Память о гоночной трассе - Racetrack memory

Память компьютера типы
Общий
Летучий
баран
Исторический
Энергонезависимая
ПЗУ
NVRAM
Ранняя стадия NVRAM
Магнитный
Оптический
В развитии
Исторический

Память о гоночной трассе или же память доменной стены (DWM) является экспериментальным энергонезависимая память устройство в разработке IBM с Исследовательский центр Альмадена командой во главе с физиком Стюарт Паркин.[1] В начале 2008 года была успешно продемонстрирована 3-битная версия.[2] Если бы он был успешно разработан, ипподром предлагал бы плотность хранения выше, чем у сопоставимых устройств с твердотельной памятью, таких как флэш-память и аналогично обычным Дисковый привод, с более высокой производительностью чтения / записи.[3]

Описание

Память на ипподроме использует вращение -последовательный электрический ток двигаться магнитные домены вдоль наноскопического пермаллой проволока диаметром около 200 нм и толщиной 100 нм. По мере прохождения тока по проводу домены проходят через магнитное поле. читать / писать головки расположены рядом с проводом, которые изменяют домены для записи комбинаций битов. Запоминающее устройство для беговых дорожек состоит из множества таких проводов и элементов чтения / записи. В общей концепции работы память ипподрома аналогична предыдущей. пузырь памяти 1960-х и 1970-х годов. Память линии задержки, такие как ртутные линии задержки 1940-х и 1950-х годов, представляют собой еще более раннюю форму аналогичной технологии, которая использовалась в UNIVAC и EDSAC компьютеры. Как и в пузырьковой памяти, в памяти типа «беговая дорожка» используются электрические токи для «проталкивания» последовательности магнитных доменов через подложку и прошедшие элементы чтения / записи. Улучшения в возможностях магнитного обнаружения, основанные на разработке спинтроник магниторезистивный датчики позволяют использовать магнитные домены гораздо меньшего размера для обеспечения гораздо более высокой плотности битов.

В производстве ожидалось[нужна цитата ] что провода можно уменьшить примерно до 50 нм. Для запоминания ипподрома были рассмотрены две схемы. Самым простым был набор плоских проводов, расположенных в виде сетки с расположенными рядом головками чтения и записи. В более широко изученной схеме использовались U-образные провода, расположенные вертикально над сеткой головок чтения / записи на нижележащей подложке. Это позволило бы сделать провода намного длиннее, не увеличивая их двумерную площадь, хотя необходимость перемещать отдельные домены дальше по проводам, прежде чем они достигнут головок чтения / записи, приводит к более медленному времени произвольного доступа. Оба устройства предлагали примерно одинаковую пропускную способность. Основное беспокойство с точки зрения строительства было практическим; будет ли трехмерная вертикальная компоновка осуществима для массового производства.

Сравнение с другими устройствами памяти

Прогнозы на 2008 год предполагали, что память ипподрома будет обеспечивать производительность порядка 20-32 нс для чтения или записи случайного бита. Это по сравнению с примерно 10 000 000 нс для жесткий диск, или 20-30 нс для обычных DRAM. Основные авторы обсуждали способы улучшить время доступа с помощью «резервуара» примерно до 9,5 нс. Суммарная пропускная способность, с резервуаром или без него, будет порядка 250-670 Мбит / с для оперативной памяти, по сравнению с 12800 Мбит / с для одной DDR3 DRAM, 1000 Мбит / с для высокопроизводительных жестких дисков и 1000 до 4000 Мбит / с для устройств флэш-памяти. Единственной современной технологией, которая предлагала явное преимущество в задержке по сравнению с памятью гоночной трассы, была SRAM, порядка 0,2 нс, но с более высокой стоимостью. больший размер элемента «F» около 45 нм (по состоянию на 2011 г.) с площадью ячейки около 140 F2.[4][5]

