211service.com
IBM försöker återuppfinna minnet
En ny nanotrådsbaserad minnesenhet som utvecklas av forskare vid IBM skulle kunna kombinera de bästa egenskaperna hos de olika typerna av minne som används idag, sänka kostnaderna och förbättra prestandan. Om det experimentella minnet tar slut – och arbetet fortfarande är i de mycket tidiga utvecklingsstadierna – skulle det kunna fungera som ett universellt minne, som ersätter de olika typer som nu används.
Nanowire minne: En magnetisk nanotråd (tunn linje upptill) gjord av järn och nickel sträcks mellan elektriska kontakter för att testa egenskaper som kan leda till bättre minnesenheter. Enheten lagrar bitar i form av domänväggar (visas längst ner), som är områden där två magnetiska områden i nanotråden möts.
Stuart Parkin , en experimentell fysiker vid IBM Almadens forskningscenter , i San Jose, CA, säger att minnet, som skulle packa hundra bitar av data på en enda nanotråd, potentiellt skulle kunna lagra 10 till 100 gånger mer data än flash - den typ av minne som används i digitalkameror och andra små bärbara enheter – samtidigt som den körs i mycket högre hastigheter. Och eftersom det är ett solid-state-minne skulle det vara mycket robustare än magnetiska hårddiskar, som kräver mekaniska enheter för att läsa och skriva data. I princip kan vi vara billigare än blixt skulle vara, tätare än blixt skulle vara och storleksordningar snabbare, säger Parkin. Och det finns ingen utslitningsmekanism, så den är helt pålitlig.
Allt detta borde vara möjligt, säger Parkin, som ett resultat av att tillämpa nya insikter i nanoskala beteendet hos magnetiska material och de elektroniska strömmarna i dessa material som öppnar vägen för att lagra många bitar av data på en enda nanotråd. Parkin har demonstrerat grundelementen i den nya typen av minne, men har ännu inte byggt en komplett prototyp.
Även om det är tidigt i utvecklingen har forskningen väckt uppmärksamhet på grund av Parkins meritlista för att göra stora genombrott inom magnetiskt minne. Hans tidigare upptäckter och uppfinningar har lett till en tusenfaldig ökning av lagringstätheten för magnetiska hårddiskar, vilket banat väg för de enorma datalagringscentra som är avgörande för dagens Internet, samt möjliggör den enorma lagringskapaciteten hos bärbara enheter som t.ex. som iPods. De nya minnesenheterna skulle kombinera fördelarna med de tre typerna av minne som används allmänt idag – hårddiskar, flashenheter och dynamiskt direktminne (DRAM) – samtidigt som man undviker många av deras nackdelar. Precis som hårddiskar, som är den billigaste formen av minne, skulle Parkins föreslagna enheter lagra databitar i ett magnetiskt medium. Men till skillnad från hårddiskar skulle de inte kräva ett mobilt huvud och snurrande skivor för att läsa och skriva dessa bitar. Det skulle faktiskt inte finnas några mekaniska delar, vilket gör Parkins minne mycket mer robust än en hårddisk: det skulle inte finnas någon risk för att läs- och skrivhuvudet skulle krascha in i det magnetiska mediet och förstöra data.
Multimedia
Se två möjliga konfigurationer av en ny typ av minne.
Parkins minne skulle också ha fördelar jämfört med konventionella solid-state-minne som DRAM och flash. Till skillnad från DRAM skulle det nya minnet inte kräva en kontinuerlig tillförsel av energi för att lagra data. Flash-minne har också denna fördel jämfört med DRAM: det kan lagra data utan ström. Men det går långsamt. Det nya minnet kan vara storleksordningar snabbare än flash, och till och med konkurrera med hastigheten på DRAM, säger Parkin.
Enheterna kan också vara mer kompakta och billigare än konventionella solid-state-minnen. De skulle likna ett sådant minne genom att de skulle använda miljontals tätt packade läs- och skrivenheter placerade i ett rutnät på ett minneschip, snarare än de få läs- och skrivhuvuden som används i hårddiskar. Men till skillnad från konventionellt solid-state-minne, där varje läs- och skrivenhet kan lagra mellan en och fyra bitar, skulle var och en vara ihopparad med en nanotråd som kan lagra mellan 10 och 100 bitar. Dessa bitar skulle snabbt transporteras längs nanotrådens längd, framdrivna av elektroniska pulser, och sedan läsas eller skrivas vid en punkt längs nanotråden.
Att använda färre läs- och skrivhuvuden per bit är ett mer kompakt arrangemang än konventionella solid-state-minnen. Detta är särskilt fallet om nanotrådarna är orienterade vinkelrätt mot chippets yta, så att de växer vertikalt från ytan, eller är avsatta i brunnar utskurna i chippet. I detta fall kan 100 bitar lagras i samma område som en bit i en konventionell anordning. Detta arrangemang är nyckeln till att göra minnet tätare och även billigare.
Det avgörande för tekniken är att hitta ett sätt att skjuta bitar längs med en nanotråd. I Parkins minne skulle bitar av information lagras genom att skapa eller ta bort magnetiska gränser som kallas domänväggar inom magnetiska nanotrådar. Dessa domänväggsbitar skapar distinkta magnetfält som kan läsas med konventionella enheter. Forskare har länge vetat att dessa väggar kan flyttas med hjälp av magnetfält, men väggarna skulle röra sig i samma riktning och förinta varandra. Nyckeln till att enheten fungerade var upptäckten att elektroniska strömmar i magnetiska material kan flytta dessa väggar längs en nanotråd och flytta dem alla i samma riktning. Det gör det möjligt att flytta runt bitar för att läsas av enstaka läs- och skrivenheter.
Innan sådana minnesenheter kommer att finnas på butikshyllorna finns det ett par problem som måste lösas. För det första är strömmen som krävs för att flytta domänväggarna alldeles för hög för att vara praktisk. Parkin säger att han gör framsteg på denna front, efter att ha upptäckt att strömmen kan minskas genom att justera frekvensen av korta skurar. Han arbetar också med nya material som kan kräva mindre ström.
En andra utmaning är att få en bättre förståelse för domänväggarnas beteende. Till exempel är det inte klart hur defekter i en nanotråd kan påverka deras beteende, eller hur nära domänväggarna kan placeras. Svaren på dessa frågor kan avgöra hur mycket tätare minnet kommer att vara, säger Stuart Wolf , professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid University of Virginia. Wolf noterar också att det kommer att vara svårt att nå DRAM-hastigheterna, eftersom det kommer att finnas en viss fördröjning involverad i att skjuta domänväggar längs en nanotråd.
Forskarna kommer troligen att börja med en enkel version av tekniken, där nanotrådarna är anordnade horisontellt på ett chip, snarare än vertikalt. Detta kommer fortfarande att tillåta minneskretsarna att vara ungefär lika täta som flashminne, men med mycket snabbare prestanda och större tillförlitlighet än flash. Om det är framgångsrikt skulle det motivera att spendera mer pengar på ännu mer kompakta enheter med vertikala nanotrådar, säger Parkin.