Память Millipede — это форма энергонезависимой компьютерной памяти . Она обещала плотность данных более 1 терабита на квадратный дюйм (1 гигабит на квадратный миллиметр), что примерно соответствует пределу перпендикулярной записи жестких дисков . Технология хранения Millipede рассматривалась как потенциальная замена магнитной записи на жестких дисках и средство уменьшения физического размера технологии до размера флэш- носителей.
IBM продемонстрировала прототип устройства хранения данных «Многоножка» на выставке CeBIT 2005 и пыталась сделать технологию коммерчески доступной к концу 2007 года. Однако из-за сопутствующих достижений в конкурирующих технологиях хранения данных с тех пор ни один коммерческий продукт не был выпущен.
Основная память современных компьютеров состоит из одного из ряда устройств, связанных с DRAM . DRAM в основном состоит из ряда конденсаторов , которые хранят данные в терминах наличия или отсутствия электрического заряда. Каждый конденсатор и связанная с ним схема управления, называемая ячейкой , хранят один бит , и несколько бит могут быть считаны или записаны большими блоками одновременно. DRAM является энергозависимой — данные теряются при отключении питания.
Напротив, жесткие диски хранят данные на диске, покрытом магнитным материалом ; данные представлены этим материалом, локально намагниченным. Чтение и запись выполняются одной головкой, которая ждет, пока запрошенная ячейка памяти пройдет под головкой, пока диск вращается. В результате производительность жесткого диска ограничена механической скоростью двигателя, и она, как правило, в сотни тысяч раз медленнее, чем DRAM. Однако, поскольку «ячейки» в жестком диске намного меньше, плотность хранения для жестких дисков намного выше, чем у DRAM. Жесткие диски энергонезависимы — данные сохраняются даже после отключения питания.
Хранилище Millipede пытается объединить особенности обоих. Подобно жесткому диску, Millipede хранит данные на носителе и получает доступ к данным, перемещая носитель под головкой. Также подобно жестким дискам, физический носитель Millipede хранит немного информации на небольшой площади, что приводит к высокой плотности хранения. Однако Millipede использует множество наноскопических головок, которые могут считывать и записывать параллельно, тем самым увеличивая объем данных, считываемых за определенный промежуток времени.
Механически, многоножка использует многочисленные атомные силовые зонды , каждый из которых отвечает за чтение и запись большого количества битов, связанных с ним. Эти биты хранятся в виде ямки или ее отсутствия на поверхности термоактивного полимера , который нанесен в виде тонкой пленки на носитель, известный как салазки. Любой зонд может считывать или записывать только довольно небольшую область салазок, доступную ему, известную как поле хранения . Обычно салазки перемещаются так, чтобы выбранные биты располагались под зондом с помощью электромеханических приводов. Эти приводы похожи на те, которые позиционируют головку чтения/записи в типичном жестком диске, однако фактическое перемещаемое расстояние по сравнению с этим крошечное. Сани перемещаются по шаблону сканирования, чтобы подвести запрошенные биты под зонд, процесс, известный как сканирование x/y.
Объем памяти, обслуживаемой любой парой поле/зонд, довольно мал, но также мал и ее физический размер. Таким образом, множество таких пар поле/зонд используются для создания запоминающего устройства, а чтение и запись данных могут быть распределены по многим полям параллельно, что увеличивает пропускную способность и сокращает время доступа. Например, одно 32-битное значение обычно записывалось как набор отдельных бит, отправляемых в 32 различных поля. В первоначальных экспериментальных устройствах зонды были смонтированы в сетке 32x32, всего 1024 зонда. Учитывая, что эта компоновка выглядела как ноги многоножки ( животного), название прижилось. Конструкция массива кантилеверов включает изготовление многочисленных механических кантилеверов, на которых должен быть установлен зонд. Все кантилеверы полностью изготовлены из кремния с использованием поверхностной микрообработки на поверхности пластины.
Что касается создания углублений или ямок, несшитые полимеры сохраняют низкую температуру стекла , около 120 °C для ПММА [4], и если кончик зонда нагреть выше температуры стекла, он оставит небольшое углубление. Углубления делаются с латеральным разрешением 3 нм. [5] При нагревании зонда непосредственно рядом с углублением полимер снова расплавится и заполнит углубление, стирая его (см. также: термомеханическая сканирующая зондовая литография ). После записи кончик зонда можно использовать для считывания углублений. Если каждое углубление рассматривать как один бит, то теоретически можно достичь плотности хранения 0,9 Тб/дюйм 2. [5]
Каждый зонд в массиве кантилевера хранит и считывает данные термомеханическим способом, обрабатывая один бит за раз. Для выполнения считывания наконечник зонда нагревается примерно до 300 °C и перемещается в непосредственной близости от салазок данных. Если зонд расположен над углублением, кантилевер вдавит его в отверстие, увеличивая площадь поверхности, контактирующей с салазками, и, в свою очередь, увеличивая охлаждение, поскольку тепло просачивается в салазки от зонда. В случае, когда в этом месте нет углубления, только самый наконечник зонда остается в контакте с салазками, и тепло уходит медленнее. Электрическое сопротивление зонда является функцией его температуры и увеличивается с ростом температуры. Таким образом, когда зонд падает в углубление и охлаждается, это регистрируется как падение сопротивления. Низкое сопротивление будет преобразовано в бит «1» или в противном случае в бит «0». При считывании всего поля хранения наконечник перемещается по всей поверхности, и изменения сопротивления постоянно отслеживаются.
