Магнитные запоминающие устройства

 

Рис 11. Петля гистерезиса и устройство ячейки памяти на магнитном сердечнике (а) и матрица магнитных сердечников (б).

 

 

I_a — ток записи; и_а — ЭДС воспроизведения; Ф_r — магнитный поток в сердечнике

Коммутация  сердечников (т. е. выбор шин тока записи или воспроизведения) осуществляется с помощью электронного коммутатора. В матрице на рис. 11 по линиям х2 и у2 пропускается ток I_a/2, равный половине тока перемагничивания. В точках пересечения линий поля этих токов складываются, образуя поле перемагничивания Н_т. Намагниченность сердечника, расположенного в данной точке, определится направлением ноля перемагничивания. Если токи в обеих линиях положительны, то в сердечнике записывается 0, если отрицательны,— 1. Остальные сердечники, находящиеся на линиях х2 и у2, возбуждаются только током I_a/2 и не перемагничиваются. Такой способ коммутации называется способом совпадения токов.

Для коммутации при воспроизведении записанной информации по линиям х2 и у2 пропускается импульс тока одного знака, а именно +I_a/2. В зависимости от знака намагниченности (0 или 1) данный сердечник перемагнитится этим током или не перемагнитится. Скачок потока, вызываемый переходом сердечника из состояния 1 в состояние 0, индуцирует в шине воспроизведения, которая проходит через все сердечники, импульс ЭДС.

 

 

4. Современные магнитные носители  информации

 

4.1 Nanocubic — магнитные носители нового поколения

 

Специалисты ведущих японских фирм, специализирующихся на производстве различных носителей  для записи и воспроизведения  информации, справедливо полагают, что резервы магнитной ленты  далеко не исчерпаны и, несмотря на значительные достижения в области  жестких и оптических дисков, магнитная  лента сохранит свои позиции в  будущем в качестве сопутствующего и дополняющего носителя записи. Например, фирма «Фудзи сясин фируму» разработала  три технологии изготовления магнитной  ленты с поливным рабочим слоем, позволяющим существенно увеличить  плотность записи. Новые технологии под общим названием Nanocubic обеспечивают равномерный полив рабочего слоя толщиной всего в несколько десятков нанометров, получение игольчатых магнитных порошков с длиной частиц в несколько десятков нанометров и равномерное диспергирование этих магнитных частиц в специально созданном полимерном связующем.

По новым  технологиям разработана экспериментальная  лента из металлического порошка  на базе железа с толщиной рабочего слоя 60 нм, которая позволяет шестикратно  увеличить поверхностную плотность  записи по сравнению с металлопорошковой  лентой для видеомагнитофонов формата  DVCPRO высокой четкости, достигнув уровня 1,6 Гбит/дюйм². В результате дальнейшего усовершенствования этих технологий создана лента с рабочим слоем толщиной 60 нм из игольчатого порошка на базе железа с длиной частиц 60 нм и лента с рабочим слоем толщиной 90 нм из частиц феррита бария длиной 30 нм. Они имеют улучшенную равномерность поверхности и прочие показатели и позволяют еще в 1,2…2 раза увеличить поверхностную плотность записи до уровня 2,0…3,0 Гбит/дюйм². Продолжаются исследования с целью доведения размеров магнитных частиц до 20 нм и менее и уменьшения толщины рабочего слоя до 20…30 нм при сохранении равномерности поверхности. Если эта трудная задача будет решена, то удастся достигнуть поверхностной плотности записи 20 Гбит/дюйм² и можно будет обеспечить емкость записи на одной кассете не менее 10 ТБ.

В конце 2003 года фирма Fujifilm приступила к серийному производству магнитных лент, изготовленных по технологии Nanocubic. Впервые новейшая магнитная лента будет использоваться в кассетах IBM TotalStorage Enterprise Tape Cartridge 3592. Емкость кассеты 3592 составляет 300 ГБ, скорость передачи данных 40 МБ/с, продолжительность хранения записанных данных достигает 30 лет. В перспективных планах фирмы Fujifilm предусматривается, что технология Nanocubic будет применяться для изготовления видеокассет емкостью 1 ТБ (для записи несжатого контента объемом, равнозначным 16 суткам просмотра фильмов DVD-качества) и гибких дисков емкостью до 3 ГБ.

Было  замечено, что в 1999 году рынок магнитной  ленты начал сокращаться и  поэтому, несмотря на появление кассет с более высокой емкостью (например, с лентой типа DLТ), цена 1 ГБ осталась практически прежней, нет результата, полученного для дисковых носителей. Максимальная скорость переноса данных для современных магнитных лент составляет 64 Гбит/с (у дисковых носителей — 80 Мбит/с). Недавно появился ленточный привод SAIT-1, который имеет скорость передачи данных 30 Мбит/с и емкость одной кассеты 4 ТБ. Этот носитель поступил в продажу в 2003 году. Возможно, новые магнитные носители будут совершенствоваться, согласно закону Мура, еще лет 7.

