Исследовательская группа под руководством Стюарта Паркина анонсировала первые результаты работ по созданию нового класса энергонезависимой памяти — памяти «на беговой дорожке» (magnetic racetrack memory, MRM), или трековой памяти. Она соединит в себе быстроту оперативной памяти и дешевизну жестких дисков, превзойдет их по плотности записи и при этом будет потреблять в десятки раз меньше энергии. Вероятно, уже в следующем десятилетии MRM заменит энергозависимую оперативную память, что позволит избавиться от ожидания при загрузке компьютеров — ведь операционная система и прикладные программы будут сохраняться в ОЗУ после их выключения!
В наши дни цифровая информация хранится на двух основных типах запоминающих устройств — на жестких магнитные дисках (hard disk drive, HDD) и твердотельных накопителях (solid state drive, SSD). Поскольку в основе механизма HDD лежит вращающийся магнитный диск, это уменьшает надежность хранения данных и делает доступ к ним довольно медленным — около 5 мс. У лишенных подвижных частей SSD-устройств (к ним относятся оперативные запоминающие устройства и флэш-память) время доступа к информации в миллион раз меньше — до 5 нс, но зато стоимость хранения одного бита примерно в 100 раз выше, чем у HDD. При этом оба типа накопителей построены на двумерной геометрии, так что увеличение их емкости может происходить только за счет дальнейшей миниатюризации ячеек.
Принципиально новую технологию хранения данных разрабатывает группа Стюарта Паркина (Stuart Parkin) из Альмаденского исследовательского центра (Almaden Research Centre) компании IBM в Сан-Хосе (США). Эта технология базируется на открытых не так давно спинтронных эффектах, в частности на использовании спинового тока для перемещения наноразмерных магнитных объектов — доменных стенок — в пределах магнитных нанопроволок. Под действием такого тока доменные стенки бегут друг за другом по этой проволоке, словно бегуны по спринтерской дорожке (треку). Поэтому такая технология получила название «память на беговой дорожке» (magnetic racetrack memory, MRM), или «трековая память».
Подобный подход позволит создать твердотельную память, соперничающую с жесткими дисками по стоимости и вместимости, но превосходящую их по производительности и надежности. Всё это может произвести революцию в сфере доступа и управления информацией.
Как работает память «на беговой дорожке»
Как такое может быть? Пусть у нас есть тонкая ферромагнитная проволока, в которой создана такая намагниченность. Отдельные стрелочки («маленькие магнитики») показывают направление локальной намагниченности материала; области, где это направление одинаковое, называются магнитными доменами. Домены разделены доменными стенками — узкими областями, где намагниченность перестраивается с одного направления на другое. На рисунке показаны три домена, разделенные двумя доменными стенками противоположной полярности.
Теперь в дело включается спинтроника. Когда ток проходит сквозь намагниченный материал, он становится спин-поляризованным (подробнее об этом процессе см.: Нобелевская премия по физике — 2007 и Первый спиновый транзистор на основе кремния открывает путь к электронике нового поколения). Спин-поляризованный ток, в свою очередь, начинает разворачивать маленькие магнитики в ту или иную сторону. В результате такого разворота доменная стенка как бы сдвигается, причем направление сдвига одинаково для всех стенок.
Если на проволоке имеется какая-то последовательность стенок, то все они будут под действием спин-поляризованного тока «бежать» вперед с одинаковой скоростью. Получается, что магнитные домены, ограниченные этими стенками, движутся, но сама проволока остается на месте. Теперь достаточно поместить туда записывающее и считывающее устройство, и прототип трековой памяти готов.
Работа с этой проволочкой выглядит так. Вертикальная ячейка памяти установлена на кремниевую подложку поверх индивидуальных считывающего и записывающего элементов. Считывающий элемент создается на основе магнитного туннельного перехода (МТП) — одного из базовых элементов спинтроники. В нем есть два тонких магнитных слоя, разделенные изолятором. По законам классической теории электричества ток сквозь непроводящую прослойку течь не должен, но благодаря квантовому явлению туннелирования небольшой ток всё же течет, причем его сила очень чувствительна к направлению намагниченности участка беговой дорожки.
Выберем одно из двух возможных направлений намагниченности и назовем его «ноль», тогда второе направление будет соответствовать «единице». Нужно также зафиксировать длину каждого бита, чтобы длинный домен без стенок соответствовал длинной цепочке одинаковых битов. Если теперь к беговой дорожке приложить последовательность импульсов спин-поляризованного тока, домены придут в движение, а по изменению сопротивления на считывающем элементе будет фиксироваться череда нулей и единиц.
Запись информации производится еще одной магнитной нанопроволокой, расположенной поперек беговой дорожки. Она тоже манипулирует намагниченностью доменов — в нужные моменты времени импульсы тока в этом элементе порождают и сдвигают доменные стенки на беговой дорожке. Другими словами, записывающий элемент способен перестраивать доменную структуру так, как нам будет угодно.
Что сделано
Так всё должно выглядеть в идеале. А что уже удалось сделать на данный момент? Пока не так много, чтобы можно было говорить о коммерческом внедрении результатов работы, но реальность этой технологии была без сомнения продемонстрирована.
Паркин и его коллеги научились создавать доменные стенки и гонять их по проволоке в любом направлении со скоростью свыше 100 м/с. Для проволоки длиной в несколько микрон это отвечает времени доступа в несколько десятков наносекунд — довольно быстро даже по современным меркам. Более того, авторам удалось создать и продемонстрировать в работе самый настоящий трехбитный сдвиговый регистр — возможно, на его основе через 6-7 лет будет построена полноценная память «на беговой дорожке».
