Память о гоночной трассе
 | Эту статью необходимо обновить . ( декабрь 2021 г. ) |
| памяти компьютера и хранения данных компьютера Типы |
|---|
| Неустойчивый |
| Энергонезависимый |
Память Racetrack или память доменной стены ( DWM ) — это экспериментальное энергонезависимое запоминающее устройство, разрабатываемое в IBM в Исследовательском центре Альмадене командой под руководством физика Стюарта Паркина . [1] Это текущая тема активных исследований в Институте физики микроструктур Макса Планка в группе доктора Паркина. В начале 2008 года была успешно продемонстрирована 3-битная версия. [2] В случае успешной разработки гоночная память имела бы более высокую плотность хранения , чем сопоставимые твердотельные запоминающие устройства, такие как флэш-память . [ нужна ссылка ]
Описание [ править ]
Память на беговой дорожке использует спин -когерентный электрический ток для перемещения магнитных доменов вдоль наноскопической проволоки из пермаллоя диаметром около 200 нм и толщиной 100 нм. Когда ток проходит по проводу, домены проходят через магнитные головки чтения/записи, расположенные рядом с проводом, которые изменяют домены для записи комбинаций битов. Устройство памяти на гоночной трассе состоит из множества таких проводов и элементов чтения/записи. В целом принцип работы «памяти на беговой дорожке» похож на более раннюю «пузырьковую» память 1960-х и 1970-х годов. Память с линиями задержки , такая как ртутные линии задержки 1940-х и 1950-х годов, представляет собой еще более раннюю форму аналогичной технологии, которая использовалась в компьютерах UNIVAC и EDSAC . Как и пузырьковая память, память на беговой дорожке использует электрические токи, чтобы «проталкивать» последовательность магнитных доменов через подложку и прошлые элементы чтения/записи. Улучшения в возможностях магнитного обнаружения, основанные на разработке спинтронных магниторезистивных датчиков, позволяют использовать гораздо меньшие магнитные домены для обеспечения гораздо более высокой плотности битов.
В производстве ожидалось [ нужна ссылка ] что провода можно уменьшить примерно до 50 нм. Рассматривались две схемы памяти ипподрома. Самым простым был ряд плоских проводов, расположенных в виде сетки, рядом с которыми располагались головки чтения и записи. В более широко изученной конструкции использовались U-образные провода, расположенные вертикально над сеткой головок чтения/записи на нижележащей подложке. Это позволило бы сделать провода намного длиннее без увеличения их двумерной площади, хотя необходимость перемещать отдельные домены дальше по проводам до того, как они достигнут головок чтения/записи, приводит к замедлению времени произвольного доступа. Обе схемы обеспечивали примерно одинаковую пропускную способность. Основная задача строительства была практической; возможно ли массовое производство трехмерной вертикальной конструкции.
Сравнение с другими устройствами памяти [ править ]
Прогнозы 2008 года предполагали, что память гоночного типа будет обеспечивать производительность порядка 20–32 нс для чтения или записи случайного бита. Это по сравнению с примерно 10 000 000 нс для жесткого диска или 20-30 нс для обычной DRAM . Основные авторы обсуждали способы улучшения времени доступа с использованием «резервуара» примерно до 9,5 нс. Совокупная пропускная способность, с резервуаром или без него, будет порядка 250–670 Мбит/с для памяти Racetrack по сравнению с 12 800 Мбит/с для одной DRAM DDR3, 1 000 Мбит/с для высокопроизводительных жестких дисков и 1 000 Мбит/с для одиночной DDR3 DRAM. до 4000 Мбит/с для устройств флэш-памяти. Единственной современной технологией, которая предлагала явное преимущество по задержке по сравнению с памятью Racetrack, была SRAM , порядка 0,2 нс, но по более высокой цене. Увеличенный размер элемента «F» около 45 нм (по состоянию на 2011 год) с площадью ячейки около 140 F. 2 . [3] [4]
Память Racetrack — одна из нескольких новых технологий, призванных заменить традиционные запоминающие устройства, такие как DRAM и Flash, и потенциально предложить универсальное запоминающее устройство, применимое для самых разных задач. Среди других претендентов были магниторезистивная оперативная память (MRAM), память с фазовым изменением (PCRAM) и сегнетоэлектрическая оперативная память (FeRAM). Большинство этих технологий предлагают плотность, аналогичную флэш-памяти, в большинстве случаев даже хуже, и их основным преимуществом является отсутствие ограничений по продолжительности записи, подобных тем, которые существуют во флэш-памяти. Field-MRAM обеспечивает превосходную производительность (время доступа 3 нс), но требует большого размера ячейки 25–40 F². Его можно будет использовать в качестве замены SRAM, но не в качестве запоминающего устройства. Наибольшую плотность среди всех этих устройств обеспечивает PCRAM с размером ячейки около 5,8 F², аналогичный флэш-памяти, а также довольно хорошую производительность около 50 нс. Тем не менее, ни один из них не может даже близко конкурировать с памятью на беговой дорожке в целом, особенно по плотности. Например, 50 нс позволяют использовать около пяти бит в устройстве памяти для гоночной трассы, в результате чего эффективный размер ячейки составляет 20/5 = 4 F², что легко превышает произведение производительности на плотность PCM. С другой стороны, не жертвуя битовой плотностью, на той же площади 20 Ф² можно разместить 2,5 2-битных альтернативных ячейки памяти емкостью 8 Ф² (например, резистивная RAM (RRAM) или MRAM с передачей спин-крутящего момента ), каждая из которых по отдельности работает намного быстрее (~ 10 нс).
