Наночелноки запомнят биты на миллиард лет

Поневоле задумаешься — не вернуться ли к клинописи? Кстати, печатное представление информации (в виде текста или даже рисунков) вполне может претендовать на роль метода хранения архивных данных на невообразимо долгий срок. Нужно только решить — чем именно и на чём печатать, если, конечно, мы хотим совместить долговечность такого носителя с высокой плотностью упаковки, хотя бы примерно сопоставимой с таковой у микросхем и магнитных дисков.

Выход известен: нужно использовать наногравировку ионными пучками. В 2007-м при помощи такой технологии израильские учёные разместили весь текст Ветхого завета на кончике иглы. Но такой носитель не годится в качестве компьютерной цифровой памяти — он же аналоговый. Итак, можем ли мы получить и высокую плотность, и необычайную долговечность, и совместимость с цифровыми технологиями одновременно?

"Да", — считает профессор Алекс Зеттл (Alex Zettl) из Калифорнийского университета в Беркли. Алекс известен нам по целому ряду работ в области нано— и микромеханических систем. Свежий пример — миниатюрные пластинки, приводимые в движение светом. А созданный некогда в группе Зеттла "невозможный" выпрямитель тепла даже заставил крепко призадуматься физиков-теоретиков.

И вот новый его шедевр: "Наноразмерный реверсивный транспорт массы" (Nanoscale Reversible Mass Transport), или "Челночная память" (Shuttle memory).

Одна ячейка "Челночной памяти" представляет собой "туннель" из многослойной углеродной нанотрубки, закреплённый между электродами, по которому взад-вперёд, словно поезд, движется кристаллическая наночастица железа (иллюстрация American Chemical Society).

Перемещением наночелнока в такой системе можно управлять при помощи простого приложения напряжения к концам трубки. Причём величина этого напряжения аналогична той, что существует в микросхемах. Положение же наночастицы внутри трубки может быть легко определено путём измерения электрического сопротивления.

Уже простое размещение такого челнока у левого или правого (или верхнего и нижнего, в зависимости от положения нанотрубки) края туннеля даёт возможность записать двоичные нули или единицы. Соответственно, крупное сообщество трубок может быть применено для хранения огромных массивов данных.

А ведь ещё остаётся теоретическая возможность задействовать промежуточные позиции наночастицы, что увеличит плотность записи ещё в сотни раз (позиционирование шаттла осуществляется очень точно, — утверждают физики).

Схема "Челночной памяти" и её реальное воплощение в опытном устройстве. Авторы работы на практике показали создание такой трубки с заключённым внутри "поездом" и прецизионное управление перемещением последнего. Детали опытов описаны в статье в Nano Letters (иллюстрации и фото Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California at Berkeley).

Не в первый раз учёные пробуют приспособить углеродные нанотрубки для записи двоичной информации. Скажем, в 2005-м в США был создан прототип чипа памяти, в котором нули и единицы представлены в виде по-разному изогнутых нанотрубок. Однако работа такого устройства требовала настройки тонкого баланса сил, что ставило вопрос о реальной его способности хранить информацию без сбоев действительно долгое время.

В челночной же памяти биты "устроены" более основательно и, можно сказать, грубо, несмотря на нанометровые размеры элементов. В теории Shuttle memory может содержать до 10¹² бит на квадратный дюйм. Она не требует энергии при хранении информации. Но главное, по расчётам авторов устройства, такая система остаётся стабильной миллиард лет!

Между тем она в любой момент готова к перезаписи, то есть данная память — вовсе не одноразовая, и, по идее, такой чип можно применять даже в роли "оперативки" в PC.

Трудно представить, зачем нам могла бы понадобиться память с такой долговечностью, однако Зеттл полагает, что данный параметр просто говорит о высокой надёжности системы, которая окажется нелишней при архивации важных данных. Ведь, к примеру, современным DVD специалисты дают срок годности лет в 30, а потом информацию потребуется перезаписывать на новый диск.

Впрочем, пока память, придуманная Зеттлом и его коллегами, — лишь лабораторный образец нанотрубки с шаттлом внутри, который учёные увлечённо снимают на видео под микроскопом. А что ещё появится на арене к тому времени, когда она дойдёт до практически пригодного устройства? Может, все виды памяти затмит другое изобретение последних лет "Память – гоночный трек" (Racetrack memory)?

Это устройство Стюарт Паркин (Stuart Parkin) из IBM придумал "на кончике пера" ещё в 2003 году, однако до недавнего времени у учёного не было никаких практических доказательств выполнимости идеи.