магнитный носитель запоминающий доменный

 

 

 

 

 

4.2 Магнитная память «на беговой  дорожке»

 

4.2.1 История создания

Исследовательская группа под руководством Стюарта  Паркина анонсировала первые результаты работ по созданию нового класса энергонезависимой  памяти — памяти «на беговой дорожке» (magnetic racetrack memory, MRM), или трековой памяти. Она соединит в себе быстроту оперативной  памяти и дешевизну жестких дисков, превзойдет их по плотности записи и при этом будет потреблять в  десятки раз меньше энергии. Вероятно, уже в следующем десятилетии MRM заменит энергозависимую оперативную  память, что позволит избавиться от ожидания при загрузке компьютеров  — ведь операционная система и  прикладные программы будут сохраняться  в ОЗУ после их выключения.

В наши дни  цифровая информация хранится на двух основных типах запоминающих устройств  — на жестких магнитные дисках (hard disk drive, HDD) и твердотельных накопителях (solid state drive, SSD). Поскольку в основе механизма HDD лежит вращающийся магнитный  диск, это уменьшает надежность хранения данных и делает доступ к ним довольно медленным — около 5 мс. У лишенных подвижных частей SSD-устройств (к  ним относятся оперативные запоминающие устройства и флэш-память) время  доступа к информации в миллион  раз меньше — до 5 нс, но зато стоимость  хранения одного бита примерно в 100 раз  выше, чем у HDD. При этом оба типа накопителей построены на двумерной  геометрии, так что увеличение их емкости может происходить только за счет дальнейшей миниатюризации ячеек.

Принципиально новую технологию хранения данных разрабатывает  группа Стюарта Паркина (Stuart Parkin) из Альмаденского исследовательского центра (Almaden Research Centre) компании IBM в  Сан-Хосе (США). Эта технология базируется на открытых не так давно спинтронных  эффектах, в частности на использовании  спинового тока для перемещения наноразмерных магнитных объектов — доменных стенок — в пределах магнитных нанопроволок. Под действием такого тока доменные стенки бегут друг за другом по этой проволоке, словно бегуны по спринтерской дорожке (треку). Поэтому такая технология получила название «память на беговой дорожке» (magnetic racetrack memory, MRM), или «трековая память».

Подобный  подход позволит создать твердотельную  память, соперничающую с жесткими дисками по стоимости и вместимости, но превосходящую их по производительности и надежности. Всё это может  произвести революцию в сфере  доступа и управления информацией.

 

4.2.2 Принцип работы

Рассмотрим  тонкую ферромагнитную проволоку, в  которой создана такая намагниченность, как показана на рис. 12. Отдельные  стрелочки («маленькие магнитики») показывают направление локальной намагниченности  материала; области, где это направление  одинаковое, называются магнитными доменами.

 

Рис. 12. Движение доменных стенок под действием спин-поляризованного  электрического тока.

 

Домены  разделены доменными стенками —  узкими областями, где намагниченность  перестраивается с одного направления  на другое. На рисунке показаны три  домена, разделенные двумя доменными  стенками противоположной полярности.

Теперь  в дело включается спинтроника. Когда  ток проходит сквозь намагниченный  материал, он становится спин-поляризованным. Спин-поляризованный ток, в свою очередь, начинает разворачивать маленькие  магнитики в ту или иную сторону. В результате такого разворота доменная стенка как бы сдвигается, причем направление  сдвига одинаково для всех стенок.

 

Рис. 13. Схематичное  изображение последовательности доменов, пробегающих вдоль вертикальной нанопроволоки под действием  спин-поляризованного тока.

 

Если  на проволоке имеется какая-то последовательность стенок, то все они будут под  действием спин-поляризованного  тока «бежать» вперед с одинаковой скоростью. Получается, что магнитные  домены, ограниченные этими стенками, движутся, но сама проволока остается на месте. Теперь достаточно поместить туда записывающее и считывающее устройство, и прототип трековой памяти готов (см рис. 13).

Работа  с этой проволочкой выглядит так. Вертикальная ячейка памяти (рис. 13) установлена  на кремниевую подложку поверх индивидуальных считывающего и записывающего элементов. Считывающий элемент создается  на основе магнитного туннельного перехода (МТП) — одного из базовых элементов  спинтроники. В нем есть два тонких магнитных слоя, разделенные изолятором. По законам классической теории электричества  ток сквозь непроводящую прослойку  течь не должен, но благодаря квантовому явлению туннелирования небольшой  ток всё же течет.

Выберем одно из двух возможных направлений  намагниченности и назовем его  «ноль», тогда второе направление  будет соответствовать «единице». Нужно также зафиксировать длину  каждого бита, чтобы длинный домен  без стенок соответствовал длинной  цепочке одинаковых битов. Если теперь к беговой дорожке приложить  последовательность импульсов спин-поляризованного  тока, домены придут в движение, а  по изменению сопротивления на считывающем  элементе будет фиксироваться череда нулей и единиц.

Запись  информации производится еще одной  магнитной нанопроволокой, расположенной  поперек беговой дорожки. Она  тоже манипулирует намагниченностью доменов  — в нужные моменты времени  импульсы тока в этом элементе порождают  и сдвигают доменные стенки на беговой  дорожке. Другими словами, записывающий элемент способен перестраивать  доменную структуру так, как нам  будет угодно.

