Racetrack賽道存儲(chǔ)

不止IBM，蘋果等其他企業(yè)或是研究機(jī)構(gòu)也涉足這一技術(shù)，Stuart Parkin在提到Racetrack賽道存儲(chǔ)技術(shù)時(shí)表示，我們認(rèn)為Racetrack存儲(chǔ)技術(shù)是一種很有可能將傳統(tǒng)機(jī)械硬盤淘汰的技術(shù)。Parkin在 IBM主要復(fù)雜提高存儲(chǔ)密度的研究，在2008年正式公布Racetrack存儲(chǔ)技術(shù)，Racetrack存儲(chǔ)技術(shù)是基于一種叫電子自選的物理現(xiàn)象，通過尋找到找合適的材料來控制電子自選的方向來存放數(shù)據(jù)信息。

利用自旋存儲(chǔ)信息

在今年7月份一個(gè)會(huì)議上。IBM Almaden Research Center(阿爾馬登研究中心)主管近日表示，在悉尼召開的有關(guān)電子自旋的討論將會(huì)幫助IBM提高和改進(jìn)Racetrack存儲(chǔ)技術(shù)。

雖然原理上聽起來很簡單，但是設(shè)計(jì)和制造控制電子自旋的材料卻是十分復(fù)雜的問題。

IBM Almaden Research Center

澳大利亞研究中心的教授Simon Ringer表示，最大的問題在于怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)來讓我們改變和讀取電子自旋方向。

現(xiàn)在通過不同的方法來控制自旋方向的研究稱為“Spintronics”，Ringer教授表示這是一個(gè)包含多學(xué)科的領(lǐng)域，從材料科學(xué)、材料工程，電磁物理等等。

Spintronics

目前一般的做法是利用磁場來改變中的電子自旋方向，但是電子在磁場中會(huì)出現(xiàn)其他的一些問題。而利用不同的材料來從當(dāng)緩沖層減弱其他因素的影響能夠提高通過磁場控制自旋方向的效果。

Racetrack存儲(chǔ)技術(shù)研究歷程

Racetrack存儲(chǔ)是IBM實(shí)驗(yàn)室研究的一項(xiàng)新型存儲(chǔ)技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了硬盤和閃存的特點(diǎn)，不僅存儲(chǔ)容量大而且存儲(chǔ)的速度也非?？?。與此同時(shí)，存儲(chǔ)的成本也比閃存中固態(tài)硬盤要低，功耗也有較大的改觀。按照IBM研究人員的說法，運(yùn)用該技術(shù)，可以將目前手機(jī)、筆記本、服務(wù)器的存儲(chǔ)容量提升最多100倍，而且能耗遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)。

早在2004年，當(dāng)時(shí)IBM Almaden Research Center(阿爾馬登研究中心)的研究人員Stuart Parkin提出，他所領(lǐng)導(dǎo)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，已確定在電流影響下，當(dāng)存儲(chǔ)位移動(dòng)時(shí)，不會(huì)覆蓋先前存儲(chǔ)的信息。2008年4月，IBM的研究人員表示正在研究一種更小更輕且沒有運(yùn)動(dòng)部件的存儲(chǔ)產(chǎn)品，該產(chǎn)品將采用名叫Racetrack的新型存儲(chǔ)技術(shù)。Racetrack存儲(chǔ)技術(shù)正是基于04年的那項(xiàng)電流控制存儲(chǔ)位移動(dòng)的發(fā)現(xiàn)。

IBM對外宣稱，傳統(tǒng)硬盤易發(fā)熱，有噪音，怕震動(dòng)，這些缺點(diǎn)使其不符合新時(shí)期存儲(chǔ)的要求，IBM將爭取在10年內(nèi)把自己發(fā)明的傳統(tǒng)硬盤淘汰。固態(tài)硬盤雖有取代硬盤的趨勢，但由于成本太過昂貴，最終占領(lǐng)市場的可能性不大。相比之下，更為低廉且能耗較低的Racetrack更有可能取代硬盤。

在那年4月11日發(fā)行的《科學(xué)》雜志上，IBM在兩篇文章中公布了Racetrack存儲(chǔ)技術(shù)的原理以及基于此技術(shù)的新型存儲(chǔ)產(chǎn)品的構(gòu)想。文中指出Racetrack存儲(chǔ)技術(shù)將使得在同樣的空間內(nèi)存儲(chǔ)容量提升100倍，并且耗能也要比當(dāng)前技術(shù)少。

Racetrack技術(shù)要點(diǎn)圖

賽道存儲(chǔ)技術(shù)，采用了新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)都是讓計(jì)算機(jī)尋找所需數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)被告知地址后尋找地址。而Racetrack存儲(chǔ)技術(shù)則是讓數(shù)據(jù)自動(dòng)移動(dòng)到需要使用的地方。傳統(tǒng)的硬盤通過改變原子周圍磁矩的方向來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫，而在Racetrack存儲(chǔ)技術(shù)中，數(shù)據(jù)的讀寫則是通過電流控制一個(gè)叫磁疇壁(magnetic domain walls)的電子集合在非常細(xì)的磁線上移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。Parkin解釋說，就好像我們制作了一種磁性的波，但是卻沒有移動(dòng)原子本身。

