Память многоножки
| памяти компьютера и хранения данных компьютера Типы |
|---|
| Неустойчивый |
| Энергонезависимый |
Память «Многоножка» — это разновидность энергонезависимой памяти компьютера . Обещана плотность данных более 1 терабита на квадратный дюйм (1 гигабит на квадратный миллиметр), что примерно соответствует пределу с перпендикулярной записью жестких дисков . Технология хранения данных «Многоножка» рассматривалась как потенциальная замена магнитной записи на жестких дисках и средство уменьшения физического размера этой технологии до размера флэш- носителей.
IBM продемонстрировала прототип многоножки на выставке CeBIT 2005 и пыталась сделать эту технологию коммерчески доступной к концу 2007 года. Однако из-за одновременного развития конкурирующих технологий хранения данных с тех пор не было выпущено ни одного коммерческого продукта.
Технология [ править ]
Основная концепция [ править ]
Основная память современных компьютеров состоит из одного из множества устройств, связанных с DRAM . DRAM в основном состоит из серии конденсаторов , которые хранят данные о наличии или отсутствии электрического заряда. Каждый конденсатор и связанная с ним схема управления, называемая ячейкой , содержат один бит , и несколько битов могут быть прочитаны или записаны в больших блоках одновременно. DRAM энергозависима — данные теряются при отключении питания.
Напротив, жесткие диски хранят данные на диске, покрытом магнитным материалом ; данные представлены тем, что этот материал локально намагничен. Чтение и запись выполняются одной головкой, которая ожидает, пока запрошенная ячейка памяти пройдет под головкой, пока диск вращается. В результате производительность жесткого диска ограничена механической скоростью двигателя и обычно в сотни тысяч раз медленнее, чем DRAM. Однако, поскольку «ячейки» жесткого диска намного меньше, плотность хранения данных на жестких дисках намного выше, чем у DRAM. Жесткие диски энергонезависимы — данные сохраняются даже после отключения питания.
Хранилище Millipede пытается объединить функции обоих. Подобно жесткому диску, многоножка хранит данные на носителе и получает к ним доступ, перемещая носитель под головку. Подобно жестким дискам, физический носитель многоножки занимает небольшую площадь, что приводит к высокой плотности хранения. Однако «Многоножка» использует множество наноскопических головок, которые могут читать и писать параллельно, тем самым увеличивая объем данных, считываемых в данный момент.
Механически многоножка использует многочисленные атомно-силовые зонды , каждый из которых отвечает за чтение и запись большого количества связанных с ним битов. Эти кусочки хранятся в виде ямок или их отсутствия на поверхности термоактивного полимера , который наносится в виде тонкой пленки на носитель, известный как салазки. Любой зонд может читать или записывать только довольно небольшую область доступной ему салазки, известную как поле хранения . Обычно салазки перемещаются так, чтобы выбранные долота располагались под зондом с помощью электромеханических приводов. Эти приводы аналогичны тем, которые позиционируют головку чтения/записи на обычном жестком диске, однако фактическое расстояние перемещения по сравнению с ними незначительно. Салазки перемещаются по шаблону сканирования, чтобы получить запрошенные биты под зонд. Этот процесс известен как сканирование x/y.
Объем памяти, обслуживаемой любой парой поле/зонд, довольно мал, как и ее физический размер. Таким образом, для формирования устройства памяти используется множество таких пар поле/зонд, а операции чтения и записи данных могут быть распределены по множеству полей параллельно, что увеличивает пропускную способность и сокращает время доступа. Например, одно 32-битное значение обычно записывается как набор отдельных битов, отправляемых в 32 различных поля. В первоначальных экспериментальных устройствах зонды были установлены в сетке 32x32, всего 1024 зонда. Поскольку этот макет выглядел как ноги многоножки ( животного), название прижилось. Конструкция кантилевера предполагает изготовление множества механических кантилеверов, на которых необходимо установить зонд. Все кантилеверы полностью изготовлены из кремния с использованием микрообработки поверхности пластины.
