|
科技部網(wǎng)站11月20日援引韓國科學(xué)技術(shù)信息通信部發(fā)布消息稱，韓國科學(xué)技術(shù)院和高麗大學(xué)聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出下一代超高速磁疇壁存儲(chǔ)器核心技術(shù)，該研究成果刊登在國際學(xué)術(shù)雜志《自然》上。 普通硬盤是通過盤體的旋轉(zhuǎn)來儲(chǔ)存信息，存在能源消耗大，速度慢的缺點(diǎn)，而磁疇壁存儲(chǔ)器是一種通過磁納米線中磁疇壁移動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)轉(zhuǎn)的新概念存儲(chǔ)元件，具有不易揮發(fā)和低耗電的特征。但由于其運(yùn)轉(zhuǎn)速度只能達(dá)到數(shù)百M(fèi)/S，為實(shí)現(xiàn)商用化需研發(fā)能夠使其高運(yùn)轉(zhuǎn)速度的核心技術(shù)。 此前開展磁疇壁存儲(chǔ)器研究多采用“強(qiáng)磁體”物質(zhì)，“強(qiáng)磁體”物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的磁化朝同一方向排列，不可避免Walker breakdown現(xiàn)象（磁性物質(zhì)本身帶有的角運(yùn)動(dòng)），這是是造成運(yùn)轉(zhuǎn)速度低的重要原因。 此次研究團(tuán)隊(duì)使用鐵磁體“GdFeCo”(包含釓 、鐵、鈷的金屬合金）進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)GdFeCo中的釓和FeCo的磁化以反平行狀態(tài)排列，兩個(gè)角運(yùn)動(dòng)在零點(diǎn)處重合時(shí)，Walker breakdown現(xiàn)象消失，磁疇壁的移動(dòng)速度在常溫下上升至2km/s。如在磁疇壁存儲(chǔ)器里加入該研究成果，則有望生產(chǎn)出大規(guī)模、低電量、不易揮發(fā)的下一代高超速儲(chǔ)存器。
磁信息存儲(chǔ)技術(shù)(a)硬盤；(b)磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器；(c)賽道內(nèi)存 背景資料：高速磁疇壁存儲(chǔ)器技術(shù)又稱“賽道”技術(shù) 近50年來，科學(xué)家一直探索在磁疇壁中存儲(chǔ)信息的可能性，RaceTrack（賽道）存儲(chǔ)是IBM實(shí)驗(yàn)室從2004年開始研究的一項(xiàng)新型存儲(chǔ)技術(shù)，《微型計(jì)算機(jī)》2013年1月介紹了磁疇壁存儲(chǔ)器的原理： 該技術(shù)結(jié)合了硬盤和閃存的諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅存儲(chǔ)容量大而且存儲(chǔ)的速度也非?？臁Ｅc此同時(shí)，存儲(chǔ)的成本也比固態(tài)硬盤要低，甚至功耗控制上也更為優(yōu)秀。 眾所周知，現(xiàn)今的大容量存儲(chǔ)設(shè)備主要分為兩類。一類是磁性硬盤（傳統(tǒng)HDD），容量大、成本低，但受機(jī)械部件所限而速度緩慢。另一類是固態(tài)硬盤（SSD），速度較快但是成本高昂。IBM RaceTrack（中文直譯為“賽道”）技術(shù)意在融合上述兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將磁性存儲(chǔ)固態(tài)化，以期獲得兩類設(shè)備的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。 IBM已經(jīng)證明，該項(xiàng)技術(shù)不但容量密度百倍于現(xiàn)有技術(shù)，訪問速度也快得多。它能拋棄傳統(tǒng)硬盤的機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)固態(tài)化，但成本又比SSD低了一大截。一項(xiàng)技術(shù)為什么能融合那么多優(yōu)點(diǎn)？本文將從該技術(shù)原理底層說起，為你揭秘“賽道”將如何改變我們的存儲(chǔ)世界。