在2010年12月下旬，IBM研究中心公布了“Racetrack”存儲(chǔ)儲(chǔ)技術(shù)的一項(xiàng)重要進(jìn)展，研究人員第一次測量了磁疇壁在電流脈沖刺激下的加速和減速時(shí)間與距離。由于磁疇壁在電流下的移動(dòng)規(guī)律是Racetrack技術(shù)的關(guān)鍵，此項(xiàng)進(jìn)展能讓科學(xué)家們更好地理解、控制磁疇壁移動(dòng)，也推動(dòng)了Racetrack技術(shù)的深入發(fā)展，為 Racetrack技術(shù)的產(chǎn)品化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在12月24日發(fā)行的《科學(xué)》雜志上，IBM研究人員這樣寫道：磁疇壁有質(zhì)量，加速和減速都需要時(shí)間。

理論性的問題基本解決了，Racetrack技術(shù)實(shí)現(xiàn)的道路上剩下的阻礙就更多的是技術(shù)上的問題，例如如何在Racetrack(賽道)上制作讀、寫的磁頭，以及如何制作匯集上百萬甚至上億萬賽道的Racetrack集成芯片。據(jù)國外最新的報(bào)道稱，按照目前的研發(fā)進(jìn)程，Racetrack存儲(chǔ)的原型產(chǎn)品最早有望于2年內(nèi)問世。

Racetrack存儲(chǔ)技術(shù)原理

作為新型的存儲(chǔ)技術(shù)，Racetrack采用了新的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方式。我們知道，在計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)都是以0和1的形式存儲(chǔ)的。在傳統(tǒng)硬盤中，代表這些的0和1的是原子磁矩方向。在Racetrack存儲(chǔ)技術(shù)中，代表這些0和1的是一系列的Magnetic Domain-Wall(磁疇壁)的電子自旋方向，磁疇壁是一群自旋方向相同的電子的集合。如下圖所示，圖中共有4個(gè)磁疇壁，其中上面的兩個(gè)和下面左邊一個(gè)的電子自旋方向相同，而最后一個(gè)磁疇壁的電子自旋方向則相反。

Magnetic Domain-Wall(磁疇壁)

磁疇壁是分布在磁納米線上的，這種此納米線的只有人的頭發(fā)的千分之一的粗細(xì)。通過電流控制磁疇壁在納米線上的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，這就像是賽車在賽道上行駛一樣，Racetrack技術(shù)名稱的由來這是這個(gè)原因。在每一條賽道上都有一個(gè)讀磁頭和寫磁頭。通過電流控制所需的磁疇壁移動(dòng)到這些讀寫磁頭的位置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。這種讓數(shù)據(jù)移動(dòng)到所需的位置的方式，不僅改變了傳統(tǒng)的讓計(jì)算機(jī)尋找數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模式，更重要的是使得Racetrack存儲(chǔ)沒有運(yùn)動(dòng)部件，避免了器件的損壞。

單個(gè)Racetrack

電流控制磁疇壁移動(dòng)的機(jī)制在IBM于2004年《科學(xué)》雜志發(fā)表的兩篇論文之一的《Current-Controlled Magnetic Domain-Wall Nanowire Shift Register(電流控制的磁疇壁納米線移位寄存器)》有詳盡描述。

利用自旋極化電流與磁疇壁中電子磁矩之間的交互作用，在磁疇壁中產(chǎn)生一種自旋轉(zhuǎn)移矩(spin transfer torque)，從而令其移動(dòng)。此項(xiàng)技術(shù)能以較小的功耗做到數(shù)據(jù)的高速讀取，更增加了Racetrack存儲(chǔ)取代當(dāng)今硬盤的砝碼。

磁疇壁的移動(dòng)

在IBM于 08年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的另外一篇文章《Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory(磁疇壁賽道存儲(chǔ))》中，Parkin博士及其同事描繪了Racetrack Memory(賽道存儲(chǔ))的模型。將賽道垂直或水平排列在硅圓表面，形成賽道存儲(chǔ)列陣。每個(gè)賽道存儲(chǔ)集合芯片上有上百萬甚至上億萬的的單個(gè)賽道。

Racetrack Memory

Racetrack存儲(chǔ)優(yōu)勢及展望

Racetrack技術(shù)這一IBM已研究達(dá)8年之久的新技術(shù)，Racetrack Memory是旨在取代IBM發(fā)明的硬盤的新一代存儲(chǔ)。相比如今的主流存儲(chǔ)，在多方面都有著不可比擬的優(yōu)勢。容量大、速度快再加之成本、低功耗小，使得 IBM堅(jiān)信Racetrack存儲(chǔ)能取代硬盤，并在08年宣稱這項(xiàng)存儲(chǔ)的更新在10年內(nèi)完成。

傳統(tǒng)硬盤雖然成本低，但是由于都是機(jī)械部件，導(dǎo)致速度緩慢，并且易發(fā)熱且怕震動(dòng)。而固態(tài)硬盤雖然速度快，可是其成本卻大大限制其的進(jìn)一步的推廣和發(fā)展。而且其擦寫次數(shù)的限制更是其的另一處短板，所以IBM才致力于新存儲(chǔ)技術(shù)的研究，以取代當(dāng)前缺點(diǎn)越來越突出的硬盤。

Racetrack存儲(chǔ)能在相同的空間內(nèi)存儲(chǔ)量是當(dāng)前技術(shù)的100倍，讀取速度也有增無減：“能在不到一納秒內(nèi)訪問海量數(shù)據(jù)”，與此同時(shí)成本也比固態(tài)硬盤要低得多，能耗也有較大改觀，基于這些，Racetrack存儲(chǔ)值得我們期待，但是它是否真的如提到的那樣，還需真正的產(chǎn)品出來才能見分曉。

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