В большинстве случаев устройства памяти хранят один бит в любом заданном месте, поэтому их обычно сравнивают с точки зрения «размера ячейки», то есть ячейки, хранящей один бит. Сам размер ячейки задается в единицах F², где «F» — это правило проектирования размера элемента , обычно представляющее ширину линии металла. Flash и Racetrack хранят несколько битов в ячейке, но сравнение все равно можно провести. Например, жесткие диски, похоже, достигли теоретического предела около 650 нм²/бит. [5] определяется прежде всего способностью читать и писать на определенных участках магнитной поверхности. DRAM имеет размер ячейки около 6 F², SRAM гораздо менее плотная — 120 F². Флэш-память NAND в настоящее время является самой плотной формой широко распространенной энергонезависимой памяти с размером ячейки около 4,5 F², но хранящей три бита на ячейку при эффективном размере 1,5 F². Флэш-память NOR немного менее плотная, с эффективной площадью 4,75 F², что соответствует 2-битной операции при размере ячейки 9,5 F². [4] В ипподроме с вертикальной ориентацией (U-образной формы) на ячейку хранится около 10-20 бит, физический размер которой сам по себе будет составлять не менее около 20 F². Кроме того, для доступа датчика чтения/записи к битам в разных позициях на «дорожке» потребуется разное время (от ~10 до ~1000 нс или 10 нс/бит), поскольку «дорожка» будет перемещать домены. с фиксированной скоростью ~ 100 м/с мимо датчика чтения/записи.
развития Проблемы
Одним из ограничений ранних экспериментальных устройств было то, что магнитные домены можно было проталкивать через провода лишь медленно, и для их успешного перемещения требовались импульсы тока порядка микросекунд. Это было неожиданно и привело к тому, что производительность примерно сравнялась с производительностью жестких дисков , что в 1000 раз медленнее, чем прогнозировалось. Недавние исследования связали эту проблему с микроскопическими несовершенствами кристаллической структуры проводов, которые привели к тому, что домены «застряли» в этих несовершенствах. Используя рентгеновский микроскоп для прямого изображения границ между доменами, их исследование показало, что доменные стенки будут перемещаться импульсами длительностью всего в несколько наносекунд, когда эти недостатки отсутствуют. Это соответствует макроскопической скорости около 110 м/с. [6]
Напряжение, необходимое для движения доменов по гоночной трассе, будет пропорционально длине провода. Плотность тока должна быть достаточно высокой, чтобы раздвинуть доменные стенки (как при электромиграции ). Трудность в технологии ипподрома возникает из-за необходимости высокой плотности тока (>10 8 А/см 2 ); поперечное сечение 30 нм x 100 нм потребует >3 мА. В результате потребляемая мощность становится выше, чем требуется для других запоминающих устройств, например, памяти крутящего момента с передачей вращения (STT-RAM) или флэш-памяти.
Еще одна проблема, связанная с памятью Racetrack, — это стохастическая природа движения доменных стенок, т. е. они движутся и останавливаются в случайных положениях. [7] Были попытки решить эту проблему, создав надрезы по краям нанопроволоки. [8] Исследователи также предложили располагать нанопроволоки в шахматном порядке для точного закрепления доменных стенок. [9] Экспериментальные исследования показали [10] эффективность распределенной памяти доменных стенок. [11] Недавно исследователи предложили негеометрические подходы, такие как локальная модуляция магнитных свойств посредством модификации состава. Такие методы, как диффузия, индуцированная отжигом. [12] и ионная имплантация [13] используются.
