| Память компьютера и типы хранилищ данных |
|---|
| Общий |
|
| Летучий |
| Энергонезависимая |
Беговая дорожка памяти или доменной стенки памяти ( DWM ) является экспериментальным энергонезависимая память устройства на стадии разработки в IBM «s Research Center Альмадена командой во главе с физиком Стюарт Паркин . [1] В начале 2008 года была успешно продемонстрирована 3-битная версия. [2] Если бы он был успешно разработан, racetrack предлагал бы более высокую плотность хранения, чем сопоставимые твердотельные запоминающие устройства, такие как флэш-память и аналогичные обычные дисковые накопители , с более высокой производительностью чтения / записи.
Описание [ править ]
Память на беговой дорожке использует спин- когерентный электрический ток для перемещения магнитных доменов по наноскопической проволоке из пермаллоя диаметром около 200 нм и толщиной 100 нм. Когда ток проходит через провод, домены проходят через магнитные головки чтения / записи, расположенные рядом с проводом, которые изменяют домены для записи комбинаций битов. Устройство памяти для беговых дорожек состоит из множества таких проводов и элементов чтения / записи. В целом операционная концепция ипподрома аналогична более ранней пузырьковой памяти 1960-х и 1970-х годов. Память линий задержки , такая как ртутные линии задержки 1940-х и 1950-х годов, являются еще более ранней формой аналогичной технологии, которая использовалась в UNIVAC.и компьютеры EDSAC . Как и в пузырьковой памяти, в памяти типа «беговая дорожка» используются электрические токи для «проталкивания» последовательности магнитных доменов через подложку и прошедшие 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 процессе производства это ожидалось [ необходима цитата ]что провода можно уменьшить примерно до 50 нм. Было рассмотрено два варианта запоминания ипподрома. Самым простым был набор плоских проводов, расположенных в виде сетки с расположенными рядом головками чтения и записи. В более широко изученной схеме использовались U-образные провода, расположенные вертикально над сеткой головок чтения / записи на нижележащей подложке. Это позволило бы сделать провода намного длиннее без увеличения его 2D-области, хотя необходимость перемещать отдельные домены дальше по проводам, прежде чем они достигнут головок чтения / записи, приводит к более медленному времени произвольного доступа. Оба устройства предлагали примерно одинаковую пропускную способность. Основное беспокойство с точки зрения строительства было практическим; будет ли трехмерное вертикальное расположение осуществимо для массового производства.
Сравнение с другими устройствами памяти [ править ]
Прогнозы на 2008 год предполагали, что память ипподрома 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 обычного DRAM . Основные авторы обсуждали способы улучшения времени доступа с использованием «резервуара» примерно до 9,5 нс. Суммарная пропускная способность, с резервуаром или без него, будет порядка 250-670 Мбит / с для оперативной памяти, по сравнению с 12800 Мбит / с для одной DDR3 DRAM, 1000 Мбит / с для высокопроизводительных жестких дисков и 1000 до 4000 Мбит / с для устройств флэш-памяти. Единственной современной технологией, которая предлагала явное преимущество в задержке по сравнению с памятью гоночного трека, была SRAM., порядка 0,2 нс, но с более высокой стоимостью. больший размер элемента «F» около 45 нм (по состоянию на 2011 г.) с площадью ячейки около 140 F 2 . [3] [4]
Память Racetrack - одна из нескольких новых технологий, которые призваны заменить обычные запоминающие устройства, такие как DRAM и Flash, и потенциально предлагают универсальное запоминающее устройство, применимое к широкому спектру ролей. Другие претенденты включали магниторезистивную память с произвольным доступом (MRAM), память с фазовым переходом (PCRAM) и сегнетоэлектрическую RAM.