А заключается она в следующем. Один элемент такой памяти представляет собой нанопровод, изогнутый в виде подковы или буквы U. Нанопроводок этот намагничен и, что важно, имеет сразу несколько участков различной полярности. Это аналог магнитных доменов на жёстком диске, так что границы между ними являются аналогами нулей и единичек. Но только вот ни сам провод, ни системы записи и считывания здесь никуда не движутся. Как же происходит запись и выборка информации?

Принцип работы Racetrack memory. Детали можно найти в статье в Science (иллюстрация Arthur Mount/IBM).

Секрет — в спинтронике. Паркин установил, что границы магнитных доменов в нанопроводе можно произвольно сдвигать вдоль этого самого провода, пропуская через него спин-поляризованный ток.

При этом порядок расположения намагниченных зон не меняется — записанные ранее биты аккуратно переезжают друг за дружкой "в затылок", словно гоночные авто на треке (отсюда и название памяти). Отдельные спинтронные устройства внизу "подковы" производят запись (перемену полярности доменов) и считывание ориентации этих участков. А короткие импульсы тока через сам проводник подставляют под "считывающие головки" тот или иной фрагмент данных (от направления тока зависит и направления движения магнитных зон).

Красота. Тут никуда не "едут" не то что отдельные детали устройства, но даже отдельные атомы. И в этом плане данная магнитная память выгодно отличается от жёстких дисков.

"Гоночный трек" энергонезависим (то есть не требует питания во время хранения данных), он быстр (время доступа — меньше наносекунды), очень надёжен и очень ёмок. Массив таких буковок U, размещённый на поверхности микросхемы, теоретически способен вместить на одинаковой площади в 100 раз больше данных, чем транзисторные чипы-флэшки, при сохранении скромной цены, сообщает американский исследователь.

Несколько лет никто не хотел верить, что такая схема будет работать. Но вот в апреле прошлого года Паркину впервые удалось сместить магнитные домены в нанопроводнике при помощи спинового тока. Правда, одновременно в опытном образце хранились только три бита. Но зато они не смешивались и не исчезали при своём перемещении через материал.

А в декабре 2008-го число битов в одном проводке удалось поднять до шести. Вскоре же, надеется учёный, ему удастся вместить в одной "нанобукве U" 10 бит, а в идеале хотелось бы довести этот параметр до 100. Тогда Racetrack уже сможет по плотности записи составить конкуренцию лучшим жёстким дискам.

Паркин уже установил, что секрет увеличения числа битов в одном элементе заключается в том, чтобы точно контролировать его диаметр: в узком и более однородном нанопроводе спокойно передвигается больше отличных магнитных зон. Также исследователю ещё предстоит подобрать самый лучший материал для такой памяти, дабы свести к минимуму величину тока, необходимого для смещения доменов, а значит — энергопотребление устройства в момент чтения или записи.

Заметим, совмещение классической электроники со спинтронными элементами (то есть схемами, манипулирующими спин-поляризованными токами) — перспективное направление развития микроэлектроники. Спинтроника уже осваивает кремний, а стало быть, приближается к массовому применению. В последнее время тут появилась масса интересных устройств. Так, учёные уже нашли источник спинового напряжения и создали прототип спиновой батареи и спиновой памяти, кстати.

За несколько последних лет плотность записи на жёстких дисках выросла на порядки, и устройства куда меньшего размера вмещают в десятки раз больше данных, чем прежние модели. Да ещё и стоят совсем недорого. Чего, казалось бы, желать? Увы, у этих аппаратов есть один, но принципиальный недостаток – наличие движущихся частей (фото Ian Wilson).

Если эксперименты Стюарта увенчаются успехом, будет открыт новый раунд жёсткой борьбы между твердотельными устройствами памяти (в которых нет подвижных частей) и дисками самых разных типов.

Первые (в лице традиционных флэшек) регулярно наращивают параметры, магнитные диски стараются не отставать, а уж про оптические и говорить нечего: экзотические системы хранения вроде голографической, 200-слойной или пятимерной оперируют уже терабайтами в расчёте на один диск.

Память Racetrack — это шанс для чипов нанести сокрушительный удар по всем дискам, как магнитным, так и оптическим, и, конечно же, по распространённым твердотельным носителям. Вместе с Shuttle memory она являет собой яркий пример возможности преодоления границ в росте характеристик электронных устройств. Нужно лишь уметь отойти от стереотипов.