Наночелноки запомнят биты на миллиард лет
В погоне за размещением всё большего количества информации во всё меньших и меньших устройствах физики и инженеры начали уже создавать столь «узкие» экспериментальные совокупности, что про них в самый раз сказать «не дышите на шедевр». Но большое количество ли будет толку от ультраплотных носителей, в случае если эти на них пропадут через пара десятков лет? А вдруг мы желаем сохранить данные на столетия, тысячелетия?
Тупик?
Невольно задумаешься — не возвратиться ли к клинописи? Кстати, печатное представление информации (в виде текста либо кроме того картинок) в полной мере может претендовать на роль способа хранения архивных данных на невообразимо продолжительный срок. Необходимо лишь решить — чем как раз и на чём печатать, в случае если, само собой разумеется, мы желаем совместить долговечность для того чтобы носителя с высокой плотностью упаковки, хотя бы приблизительно сопоставимой с такой у микросхем и магнитных дисков.
Выход известен: необходимо применять наногравировку ионными пучками. В 2007-м при помощи таковой технологии израильские учёные разместили целый текст Ветхого завета на кончике иглы. Но таковой носитель не годится в качестве компьютерной цифровой памяти — он же аналоговый.
Итак, можем ли мы взять и высокую плотность, и необычайную долговечность, и совместимость с цифровыми разработками в один момент?
«Да», — вычисляет доктор наук Алекс Зеттл (Alex Zettl) из Калифорнийского университета в Беркли. Алекс известен нам по целому последовательности работ в области нано- и микромеханических совокупностей. Свежий пример — миниатюрные пластинки, приводимые в перемещение светом.
А созданный некогда в группе Зеттла «неосуществимый» выпрямитель тепла кроме того вынудил прочно призадуматься физиков-теоретиков.
И вот новый его шедевр: «Наноразмерный реверсивный транспорт массы» (Nanoscale Reversible Mass Transport), либо «Челночная память» (Shuttle memory).
Одна ячейка «Челночной памяти» является туннелем «» из многослойной углеродной нанотрубки, закреплённый между электродами, по которому взад-вперёд, как будто бы поезд, движется кристаллическая наночастица железа (иллюстрация American Chemical Society).
Перемещением наночелнока в таковой совокупности возможно руководить при помощи несложного приложения напряжения к финишам трубки. Причём величина этого напряжения подобна той, что существует в микросхемах. Положение же наночастицы в трубки возможно легко выяснено путём измерения электрического сопротивления.
Уже простое размещение для того чтобы челнока у левого либо правого (либо верхнего и нижнего, в зависимости от положения нанотрубки) края туннеля даёт возможность записать бинарные нули либо единицы. Соответственно, большое сообщество трубок возможно применено для хранения огромных массивов данных.
А ведь ещё остаётся теоретическая возможность задействовать промежуточные позиции наночастицы, что увеличит плотность записи ещё в много раз (позиционирование шаттла осуществляется весьма совершенно верно, — утверждают физики).
Схема «Челночной памяти» и её настоящее воплощение в умелом устройстве. Авторы работы на практике продемонстрировали создание таковой трубки с заключённым в «поездом» и прецизионное управление перемещением последнего.
Подробности опытов обрисованы в статье в Nano Letters (иллюстрации и фото Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California at Berkeley).
Не в впервые учёные пробуют приспособить углеродные нанотрубки для записи бинарной информации. Скажем, в 2005-м в Соединенных Штатах был создан прототип чипа памяти, в котором единицы и нули представлены в виде по-различному изогнутых нанотрубок. Но работа для того чтобы устройства потребовала настройки узкого баланса сил, что ставило вопрос о настоящей его способности хранить данные без сбоев вправду продолжительное время.
В челночной же памяти биты «устроены» более основательно и, возможно сообщить, грубо, не обращая внимания на нанометровые размеры элементов. В теории Shuttle memory может содержать до 1012 бит на квадратный дюйм. Она не требует энергии при хранении информации.
Но основное, по расчётам авторов устройства, такая совокупность остаётся стабильной миллиард лет!
В это же время она в любую секунду готова к перезаписи, другими словами эта память — вовсе не одноразовая, и, по идее, таковой чип возможно использовать кроме того в роли «оперативки» в PC.
Тяжело представить, для чего нам имела возможность бы пригодиться память с таковой долговечностью, но Зеттл считает, что этот параметр о высокой надёжности совокупности, которая окажется нелишней при архивации серьёзных данных. Так как, например, современным DVD эксперты дают срок годности лет в 30, а позже данные потребуется перезаписывать на новый диск.
Но, пока память, придуманная Зеттлом и его сотрудниками, — только лабораторный пример нанотрубки с шаттлом внутри, что учёные увлечённо снимают на видео под микроскопом. А что ещё покажется на арене к тому времени, в то время, когда она дойдёт до фактически пригодного устройства? Может, все виды памяти затмит второе изобретение последних лет «Память – гоночный трек» (Racetrack memory)?
