Трекова пам’ять, або пам’ять «на біговій доріжці»
Базується на відкритих недавно спинтронних ефектах, зокрема на використанні спинового струму для переміщення нанорозмірних магнітних об'єктів - доменних стінок - в межах магнітних нанодротів. Під дією такого струму доменні стінки біжать один за одним по цьому дроту, немов бігуни спринтерською доріжкою (треком).
Дослідницька група під керівництвом Стюарта Паркіна анонсувала перші результати робіт зі створення нового класу енергонезалежної пам'яті — пам'яті на біговій доріжці (magnetic racetrack memory, MRM), або трекової пам'яті. Вона поєднає в собі швидкість оперативної пам'яті та дешевизну жорстких дисків, перевершить їх за щільністю запису і при цьому споживатиме в десятки разів менше енергії. Ймовірно, вже в наступному десятилітті MRM замінить енергозалежну оперативну пам'ять, що дозволить позбутися очікування під час завантаження комп'ютерів — адже операційна система та прикладні програми зберігатимуться в ОЗП після їх вимкнення! У наші дні цифрова інформація зберігається на двох основних типах пристроїв, що запам'ятовують, — на жорстких магнітних дисках (hard disk drive, HDD) і твердотільних накопичувачах (solid state drive, SSD). Оскільки в основі механізму HDD лежить магнітний диск, що обертається, це зменшує надійність зберігання даних і робить доступ до них досить повільним - близько 5 мс. У позбавлених рухомих частин SSD-пристроїв (до них відносяться оперативні запам'ятовуючі пристрої та флеш-пам'ять) час доступу до інформації в мільйон разів менше - до 5 нс, зате вартість зберігання одного біта приблизно в 100 разів вище, ніж у HDD. При цьому обидва типи накопичувачів побудовані на двовимірній геометрії, тому збільшення їх ємності може відбуватися тільки за рахунок подальшої мініатюризації осередків. Принципово нову технологію зберіганняданих розробляє група Стюарта Паркіна (Stuart Parkin) з Альмаденського дослідницького центру (Almaden Research Centre) компанії IBM у Сан-Хосе (США). Ця технологія базується на відкритих недавно спинтронних ефектах, зокрема на використанні спинового струму для переміщення нанорозмірних магнітних об'єктів - доменних стінок - в межах магнітних нанодротів. Під дією такого струму доменні стінки біжать один за одним по цьому дроту, наче бігуни спринтерською доріжкою (треком). Тому така технологія отримала назву пам'ять на біговій доріжці (magnetic racetrack memory, MRM), або трекова пам'ять. Подібний підхід дозволить створити твердотільну пам'ять, що суперничає з жорсткими дисками за вартістю та місткістю, але перевершує їх за продуктивністю та надійністю. Все це може зробити революцію у сфері доступу та управління інформацією.
Як працює пам'ять «на біговій доріжці»
Що зроблено
Мал. 3. Трибітний односпрямований зсувний регістр на основі магнітних доменних стінок. A — зображення магнітного нанодроту («бігової доріжки»), з'єднаної з електричними контактами, якими подаються наносекундні імпульси для зсуву доменних стінок і вимірюється опір. Дані кодуються напрямками намагніченості для трьох доменів - B1, B2 і B3, що знаходяться між контактами, що підводять. B — зміна опору доріжки в залежності від серії імпульсів, що використовуються для запису та зсуву вздовж регістра послідовності 010111. Значення опору відчуває дискретну величину — кількість доменних стінок на дроті між контактами. Світлі та затемнені області вказують на операції запису та зсуву відповідно. Таблиця, розташована під графіком, показує відповідну еволюціюстанів бітів протягом операцій Виділені кольором цифри показують, як послідовність вхідних бітів трансформується у вихідний сигнал після двох операцій запис-зсув. C - Пояснення до зсувної операції. Чорні та білі прямокутники представляють доменні стінки, утворені схожими та розбіжними напрямками векторів намагнічування відповідно. Чорні стрілки вказують напрямок намагніченості в межах одного домену. Сині та червоні стрілки показують напрямок руху електричного струму в записувальному контакті Давайте розберемося, як цей регістр працює. Перед початком запису з допомогою досить сильного магнітного поля вся доріжка намагнічується однією сторону (тобто записана послідовність одиниць). Потім за допомогою імпульсного генератора через поперечний контакт (рис. 3А, зліва) пропускається струм тривалістю 10 нс. Залежно від його напряму та намагніченості доріжки безпосередньо під ним може утворитись або не утворитися нова доменна стінка. Другий такий імпульс, тривалістю вже 70 нс, протікаючи вздовж доріжки, зміщує стінки на довжину одного біта. Цикл «запис-сдвиг» повторюється, й у результаті виникає послідовність логічних нулів і одиниць, як показано на рис. 3 (B та C).
Перспективи та проблеми
Мал. 4. Проект масиву бігових доріжок для високощільного тривимірного запису інформації
Таблиця. Порівняння характеристик існуючих типів пам'яті та технологій зберігання інформації з характеристиками очікуваної найближчими роками пам'яті «на біговій доріжці» та іншими новими технологіями, такими як фазоінверсна пам'ять (PCRAM) та спінова пам'ять із довільною вибіркою (spin MRAM). Синім кольором виділено найкращі, червоним – найгірші значення параметрів
Звичайно, на шляху до цьогоналежить подолати чимало труднощів. По-перше, треба навчитися синхронно рухати десятки доменних стінок (поки що були експерименти не більше ніж із трьома стінками). По-друге, треба знайти спосіб зменшити силу спін-поляризованого струму, що рушить стінки (в експериментах сила струму була така, що тяганина розплавилася б у частки секунди, якби струм йшов постійно). По-третє, треба просто навчитися вирощувати «ліс» із вертикальних нанодротів, як на рис. 4. Проте Паркін вважає, що готова до застосування пам'ять «на біговій доріжці» з'явиться приблизно через 7 років — знадобиться чотири роки на виробництво прототипу і ще три роки на його доопрацювання для комерційного використання.