“賽道”技術(shù)示意圖 摒棄拖累速度的機(jī)械結(jié)構(gòu) 賽道技術(shù)其實(shí)和當(dāng)前最常見磁記錄硬盤（常用的機(jī)械硬盤，簡(jiǎn)稱HDD）技術(shù)頗有關(guān)聯(lián)，都是磁性存儲(chǔ)。但賽道技術(shù)不存在需要機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)部組件（例如磁頭臂組合和馬達(dá)等），可以固態(tài)化。當(dāng)然此固態(tài)化和當(dāng)前流行的SSD固態(tài)硬盤又有所不同，畢竟SSD的存儲(chǔ)介質(zhì)是閃存，而賽道的存儲(chǔ)介質(zhì)依舊是磁性物質(zhì)。 前面說了，賽道技術(shù)和HDD頗有關(guān)聯(lián)，所以想了解賽道技術(shù)可以通過對(duì)比HDD來獲得更直觀的感受。一個(gè)典型的HDD結(jié)構(gòu)如右下圖所示。磁盤上的每一個(gè)圓周為一個(gè)記錄數(shù)據(jù)的“磁道”。在控制規(guī)則的作用下，磁頭臂將磁頭先移動(dòng)到待讀寫磁道的上方，然后磁盤的主電機(jī)帶動(dòng)盤面旋轉(zhuǎn)，使得磁道經(jīng)過磁頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁道上的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。簡(jiǎn)單點(diǎn)說傳統(tǒng)HDD就是讓磁頭在旋轉(zhuǎn)的盤片上去找數(shù)據(jù)，因此不論是移動(dòng)磁頭還是轉(zhuǎn)動(dòng)盤片都離不開機(jī)械結(jié)構(gòu)。而機(jī)械結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性和性能上難以進(jìn)一步拔高，例如在多年以前就達(dá)到每分鐘7200轉(zhuǎn)的馬達(dá)，現(xiàn)在的主流HDD產(chǎn)品也還依舊維持在7200r/min的規(guī)格。而與此同時(shí)，PC其他配件的技術(shù)和性能卻是日新月異，最終逐步導(dǎo)致HDD成為了當(dāng)前PC系統(tǒng)的一大性能瓶頸。
傳統(tǒng)HDD硬盤技術(shù)示意圖
? 而賽道存儲(chǔ)技術(shù)和傳統(tǒng)HDD最大的不同則是不再需要磁頭去找數(shù)據(jù)，而是數(shù)據(jù)來找磁頭。具體如何實(shí)現(xiàn)的呢？你可以理解為我們從HDD磁盤上取出一條正處于磁頭下方的磁道環(huán)，然后將這個(gè)磁道環(huán)切斷并拉直，它就成為了一條直線型的磁道，這也就是“道”的基本結(jié)構(gòu)（如右圖左上角）。那么是不是以后的磁頭需要直線運(yùn)作來讀取數(shù)據(jù)呢？顯然再引入機(jī)械結(jié)構(gòu)依舊會(huì)出現(xiàn)當(dāng)前HDD遇到的瓶頸，所以賽道技術(shù)的磁頭是固定的，需要數(shù)據(jù)來找磁頭。那么在這條磁道上的數(shù)據(jù)如何在磁道沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)的前提下移動(dòng)起來，這就是賽道技術(shù)的關(guān)鍵。
水平賽道結(jié)構(gòu)示意圖
垂直賽道結(jié)構(gòu)示意圖：通過將數(shù)據(jù)記錄在一條U型納米線上，垂直賽道結(jié)構(gòu)能提供最高的儲(chǔ)存密度。兩幅圖分別顯示了數(shù)據(jù)位自左向右經(jīng)過讀寫磁頭前后的變化