Чтобы записать бит, кончик зонда нагревают до температуры выше температуры стеклования полимера, используемого для изготовления салазок данных, которые обычно изготавливаются из акрилового стекла . В этом случае температура перехода составляет около 400 °C. Чтобы записать «1», полимер вблизи кончика размягчают, а затем кончик осторожно прикасается к нему, вызывая вмятину. Чтобы стереть бит и вернуть его в нулевое состояние, кончик вместо этого отрывают от поверхности, позволяя поверхностному натяжению снова выровнять поверхность. Более старые экспериментальные системы использовали различные методы стирания, которые, как правило, были более трудоемкими и менее успешными. Эти старые системы предлагали около 100 000 стираний, но доступные ссылки не содержат достаточно информации, чтобы сказать, было ли это улучшено с помощью новых методов. [ необходима цитата ]
Как и следовало ожидать, необходимость нагрева зондов требует довольно большого количества энергии для общей работы. Однако точное количество зависит от скорости доступа к данным; при более низких скоростях охлаждение во время чтения меньше, как и количество раз, которое зонд должен нагреваться до более высокой температуры для записи. При работе со скоростью передачи данных в несколько мегабит в секунду Millipede, как ожидается, будет потреблять около 100 милливатт, что находится в диапазоне технологии флэш-памяти и значительно ниже жестких дисков. Однако одним из главных преимуществ конструкции Millipede является то, что она высокопараллельна, что позволяет ей работать на гораздо более высоких скоростях в ГБ /с. При таких скоростях можно было бы ожидать, что требования к мощности будут более точно соответствовать текущим жестким дискам, и действительно, скорость передачи данных ограничена диапазоном килобит в секунду для отдельного зонда, что составляет несколько мегабит для всего массива. Эксперименты, проведенные в исследовательском центре IBM в Альмадене , показали, что отдельные наконечники могут поддерживать скорость передачи данных до 1–2 мегабит в секунду, потенциально обеспечивая совокупную скорость в диапазоне ГБ/с.
Память Millipede была предложена как форма энергонезависимой компьютерной памяти, которая должна была конкурировать с флэш-памятью с точки зрения хранения данных, скорости чтения и записи, а также физического размера технологии. Однако другие технологии с тех пор превзошли ее, и поэтому она, по-видимому, не является технологией, которая в настоящее время разрабатывается.
Устройства многоножек самого раннего поколения использовали зонды диаметром 10 нанометров и длиной 70 нанометров, создавая ямки диаметром около 40 нм на полях 92 мкм x 92 мкм. Расположенный в сетке 32 x 32, полученный чип размером 3 мм x 3 мм хранит 500 мегабит данных или 62,5 МБ, что приводит к плотности записи , количеству бит на квадратный дюйм, порядка 200 Гбит/дюйм². IBM первоначально продемонстрировала это устройство в 2003 году, планируя представить его на рынке в 2005 году. К тому моменту жесткие диски приближались к 150 Гбит/дюйм² и с тех пор превзошли этот показатель.
Устройства, продемонстрированные на выставке CeBIT Expo в 2005 году, улучшили базовую конструкцию, используя консольные чипы 64 x 64 с салазками данных 7 мм x 7 мм, увеличивая емкость хранения данных до 800 Гбит/дюйм² с использованием меньших питов. Похоже, что размер питов может масштабироваться примерно до 10 нм, что приводит к теоретической плотности записи чуть более 1 Тбит/дюйм². IBM планировала представить устройства на основе такого рода плотности в 2007 году. Для сравнения, по состоянию на конец 2011 года жесткие диски ноутбуков поставлялись с плотностью 636 Гбит/дюйм², [6] и ожидается, что магнитная запись с помощью нагрева и шаблонизированные носители вместе могут поддерживать плотность 10 Тбит/дюйм². [7] Флэш-память достигла почти 250 Гбит/дюйм² в начале 2010 года. [8]
По состоянию на 2015 год [ необходима ссылка ] из-за одновременного развития конкурирующих технологий хранения данных ни один коммерческий продукт не был выпущен.