Это устройство Стюарт Паркин (Stuart Parkin) из IBM придумал «на кончике пера» ещё в 2003 году, но до недавнего времени у учёного не было никаких практических доказательств выполнимости идеи.
А содержится она в следующем. Один элемент таковой памяти представляет собой нанопровод, изогнутый в виде подковы либо буквы U. Нанопроводок данный намагничен и, что принципиально важно, имеет сходу пара участков разной полярности. Это аналог магнитных доменов на твёрдом диске, так что границы между ними являются аналогами единичек и нулей. Но лишь вот ни сам провод, ни считывания и системы записи тут никуда не движутся.
Как же происходит выборка и запись информации?
Принцип работы Racetrack memory. Подробности возможно отыскать в статье в Science (иллюстрация Arthur Mount/IBM).
Секрет — в спинтронике. Паркин установил, что границы магнитных доменов в нанопроводе возможно произвольно сдвигать на протяжении этого самого провода, пропуская через него спин-поляризованный ток.
Наряду с этим порядок размещения намагниченных территорий не изменяется — записанные ранее биты бережно переезжают приятель за дружкой «в затылок», как будто бы гоночные авто на треке (из этого и наименование памяти). Отдельные спинтронные устройства внизу «подковы» создают запись (перемену полярности доменов) и считывание ориентации этих участков. А маленькие импульсы тока через сам проводник подставляют под «считывающие головки» тот либо другой фрагмент данных (от направления тока зависит и направления перемещения магнитных территорий).
Красота. Тут никуда не «едут» не то что отдельные подробности устройства, но кроме того отдельные атомы. И в этом замысле эта магнитная память выгодно отличается от твёрдых дисков.
«Гоночный трек» энергонезависим (другими словами не требует питания на протяжении хранения данных), он стремителен (время доступа — меньше наносекунды), весьма надёжен и весьма ёмок. Массив таких буковок U, размещённый на поверхности микросхемы, теоретически способен вместить на однообразной площади в 100 раза больше данных, чем транзисторные чипы-флэшки, при сохранении скромной цены, информирует американский исследователь.
Пара лет никто не желал верить, что такая схема будет трудиться. Но вот в апреле прошлого года Паркину в первый раз удалось сместить магнитные домены в нанопроводнике при помощи спинового тока. Действительно, в один момент в умелом примере хранились лишь три бита.
Но они не смешивались и не исчезали при собственном перемещении через материал.
А в декабре 2008-го число битов в одном проводке удалось поднять до шести. Скоро же, сохраняет надежду учёный, ему удастся вместить в одной «нанобукве U» 10 бит, а в совершенстве хотелось бы довести данный параметр до 100. Тогда Racetrack уже сможет по плотности записи составить борьбу лучшим твёрдым дискам.
Паркин уже установил, что секрет повышения числа битов в одном элементе содержится в том, дабы совершенно верно осуществлять контроль его диаметр: в узком и более однородном нанопроводе нормально перемещается больше хороших магнитных территорий. Кроме этого исследователю ещё предстоит подобрать наилучший материал для таковой памяти, чтобы свести к минимуму величину тока, нужного для смещения доменов, соответственно — энергопотребление устройства в момент чтения либо записи.
Увидим, совмещение хорошей электроники со спинтронными элементами (другими словами схемами, манипулирующими спин-поляризованными токами) — перспективное направление развития микроэлектроники. Спинтроника уже осваивает кремний, а значит, приближается к массовому применению. Сейчас тут показалась масса увлекательных устройств.
Так, учёные уже нашли источник спинового напряжения и создали прототип спиновой спиновой памяти и батареи, кстати.
За пара последних лет плотность записи на твёрдых дисках выросла на порядки, и устройства куда меньшего размера вмещают в десятки раза больше данных, чем прошлые модели. Да ещё и стоят недорого. Чего, казалось бы, хотеть?
Увы, у этих аппаратов имеется один, но принципиальный недочёт – наличие движущихся частей (фото Ian Wilson).
В случае если опыты Стюарта увенчаются успехом, будет открыт новый раунд твёрдой борьбы между твердотельными устройствами памяти (в которых нет подвижных частей) и дисками самых различных типов.
Первые (в лице классических флэшек) систематично наращивают параметры, магнитные диски стараются не отставать, а уж про оптические и сказать нечего: экзотические совокупности хранения наподобие голографической, 200-слойной либо пятимерной оперируют уже терабайтами в расчёте на один диск.
Память Racetrack — это шанс для чипов нанести сокрушительный удар по всем дискам, как магнитным, так и оптическим, и, конечно же, по распространённым твердотельным носителям. Вместе с Shuttle memory она являет собой хороший пример возможности преодоления границ в росте черт электронных устройств. Необходимо только мочь отойти от стереотипов.
