IBM 推出新記憶體 10 年內終結硬碟

Researchers Move Closer To New Class of Memory
http://www.physorg.com/news127140539.html

April 11, 2008

由於 IBM 的科學家團隊，結合快閃記憶體（flash）的高效能與可靠度以及硬碟（HDD）的高容量之電腦記憶體，比你所認為的還要更加靠近。

在二篇發表於 4/11 當期 Science 的論文中，IBM 研究員 Stuart Parkin 以及在 IBM Almaden 研究中心的同事描述了被封為「racetrack memory」的基礎，以及這項技術的里程碑。與今日的可能性相較，這項里程碑將導致電子裝置能夠在相同空間中貯存更多資料，同時具有閃電般的開機時間，更低的成本、空前的穩定度與耐久性。

在未來 10 年內，racetrack memory，之所以如此命名，是因為資料繞著導線的「軌道（track）」「競逐（races）」 -- 那沒有可移動的部件，也因此更加耐久 -- 能夠在同樣容量的空間中保有更多資料，較之今日可能技術多出百倍，同時具有超低成本與耗電量。這項裝置，不只能在同樣空間中儲存更大量資訊，而且需要更少的電力並產生更少熱量，而且幾乎是牢不可破；結果：大量的個人資料貯存（如 iPod）可在一顆電池下持續運作一週，且能維持數十年之久。

"那涉及到金屬自旋電子學的研究，是種令人興奮的冒險，因為其開端幾乎是在 20 年前，當我們進行自旋值結構研究的時候，" Dr. Parkin 說。"非常有趣的物理學與自旋電子學材料工程的結合，一次一個原子層，持續具備高度挑戰性且獲益良多。racetrack memory 的承諾 -- 例如：能夠在你的口袋中攜帶大量資訊 -- 將解開創造力的束縛，導致任何人都未曾想像過的裝置及應用產生。"

IBM 對於開創全新市場並不陌生，幾個改變遊戲規則的、在 IBM Research 發明的東西包括記憶體晶片、硬碟與關聯式資料庫。

目前，儲存數位資訊有二種主要方式：固態隨機存取快閃記憶體，通常用於手機、音樂播放器與數位相機等裝置；以及磁性硬碟，通常用於桌上與膝上型電腦與某些手持式裝置中。而這二種儲存裝置以相當迅速的步調演化，將單一資料位元儲存在硬碟中的成本依然比快閃記憶體便宜 100 倍。雖然低成本的硬碟相當具有吸引力，不過這些裝置本質上很慢，而且有許多可移動的部件，具有快閃記憶體技術所沒有的可靠性問題。

然而，快閃記憶體亦有其短處 -- 雖然讀取資料很快，但寫入卻很慢，而且壽命有限。快閃記憶體只能重複使用數千次，它終將會「破損」，因為每當使用者「重新寫入」時，它就會輕微受損。

racetrack memory 就沒有可動部件，它並非以電荷的綜效貯存資料，而是使用電子的「自旋（spin）」來貯存資料，它沒有會磨損的機制，所以可以無限制讀寫。


racetrack，你可以更靠近一點看：
http://www.youtube.com/watch?v=dJf3z9AfiVM

進 15 年來，科學家都在探索將資料貯存在「磁域壁（magnetic domain walls）」的可能性，那是磁性材料中，磁域之間的邊界。到目前為止，操縱磁域壁相當昂貴、複雜，而且得使用顯著的電力產生必要的場。在描述他們里程碑的文章「Current Controlled Magnetic Domain-Wall Nanowire Shift Register」中，Dr. Parkin 與他的團隊描述這種存在已久的障礙可利用自旋極化（spin polarized）電流與磁域壁中磁化作用（magnetization）之間的交互作用來克服；這導致一種作用在磁域壁上的自旋轉移力矩（spin transfer torque）產生，使它移動。自旋動量轉移的使用，在相當程度上簡化了記憶裝置，因為電流直接通過磁域壁而無須任何額外的場產生器。

在一篇描述 racetrack 基本原理的 review paper，「Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory」中，Dr. Parkin 等人描述利用磁域將資料儲存在磁性材料（racetracks）的圓柱中，那在矽晶片表面以水平或垂直方式排列。磁域壁接著會在圓柱中形成，沿著 racetracks 以相反方向（例如：上或下）描繪出被磁化區域的輪廓。每個磁域有個「頭」（正或北極）與「尾」（負或南極）。連續的磁域壁沿著 racetrack 在「頭對頭」與「尾對尾」之間交替配置。在連貫磁域壁之間的間隔（這就是位元長度），受到沿著 racetrack 製造的固定點（pinning sites）所控制。

在他們的論文中，科學家描述他們透過時機恰當的、奈秒長的連續自旋極化電流脈衝，利用水平的高導磁合金（permalloy）奈米線來示範連續創造、移動與偵測磁域壁。寫入與轉移磁域壁的週期時間只有幾時奈秒。這些結果描繪出磁性轉移暫存器（magnetic shift register，磁移暫存器）的基本概念，是依賴自旋動量轉移的現象，來移動一系列密集間隔的磁域壁 -- 在可移動磁域壁中儲存資料的幾十年老概念，一種全新的利用。

最終，研究者預期 racetrack 將會演化成 3D，建構出新奇的 3D racetrack 記憶裝置，這是來自於傳統二維陣列（如電晶體、硬碟）的典範轉移。藉由移動至三維，racetrack memory 將開啟新的、非摩爾定律的可能性。（後面解釋略譯。）

※ 相關報導：

＊ Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/320/5873/190

Stuart S. P. Parkin, Masamitsu Hayashi, Luc Thomas
Science 11 April 2008: Vol. 320. no. 5873, pp. 190 - 194
DOI: 10.1126/science.1145799

＊ Current-Controlled Magnetic Domain-Wall Nanowire Shift Register
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/320/5873/209

Masamitsu Hayashi, Luc Thomas, Rai Moriya, Charles Rettner,
Stuart S. P. Parkin
Science 11 April 2008: Vol. 320. no. 5873, pp. 209 - 211
DOI: 10.1126/science.1154587

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