Память Racetrack или память с доменной стенкой ( DWM ) — это экспериментальное энергонезависимое запоминающее устройство, разрабатываемое в исследовательском центре IBM Almaden группой под руководством физика Стюарта Паркина . [1] Это текущая тема активных исследований в Институте физики микроструктур Макса Планка в группе доктора Паркина. В начале 2008 года была успешно продемонстрирована 3-битная версия. [2] Если бы она была успешно разработана, память Racetrack обеспечивала бы плотность хранения данных выше, чем сопоставимые твердотельные устройства памяти, такие как флэш-память . [ требуется ссылка ]
Память Racetrack использует спин -когерентный электрический ток для перемещения магнитных доменов вдоль наноскопической проволоки из пермаллоя диаметром около 200 нм и толщиной 100 нм. Когда ток проходит через провод, домены проходят мимо магнитных головок чтения/записи , расположенных рядом с проводом, которые изменяют домены для записи шаблонов битов. Устройство памяти Racetrack состоит из множества таких проводов и элементов чтения/записи. В общей операционной концепции память Racetrack похожа на более раннюю пузырьковую память 1960-х и 1970-х годов. Память с линиями задержки , такая как ртутные линии задержки 1940-х и 1950-х годов, является еще более ранней формой подобной технологии, которая использовалась в компьютерах UNIVAC и EDSAC . Как и пузырьковая память, память Racetrack использует электрические токи для «проталкивания» последовательности магнитных доменов через подложку и мимо элементов 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 производстве ожидалось [ требуется ссылка ] , что провода можно будет уменьшить до 50 нм. Для памяти типа «гоночная трасса» рассматривались два варианта. Простейшим был ряд плоских проводов, расположенных в сетке с головками чтения и записи, расположенными рядом. Более широко изученный вариант использовал U-образные провода, расположенные вертикально над сеткой головок чтения/записи на подложке. Это позволило бы проводам быть намного длиннее без увеличения их двумерной площади, хотя необходимость перемещать отдельные домены дальше по проводам, прежде чем они достигнут головок чтения/записи, приводит к более медленному времени случайного доступа. Оба варианта обеспечивали примерно одинаковую пропускную способность. Основной проблемой с точки зрения конструкции была практическая сторона: будет ли трехмерная вертикальная компоновка осуществима для массового производства.
Прогнозы 2008 года предполагали, что память racetrack обеспечит 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 обычной DRAM . Основные авторы обсуждали способы улучшения времени доступа с использованием «резервуара» до примерно 9,5 нс. Совокупная пропускная способность, с резервуаром или без него, будет порядка 250-670 Мбит/с для памяти racetrack по сравнению с 12800 Мбит/с для одного DDR3 DRAM, 1000 Мбит/с для высокопроизводительных жестких дисков и 1000-4000 Мбит/с для устройств флэш-памяти. Единственной современной технологией, которая предлагала явное преимущество в задержке по сравнению с памятью racetrack, была SRAM , порядка 0,2 нс, но по более высокой цене. Более крупный размер элемента "F" около 45 нм (по состоянию на 2011 год) с площадью ячейки около 140 F 2 . [3] [4]
Память Racetrack является одной из нескольких новых технологий, которые стремятся заменить обычные памяти, такие как DRAM и Flash, и потенциально предлагают универсальное запоминающее устройство, применимое для широкого спектра задач. Другие претенденты включали магниторезистивную память с произвольным доступом (MRAM), память с изменением фазы (PCRAM) и сегнетоэлектрическую оперативную память (FeRAM). Большинство этих технологий предлагают плотность, похожую на флэш-память, в большинстве случаев хуже, и их основным преимуществом является отсутствие ограничений по выносливости записи, как у флэш-памяти. Field-MRAM обеспечивает превосходную производительность до времени доступа 3 нс, но требует большого размера ячейки 25-40 F². Она может найти применение в качестве замены SRAM, но не как устройство массового хранения. Самая высокая плотность из всех этих устройств предлагается PCRAM с размером ячейки около 5,8 F², похожим на флэш-память, а также довольно хорошей производительностью около 50 нс. Тем не менее, ни одно из них не может сравниться с памятью Racetrack в общих показателях, особенно по плотности. Например, 50 нс позволяет оперировать примерно пятью битами в устройстве памяти типа «гоночная трасса», что приводит к эффективному размеру ячейки 20/5=4 F², что легко превышает произведение производительности на плотность PCM. С другой стороны, без ущерба для плотности бит, та же область 20 F² может вместить 2,5 2-битных 8 F² альтернативных ячеек памяти (таких как резистивная RAM (RRAM) или MRAM с передачей спинового момента ), каждая из которых по отдельности работает намного быстрее (~10 нс).