 

4.2.3 Трехбитный сдвиговый регистр

В настоящее  время Паркин и его коллеги  научились создавать доменные стенки и гонять их по проволоке в любом  направлении со скоростью свыше 100 м/с. Для проволоки длиной в  несколько микрон это отвечает времени доступа в несколько десятков наносекунд - довольно быстро даже по современным меркам. Более того, авторам удалось создать и продемонстрировать в работе самый настоящий трехбитный сдвиговый регистр (рис. 14) — возможно, на его основе через 6-7 лет будет построена полноценная память «на беговой дорожке».

 

Рис. 14. Трехбитный однонаправленный сдвиговый регистр  на основе магнитных доменных стенок.

 

A — изображение  магнитной нанопроволоки («беговой  дорожки»), соединенной с электрическими  контактами, по которым подаются  наносекундные импульсы для сдвига  доменных стенок и измеряется  сопротивление. Данные кодируются  направлениями намагниченности  для трех доменов — B1, B2 и  B3, находящихся между подводящими  контактами. B — изменение сопротивления  дорожки в зависимости от серии  импульсов, используемых для записи  и сдвига вдоль регистра последовательности 010111. Значение сопротивления «чувствует»  дискретную величину — количество  доменных стенок на проволоке  между контактами. Светлые и затемненные  области указывают на операции  записи и сдвига соответственно. Таблица, расположенная под графиком, показывает соответствующую эволюцию  состояний битов в течение  операций. Выделенные цветом цифры показывают, как последовательность входных битов трансформируется в выходной сигнал после двух операций «запись–сдвиг». C — пояснение к сдвиговой операции. Черные и белые прямоугольники представляют доменные стенки, образованные сходящимися и расходящимися направлениями векторов намагничивания соответственно. Черные стрелки указывают направление намагниченности в пределах одного домена. Синие и красные стрелки показывают направление движения электрического тока в записывающем контакте

Перед началом  записи с помощью достаточно сильного магнитного поля вся дорожка намагничивается  в одну сторону (то есть записана последовательность единиц). Затем при помощи импульсного  генератора через поперечный контакт (рис. 14А, слева) пропускается ток длительностью 10 нс. В зависимости от его направления  и намагниченности дорожки непосредственно  под ним может образоваться или  не образоваться новая доменная стенка. Второй такой импульс, длительностью  уже 70 нс, протекая вдоль дорожки, смещает  стенки на длину одного бита. Цикл «запись–сдвиг» повторяется, и в итоге возникает  последовательность логических нолей  и единиц, как показано на рис. 14 (B и C).

 

4.2.4 Перспективы и проблемы

Что обещает  создание нового класса памяти? Во-первых, из-за отсутствия движущихся частей (и  даже движущихся атомов) это будет  быстрая, долговечная и в перспективе  дешевая энергонезависимая память. Во-вторых, если на двумерной подложке создать «лес» вертикальных нанопроволочек (см. рис. 15) и на каждой записать не один, а много битов, то получится память с настоящим трехмерным хранением  данных. Именно поэтому автор разработки считает, что эта технология вскоре превзойдет по плотности записи традиционные носители.

 

Рис. 15. Проект массива беговых дорожек для  высокоплотной трехмерной записи информации

 

Если  ожидаемая плотность хранения данных будет реализована в готовом  продукте, это будет означать, что  мобильные телефоны, КПК и универсальные  медиапроигрыватели смогут вмещать  на борту в сто раз больше памяти, чем это возможно сегодня. Другими  словами, портативный mp3-плеер сможет хранить до 500 000 песен.

Конечно, на пути к этому предстоит еще  преодолеть немало трудностей. Во-первых, надо научиться синхронно двигать  десятки доменных стенок (пока что  были эксперименты не более чем с  тремя стенками). Во-вторых, надо найти  способ уменьшить силу спин-поляризованного  тока, движущего стенки (в экспериментах  сила тока была такова, что проволочка расплавилась бы в доли секунды, если бы ток шел постоянно). В-третьих, надо попросту научиться выращивать «лес» из вертикальных нанопроволок, как на рис. 15.

Тем не менее  Паркин полагает, что готовая к  применению память «на беговой дорожке» появится примерно через 7 лет —  потребуется четыре года на производство прототипа и еще три года на его доработку для коммерческого  использования.

 

 

1. Расчёты.
2. Вычисление процента выхода годных структур на пластине (Y) производится по следующей формуле:
4. ,
6. где D₀ – удельная плотность дефектов, приходящихся на одну фотолитографию, деф/см²; A – активная площадь кристалла, см²; F – число фотолитографических процессов в полном технологическом цикле изготовления ИС.
8. Расчет общего объема выпуска годных изделий проводится по исходным данным. Выход годных структур на пластине: ,
9. где A_пл – активная площадь пластины диаметром 100 мм, A – площадь элемента, см².
11. Годовой объем производства при запуске Z=300 пластин в сутки при условии, что процент выхода годных изделий на сборочных операциях W=95%:
15. Таблица. Расчет порогового напряжения МОП транзистора.