Pamięć krocionoga - Millipede memory
| Typy pamięci komputera |
|---|
| Generał |
| Lotny |
| Baran |
| Historyczny |
|
| Nieulotne |
| ROM |
| NVRAM |
| NVRAM na wczesnym etapie |
| Magnetyczny |
| Optyczny |
| W opracowaniu |
| Historyczny |
|
Pamięć Millipede to forma nieulotnej pamięci komputera . Obiecał on gęstość danych większą niż 1 terabit na cal kwadratowy (1 gigabit na milimetr kwadratowy), co jest mniej więcej wartością graniczną dla prostopadłych dysków twardych do nagrywania . Poszukiwano technologii pamięci masowej Millipede jako potencjalnego zastąpienia zapisu magnetycznego na dyskach twardych i sposobu na zmniejszenie fizycznego rozmiaru tej technologii do rozmiaru nośników flash .
IBM zademonstrował prototypowe urządzenie pamięci masowej krocionoga na targach CeBIT 2005 i próbował udostępnić tę technologię na rynku do końca 2007 roku. Jednak ze względu na równoległe postępy w konkurencyjnych technologiach pamięci masowej od tamtej pory nie został udostępniony żaden produkt komercyjny.
Technologia
Podstawowy pomysł
Pamięci głównej nowoczesnych komputerów jest wykonana z jednego z wielu DRAM kondensatorem urządzeń. DRAM zasadniczo składa się z szeregu kondensatorów , które przechowują dane pod względem obecności lub braku ładunku elektrycznego. Każdy kondensator i związany z nim obwód sterujący, zwany komórką , zawiera jeden bit , a wiele bitów może być odczytywanych lub zapisywanych w dużych blokach w tym samym czasie.
Natomiast dyski twarde przechowują dane na dysku pokrytym materiałem magnetycznym ; dane są reprezentowane przez namagnesowanie tego materiału lokalnie. Odczyt i zapis są realizowane przez jedną głowicę, która czeka na przejście żądanej lokalizacji pamięci pod głowicą, podczas gdy dysk się obraca. W rezultacie wydajność dysku twardego jest ograniczona przez mechaniczną prędkość silnika i na ogół jest on setki tysięcy razy wolniejszy niż DRAM. Jednak ponieważ „komórki” dysku twardego są znacznie mniejsze, gęstość przechowywania dysków twardych jest znacznie wyższa niż pamięci DRAM.
Przechowywanie Millipede próbuje połączyć cechy obu. Podobnie jak dysk twardy, krocionóg zarówno przechowuje dane na nośniku, jak i uzyskuje dostęp do danych, przesuwając nośnik pod głowę. Podobnie jak dyski twarde, fizyczny nośnik krocionoga przechowuje trochę na małym obszarze, co prowadzi do dużej gęstości pamięci. Jednak krocionóg wykorzystuje wiele głowic nanoskopowych, które mogą równolegle odczytywać i zapisywać, zwiększając w ten sposób ilość danych odczytywanych w danym czasie.
Pod względem mechanicznym krocionóg wykorzystuje liczne sondy sił atomowych , z których każda jest odpowiedzialna za odczyt i zapis dużej liczby powiązanych z nią bitów. Te bity są przechowywane jako zagłębienie lub w przypadku jego braku, w powierzchni termoaktywnego polimeru , który jest osadzany jako cienka warstwa na nośniku zwanym saniami. Każda sonda może odczytywać lub zapisywać tylko dość mały obszar dostępnych dla niej sań, zwany polem magazynowym . Zwykle sanki są przesuwane tak, że wybrane bity są umieszczane pod sondą za pomocą elektromechanicznych siłowników. Te siłowniki są podobne do tych, które umieszczają głowicę odczytu / zapisu w typowym dysku twardym, jednak rzeczywista przemieszczona odległość jest niewielka w porównaniu. Sanie są przesuwane według wzoru skanowania, aby wprowadzić żądane bity pod sondę, proces znany jako skanowanie x / y.