Память Racetrack - одна из нескольких новых технологий, которые призваны заменить традиционные памяти, такие как DRAM и Flash, и потенциально предлагают универсальная память устройство применимо к большому количеству ролей.[3] Другие претенденты включены магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM), память с фазовым переходом (PCRAM) и сегнетоэлектрическое RAM (FeRAM). Большинство из этих технологий предлагают плотность, аналогичную флэш-памяти, в большинстве случаев даже хуже, и их основное преимущество - отсутствие ограничений на время записи, как у флэш-памяти. Field-MRAM обеспечивает отличную производительность при времени доступа 3 нс, но требует большого размера ячейки 25-40 F². Он может использоваться в качестве замены SRAM, но не в качестве запоминающего устройства. Наивысшая плотность из любого из этих устройств обеспечивается PCRAM с размером ячейки около 5,8 F², аналогичной флэш-памяти, а также довольно хорошей производительностью около 50 нс. Тем не менее, ни один из них не может сравниться с памятью для гоночных треков в целом, особенно по плотности. Например, 50 нс позволяют работать примерно с пятью битами в запоминающем устройстве типа «беговая дорожка», что приводит к эффективному размеру ячейки 20/5 = 4 F², что легко превышает произведение плотности производительности PCM. С другой стороны, без ущерба для плотности битов, та же область 20 F² могла бы вместить 2,5 2-битных 8 F² альтернативных ячеек памяти (таких как резистивная RAM (RRAM) или передача крутящего момента MRAM ), каждый из которых по отдельности работает намного быстрее (~ 10 нс).

В большинстве случаев устройства памяти хранят один бит в любом заданном месте, поэтому их обычно сравнивают с точки зрения «размера ячейки», т.е. ячейки, хранящей один бит. Сам размер ячейки указан в единицах F², где «F» - размер элемента. правило дизайна, представляющий обычно ширину металлической линии. И Flash, и Racetrack хранят несколько бит на ячейку, но сравнение все же можно провести. Например, жесткие диски, похоже, достигли теоретических пределов около 650 нм² / бит,[6] определяется в первую очередь способностью читать и писать на определенных участках магнитной поверхности. DRAM имеет размер ячейки около 6 F², SRAM намного менее плотный при 120 F². Флэш-память NAND в настоящее время является наиболее 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 размером 4,75 F², что составляет 2-битную операцию с размером ячейки 9,5 F².[5] В беговой дорожке с вертикальной ориентацией (U-образной) около 10-20 бит хранятся на ячейку, которая сама по себе будет иметь физический размер не менее 20 F². Кроме того, биты в разных позициях на «дорожке» будут получать доступ к датчику чтения / записи разное время (от ~ 10 до ~ 1000 нс, или 10 нс / бит), потому что «дорожка» будет перемещать домены с фиксированной скоростью ~ 100 м / с мимо датчика чтения / записи.

Проблемы развития

Одним из ограничений ранних экспериментальных устройств было то, что магнитные домены можно было продвигать по проводам только медленно, и для их успешного перемещения требовались импульсы тока порядка микросекунд. Это было неожиданно и привело к производительности, примерно равной производительности жесткие диски, в 1000 раз медленнее, чем предполагалось. Недавние исследования связали эту проблему с микроскопическими дефектами кристаллической структуры проволоки, которые привели к тому, что домены «застревали» на этих дефектах. Используя Рентгеновский микроскоп Чтобы напрямую отобразить границы между доменами, их исследования показали, что доменные стенки будут перемещаться импульсами длительностью всего несколько наносекунд, когда эти недостатки отсутствуют. Это соответствует макроскопическим характеристикам около 110 м / с.[7]

Напряжение, необходимое для движения доменов по беговой дорожке, будет пропорционально длине провода. Плотность тока должна быть достаточно высокой, чтобы раздвигать доменные стенки (как в электромиграция ). Сложность технологии ипподрома возникает из-за необходимости плотность тока (>108 А / см²); поперечное сечение 30 нм x 100 нм потребует> 3 мА. Результирующая потребляемая мощность становится выше, чем требуется для другой памяти, например, памяти крутящего момента с передачей вращения (STT-RAM) или флэш-памяти.