(FeRAM). Большинство из этих технологий предлагают плотность, аналогичную флэш-памяти, в большинстве случаев даже хуже, и их основным преимуществом является отсутствие пределов выносливости при записи, как у флэш-памяти. Field-MRAM обеспечивает отличную производительность при времени доступа 3 нс, но требует большого размера ячейки 25-40 F². Он может использоваться в качестве замены SRAM, но не в качестве запоминающего устройства. Наивысшую плотность из всех этих устройств предлагает PCRAM с размером ячейки около 5,8 F², аналогичной флэш-памяти, а также довольно хорошей производительностью около 50 нс. Тем не менее, ни один из них не может сравниться с памятью для гоночных треков в целом, особенно по плотности. Например, 50 нс позволяет работать примерно с пятью битами в запоминающем устройстве типа «беговая дорожка», в результате чего эффективный размер ячейки составляет 20/5 = 4 Ф²,легко превосходит продукт PCM по производительности и плотности. С другой стороны, без ущерба для плотности битов, та же область 20 F² могла бы вместить 2,5 2-битных 8 F² альтернативных ячеек памяти (таких какрезистивное ОЗУ (RRAM) или MRAM с передачей крутящего момента ), каждый 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 по «размеру ячейки» - ячейке, хранящей один бит. Сам размер ячейки задается в единицах F², где «F» - это правило проектирования размера элемента , обычно представляющее ширину металлической линии. И Flash, и Racetrack хранят несколько битов на ячейку, но сравнение все же можно провести. Например, жесткие диски, похоже, достигли теоретических пределов около 650 нм² / бит [5]определяется в первую очередь способностью читать и писать на определенных участках магнитной поверхности. DRAM имеет размер ячейки около 6 F², SRAM намного менее плотный при 120 F². Флэш-память NAND в настоящее время является наиболее плотной формой энергонезависимой памяти, широко используемой, с размером ячейки около 4,5 F², но хранящей три бита на ячейку для эффективного размера 1,5 F². Флэш-память NOR немного менее плотная, с эффективным размером 4,75 F², что составляет 2-битную операцию с размером ячейки 9,5 F². [4]В беговой дорожке с вертикальной ориентацией (U-образной) около 10-20 бит хранятся на ячейку, которая сама по себе будет иметь физический размер не менее 20 F². Кроме того, биты в разных позициях на «дорожке» будут получать доступ к датчику чтения / записи разное время (от ~ 10 до ~ 1000 нс, или 10 нс / бит), потому что «дорожка» будет перемещать домены с фиксированной скоростью ~ 100 м / с мимо датчика чтения / записи.
Проблемы развития [ править ]
Одним из ограничений ранних экспериментальных устройств было то, что магнитные домены можно было только медленно проталкивать по проводам, требуя импульсов тока порядка микросекунд для их успешного перемещения. Это было неожиданно и привело к производительности, примерно равной производительности жестких дисков , в 1000 раз медленнее, чем предполагалось. Недавние исследования связали эту проблему с микроскопическими дефектами кристаллической структуры проволоки, которые привели к тому, что домены «застревали» на этих дефектах. Используя рентгеновский микроскоп для прямого изображения границ между доменами, их исследование показало, что доменные стенки будут перемещаться импульсами длительностью всего несколько наносекунд, когда эти дефекты отсутствуют. Это соответствует макроскопическим характеристикам около 110 м / с.[6]
Напряжение, необходимое для движения доменов по беговой дорожке, будет пропорционально длине провода. Плотность тока должна быть достаточно высокой, чтобы раздвигать доменные стенки (как при электромиграции ). Проблема с технологией ипподрома возникает из-за необходимости высокой плотности тока (> 10 8 А / см²); поперечное сечение 30 нм x 100 нм потребует> 3 мА. Результирующая 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 стохастический характер движения доменных стенок, т. Е. Они перемещаются и останавливаются в случайных положениях. [7] Были попытки решить эту проблему, создав надрезы на краях нанопроволоки. [8] Исследователи также предложили расположенные в шахматном порядке нанопроволоки для точного закрепления доменных стенок. [9] Экспериментальные исследования показали [10] эффективность памяти с шахматной доменной стенкой. [11] Недавно исследователи предложили негеометрические подходы, такие как локальная модуляция магнитных свойств посредством модификации состава. Такие методы, как индуцированная отжигом диффузия [12] и ионная имплантация [13] используются.
