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赛道存储器

数据存储的未来

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IBM® 研究院开发出了一种具有突破意义的固态“赛道存储器”,有朝一日,该设备将能够以同样低的成本比硬盘驱动器快得多的速度访问数据。这项技术有望使手持设备能够存储几千部影片,一块电池可以连续运行几个星期,并且几乎不会损坏。

发明新型存储器

2002年,Stuart Parkin 开始考虑硬盘驱动器和存储器芯片的基本技术的局限性—并且考虑是否有更好的方式设计一种无需部件移动的磁盘驱动器。他利用基于自旋电子学的存储器概念设计出了赛道存储器,并且在 2004年获得了他的第一项专利。此后,他和他的团队一起继续努力,试图证明这种新型存储器的物理学原理。

赛道存储器的运行原理

根据自旋电子学的概念,赛道存储器收集数据,并以磁域的形式存储这些数据,以在硅片表明上形成的垂直或水平纳米导线中形成一个磁图形。[阅读进步徽标“自旋电子学的应用” (英文)。] 所存储的数据可以使用自旋极化电流的短脉冲沿着纳米导线上下或前后移动。然后,数据可由每个赛道连接的一个设备读取。

绘制赛道存储器结构图

这个赛道存储器结构图由 Nikkei Electronics 绘制,描述了存取内存位选择、写入和读取的运行原理。

从 2004年左右开始,IBM 研究员在公司位于加利福尼亚州圣何塞的阿尔马登研究中心率先进行开发工作。Parkin 设想了这样一种设备:它就如同一个由磁性材料建造的摩天大楼组成的城市—每座大楼只有几百个原子的宽度—而每层楼包含单个字节的数据。通过采用特殊的电子流(量子力学的一个属性——电子在同一个方向自旋),数据沿着摩天大楼上下移动。这种“自旋极化”电流通过数据时,磁性数据可以沿着摩天大楼的垂直赛道上下移动。这些电流由每座大楼底部连接的一个晶体管生成。Parkin 说:“这样,每个晶体管仅存储一比特的数据,与其它所有固态存储器一样,而并非存储 100比特。这意味着固态存储器的价格与磁盘驱动器同样低,但性能要高 1000万倍!”

采用赛道存储器的个人存储设备可以装入一个别针中,记录佩戴人的每次对话,而这个设备需要几年才能存满数据。在企业中,海量存储器可能分布在各处,每个设备、传感器、摄像头和门把手中都存储了万亿字节的信息。

2010年 12月,在《科学》杂志发表的一篇文章中,Parkin 和同事详细介绍了赛道存储器从实验室项目到更接近成为一种商用产品的发现。研究人员透露了关于赛道存储器物理原理的不为人知的一个方面,即采用纳米导线上的磁图形对数字化数据的移动和处理进行测量时,精细程度要比测量人的头发高 1000倍。

赛道存储器依赖电子的自旋每小时将数据移动几百英里,沿着纳米导线隧道将数据移动到原子级的精确位置。数据以磁域形式存储在赛道中。这项新发现允许精确控制这些磁域的布局。通过控制设备中的电脉冲,科学家能够以每小时几百英里的速度移动域壁,然后将其放在所需的准确位置,从而实现在不到十亿分之一秒内访问海量的存储信息。

在过去几年内,Parkin 和他的小组已经发表了一系列论文,详细论述了采用自旋极化电流的超短脉冲移动磁性纳米导线中的磁域的动态。2006年,他们最先展示了毫微秒长的电流脉冲可以以每秒 110米的速度沿着导线推动磁域前进—比以前的发现快 100倍。

数据访问的速度是赛道存储器如此有吸引力的关键所在。预计赛道可以在不到 1-10毫微秒内读写一比特信息(视赛道长度而定)。硬盘驱动器需要在 3,000,000毫微秒内完成这项任务。闪存需要更长的时间才能将信息写入存储器。

赛道存储器的价格也可能更低。目前,固态存储器的价格一般要高于磁盘存储器。固态设备中的一个晶体管仅可以存储一比特的信息。将更多信息存入闪存的唯一方式是将最新、最小、最昂贵的晶体管组合在一起。

2010年,闪存驱动器的价格大约是每十亿字节 2美元。磁盘驱动器的价格是每十亿字节大约 10美分。赛道存储器可以在单个晶体管中存储 100比特或更多信息,这会使固态存储器的成本下降,与磁盘驱动器相当。赛道存储器可能会成为手持设备中闪存替代者,并有可能取代硬盘驱动器。

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