Еще одна проблема, связанная с памятью Racetrack, - это стохастический характер движения доменных стенок, то есть они перемещаются и останавливаются в случайных положениях.[8] Были попытки решить эту проблему, создав надрезы на краях нанопроволоки.[9] Исследователи также предложили расположенные в шахматном порядке нанопровода для точного закрепления доменных границ.[10] Экспериментальные исследования показали[11] эффективность разнесенной памяти доменной стенки.[12] Недавно исследователи предложили негеометрические подходы, такие как локальная модуляция магнитных свойств посредством модификации состава. Такие методы, как диффузия, вызванная отжигом[13] и ионная имплантация[14] используются.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Исследование устройств спинтроники, проект памяти на магнитной гоночной трассе
  2. ^ Masamitsu Hayashi et al. (Апрель 2008 г.). "Регистр сдвига магнитной доменной стенки с управляемым током". Наука. 320 (5873): 209–211. Bibcode:2008Научный ... 320..209H. Дои:10.1126 / science.1154587. PMID  18403706.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  3. ^ а б Миттал, Спарш (2016). «Обзор методов проектирования компонентов процессора с использованием памяти доменной стенки». ACM Journal о новых технологиях в вычислительных системах. 13 (2): 1–25. Дои:10.1145/2994550.
  4. ^ «ИТРС 2011». Получено 8 ноября 2012.
  5. ^ а б Паркин; и другие. (11 апреля 2008 г.). "Магнитная память ипподрома доменной стенки". Наука. 320 (5873): 190–4. Bibcode:2008Научный ... 320..190P. Дои:10.1126 / science.1145799. PMID  18403702.
  6. ^ 1 Тбит / дюйм² составляет прибл. 650 нм² / бит.
  7. ^ Сваруп, Амарендра (11 мая 2007 г.). "'Память ипподрома могла промчаться мимо жесткого диска ». Новый ученый.
  8. ^ Kumar, D .; Jin, T .; Risi, S. Al; Sbiaa, R .; Lew, W. S .; Пираманаягам, С. Н. (март 2019 г.). «Управление движением стены домена для приложений памяти ипподрома». IEEE Transactions on Magnetics. 55 (3): 2876622. Bibcode:2019ITM .... 5576622K. Дои:10.1109 / TMAG.2018.2876622. ISSN  0018-9464.
  9. ^ Hayashi, M .; Thomas, L .; Мория, Р .; Rettner, C .; Паркин, С.С.П. (2008). "Регистр сдвига магнитной доменной стенки с управляемым током". Наука. 320 (5873): 209–211. Дои:10.1126 / science.1154587. ISSN  0036-8075.
  10. ^ Мохаммед, Х. (2020). «Управляемое вращательным моментом движение доменной стенки с использованием смещенных магнитных проводов». Письма по прикладной физике. 116 (3): 032402. arXiv:1908.09304. Дои:10.1063/1.5135613.
  11. ^ Прем Пираманаягам (24 февраля 2019 г.), Память о шахматной стене домена, получено 13 марта 2019
  12. ^ Al Bahri, M .; Бори, Б .; Jin, T.L .; Sbiaa, R .; Kläui, M .; Пираманаягам, С. (8 февраля 2019 г.). «Устройства с шахматным расположением магнитных нанопроволок для эффективного закрепления доменных стенок в памяти ипподрома». Применена физическая проверка. 11 (2): 024023. Bibcode:2019PhRvP..11b4023A. Дои:10.1103 / PhysRevApplied.11.024023.
  13. ^ Jin, T. L .; Ranjbar, M .; Он, С.К .; Law, W. C .; Zhou, T. J .; Lew, W. S .; Лю, X. X .; Пираманаягам, С. Н. (2017). «Настройка магнитных свойств для закрепления доменных стенок посредством локальной диффузии металла». Научные отчеты. 7 (1): 16208. Bibcode:2017НатСР ... 716208J. Дои:10.1038 / с41598-017-16335-з. ЧВК  5701220. PMID  29176632.
  14. ^ Джин, Тианли; Кумар, Дургеш; Ган, Вэйлян; Ранджбар, Моджтаба; Луо, Фейлонг; Сбия, Рашид; Лю, Сяоси; Лью, Вэнь Сян; Пираманаягам, С. Н. (2018). «Наноразмерная модификация состава в многослойных слоях Co / Pd для закрепления контролируемой доменной стенки в памяти ипподрома». Physica Status Solidi RRL. 12 (10): 1800197. Bibcode:2018PSSRR..1200197J. Дои:10.1002 / pssr.201800197.

внешняя ссылка