Что касается образования углублений или ямок, несшитые полимеры сохраняют низкую температуру стекла , около 120 °C для ПММА. [4] а если кончик зонда нагревается выше температуры стекла, на нем остается небольшое углубление. Отпечатки сделаны с поперечным разрешением 3 нм. [5] При нагревании зонда непосредственно рядом с углублением полимер снова расплавится и заполнит углубление, стирая его (см. также: термомеханическая сканирующая зондовая литография ). После записи кончик зонда можно использовать для считывания отпечатков. Если каждый отступ рассматривается как один бит, тогда плотность хранения составит 0,9 Тб/дюйм. 2 теоретически может быть достигнуто. [5]
Чтение и запись данных [ править ]
Каждый зонд в массиве кантилеверов сохраняет и считывает данные термомеханическим способом, обрабатывая по одному биту за раз. Чтобы выполнить считывание, кончик зонда нагревается примерно до 300 °C и перемещается поближе к салазкам для данных. Если зонд расположен над ямой, кантилевер протолкнет его в отверстие, увеличивая площадь поверхности, контактирующей с салазками, и, в свою очередь, увеличивая охлаждение по мере утечки тепла в салазки от зонда. В случае, когда ямки в этом месте нет, с салазками остается только самый кончик зонда, и тепло уходит медленнее. Электрическое сопротивление зонда является функцией его температуры и возрастает с повышением температуры. Таким образом, когда зонд падает в яму и охлаждается, это регистрируется как падение сопротивления. Низкое сопротивление будет переведено в бит «1» или в бит «0» в противном случае. При считывании всего поля памяти игла перемещается по всей поверхности и постоянно отслеживается изменение сопротивления.
Короче говоря, кончик зонда нагревается до температуры, превышающей температуру стеклования полимера, используемого для изготовления салазок для данных, которые обычно изготавливаются из акрилового стекла . В этом случае температура перехода составляет около 400 °C. Чтобы написать цифру «1», полимер вблизи наконечника размягчается, а затем кончик аккуратно прикасается к нему, вызывая вмятину. Чтобы стереть бит и вернуть его в нулевое состояние, наконечник вместо этого отрывается от поверхности, позволяя поверхностному натяжению снова вытянуть поверхность. Старые экспериментальные системы использовали различные методы стирания, которые обычно были более трудоемкими и менее успешными. Эти старые системы предлагали около 100 000 стираний, но доступные ссылки не содержат достаточно информации, чтобы сказать, было ли это улучшено с помощью новых методов. [ нужна ссылка ]
Как и следовало ожидать, необходимость нагрева зондов требует достаточно большого количества энергии для общей работы. Однако точная сумма зависит от скорости доступа к данным; при более низких скоростях охлаждение во время чтения меньше, как и количество раз, когда зонд необходимо нагреть до более высокой температуры для записи. Ожидается, что при работе со скоростью передачи данных в несколько мегабит в секунду Millipede будет потреблять около 100 милливатт, что находится в пределах технологии флэш-памяти и значительно ниже, чем у жестких дисков. Однако одним из основных преимуществ конструкции Millipede является то, что она является высокопараллельной, что позволяет ей работать на гораздо более высоких скоростях ( ГБ /с). При таких скоростях можно было бы ожидать, что требования к питанию будут более точно соответствовать современным жестким дискам, и действительно, скорость передачи данных ограничена диапазоном килобит в секунду для отдельного зонда, что составляет несколько мегабит для всего массива. IBM Эксперименты, проведенные в Исследовательском центре в Альмадене , показали, что отдельные наконечники могут поддерживать скорость передачи данных до 1–2 мегабит в секунду, потенциально предлагая совокупную скорость в диапазоне ГБ/с.
Приложения [ править ]
Память «Многоножка» была предложена как форма энергонезависимой компьютерной памяти, которая должна была конкурировать с флэш-памятью с точки зрения хранения данных, скорости чтения и записи, а также физического размера технологии. Однако с тех пор другие технологии превзошли ее, и поэтому эта технология, похоже, не используется в настоящее время.