Ilość pamięci obsługiwanej przez dowolną parę pole / sonda jest dość mała, podobnie jak jej rozmiar fizyczny. W związku z tym wiele takich par pole / sonda jest używanych do utworzenia urządzenia pamięciowego, a odczyty i zapisy danych mogą być rozłożone równolegle na wiele pól, zwiększając przepustowość i poprawiając czas dostępu. Na przykład pojedyncza 32-bitowa wartość byłaby normalnie zapisywana jako zestaw pojedynczych bitów wysłanych do 32 różnych pól. W początkowych urządzeniach eksperymentalnych sondy były montowane w siatce 32x32, co dało w sumie 1024 sond. Biorąc pod uwagę ten układ, który wyglądał jak nogi krocionoga (zwierzę), nazwa utknęła. Projekt układu wspornikowego obejmuje wykonanie wielu wsporników mechanicznych, na których musi być zamontowana sonda. Wszystkie wsporniki są wykonane w całości z krzemu, przy użyciu mikroobróbki powierzchniowej na powierzchni płytki.
Jeśli chodzi o tworzenie wgłębień lub wżerów, nieusieciowane polimery zachowują niską temperaturę szkła , około 120 ° C dla PMMA, a jeśli końcówka sondy zostanie podgrzana powyżej temperatury szkła, pozostawia niewielkie wgłębienie. Wgłębienia wykonuje się przy rozdzielczości bocznej 3 nm. Ogrzewając sondę bezpośrednio obok wgłębienia, polimer ponownie stopi się i wypełni wgłębienie, usuwając je (patrz także: litografia termomechanicznej sondy skanującej ). Po napisaniu końcówka sondy może służyć do odczytu wgłębień. Jeśli każde wgłębienie jest traktowane jako jeden bit, teoretycznie można by osiągnąć gęstość pamięci 0,9 Tb / cal 2 .
Czytanie i zapisywanie danych
Każda sonda w układzie wspornikowym przechowuje i odczytuje dane termomechanicznie, obsługując jeden bit na raz. Aby dokonać odczytu, końcówka sondy jest podgrzewana do około 300 ° C i przesuwana w pobliże sań danych. Jeśli sonda zostanie umieszczona nad zagłębieniem, wspornik wepchnie ją do otworu, zwiększając powierzchnię stykającą się z saniami, a co za tym idzie, zwiększając chłodzenie w miarę wycieku ciepła do sań z sondy. W przypadku, gdy w tym miejscu nie ma dołu, tylko sam koniec sondy pozostaje w kontakcie z saniami, a ciepło ucieka wolniej. Opór elektryczny sondy jest funkcją jej temperatury i rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Zatem kiedy sonda wpadnie do dołu i ostygnie, rejestruje się to jako spadek oporu. Niska rezystancja zostanie przetłumaczona na bit „1” lub bit „0” w przeciwnym razie. Podczas odczytu całego pola magazynowego końcówka jest przeciągana po całej powierzchni, a zmiany oporu są stale monitorowane.
Krótko mówiąc , końcówka sondy jest podgrzewana do temperatury powyżej temperatury zeszklenia polimeru używanego do produkcji sań danych, który jest zwykle wykonany ze szkła akrylowego . W tym przypadku temperatura przejścia wynosi około 400 ° C. Aby napisać „1”, polimer w pobliżu końcówki jest zmiękczany, a następnie delikatnie dotyka końcówki, powodując wgniecenie. Aby wymazać bit i przywrócić go do stanu zerowego, końcówka jest zamiast tego odciągana od powierzchni, pozwalając napięciu powierzchniowemu na ponowne rozciągnięcie powierzchni na płasko. Starsze systemy eksperymentalne wykorzystywały różnorodne techniki wymazywania, które były na ogół bardziej czasochłonne i mniej skuteczne. Te starsze systemy oferowały około 100 000 wymazań, ale dostępne odniesienia nie zawierają wystarczających informacji, aby stwierdzić, czy zostało to ulepszone za pomocą nowszych technik.