垂直賽道結(jié)構(gòu)的立體堆疊，組成了基本的賽道陣列。
圖6：數(shù)據(jù)位到達(dá)磁頭時(shí)，磁頭對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行讀寫操作。 關(guān)鍵在如何讓數(shù)據(jù)動(dòng)起來 根據(jù)上述介紹，要摒棄機(jī)械運(yùn)動(dòng)，就得讓記錄數(shù)據(jù)的磁性單元自己動(dòng)起來，而不是附著在盤片上等待電機(jī)將它送往磁頭下方。由此，IBM提出了基于“電流控制的磁疇壁納米線上移位”技術(shù)，并以此成就了整個(gè)賽道技術(shù)的發(fā)展。“電流控制的磁疇壁納米線上移位”的大致內(nèi)容是：給定一條能記錄磁性信息的納米線，往這條納米線上加入一定的控制電流，納米線上用來記錄磁性信息的“磁疇壁”將會(huì)在納米線上進(jìn)行受控運(yùn)動(dòng)。也就是說，能人為控制某個(gè)數(shù)據(jù)（磁記錄單元）按規(guī)定移動(dòng)到某磁頭下方被讀取。 在IBM給出的模型中，“賽道”就是類似一條被拉直的磁道的鐵磁性納米線，這條線可以容納用來表示數(shù)據(jù)位的磁性信息：“磁疇壁”。在這條納米線的附近放置著讀寫磁頭。通過往納米線上加入正向或反向的電流，使儲(chǔ)存了信息的數(shù)據(jù)位在納米線上來回移動(dòng)，去找到讀寫磁頭進(jìn)行讀寫操作，且不改變其他磁性單元的極性。 相信不少讀者都還記得“磁帶”，賽道的數(shù)據(jù)尋找機(jī)理和它有些類似。通過“快進(jìn)”或者“快退”到目標(biāo)區(qū)域，然后“播放”或者“錄制”來進(jìn)行讀寫。只不過磁帶是用電機(jī)移動(dòng)數(shù)據(jù)帶，而“賽道”是用電流來移動(dòng)數(shù)據(jù)單元。這使得賽道技術(shù)能夠完全脫離機(jī)械裝置，因而實(shí)現(xiàn)芯片化和固態(tài)化。 需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，在這樣一種數(shù)據(jù)位（磁性記錄單元）的移動(dòng)過程中，并沒有出現(xiàn)物體的運(yùn)動(dòng)（即沒有大量原子參與受控運(yùn)動(dòng)），只是“磁疇壁”這種用來表示數(shù)據(jù)的“符號(hào)”，沿著賽道移動(dòng)。打個(gè)比方就好像納米賽道線是“公路”，磁疇壁是“汽車”，車流移動(dòng)了，公路始終是固定的。而磁帶，或者傳統(tǒng)的HDD，甚至光儲(chǔ)存，則屬于“傳送帶”式工作。而且在“0”和“1”的表示上，賽道和HDD也并不完全相同，相對(duì)極性更穩(wěn)定。
IBM展示的賽道技術(shù)樣品芯片的X光照片。該芯片包含了256條賽道，每條賽道直徑為15～20nm。 “賽道”驚人的密度潛力 在IBM展示的工程樣品中，賽道的直徑能做到15～40nm之間，約為人頭發(fā)直徑的1/2000（頭發(fā)直徑約為0.07mm）。使用2013年的半導(dǎo)體工藝能夠輕松制造出32nm以下直徑的賽道磁線，即使傳統(tǒng)的水平封裝方式，其存儲(chǔ)密度也已經(jīng)能夠媲美常見的NANDFLASH（SSD），甚至略高一些。此外，和HDD磁盤的水平結(jié)構(gòu)不同，固態(tài)化的賽道可以改變放置角度，甚至垂直水平面樹立起來。而樹立起來的賽道可以很容易地實(shí)現(xiàn)立體堆疊，從而在有限的體積內(nèi)極大地提高存儲(chǔ)密度，增大單位容量。相比水平賽道，垂直賽道的密度能成倍增長(zhǎng)，可以達(dá)到SSD的100倍甚至更多。而且“每單元比特?cái)?shù)”/“單元占用面積”的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，讓賽道技術(shù)能更多地從工藝升級(jí)中獲益。也就是說工藝越先進(jìn)，賽道技術(shù)相比SSD和HDD的密度優(yōu)勢(shì)就越大。 |
|
|