См. Также [ править ]
- Эффект гигантского магнитосопротивления (GMR)
- Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM)
- Спинтроника
- Спиновый транзистор
Ссылки [ править ]
- ^ Исследование устройств спинтроники, проект памяти магнитного ипподрома
- ^ Masamitsu Hayashi et al. (Апрель 2008 г.). "Регистр сдвига магнитной доменной стенки с управляемым током". Наука . 320 (5873): 209–211. Bibcode : 2008Sci ... 320..209H . DOI : 10.1126 / science.1154587 . PMID 18403706 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
- ^ "ITRS 2011" . Проверено 8 ноября 2012 года .
- ^ a b Паркин; и другие. (11 апреля 2008 г.). "Магнитная память ипподрома доменной стенки". Наука . 320 (5873): 190–4. Bibcode : 2008Sci ... 320..190P . DOI : 10.1126 / science.1145799 . PMID 18403702 .
- ^ 1 Тбит / дюйм² составляет прибл. 650 нм² / бит.
- ^ Swarup, Амарендра (11 мая 2007). « Память « Ипподром »могла пролететь мимо жесткого диска» . Новый ученый .
- ^ Кумар, Д .; Jin, T .; Risi, S. Al; Sbiaa, R .; Лью, WS; Пираманаягам, С. Н. (март 2019 г.). «Управление движением стены домена для приложений памяти ипподрома». IEEE Transactions on Magnetics . 55 (3): 2876622. Bibcode : 2019ITM .... 5576622K . DOI : 10,1109 / TMAG.2018.2876622 . ISSN 0018-9464 .
- ^ Hayashi, M .; Thomas, L .; Мория, Р .; Rettner, C .; Паркин, SSP (2008). "Регистр сдвига магнитной доменной стенки с управляемым током". Наука . 320 (5873): 209–211. DOI : 10.1126 / science.1154587 . ISSN 0036-8075 .
- ^ Мохаммед, Х. (2020). «Управляемое вращательным моментом движение доменной стенки с использованием смещенных магнитных проводов». Письма по прикладной физике . 116 (3): 032402. arXiv : 1908.09304 . DOI : 10.1063 / 1.5135613 .
- ^ Прем Пираманаягам (24 февраля 2019 г.), Staggered Domain Wall Memory , получено 13 марта 2019 г.
- ^ Аль Бахри, М .; Бори, Б .; Джин, TL; Sbiaa, R .; Kläui, M .; Пираманаягам, С. Н. (8 февраля 2019 г.). «Устройства с шахматным расположением магнитных нанопроволок для эффективного закрепления доменных стенок в памяти ипподрома». Применена физическая проверка . 11 (2): 024023. Bibcode : 2019PhRvP..11b4023A . DOI : 10.1103 / PhysRevApplied.11.024023 .
- ^ Джин, TL; Ранджбар, М .; Он, СК; Закон, WC; Чжоу, TJ; Лью, WS; Лю, XX; Пираманаягам, С. Н. (2017). «Настройка магнитных свойств для закрепления доменных границ посредством локальной диффузии металла» . Научные отчеты . 7 (1): 16208. Bibcode : 2017NatSR ... 716208J . DOI : 10.1038 / s41598-017-16335-Z . PMC 5701220 . PMID 29176632 .
- ^ Джин, Тианли; Кумар, Дургеш; Ган, Вэйлян; Ранджбар, Моджтаба; Луо, Фейлонг; Сбия, Рашид; Лю, Сяоси; Лью, Вэнь Сян; Пираманаягам, С. Н. (2018). «Наноразмерная модификация состава в многослойных слоях Co / Pd для закрепления контролируемой доменной стенки в памяти гоночного трека». Physica Status Solidi RRL . 12 (10): 1800197. Bibcode : 2018PSSRR..1200197J . DOI : 10.1002 / pssr.201800197 .
Внешние ссылки [ править ]
- Новое определение архитектуры памяти
- IBM приближается к новому классу памяти ( видео на YouTube )
- Проект памяти IBM Racetrack
| vтеНовые технологии | |||
|---|---|---|---|
| Поля |
| ||
| Темы |
| ||
| |||
Категория
Список