В наcтoящее время в кoмпьютерах дoминируют два типа запиcи инфoрмации – уcтрoйcтва c прoизвoльным дocтупoм (RAM, oперативная, флэш-память) и жеcткие магнитные диcки (HDD). При вcех их дocтoинcтвах oни не лишены и недocтаткoв. Так, традициoнные винчеcтеры не cлишкoм надежны из-за cвoих пoдвижных чаcтей, а их быcтрoдейcтвие, лимитированное cкороcтью вращения, оставляет желать лучшего – до 5 мс. Что касается флэш-памяти, то у нее время доступа к информации в миллион раз меньше – до 5 нс, зато она деградирует с течением времени – число циклов записи во флэш-картах ограничивается несколькими тысячами. К тому же они дороги. 1 бит данных обходится производителю винчестера в 100 раз дешевле, чем производителю флэш-памяти. При этом оба типа накопителей построены на двумерной геометрии, так что увеличение их емкости может происходить только за счет дальнейшей миниатюризации ячеек.
Исследователи из IBM Almaden Research Center (Альмаденского исследовательского центра в Сан-Хосе, Калифорния) разработали принципиально новую технологию устройства записи и хранения информации, которая должно объединить преимущества RAM и HDD и превзойти их по плотности записи. При этом оно будет потреблять в десятки раз меньше энергии и стоить дешевле. Вероятно, уже в следующем десятилетии устройства с энергонезависимой памятью заменят сегодняшние – с энергозависимой оперативной памятью, что позволит избавиться от ожидания при загрузке компьютеров, ведь операционная система и прикладные программы будут сохраняться в оперативно-запоминающем устройстве после их выключения. В новом типе устройств нет механических узлов, и это гарантирует высокие скорости, как считывания, так и записи данных. Число циклов записи стремится к бесконечности, и работать они способны в 100 тысяч раз быстрее.
Эта технология базируется на спинтронных (свойственных собственным внутренним моментам элементарных частиц) 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 треку. Поэтому такая технология получила название Racetrack Memory – «трековая память». Принцип работы здесь сводится к записи данных в стены магнитных доменов, представляющих собой границы между магнитными областями в проводнике. Оперировать битами данных можно импульсами тока. Технология Racetrack Memory может произвести революцию в сфере доступа и управления информацией. Идея создания такой памяти принадлежит одному из ведущих исследователей IBM Стюарту ПАРКИНУ, который запатентовал ее более четырех лет назад (патент США № 6,834,005). С тех пор Паркин и его группа ведут разработки в специально оборудованной лаборатории IBM. Как же все это будет происходить? Вспомним, как воспроизводится музыка в кассетных магнитофонах. Магнитная лента с участками разной намагниченности протягивается с постоянной скоростью через считывающую головку, которая «чувствует»
намагниченность проходящего участка ленты. Нечто подобное происходит и в устройствах с «трековой памятью». Только лента здесь остается неподвижной, а движутся сами намагниченные участки. Представим себе тонкую ферромагнитную проволоку, в которой есть участки локальной намагниченности определенной направленности. Области с одинаковой направленностью называются магнитными доменами. Размер домена (т.е. бита информации) задается расстоянием между центрами пиннинга (блокирования потока), которые заранее формируют в нанопроводе. Центры пиннинга можно создавать различными способами (насечки, модуляция толщины
провода и т.п.). Они должны не только задавать размер бита, но и стабилизировать магнитный момент домена. Домены разделены доменными стенками – узкими областями, где намагниченность перестраивается с одного направления на другое. Всего в такой
провод могут уместиться тысячи битов. Сама же микросхема памяти состоит из тысяч расположенных рядом U-образных проводов, размещенных по краю микросхемы. Проволока выполнена из железоникелевого сплава, обладающего высокой проницаемостью в слабых полях, – пермаллоя – и имеет 200 нм в диаметре. Это в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Когда сквозь намагниченную проволоку проходит ток (наносекундные импульсы), он становится спин-поляризованным и начинает оказывать влияние на элементарные магнитные моменты доменной стенки, разворачивать полярность магнитных доменов в ту или иную сторону. В результате доменная стенка сдвигается, причем направление и скорость сдвига одинаковы для всех стенок. Доменные стенки согласованно перемещаются в направлении движения электронов. Т.е. магнитные домены движутся, но сама проволока остается на месте. Теперь достаточно поместить в эту схему записывающее и считывающее устройства, и прототип «трековой памяти» готов.
Биты считываются туннельным магниторезистивным устройством, расположенным в контакте с треком. Происходит это менее чем за 1 нсек. А выглядит так. Вертикальная ячейка памяти устанавливается на кремниевую подложку поверх индивидуальных считывающего и записывающего элементов. Считывающий элемент создается на основе магнитного туннельного перехода. 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 все же течет, причем его сила очень чувствительна к направлению намагниченности участка трека. Если одно из двух возможных направлений намагниченности принять за «плюс», то второе направление будет соответствовать «минусу». 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 плюсов и минусов. 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. Ученые искали способы сохранять информацию на «стенках» магнитного домена почти полстолетия, но сталкивались со значительными трудностями, из-за которых подобные схемы хранения оказывались дорогими, сложными и неэффективными.
Научный сотрудник IBM Стюарт Паркин и его коллеги по Альмаденскому исследовательскому центру IBM нашли решение, как использовать эффекты, возникающие в результате взаимодействия спин-поляризованного электрического тока и намагниченных доменных стенок. В результате и появилась Racetrack Memory. Идея эта давно обсуждается, как наиболее вероятная замена существующим технологиям цифрового хранения данных. А группа Паркина создала первый образец «трековой» памяти и в данный момент трудится над созданием прототипа устройста. На это могут потребоваться два-четыре года, а затем примерно еще столько же на то, чтобы запустить технологию в коммерческое производство. Схема действия нового вида памяти Racetrack – ферромагнитный нанопровод, на котором информация записана в виде последовательности магнитных доменов. Нанопровода примерно вдвое длиннее последовательности битов, поэтому она может сдвигаться в обе стороны относительно провода. A – вертикальная конфигурация треков обеспечивает максимальную плотность записи; B – горизонтильная конфигурация; С – считывание при помощи магниторезистивного датчика; D – запись под действием поля поперечного провода; E – массив треков.