Jak można się było spodziewać, potrzeba podgrzania sond wymaga dość dużej ilości mocy do ogólnej pracy. Jednak dokładna ilość zależy od szybkości dostępu do danych; przy mniejszych szybkościach chłodzenie podczas odczytu jest mniejsze, podobnie jak liczba razy, gdy sonda musi zostać podgrzana do wyższej temperatury, aby zapisać. Oczekuje się, że Millipede, działający z szybkością transmisji kilku megabitów na sekundę, zużyje około 100 miliwatów, czyli w zakresie technologii pamięci flash i znacznie poniżej dysków twardych. Jednak jedną z głównych zalet konstrukcji Millipede jest to, że jest wysoce równoległy, co pozwala mu pracować z dużo większymi prędkościami do GB / s. Przy tego rodzaju szybkościach można by oczekiwać, że wymagania mocy będą bardziej zbliżone do obecnych dysków twardych, a prędkość transferu danych jest ograniczona do zakresu kilobitów na sekundę dla pojedynczej sondy, co wynosi kilka megabitów na całą macierz. Eksperymenty przeprowadzone w ośrodku IBM w Almaden Research Center wykazały, że poszczególne końcówki mogą obsługiwać szybkości transmisji danych nawet do 1 - 2 megabitów na sekundę, potencjalnie oferując łączne prędkości rzędu GB / s.
Aplikacje
Pamięć Millipede została zaproponowana jako forma nieulotnej pamięci komputerowej, która miała konkurować z pamięcią flash pod względem przechowywania danych, szybkości odczytu i zapisu oraz fizycznego rozmiaru technologii. Jednak od tamtego czasu inne technologie go przewyższyły, a zatem nie wydaje się, aby była to technologia, nad którą obecnie się pracuje.
Historia
Pierwsze urządzenia
Urządzenia krocionogów najwcześniejszej generacji wykorzystywały sondy o średnicy 10 nanometrów i długości 70 nanometrów, wytwarzając wgłębienia o średnicy około 40 nm na polach 92 µm x 92 µm. Ułożony w siatce 32 x 32, wynikowy chip 3 mm x 3 mm przechowuje 500 megabitów danych lub 62,5 MB, co daje gęstość powierzchniową , liczbę bitów na cal kwadratowy, rzędu 200 Gbit / in². IBM po raz pierwszy zademonstrował to urządzenie w 2003 r., Planując wprowadzić je na rynek w 2005 r. W tym czasie dyski twarde osiągały prędkość 150 Gbit / in² i od tego czasu go przekroczyły.
Proponowany produkt komercyjny
Urządzenia zademonstrowane na targach CeBIT Expo w 2005 roku zostały ulepszone w stosunku do podstawowej konstrukcji, wykorzystując układy wspornikowe 64 x 64 z saniami danych 7 mm x 7 mm, zwiększając pojemność przechowywania danych do 800 Gbit / in² przy użyciu mniejszych otworów. Wygląda na to, że rozmiar wgłębienia można przeskalować do około 10 nm, co daje teoretyczną gęstość powierzchniową nieco ponad 1 Tbit / in². IBM planował wprowadzić urządzenia oparte na tego rodzaju gęstości w 2007 r. Dla porównania, pod koniec 2011 r. Dyski twarde do laptopów były sprzedawane z gęstością 636 Gbit / in² i oczekuje się, że wspomagane cieplnie magnetyczne nośniki zapisu i wzorowane nośniki razem może obsługiwać gęstości 10 Tbit / in². Na początku 2010 r. Flash osiągnął prawie 250 Gbit / in².
Bieżący rozwój
Od 2015 r., Ze względu na równoległe postępy w konkurencyjnych technologiach pamięci masowej, do tej pory nie udostępniono żadnego produktu komercyjnego.