См. также [ править ]
- Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМР)
- Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM)
- Спинтроника
- Спиновый транзистор
Ссылки [ править ]
- ^ Исследование устройств спинтроники, Проект памяти магнитной гоночной трассы
- ^ Масамицу Хаяси; и др. (апрель 2008 г.). «Сдвиговый регистр нанопроволоки с магнитной доменной стенкой, управляемый током». Наука . 320 (5873): 209–211. Бибкод : 2008Sci...320..209H . дои : 10.1126/science.1154587 . ПМИД 18403706 . S2CID 7872869 .
- ^ «ИТРС 2011» . Проверено 8 ноября 2012 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Паркин; и др. (11 апреля 2008 г.). «Магнитная память ипподрома с доменной стеной». Наука . 320 (5873): 190–4. Бибкод : 2008Sci...320..190P . дои : 10.1126/science.1145799 . ПМИД 18403702 . S2CID 19285283 .
- ^ 1 Тбит/дюйм 2 составляет ок. 650 нм²/бит.
- ^ Сваруп, Амарендра (11 мая 2007 г.). « Память «беговой дорожки» может проскакать мимо жесткого диска» . Новый учёный .
- ^ Кумар, Д.; Джин, Т.; Ризи, С. Ал; Сбиаа, Р.; Лью, WS; Пираманаягам, С.Н. (март 2019 г.). «Управление движением доменной стенки для приложений памяти гоночной трассы». Транзакции IEEE по магнетизму . 55 (3): 2876622. Бибкод : 2019ITM....5576622K . дои : 10.1109/TMAG.2018.2876622 . hdl : 10356/139037 . ISSN 0018-9464 . S2CID 67872687 .
- ^ Хаяши, М.; Томас, Л.; Мория, Р.; Реттнер, К.; Паркин, SSP (2008). «Сдвиговый регистр нанопроволоки с магнитной доменной стенкой, управляемый током». Наука . 320 (5873): 209–211. Бибкод : 2008Sci...320..209H . дои : 10.1126/science.1154587 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 18403706 . S2CID 7872869 .
- ^ Мохаммед, Х. (2020). «Управляемое движение доменной стенки, приводимое в движение вращающим моментом, с использованием шахматных магнитных проводов». Письма по прикладной физике . 116 (3): 032402. arXiv : 1908.09304 . Бибкод : 2020ApPhL.116c2402M . дои : 10.1063/1.5135613 . S2CID 201695574 .
- ^ Прем Пираманаягам (24 февраля 2019 г.), Staggered Domain Wall Memory , заархивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. , получено 13 марта 2019 г.
- ^ Аль-Бахри, М.; Бори, Б.; Джин, ТЛ; Сбиаа, Р.; Кляуи, М.; Пираманаягам, С.Н. (8 февраля 2019 г.). «Устройства с расположенными в шахматном порядке магнитными нанопроволоками для эффективного закрепления доменных стенок в памяти гоночной трассы». Применена физическая проверка . 11 (2): 024023. Бибкод : 2019PhRvP..11b4023A . doi : 10.1103/PhysRevApplied.11.024023 . hdl : 10220/48230 . S2CID 139224277 .
- ^ Джин, ТЛ; Ранджбар, М.; Он, С.К.; Закон, туалет; Чжоу, Ти Джей; Лью, WS; Лю, XX; Пираманаягам, СН (2017). «Настройка магнитных свойств для закрепления доменных стенок посредством локализованной диффузии металла» . Научные отчеты . 7 (1): 16208. Бибкод : 2017NatSR...716208J . дои : 10.1038/s41598-017-16335-z . ПМК 5701220 . ПМИД 29176632 .
- ^ Цзинь, Тяньли; Кумар, Дургеш; Ган, Вэйлян; Ранджбар, Моджтаба; Ло, Фейлун; Сбиаа, Рашид; Лю, Сяоси; Лью, Вэнь Сян; Пираманаягам, СН (2018). «Наномасштабная композиционная модификация в многослойных слоях Co/Pd для управляемого закрепления доменных стенок в памяти гоночной трассы». Физический статус Solidi RRL . 12 (10): 1800197. Бибкод : 2018PSSRR..1200197J . дои : 10.1002/pssr.201800197 . hdl : 10356/137507 . S2CID 52557582 .