История [ править ]
Первые устройства [ править ]
В устройствах-многоножках самого раннего поколения использовались зонды диаметром 10 нанометров и длиной 70 нанометров, образующие ямки диаметром около 40 нм на полях размером 92 x 92 мкм. Полученный чип размером 3 x 3 мм, расположенный в сетке 32 x 32, хранит 500 мегабит данных или 62,5 МБ, в результате чего плотность записи , количество бит на квадратный дюйм, составляет порядка 200 Гбит/дюйм². IBM первоначально продемонстрировала это устройство в 2003 году, планируя представить его коммерчески в 2005 году. К тому моменту пропускная способность жестких дисков приблизилась к 150 Гбит/дюйм² и с тех пор превзошла ее.
коммерческий Предлагаемый продукт
Устройства, продемонстрированные на выставке CeBIT Expo в 2005 году, были усовершенствованы по сравнению с базовой конструкцией: в них использовались консольные микросхемы 64 x 64 с салазками для данных размером 7 x 7 мм, что увеличило емкость хранения данных до 800 Гбит / дюйм² с использованием ячеек меньшего размера. Похоже, что размер ямы может масштабироваться примерно до 10 нм, что приводит к теоретической плотности площади чуть более 1 Тбит/дюйм². IBM планировала представить устройства с такой плотностью в 2007 году. Для сравнения, по состоянию на конец 2011 года жесткие диски для ноутбуков поставлялись с плотностью 636 Гбит/дюйм², [6] Ожидается, что магнитная запись с подогревом и носители с рисунком вместе смогут поддерживать плотность 10 Тбит/дюйм². [7] В начале 2010 года Flash достигла почти 250 Гбит/дюйм². [8]
Текущее развитие [ править ]
По состоянию на 2015 год [ нужна ссылка ] из-за одновременного развития конкурирующих технологий хранения данных до сих пор не было выпущено ни одного коммерческого продукта.
См. также [ править ]
- Наноэлектромеханические системы
- Нанотехнологии
- Нанолитография
- Термосканирующая зондовая литография
- Перфокарта
Ссылки [ править ]
- ^ Веттигер, П.; Деспон, М.; Дрекслер, У.; Дуриг, У.; Хаберле, В.; Лютвич, Мичиган; Ротуизен, HE; Штутц, Р.; Видмер, Р.; Бинниг, ГК (2000). «Многоножка» — более тысячи советов по будущему хранению АСМ». Журнал исследований и разработок IBM . 44 (3): 323–340. дои : 10.1147/rd.443.0323 . ISSN 0018-8646 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Проект «Многоножка»: наномеханическая система хранения данных на основе АСМ» . Исследовательская лаборатория IBM в Цюрихе. Архивировано из оригинала 17 декабря 2011 г. Проверено 5 сентября 2011 г.
- ^ «Маломасштабный прототип MEMS Millipede, показанный на CeBIT» . PhysOrg.com . 12 марта 2005 г.
- ^ Мамин, HJ ; Ругар, Д. (1992). «Термомеханическое письмо иглой атомно-силового микроскопа». Письма по прикладной физике . 61 (8): 1003–1005. Бибкод : 1992АпФЛ..61.1003М . дои : 10.1063/1.108460 . ISSN 0003-6951 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Кинг, Уильям П.; Гудсон, Кеннет Э. (2002). «Термическое письмо и наноизображения с помощью нагретого кантилевера атомно-силового микроскопа». Журнал теплопередачи . 124 (4): 597. дои : 10.1115/1.1502634 .
- ^ Хартин, Эрин (3 августа 2011 г.). «Hitachi GST поставляет жесткие диски емкостью один терабайт на пластину» . Hitachi Global Storage Technologies . Архивировано из оригинала 26 октября 2011 г. Проверено 17 декабря 2011 г.
- ^ Джонстон, Кейси (7 мая 2011 г.). «Новый метод записи на жесткий диск обеспечивает скорость записи один терабит на дюйм» . Арс Техника . Проверено 17 декабря 2011 г.
- ^ Мериан, Лукас (31 января 2010 г.). «Intel Micron анонсирует самую плотную флэш-память в мире» . компьютерный мир.com.
