Mágneses memória a futópadon: gyors, olcsó és megbízható • Alexander Samardak • Tudományos hírek a "Elemekről" • Fizika, informatika, nanotechnológia

Mágneses memória a futópadon: gyors, olcsó és megbízható

Ábra. 1. A doménfalak mozgása spin-polarizált elektromos áram hatására

A Stuart Parkin által vezetett kutatócsoport bejelentette az első olyan eredményeket, amelyek egy új, nem felejtő memória-memória "egy futópadon" (mágneses versenypálya memória, MRM) vagy nyomkövető memória létrehozására irányulnak. Ez ötvözi a RAM sebességét és a merevlemezek alacsony költségét, felülmúlja őket a rögzítési sűrűségben, és ugyanakkor 10-szer kevesebb energiát fogyaszt. Valószínűleg a következő évtizedben az MRM lecseréli az illékony RAM-ot, amely megszabadul a számítógépről való betöltés várakozásából – mivel az operációs rendszert és az alkalmazásokat a RAM-ban tárolják, miután kikapcsolták őket!

Napjainkban a digitális információkat két fő tárolóeszközön tárolják: merevlemezes merevlemez-meghajtók és merevlemezes meghajtók (szilárdtestalapú meghajtók, SSD-k). Mivel a HDD mechanizmus egy forgó mágneslemezen alapul, ez csökkenti az adattárolás megbízhatóságát, és meglehetősen lassú – körülbelül 5 ms-ot tesz lehetővé. A mozgó alkatrészek (ide sorolva a véletlen hozzáférésű memória és a flash memória) nélküli SSD eszközök esetében az információhoz való hozzáférési idő milliószor kevesebb – akár 5 ns, de az egy bit tárolásának költsége körülbelül 100-szor magasabb, mint a merevlemezen.Ebben az esetben mindkét típusú akkumulátorok kétdimenziós geometriára épülnek, így kapacitásuk növekedése csak a sejtek további miniatürizálásának köszönhető.

A Stuart Parkin Almaden kutatóközpontja (Almaden Research Center), San Jose (USA) által fejlesztett alapvetően új adattárolási technológiát fejlesztett ki. Ez a technológia a közelmúltban felfedezett spintronikus hatásokon alapul, különösen a nanoméretű mágneses objektumok – doménfalak – mágneses nanovákon belüli spináram használatára. Egy ilyen áram hatására a tartományfalak egymás után futnak a vezeték mentén, mint a futópályák mentén futó pályák. Ezért ezt a technológiát "memória a futópadon" (mágneses versenypálya memória, MRM) vagy "nyomkövetési memória" -nak nevezzük.

Az ilyen megközelítés lehetővé teszi, hogy szilárd állapotú memóriát hozzon létre, amely a merevlemezekkel versenyben áll a költségek és a kapacitás terén, de teljesítményüknél és megbízhatóságuknál magasabb. Mindez forradalmat jelenthet a hozzáférés és az információkezelés terén.

Hogyan működik a futópadon a memória?

Először emlékezzünk arra, hogy a zenét régi kazettákban játszották.A mágneses szalagot, amelyen a különböző mágnesességű területek találhatók, állandó sebességgel húzódik az olvasófej mögött, amely "érzi" a szalag közeli részének mágnesezését. Valami hasonló történik a "futópadon" tárolt memóriaeszközökön – ugyanakkor nagyon fontos különbség van: a szalag marad mozdulatlan, és a mágnesezési területek is mozognak!

Hogy lehet ez? Tegyük fel, hogy van egy vékony ferromágneses huzalunk, amely ilyen mágnesezést hoz létre, amint az az 1. ábrán látható. 1. Az egyedi nyilak ("kis mágnesek") jelzik az anyag helyi mágnesezésének irányát; azon területek, ahol ez az irány megegyezik mágneses domének. A domainek megosztottak domain falak – keskeny területek, ahol a mágnesezést átállítják egyik irányból a másikba. Az ábrán három domén látható, ellentétes polaritású két doménfalakkal.

Most a spintronics is részt vesz. Mágneses anyagon áthaladó áram esetén spin-polarizálódik (további részleteket a Nobel-díj a fizikában – 2007 és az első szilícium alapú spin-tranzisztor nyitja meg az utat az új generációs elektronikához).A spin-polarizált áramlás viszont kis mágneseket hoz létre egy irányban. Ennek a megfordításnak köszönhetően a doménfal falai eltolódnak, és az eltolódási irány minden falon megegyezik.

