Computerworld Norge, Норвегия

Решающее преимущество технологии Race-Track состоит в значительном росте плотности хранения
Стюарт Паркин уверяет, что в жестких дисках, построенных по новым технологиям, можно будет использовать существующие считывающие головки

Без исследований, проведенных Стюартом Паркином, было бы невозможно создать iPod и другие устройства для воспроизведения музыкальных записей, имеющих жесткие диски. Именно он в 1991 году обнаружил, что диапазон отклонений между так называемым параллельным и антипараллельным намагничиванием зависит от толщины немагнитной перегородки между ними. Проводимость контакта магнетиков при параллельной ориентации их намагниченностей значительно больше, чем при антипараллельной.

Несколькими годами позже, в 1994 году Паркин и его коллеги из IBM Research начали использовать этот эффект (он получил название сверхмагниторезистивного эффекта, GMR) для создания головок чтения/записи, которые увеличивают емкость жестких дисков в несколько раз.

Упрощение трехмерного хранения

Несмотря на то, что три года назад IBM продала свое подразделение жестких дисков компании Hitachi, Паркин продолжает свои исследования в области магнитных эффектов и «спинотроники» (изучение возможности использования такой характеристики электрона, как спин). Он участвовал в разработке памяти Magnetic RAM (MRAM). Эта технология и разнообразные PCRAM (программируемые проводниковые RAM) и FRAM (ферроэлектрические RAM) сейчас находятся в производстве и, как следствие, менее интересны физикам из IBM Research.

Вместо этого Паркин начал работать над Magnetic Race-Track Memory. Идея заключается в том, что в такой памяти биты хранятся в трехмерном виде, при этом читать или записывать их в трехмерном виде не нужно.

«Трехмерное хранение, например голографическая память, трудно реализуемо на практике, поскольку в этой технологии крайне сложно добиться миниатюризации», — пояснил Паркин.

Сотня сразу

В технологии Race-Track каждый бит хранится в U-образной строке битов, располагающихся рядом друг с другом. В процессе чтения/записи бит передвигается вперед и назад, ограниченный левой и правой стороной U. Это позволяет создавать модули памяти с более высокой плотностью записи, чем в традиционных носителях.

Преимущество RAM, внутренней памяти, заключается в ее очень высокой скорости. Однако при выключении электричества данные пропадают (это верно для SRAM и DRAM). Различные флэш-технологии (NAND, NOR и т. д.) также отличаются высокой скоростью и, кроме того, позволяют сохранять данные даже при отключении электричества. Недостатком флэш-технологии является то, что память можно перезаписывать лишь ограниченное число раз.

Неопределенные результаты

Все виды транзисторной памяти, не имеющие движущихся частей, обладают ограниченной емкостью хранения. Непревзойденными по этому параметру остаются жесткие диски и магнитные ленты.

К сожалению, они характеризуются сравнительно большим временем доступа. Кроме того, наличие движущихся частей ограничивает срок службы.

Паркин решил объединить все лучшее различных типов памяти, в то же время избавившись от их недостатков. Он доказал истинность принципов, лежащих в основе Race-Track, но постоянно подчеркивает, что никому не известно, можно ли воплотить их на практике.

Движущиеся стенки

В магнитных носителях информация, или биты, представлена в виде точек на поверхности носителя, имеющих различную магнитную ориентацию. Магнитная ориентация определяется тем, куда направлен спин электронов (условно вверх или вниз).

Одна из трудностей, с которой столкнулся Паркин, заключается в том, как изменить спин, не перемещая электроны. В лаборатории IBM в Алмедене ученые показали, как это можно осуществить с помощью так называемых доменных стенок, движущихся под воздействием электрических токов.

Движение доменных стенок означает движение битов информации вперед и назад по стационарной головке чтения/записи. То есть если удастся найти способ хранения битов в стационарной «подкове», трехмерная память будет создана.

Больше электричества

По словам Паркина, можно будет использовать существующие считывающие головки, но проблема заключается в создании нового типа записывающих головок.

Еще одна трудность, с которой столкнулся Паркин, заключается в ограничении уровня электроэнергии, необходимого для обеспечения движения доменных стенок.

Достижимого сейчас уровня электроэнергии почти достаточно, чтобы перемещать атомы, но при этом возникает нежелательный эффект износа материала.

Вдобавок ученые не пришли к единому мнению о том, имеют ли доменные стенки массу или нет. Паркин относится к той группе физиков, которые не думают, что движущиеся доменные стенки не имеют массы, хотя другие ученые считают, что так оно и есть.

За пределами IBM

Для того чтобы реализовать Race-Track, ученые хотят использовать наноловушки, которые представляют собой слои наночастиц металлов толщиной в один-два атома, соединенные слоем полимера.

Внедренные частицы размером один-три нанометра при этом распределяются в полупроводниковых полимерных материалах.

Такая наносистема сложна в реализации, поскольку электрическое сопротивление в проводниках становится значительным при использовании таких тонких слоев, не говоря уже о трудностях создания материала толщиной в два атома.

Движущиеся атомы

Движение отдельных атомов в туннельных микроскопах открывает новые возможности в электронной отрасли.

Одно из преимуществ Race-Track состоит в том, что плотность хранения может быть значительно увеличена при существующем уровне компактности современных интегральных микросхем.

Сейчас используются микросхемы с полупроводниками шириной 90 нм, и добиться ширины в 35 нм вполне реально, например за счет применения жидкости вместо воздуха.

Добиться размера, существенно меньшего 35 нм, сложно без обращения к методу нанопечатной литографии, который позволяет располагать проводники на расстоянии 10-25 нм.

Но, если разработчики микросхем действительно проникнут в наномир, где возможны проводники шириной всего несколько атомов, инженерам придется научиться двигать атомы.

Перспектива

Ученые IBM были первыми, кто смог передвинуть отдельные атомы. Это было сделано с помощью сканирующего туннельного микроскопа, за создание которого специалисты IBM в 1986 году получили Нобелевскую премию вместе с Эрнстом Руска из Института Макса Планка.

«Альтернативой STM могут стать биотехнологии, которые позволят выращивать электронные микросхемы», — считает научный сотрудник IBM Research Андреас Хенрич.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями