Pamięć toru wyścigowego - Racetrack memory

Pamięć komputera i typy przechowywania danych
Generał
Lotny
Baran
Historyczny
Nieulotne
ROM
NVRAM
NVRAM na wczesnym etapie
Nagrywanie analogowe
Optyczny
W opracowaniu
Historyczny

Tor pamięci lub pamięci domen ściany ( DWM ) jest eksperymentalnym nieulotnej pamięci urządzenia w fazie rozwoju w IBM jest Almaden Research Center przez zespół kierowany przez fizyka Stuart Parkin . Na początku 2008 roku pomyślnie zademonstrowano wersję 3-bitową. Gdyby udało się go opracować, tor wyścigowy oferowałby gęstość pamięci większą niż porównywalne pamięci półprzewodnikowe, takie jak pamięć flash i podobne do konwencjonalnych dysków twardych , z wyższą wydajnością odczytu / zapisu.

Opis

Pamięć na torze wyścigowym wykorzystuje spójny spinowo prąd elektryczny do przesuwania domen magnetycznych wzdłuż nanoskopowego drutu permalojowego o średnicy około 200 nm i grubości 100 nm. Gdy prąd przepływa przez przewód, domeny przechodzą przez magnetyczne głowice odczytu / zapisu umieszczone w pobliżu przewodu, które zmieniają domeny w celu zapisywania wzorów bitów. Urządzenie pamięci wyścigowej składa się z wielu takich przewodów i elementów do odczytu / zapisu. W ogólnej koncepcji operacyjnej pamięć toru wyścigowego jest podobna do wcześniejszej pamięci bąbelkowej z lat 60. i 70. Pamięć linii opóźniającej , na przykład rtęciowe linie opóźniające z lat czterdziestych i pięćdziesiątych XX wieku, jest jeszcze wcześniejszą formą podobnej technologii, stosowanej w komputerach UNIVAC i EDSAC . Podobnie jak pamięć bąbelkowa, pamięć wyścigowa wykorzystuje prądy elektryczne do „przepychania” sekwencji domen magnetycznych przez podłoże i elementy odczytu / zapisu. Udoskonalenia w zakresie detekcji magnetycznej, oparte na opracowaniu spintronicznych czujników magnetorezystywnych , pozwalają na użycie znacznie mniejszych domen magnetycznych, aby zapewnić znacznie większe gęstości bitów.

W produkcji oczekiwano, że druty można zmniejszyć do około 50 nm. Rozważano dwa rozwiązania dotyczące pamięci toru wyścigowego. Najprostszy był szereg płaskich drutów ułożonych w siatkę z umieszczonymi obok głowicami odczytu i zapisu. Bardziej zbadany układ wykorzystywał druty w kształcie litery U ułożone pionowo nad siatką głowic do odczytu / zapisu na podłożu. Pozwoliłoby to na znacznie dłuższe przewody bez zwiększania ich obszaru 2D, chociaż potrzeba przesunięcia poszczególnych domen dalej wzdłuż przewodów, zanim dotrą one do głowic odczytu / zapisu, skutkuje wolniejszymi czasami dostępu swobodnego. Oba rozwiązania oferowały mniej więcej taką samą przepustowość. Podstawowa troska w zakresie konstrukcji była praktyczna; czy trójwymiarowy układ pionowy byłby możliwy do masowej produkcji.

Porównanie z innymi urządzeniami pamięci

Prognozy z 2008 roku sugerowały, że pamięć toru wyścigowego zapewnia wydajność rzędu 20-32 ns, aby odczytać lub zapisać losowy bit. W porównaniu z około 10 000 000 ns w przypadku dysku twardego lub 20–30 ns w przypadku konwencjonalnej pamięci DRAM . Pierwsi autorzy omówili sposoby poprawy czasów dostępu przy użyciu „zbiornika” do około 9,5 ns. Łączna przepustowość, ze zbiornikiem lub bez, byłaby rzędu 250-670 Mbit / s dla pamięci toru wyścigowego, w porównaniu do 12800 Mbit / s dla pojedynczej pamięci DDR3 DRAM, 1000 Mbit / s dla wysokowydajnych dysków twardych i 1000 do 4000 Mbit / s dla urządzeń z pamięcią flash. Jedyną obecną technologią, która zapewniała wyraźną korzyść w zakresie opóźnień w porównaniu z pamięcią toru wyścigowego, była SRAM , rzędu 0,2 ns, ale za wyższą cenę. większy rozmiar elementu „F” około 45 nm (stan na 2011 r.) z powierzchnią komórki około 140 F 2 .