Ábra. 2. A vertikális nanovezeték mentén futó tartományok szekvenciájának ábrázolása spin-polarizált áramlás hatására (animáció a www.almaden.ibm.com weboldalról)

Ha a huzalon néhány falszakasz van, mindegyik "fuss" előre a spin-polarizált áramlás hatására ugyanolyan sebességgel. Kiderül, hogy a falak által határolt mágneses tartományok mozognak, de a huzal maga a helyén marad. Most elegendő elhelyezni a felvevő és olvasó eszközt, és a prototípus sáv memóriája készen áll (lásd 2. ábra).

Ezzel a vezetékkel dolgozhatunk. A függőleges memóriakártyát (2. Ábra) szilícium hordozóra szerelik fel az egyes olvasó és íróelemek tetején. Az olvasóelem egy mágneses alagútcsomópont (MTP) alapján jön létre, amely a spintronika egyik alapvető eleme. Két vékony mágneses réteg van elszigetelve.A klasszikus villamosenergia-elmélet törvényei szerint az áram nem vezethet nem vezetõ rétegen, de az alagút kvantumjelensége miatt egy kis áram még mindig folyik, és erõssége nagyon érzékeny a futópad egy része mágneses irányára.

Válassza ki a mágnesezés két lehetséges irányát, és "nulla" -nak nevezze, majd a második irány az "egy" -nek felel meg. Szükséges továbbá rögzíteni az egyes bitek hosszát úgy, hogy egy hosszú, fal nélküli falrész azonos hosszúságú hosszú láncnak felel meg. Ha most a spin-polarizált áram impulzusainak sorozata kerül a futópadra, akkor a domének elindulnak, és egy sor nullát és egységet rögzítenek az olvasóelemre az ellenállásváltozásnak megfelelően.

Az információt egy másik mágneses nanovezeték rögzíti a futópadon. Azt is manipulálja a mágnesezését a tartományok – a megfelelő időben pont az aktuális impulzusok ebben az elemben generálják és eltolják a tartomány falát a futópadon. Más szavakkal, a rögzítési elem képes a domain szerkezet újraképítésére, ahogyan mi szeretnénk.

Mi történt

Tehát mindennek ideálisnak kell lennie.És mit sikerült ebben a pillanatban? Eddig nem annyira beszélhetünk az eredmények kereskedelmi megvalósításáról, de ennek a technológiának a valóságát kétség nélkül bizonyították.

Parkin és kollégái megtanulják, hogyan hozzanak létre doménfalat és vezessék őket a vezeték mentén bármilyen irányban 100 m / s sebességnél. A több mikron hosszúságú huzal esetében ez több tíz nanoszekundumos hozzáférési időnek felel meg – meglehetősen gyors, még a modern szabványoknak is. Sőt, a szerzők sikeresen létrehozták és bemutatják munkájukban egy valódi hárombites eltolási regisztert (3. Ábra) – lehetséges, hogy a "taposómalomon" egy teljes értékű memóriát építenek 6-7 év alatt.

Ábra. 3. Hárombites egyirányú eltolási regiszter a mágneses tartományfalak alapján. A – elektromos érintkezőkhöz csatlakoztatott mágneses nanovezeték ("futópad") képe, amelyen nanoszekundum impulzusokat alkalmaznak a domén falainak elmozdítására és az ellenállás mérésére. Az adatokat a három mezõ – a B1, B2 és B3 mezõk mágnesezési irányai – kódolják, amelyek a táplálási érintkezõk között helyezkednek el. B – a pályaellenállás változása a 010111 regiszterszekvencia mentén történő rögzítéshez és eltoláshoz használt impulzusok sorozatától függően. Az ellenállási érték "diszkrét értéket" érzékel – az érintkezők között a huzalon lévő tartományfalak száma. Világos és sötét területek jelezzen írási és eltolási műveleteket. A grafikon alatti táblázat a műveletek során a bitállapotok megfelelő alakulását mutatja. A kiemelt számok azt mutatják be, hogy a bemeneti bitek sorozata két írási művelet után kimeneti jelké alakul. C – a nyírási művelet magyarázata. Fekete és fehér téglalapok a mágnesezési vektorok konvergáló és divergáló irányai által alkotott doménfalak. Fekete nyilak jelölje meg a mágnesezés irányát egy tartományon belül. Kék és piros nyilak az elektromos áram mozgásának irányát mutatja a felvevő érintkezőben