В большинстве случаев запоминающие устройства хранят один бит в любом заданном месте, поэтому их обычно сравнивают с точки зрения «размера ячейки», ячейки, хранящей один бит. Сам размер ячейки указывается в единицах F², где «F» — это правило проектирования размера элемента , представляющее обычно ширину металлической линии. Флэш-память и Racetrack хранят несколько бит на ячейку, но сравнение все равно можно провести. Например, жесткие диски, по-видимому, достигли теоретических пределов около 650 нм²/бит, [5] определяемых в первую очередь возможностью считывания и записи на определенных участках магнитной поверхности. DRAM имеет размер ячейки около 6 F², SRAM гораздо менее плотная — 120 F². Флэш-память NAND в настоящее время является самой 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 4,75 F², что составляет 2-битную операцию на ячейке размером 9,5 F². [4] В вертикальной ориентации (U-образной) гоночной дорожке почти 10-20 бит хранятся на ячейку, которая сама по себе будет иметь физический размер не менее 20 F². Кроме того, биты в разных положениях на «дорожке» потребуют разного времени (от ~10 до ~1000 нс или 10 нс/бит) для доступа датчика чтения/записи, поскольку «дорожка» будет перемещать домены с фиксированной скоростью ~100 м/с мимо датчика чтения/записи.
Одним из ограничений ранних экспериментальных устройств было то, что магнитные домены можно было проталкивать через провода только медленно, 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 проследили эту проблему до микроскопических дефектов в кристаллической структуре проводов, которые приводили к тому, что домены «застревали» на этих дефектах. Используя рентгеновский микроскоп для непосредственного отображения границ между доменами, их исследование показало, что стенки доменов будут перемещаться импульсами длительностью всего несколько наносекунд, когда эти дефекты отсутствуют. Это соответствует макроскопической производительности около 110 м/с. [6]
Напряжение, необходимое для движения доменов по гоночной дорожке, будет пропорционально длине провода. Плотность тока должна быть достаточно высокой, чтобы толкать стенки доменов (как при электромиграции ). Трудность для технологии гоночной дорожки возникает из-за необходимости высокой плотности тока (>10 8 А/см 2 ); поперечное сечение 30 нм x 100 нм потребует >3 мА. Результирующее потребление мощности становится выше, чем требуется для других видов памяти, например, памяти с передачей спинового момента (STT-RAM) или флэш-памяти.
Другая проблема, связанная с памятью типа «гоночная дорожка», — это стохастическая природа движения доменных стенок, т. е. они движутся и останавливаются в случайных положениях. [7] Были попытки преодолеть эту проблему, создавая выемки на краях нанопроволоки. [8] Исследователи также предложили использовать ступенчатые нанопроволоки для точного закрепления доменных стенок. [9] Экспериментальные исследования показали [10] эффективность ступенчатой памяти доменных стенок. [11] Недавно исследователи предложили негеометрические подходы, такие как локальная модуляция магнитных свойств посредством модификации состава. Используются такие методы, как диффузия, вызванная отжигом [12] и ионная имплантация [13] .