке» по многим параметрам опережает уже созданные устройства для хранения информации, а также устройства, находящиеся на стадии разработки и внедрения, такие как фазоинверсная память (phase change RAM, PCRAM) и спиновая память с произвольной выборкой (spin MRAM), в которой используется спин-поляризованный ток для записи информации посредством передачи спинового момента.

Если ожидаемая плотность хранения данных будет реализована в готовом продукте, это будет означать, что мобильные телефоны, КПК и универсальные медиапроигрыватели смогут вмещать на борту в сто раз больше памяти, чем это возможно сегодня. Другими словами, портативный mp3-плеер сможет хранить до 500 000 песен.

Таблица. Сравнение характеристик существующих типов памяти и технологий хранения информации с характеристиками ожидаемой в ближайшие годы памяти «на беговой дорожке» и другими новыми технологиями, такими как фазоинверсная память (PCRAM) и спиновая память с произвольной выборкой (spin MRAM). Синим цветом выделены наилучшие, красным — наихудшие значения параметров
Таблица. Сравнение характеристик существующих типов памяти и технологий хранения информации с характеристиками ожидаемой в ближайшие годы памяти «на беговой дорожке» и другими новыми технологиями, такими как фазоинверсная память (PCRAM) и спиновая память с произвольной выборкой (spin MRAM). Синим цветом выделены наилучшие, красным — наихудшие значения параметров

Конечно, на пути к этому предстоит еще преодолеть немало трудностей. Во-первых, надо научиться синхронно двигать десятки доменных стенок (пока что были эксперименты не более чем с тремя стенками). Во-вторых, надо найти способ уменьшить силу спин-поляризованного тока, движущего стенки (в экспериментах сила тока была такова, что проволочка расплавилась бы в доли секунды, если бы ток шел постоянно). В-третьих, надо попросту научиться выращивать «лес» из вертикальных нанопроволок, как на рис. 4.

Тем не менее Паркин полагает, что готовая к применению память «на беговой дорожке» появится примерно через 7 лет — потребуется четыре года на производство прототипа и еще три года на его доработку для коммерческого использования.

Источники:
1) Stuart S. P. Parkin, Masamitsu Hayashi, Luc Thomas. Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory // Science. V. 320. P. 190–194 (11 April 2008).
2) M. Hayashi et al. Current-Controlled Magnetic Domain-Wall Nanowire Shift Register // Science. V. 320. P. 209–211 (11 April 2008).

Александр Самардак


10
Показать комментарии (10)
Свернуть комментарии (10)

  • VEN  | 02.05.2008 | 12:17 Ответить
    В целом интересная статья. В познавательном смысле.

    А в практическом плане, новая MRM-память однозначно проиграет конкуренцию DDR-памяти. За 7 лет, DDR3 (и следующие, еще более быстрые ее поколения) подешевеет до копеек, а плотность инф. в ней увеличится в разы (если не на порядки).

    7 лет слишком большой срок.
    Если бы это произошло скажем за год-два, тогда бы шансы у MRM еще были бы...

    PS: Исправьте пож. ошибку:
    "Паркин и его коллеги научились создавать доменные стенки и гонять их по проволоке в любом направлении со скоростью свыше 100 м/с. Для проволоки длиной в несколько микрон это отвечает времени доступа в несколько десятков наносекунд."
    Скорость доступа зависит не от длины нанопроволоки, а от длины "0" и "1" на этой проволоке.
    Ответить
    • vadyy > VEN | 02.05.2008 | 21:14 Ответить
      Круто! Полездность этого изобретения в том что нынешние производители памяти за 7 лет выжмут все из старых технологий. Так что скорость падения цен на флэшпамять останеться на пржнем уровне.
      Правда за эти семь лет могут возникнуть новые технологии, которые будут обещать еще больше плотности.
      Пределом совершенства будет "Квантоворегистровая память"
      Ответить
    • dims > VEN | 03.05.2008 | 11:37 Ответить
      Разьве DDR3 - это энергонезависимая память?
      Ответить
      • VEN > dims | 11.05.2008 | 19:56 Ответить
        Да, вы правы. DDR не энергонезависимая, и сравнивать MRM с ней не совсем корректно.

        Из анонса к данной статье:
        "Она соединит в себе быстроту оперативной памяти и дешевизну жестких дисков, превзойдет их по плотности записи и при этом будет потреблять в десятки раз меньше энергии." ( http://elementy.ru/news )
        следует, что MRM претендует на вытеснение оперативной памяти (DDR) с рынка как таковой. Я думаю, что MRM это не по силам, даже в будущем.
        Собственно этим и вызван мой самый первый коммент к статье... :-)

        Из ныне раскрученных технологий MRM стоит сравнивать только с FLASH-памятью. Флэшки пока достаточно "тормознутые" в сравнении с ожидаемой MRM, и может быть такими и останутся...
        Так что шансы на победу в этой нише у MRM есть. Лишь бы ее сумели довести до производства.