Pamięć na torze wyścigowym jest jedną z kilku nowych technologii, które mają na celu zastąpienie konwencjonalnych pamięci, takich jak DRAM i Flash, i potencjalnie oferują uniwersalne urządzenie pamięci nadające się do wielu różnych ról. Do innych rywali należały magnetorezystywna pamięć o dostępie swobodnym (MRAM), pamięć ze zmianą fazy (PCRAM) i ferroelektryczna pamięć RAM (FeRAM). Większość z tych technologii oferuje gęstości podobne do pamięci flash, w większości przypadków gorsze, a ich podstawową zaletą jest brak ograniczeń wytrzymałości zapisu, takich jak w pamięci flash. Field-MRAM zapewnia doskonałą wydajność, nawet z czasem dostępu 3 ns, ale wymaga dużej komórki o wielkości 25-40 F². Może być używany jako zamiennik pamięci SRAM, ale nie jako urządzenie pamięci masowej. Najwyższe gęstości z któregokolwiek z tych urządzeń jest oferowane przez PCRAM, z rozmiarem komórki około 5,8 F², podobną do pamięci flash, a także dość dobrą wydajnością około 50 ns. Niemniej jednak żadna z nich nie może zbliżyć się do konkurowania z pamięcią toru wyścigowego w kategoriach ogólnych, zwłaszcza gęstości. Na przykład 50 ns pozwala na obsługę około pięciu bitów w urządzeniu pamięci typu „racetrack”, co skutkuje efektywnym rozmiarem komórki 20/5 = 4 F², z łatwością przekraczającym iloczyn wydajności i gęstości PCM. Z drugiej strony, bez poświęcania gęstości bitowej, ten sam obszar 20 F² może pomieścić 2,5 2-bitowe 8 F² alternatywnych komórek pamięci (takich jak rezystancyjna pamięć RAM (RRAM) lub MRAM z przenoszeniem momentu obrotowego ), z których każda działa indywidualnie znacznie szybciej ( ~ 10 ns).

W większości przypadków urządzenia pamięci przechowują jeden bit w dowolnej lokalizacji, więc zazwyczaj porównuje się je pod względem „rozmiaru komórki”, czyli komórki przechowującej jeden bit. Sam rozmiar komórki jest podawany w jednostkach F², gdzie „F” jest zasadą projektowania rozmiaru elementu , reprezentującą zwykle szerokość metalowej linii. Flash i racetrack przechowują wiele bitów na komórkę, ale nadal można dokonać porównania. Na przykład, dyski twarde wydawały się osiągać teoretyczne limity około 650 nm² / bit, definiowane głównie przez możliwość odczytu i zapisu w określonych obszarach powierzchni magnetycznej. DRAM ma rozmiar komórki około 6 F², SRAM jest znacznie mniej gęsty przy 120 F². Pamięć flash NAND jest obecnie najgęstszą formą pamięci nieulotnej w powszechnym użyciu, z wielkością komórki około 4,5 F², ale przechowującą trzy bity na komórkę dla efektywnego rozmiaru 1,5 F². Pamięć flash NOR jest nieco mniej gęsta, przy efektywnym 4,75 F², co odpowiada 2-bitowej pracy na komórce o rozmiarze 9,5 F². Na torze wyścigowym w orientacji pionowej (w kształcie litery U) przechowywanych jest prawie 10-20 bitów na komórkę, która sama miałaby fizyczny rozmiar co najmniej około 20 F². Ponadto dostęp do bitów w różnych pozycjach na „ścieżce” wymagałby różnych czasów (od ~ 10 do ~ 1000 ns lub 10 ns / bit), aby uzyskać dostęp do czujnika odczytu / zapisu, ponieważ „ścieżka” przesunęłaby domeny ze stałą prędkością ~ 100 m / s za czujnikiem odczytu / zapisu.

Wyzwania rozwojowe

Jednym z ograniczeń wczesnych urządzeń eksperymentalnych było to, że domeny magnetyczne mogły być przepychane przez przewody tylko powoli, co wymagało impulsów prądu rzędu mikrosekund, aby je z powodzeniem przesuwać. Było to nieoczekiwane i doprowadziło do uzyskania wydajności porównywalnej z dyskami twardymi , a nawet 1000 razy wolniejszej niż przewidywano. Niedawne badania wskazały na mikroskopijne niedoskonałości struktury krystalicznej drutów, które doprowadziły do ​​„zakleszczenia” domen w tych niedoskonałościach. Używając mikroskopu rentgenowskiego do bezpośredniego zobrazowania granic między domenami, naukowcy odkryli, że ściany domen byłyby poruszane przez impulsy tak krótkie, jak kilka nanosekund, gdy te niedoskonałości były nieobecne. Odpowiada to makroskopowej wydajności około 110 m / s.

Napięcie wymagane do napędzania domen wzdłuż toru wyścigowego byłoby proporcjonalne do długości przewodu. Gęstość prądu musi być wystarczająco duża, aby przesunąć ściany domeny (jak w przypadku elektromigracji ). Trudność w technologii toru wyścigowego wynika z potrzeby dużej gęstości prądu (> 10 8 A / cm²); przekrój 30 nm x 100 nm wymagałby> 3 mA. Wynikowy pobór mocy staje się większy niż wymagany dla innych pamięci, np. Pamięci momentu obrotowego przenoszenia spinu (STT-RAM) lub pamięci flash.

Innym wyzwaniem związanym z pamięcią toru wyścigów jest stochastyczny charakter, w którym ściany domeny poruszają się, tj. Poruszają się i zatrzymują w przypadkowych miejscach. Próbowano przezwyciężyć to wyzwanie, wytwarzając nacięcia na krawędziach nanoprzewodu. Badacze zaproponowali również naprzemienne nanoprzewody do precyzyjnego przypinania ścian domeny. Badania eksperymentalne wykazały skuteczność rozłożonej pamięci ściany domeny. Ostatnio badacze zaproponowali podejścia niegeometryczne, takie jak lokalna modulacja właściwości magnetycznych poprzez modyfikację składu. Stosowane są takie techniki, jak dyfuzja indukowana wyżarzaniem i implantacja jonów.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne