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韩国成功研发下一代硬盘核心技术 附原理简介

2017-11-22 14:27:16

科技部网站11月20日援引韩国科学技术信息通信部发布消息称,韩国科学技术院和高丽大学联合研发团队成功研发出下一代超高速磁畴壁存储器核心技术,该研究成果刊登在国际学术杂志《自然》上。

普通硬盘是通过盘体的旋转来储存信息,存在能源消耗大,速度慢的缺点,而磁畴壁存储器是一种通过磁纳米线中磁畴壁移动产生运转的新概念存储元件,具有不易挥发和低耗电的特征。但由于其运转速度只能达到数百M/S,为实现商用化需研发能够使其高运转速度的核心技术。 此前开展磁畴壁存储器研究多采用“强磁体”物质,“强磁体”物质内部产生的磁化朝同一方向排列,不可避免Walker breakdown现象(磁性物质本身带有的角运动),这是是造成运转速度低的重要原因。

此次研究团队使用铁磁体“GdFeCo”(包含钆 、铁、钴的金属合金)进行测试,发现GdFeCo中的钆和FeCo的磁化以反平行状态排列,两个角运动在零点处重合时,Walker breakdown现象消失,磁畴壁的移动速度在常温下上升至2km/s。如在磁畴壁存储器里加入该研究成果,则有望生产出大规模、低电量、不易挥发的下一代高超速储存器。

磁信息存储技术(a)硬盘;(b)磁性随机存储器;(c)赛道内存

背景资料:高速磁畴壁存储器技术又称“赛道”技术

近50年来,科学家一直探索在磁畴壁中存储信息的可能性,RaceTrack(赛道)存储是IBM实验室从2004年开始研究的一项新型存储技术,《微型计算机》2013年1月介绍了磁畴壁存储器的原理:

该技术结合了硬盘和闪存的诸多优点,不仅存储容量大而且存储的速度也非常快。与此同时,存储的成本也比固态硬盘要低,甚至功耗控制上也更为优秀。

众所周知,现今的大容量存储设备主要分为两类。一类是磁性硬盘(传统HDD),容量大、成本低,但受机械部件所限而速度缓慢。另一类是固态硬盘(SSD),速度较快但是成本高昂。IBM RaceTrack(中文直译为“赛道”)技术意在融合上述两种技术的优点,将磁性存储固态化,以期获得两类设备的优势互补。

IBM已经证明,该项技术不但容量密度百倍于现有技术,访问速度也快得多。它能抛弃传统硬盘的机械部件实现固态化,但成本又比SSD低了一大截。一项技术为什么能融合那么多优点?本文将从该技术原理底层说起,为你揭秘“赛道”将如何改变我们的存储世界。

“赛道”技术示意图

摒弃拖累速度的机械结构

赛道技术其实和当前最常见磁记录硬盘(常用的机械硬盘,简称HDD)技术颇有关联,都是磁性存储。但赛道技术不存在需要机械运转的内部组件(例如磁头臂组合和马达等),可以固态化。当然此固态化和当前流行的SSD固态硬盘又有所不同,毕竟SSD的存储介质是闪存,而赛道的存储介质依旧是磁性物质。

前面说了,赛道技术和HDD颇有关联,所以想了解赛道技术可以通过对比HDD来获得更直观的感受。一个典型的HDD结构如右下图所示。磁盘上的每一个圆周为一个记录数据的“磁道”。在控制规则的作用下,磁头臂将磁头先移动到待读写磁道的上方,然后磁盘的主电机带动盘面旋转,使得磁道经过磁头,实现对磁道上的数据进行读写。简单点说传统HDD就是让磁头在旋转的盘片上去找数据,因此不论是移动磁头还是转动盘片都离不开机械结构。而机械结构在稳定性和性能上难以进一步拔高,例如在多年以前就达到每分钟7200转的马达,现在的主流HDD产品也还依旧维持在7200r/min的规格。而与此同时,PC其他配件的技术和性能却是日新月异,最终逐步导致HDD成为了当前PC系统的一大性能瓶颈。

传统HDD硬盘技术示意图

而赛道存储技术和传统HDD最大的不同则是不再需要磁头去找数据,而是数据来找磁头。具体如何实现的呢?你可以理解为我们从HDD磁盘上取出一条正处于磁头下方的磁道环,然后将这个磁道环切断并拉直,它就成为了一条直线型的磁道,这也就是“道”的基本结构(如右图左上角)。那么是不是以后的磁头需要直线运作来读取数据呢?显然再引入机械结构依旧会出现当前HDD遇到的瓶颈,所以赛道技术的磁头是固定的,需要数据来找磁头。那么在这条磁道上的数据如何在磁道没有机械运动的前提下移动起来,这就是赛道技术的关键。


水平赛道结构示意图

垂直赛道结构示意图:通过将数据记录在一条U型纳米线上,垂直赛道结构能提供最高的储存密度。两幅图分别显示了数据位自左向右经过读写磁头前后的变化

垂直赛道结构的立体堆叠,组成了基本的赛道阵列。

图6:数据位到达磁头时,磁头对数据位进行读写操作。

关键在如何让数据动起来

根据上述介绍,要摒弃机械运动,就得让记录数据的磁性单元自己动起来,而不是附着在盘片上等待电机将它送往磁头下方。由此,IBM提出了基于“电流控制的磁畴壁纳米线上移位”技术,并以此成就了整个赛道技术的发展。“电流控制的磁畴壁纳米线上移位”的大致内容是:给定一条能记录磁性信息的纳米线,往这条纳米线上加入一定的控制电流,纳米线上用来记录磁性信息的“磁畴壁”将会在纳米线上进行受控运动。也就是说,能人为控制某个数据(磁记录单元)按规定移动到某磁头下方被读取。

在IBM给出的模型中,“赛道”就是类似一条被拉直的磁道的铁磁性纳米线,这条线可以容纳用来表示数据位的磁性信息:“磁畴壁”。在这条纳米线的附近放置着读写磁头。通过往纳米线上加入正向或反向的电流,使储存了信息的数据位在纳米线上来回移动,去找到读写磁头进行读写操作,且不改变其他磁性单元的极性。

相信不少读者都还记得“磁带”,赛道的数据寻找机理和它有些类似。通过“快进”或者“快退”到目标区域,然后“播放”或者“录制”来进行读写。只不过磁带是用电机移动数据带,而“赛道”是用电流来移动数据单元。这使得赛道技术能够完全脱离机械装置,因而实现芯片化和固态化。

需要强调的一点是,在这样一种数据位(磁性记录单元)的移动过程中,并没有出现物体的运动(即没有大量原子参与受控运动),只是“磁畴壁”这种用来表示数据的“符号”,沿着赛道移动。打个比方就好像纳米赛道线是“公路”,磁畴壁是“汽车”,车流移动了,公路始终是固定的。而磁带,或者传统的HDD,甚至光储存,则属于“传送带”式工作。而且在“0”和“1”的表示上,赛道和HDD也并不完全相同,相对极性更稳定。

IBM展示的赛道技术样品芯片的X光照片。该芯片包含了256条赛道,每条赛道直径为15~20nm。

“赛道”惊人的密度潜力

在IBM展示的工程样品中,赛道的直径能做到15~40nm之间,约为人头发直径的1/2000(头发直径约为0.07mm)。使用2013年的半导体工艺能够轻松制造出32nm以下直径的赛道磁线,即使传统的水平封装方式,其存储密度也已经能够媲美常见的NANDFLASH(SSD),甚至略高一些。此外,和HDD磁盘的水平结构不同,固态化的赛道可以改变放置角度,甚至垂直水平面树立起来。而树立起来的赛道可以很容易地实现立体堆叠,从而在有限的体积内极大地提高存储密度,增大单位容量。相比水平赛道,垂直赛道的密度能成倍增长,可以达到SSD的100倍甚至更多。而且“每单元比特数”/“单元占用面积”的绝对优势,让赛道技术能更多地从工艺升级中获益。也就是说工艺越先进,赛道技术相比SSD和HDD的密度优势就越大。

更多参考资料请戳此处。

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来源:科技部网站 | 责任编辑:周远方
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