        PS: В компьютере MRM сможет претендовать на вытеснение только HDD/SSD, но оперативная память (DDR) в нем однозначно останется...
        Ответить
    • starbax > VEN | 04.05.2008 | 12:36 Ответить
      Главная надежда на MRM в том что памяти DDR уже не один год. Будущий прототип MRM составит конкуренцию последнему поколению DDR. Пройдет 7лет или даже 10, и никакому носителю памяти (из существующих) будет не угнатся за новой технологией.
      Ответить
    • asamardak > VEN | 04.05.2008 | 19:56 Ответить
      Технология производства DDR модулей довольно дорогостоящая (особенно по сравнению с HDD), поэтому темпы снижения цены хранения одного бита навряд ли ускорятся, да и физические пределы изготовления уже не за горами. Главное преимущество MRM - это энергонезависимость и высокая плотность хранения данных. IBM делает ставку на новую технологию, но из-за не соответствия производственных технологий требуемым для коммерциализации MRM, её массовое производство прогнозируется через 6-7 лет, когда технологии достигнуть нужного уровня. Не следует забывать, что MRM - первый тип 3D памяти. Например, горизонтальные беговые дорожки можно располагать друг над другом ярусами, что обеспечит беспрецедентную плотность хранения. Важная особенность MRM - параллельный доступ к данным, в отличие от последовательного в HDD.
      Никакой ошибки в статье нет, так как чтобы, к примеру, осуществить доступ к последнему домену на проволоке длиной 5 мкм потребуется 50нс. Для доступа к первому домену на проволоке потребуется всего около 10нс, так как средняя длина домена в пермаллое около 1 мкм. Ширина доменной стенки незначительная - от десятых долей нанометра до нескольких нанометров. Поэтому скорость доступа будет определяться именно длиной проволоки, а не размером домена.
      Ответить
      • VEN > asamardak | 11.05.2008 | 20:43 Ответить
        По времени доступа вы похоже правы. От длины проволоки в MRM оно тоже зависит.
        Видимо у меня сработал стереотип его определения для HDD. Там ведь без разницы какой длины дорожка.
        В MRM дорожка не закольцована, отсюда и различия...

        > Не следует забывать, что MRM - первый тип 3D памяти.

        Еще лет 7-8 назад я читал о работах в США инженеров (выходцев из России) над 3-мерной памятью. Они пытались писать инф. во всем объеме кристалла. У них даже что-то получалось, по крайней мере в статьях перспективы писались самые радужные.
        Судя по всему, на сегодня у них ничего не вышло... :-(

        Так что MRM далеко не первая в попытках создания 3D-памяти.
        Ответить
  • lesnik  | 02.05.2008 | 22:50 Ответить
    Для того, чтобы на подобной проволочке уместилось достаточное количество битов, какова должна быть её длина? Допустим, плотность информации - 1 нм на бит, тогда для 1 Мб длина должна быть порядка 1 см. И какова при этом будет скорость доступа к отдельному биту (1см/100м/с = 0,01 с)? Т.е. они хотят сделать относительно маленькие проволочки (по 1 мкм), но много (миллионы), но тем не менее не для каждого бита. Тогда нужно делать много считывающих головок. Возможно, и можно найти оптимальное соотношение.

    Я правильно понимаю, что для движения доменов сам источник тока для проволочки не надо делать спин-поляризованным, ток поляризуется в каждом домене соответственно и толкает таким образом свою стенку вперёд?
    Ответить
    • asamardak > lesnik | 04.05.2008 | 20:09 Ответить
      Паркин исследовал горизонтальные беговые дорожки длиной 6 мкм, в которых средний размер домена лежит в пределах 1-2 мкм. По расчетам Паркина проволока будет вмещать до 128 доменов, причем размер домена может быть значительно уменьшен. Даже если предположить, что беговая дорожка имеет длину 128 мкм, то уже сейчас мы получим время доступа к самому удаленному домену, равное 1.28 мкс, что все еще в тысячу раз выше, чем для HDD. Считывание информации в новой памяти будет осуществляться статическими магниторезистивными элементами, что позволит организовать параллельный доступ к данным. Для того, чтобы создать спин-поляризованный ток, достаточно его пропустить через беговую дорожку, т.е. никакое дополнительное устройство не требуется.
      Ответить
  • avetissian  | 11.01.2017 | 12:48 Ответить
    Ну и что там с памятью "на беговой дорожке"? Какие новости?
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»