Lássuk, hogyan működik ez a regiszter. Mielõtt elegendõen erõs mágneses mezõvel rögzítenénk, az egész pálya egy irányban mágnesezõdik (vagyis egy egység sorozata rögzítõdik).Ezután impulzusgenerátorral 10 ns áramot vezetünk át a keresztirányú érintkezésen keresztül (3A ábra, balra). Az irányától és a közvetlenül az alatta levő pálya mágnesezésétől függően új tartományfal lehet vagy nem alakulhat ki. A második ilyen impulzus, amelynek időtartama 70 ns, a pályán haladva, a falakat egy darab hosszúsággal mozgatja. Az "írási shift" ciklus megismétli, és ennek eredményeképpen logikai nullák és egy sorok sorozata megy végbe, amint azt az 1. ábra mutatja. 3 (B és C).

Perspektívák és problémák

Ábra. 4. A futópadok sorozatának projektje a nagy sűrűségű háromdimenziós adatrögzítéshez

Mi ígéri egy új memóriaosztály létrehozását? Először is, mert mozgó részek (és még mozgó atomok is) hiányoznak, ez gyors, tartós és hosszú távon olcsó, nem felejtő memória lesz. Másodszor, ha kétdimenziós szubsztrátumon (lásd a 4. ábrát) létrehozunk egy függőleges nanovezeték "erdőjét", és nem egy, hanem sok bitet írunk, akkor egy emléktárgyat kapunk valódi háromdimenziós adattárolással. Ezért a fejlesztő szerzője úgy véli, hogy ez a technológia hamarosan meghaladja a hagyományos médiát a rögzítési sűrűségben.

Hasonlítsa össze a különböző memóriatípusokat, segít a táblázatban.A kék és piros a legjobb és a legrosszabb paramétereket jelöli ki. Amint az az asztalról látható, a "taposómalom" memóriája sok szempontból megelőzi a már létrehozott adattároló eszközöket, valamint olyan eszközöket, amelyek a fejlesztés és végrehajtás szakaszában vannak, például a fázisváltási RAM, a PCRAM és a spin memória véletlenszerű hozzáféréssel (spin MRAM), amely spin-polarizált áramot használ az információ rögzítésére a spin pillanat közvetítésével.

Ha a várt tárolási sűrűséget a késztermékben hajtják végre, akkor azt jelenti, hogy a mobiltelefonok, a PDA-k és az univerzális médialejátszók százszor több memóriát tarthatnak a fedélzeten, mint amennyit ma lehet. Más szóval egy hordozható mp3 lejátszó akár 500 000 dalt is tárolhat.

Táblázat. A meglévő memória- és információs tárolási technológiák jellemzőinek összehasonlítása a futópad memóriájának várható jellemzőivel, valamint más új technológiák, például a fázis-inverz memória (PCRAM) és a spin véletlen hozzáférésű memória (spin MRAM) összehasonlítása. Kéken kiválasztotta a legjobbakat piros – a legrosszabb paraméterértékek

Természetesen ezen a téren még sok nehézséget kell még megoldani. Először is meg kell tanulnunk, hogy több tucat doménfalat szinkronban mozoghassunk (eddig három falnál nem volt több kísérlet). Másodszor, meg kell találni egy módot a falat mozgó spin-polarizált áramerősség csökkentésére (a kísérletekben az áram olyan volt, hogy a vezeték egy másodperc törtéig olvad, ha az áram állandó volt). Harmadszor, egyszerűen meg kell tanulnunk, hogyan lehet egy "erdőt" termelni a függőleges nanoágyakban, ahogy az ábrán. 4.

Ennek ellenére Parkin úgy véli, hogy körülbelül 7 év alatt megjelenik a "futópadon" használatra kész memória, amely négy évig tart a prototípus elkészítéséhez és további három évig, hogy kereskedelmi használatra módosítsák.

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

Alexander Samardak


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: