Научные учёные готовят сокрушительный удар по жёстким дискам!

Наночелноки запомнят биты на миллиард лет

В погоне за размещением всё большего объёма информации во всё меньших и меньших устройствах инженеры и физики начали уже создавать столь "тонкие" экспериментальные системы, что про них впору говорить "не дышите на шедевр". Но много ли будет толку от ультраплотных носителей, если данные на них пропадут через несколько десятков лет? А если мы хотим сохранить информацию на века, тысячелетия? Тупик?

Поневоле задумаешься - не вернуться ли к клинописи? Кстати, печатное представление информации (в виде текста или даже рисунков) вполне может претендовать на роль метода хранения архивных данных на невообразимо долгий срок. Нужно только решить - чем именно и на чём печатать, если, конечно, мы хотим совместить долговечность такого носителя с высокой плотностью упаковки, хотя бы примерно сопоставимой с таковой у микросхем и магнитных дисков.

Выход известен: нужно использовать наногравировку ионными пучками. В 2007-м при помощи такой технологии израильские учёные разместили весь текст Ветхого завета на кончике иглы. Но такой носитель не годится в качестве компьютерной цифровой памяти - он же аналоговый. Итак, можем ли мы получить и высокую плотность, и необычайную долговечность, и совместимость с цифровыми технологиями одновременно?

"Да", - считает профессор Алекс Зеттл (Alex Zettl) из Калифорнийского университета в Беркли. Алекс известен нам по целому ряду работ в области нано- и микромеханических систем. Свежий пример - миниатюрные пластинки, приводимые в движение светом. А созданный некогда в группе Зеттла "невозможный" выпрямитель тепла даже заставил крепко призадуматься физиков-теоретиков.

И вот новый его шедевр: "Наноразмерный реверсивный транспорт массы" (Nanoscale Reversible Mass Transport), или "Челночная память" (Shuttle memory).

Одна ячейка "Челночной памяти" представляет собой "туннель" из многослойной углеродной нанотрубки, закреплённый между электродами, по которому взад-вперёд, словно поезд, движется кристаллическая наночастица железа (иллюстрация American Chemical Society).

Перемещением наночелнока в такой системе можно управлять при помощи простого приложения напряжения к концам трубки. Причём величина этого напряжения аналогична той, что существует в микросхемах. Положение же наночастицы внутри трубки может быть легко определено путём измерения электрического сопротивления.

Уже простое размещение такого челнока у левого или правого (или верхнего и нижнего, в зависимости от положения нанотрубки) края туннеля даёт возможность записать двоичные нули или единицы. Соответственно, крупное сообщество трубок может быть применено для хранения огромных массивов данных.

***

Не в первый раз учёные пробуют приспособить углеродные нанотрубки для записи двоичной информации. Скажем, в 2005-м в США был создан прототип чипа памяти, в котором нули и единицы представлены в виде по-разному изогнутых нанотрубок. Однако работа такого устройства требовала настройки тонкого баланса сил, что ставило вопрос о реальной его способности хранить информацию без сбоев действительно долгое время.

В челночной же памяти биты "устроены" более основательно и, можно сказать, грубо, несмотря на нанометровые размеры элементов. В теории Shuttle memory может содержать до 1012 бит на квадратный дюйм. Она не требует энергии при хранении информации. Но главное, по расчётам авторов устройства, такая система остаётся стабильной миллиард лет!

***

Впрочем, пока память, придуманная Зеттлом и его коллегами, - лишь лабораторный образец нанотрубки с шаттлом внутри, который учёные увлечённо снимают на видео под микроскопом. А что ещё появится на арене к тому времени, когда она дойдёт до практически пригодного устройства? Может, все виды памяти затмит другое изобретение последних лет "Память - гоночный трек" (Racetrack memory)?

Это устройство Стюарт Паркин (Stuart Parkin) из IBM придумал "на кончике пера" ещё в 2003 году, однако до недавнего времени у учёного не было никаких практических доказательств выполнимости идеи.

А заключается она в следующем. Один элемент такой памяти представляет собой нанопровод, изогнутый в виде подковы или буквы U. Нанопроводок этот намагничен и, что важно, имеет сразу несколько участков различной полярности. Это аналог магнитных доменов на жёстком диске, так что границы между ними являются аналогами нулей и единичек. Но только вот ни сам провод, ни системы записи и считывания здесь никуда не движутся.

Принцип работы Racetrack memory. Детали можно найти в статье в Science (иллюстрация Arthur Mount/IBM).

Как же происходит запись и выборка информации?

Секрет - в спинтронике. Паркин установил, что границы магнитных доменов в нанопроводе можно произвольно сдвигать вдоль этого самого провода, пропуская через него спин-поляризованный ток.

При этом порядок расположения намагниченных зон не меняется - записанные ранее биты аккуратно переезжают друг за дружкой "в затылок", словно гоночные авто на треке (отсюда и название памяти). Отдельные спинтронные устройства внизу "подковы" производят запись (перемену полярности доменов) и считывание ориентации этих участков. А короткие импульсы тока через сам проводник подставляют под "считывающие головки" тот или иной фрагмент данных (от направления тока зависит и направления движения магнитных зон).

Красота. Тут никуда не "едут" не то что отдельные детали устройства, но даже отдельные атомы. И в этом плане данная магнитная память выгодно отличается от жёстких дисков.

"Гоночный трек" энергонезависим (то есть не требует питания во время хранения данных), он быстр (время доступа - меньше наносекунды), очень надёжен и очень ёмок. Массив таких буковок U, размещённый на поверхности микросхемы, теоретически способен вместить на одинаковой площади в 100 раз больше данных, чем транзисторные чипы-флэшки, при сохранении скромной цены, сообщает американский исследователь.

Несколько лет никто не хотел верить, что такая схема будет работать. Но вот в апреле прошлого года Паркину впервые удалось сместить магнитные домены в нанопроводнике при помощи спинового тока. Правда, одновременно в опытном образце хранились только три бита. Но зато они не смешивались и не исчезали при своём перемещении через материал.

***

Если эксперименты Стюарта увенчаются успехом, будет открыт новый раунд жёсткой борьбы между твердотельными устройствами памяти (в которых нет подвижных частей) и дисками самых разных типов.

Первые (в лице традиционных флэшек) регулярно наращивают параметры, магнитные диски стараются не отставать, а уж про оптические и говорить нечего: экзотические системы хранения вроде голографической, 200-слойной или 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 яркий пример возможности преодоления границ в росте характеристик электронных устройств. Нужно лишь уметь отойти от стереотипов.

Прочитать статью целиком

Недорогая, быстрая, "вечная" память, вмещающая в себя чумовые объёмы информации. Компьютер, размером со спичечный коробок. Чипы контроля мозговой деятельности, размером с рисовое зёрнышко. Светлое будущее уже буквально ломится в наши двери!!!