关于赛道存储器的理念

清风浪子

过去几十年中，CPU的速度一直遵循着摩尔定律，呈几何级数的增长趋势；与之相比，存储系统已成为PC机性能的瓶颈。2008年4月，蓝色巨人IBM的研究人员提出了“赛道”存储器（Racetrack Memory）―――一种兼具闪存的高性能，可靠性以及传统硬盘的低成本、高容量特性的计算机存储技术，在未来十年中，“赛道”是否会彻底改变传统存储技术？本文将向读者介绍之后这个尚处实验室中，但极具潜力的前沿技术，并讨论其发展前景。


什么是“赛道”存储器？

    事实上，IBM赛道存储器从一年前就已开始吸引媒体的关注，同其它新技术一样，赛道存储器也是基于先前基础科学的研究成果。让我们先回顾一下传统的硬盘存储技术。从1956年IBM推出第一块商用硬盘驱动器至今，硬盘一直延续着温彻斯特机械体系、
硬盘将信息存储在高速旋转的盘面上，盘面本身由非磁性材料制成，上面附有磁涂层。微观的看，盘片上的涂层是由数量众多，体积极为细小的磁颗粒（magnetic grains）组成，若干个磁颗粒组成一个磁位元，通过磁位元被磁场磁化的方向不同，来存储二进制的0或1。通过磁头改变或检测盘面上磁颗粒磁场的方向，就可以实现数据的写入和读取，最早的磁头采用锰铁磁体制成，通过电磁感应读写数据，其工作原理很像磁带的磁头。随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，磁盘的存储密度难以满足实际需求，发展几乎陷于停滞。

    上个世纪80年代中期开始，纳米技术的进步促进了物理学中“巨磁阻效应（Giant Magneto Resistance，GMR）以及“自旋电子学（Spintronics）”的研究，而正是这些领域的技术突破使硬盘的性能提升了几个数量级。1994年，IBM研究院的Stuart Parking博士根据GMR原理，研制出信号变化灵敏度更高的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍。因为使用磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，相同磁场的变化能引起更大阻值的变化，对于磁盘上的磁性变化表现出更高的灵敏度，GMR磁头的盘片密度可以打到每平方英寸10GB～40GB。目前GMR磁头已经处于成熟推广期，市场上多数硬盘产品都使用了这种技术。
赛道存储器体现了金属自旋电子学领域的最新进展。自旋电子学，听起来有些深奥，其实就是一种利用电子自旋而非电荷来创建电子器件的新技术，物理学中的“自旋（Spin）“是微观粒子所具有的内禀角动量，通俗点说，粒子在围绕其自身的轴快速旋转，自旋就是这种旋转的度量，大家可以将自旋与经典力学中的自转相类比（当然，其本质是迥异的）。电子自旋指的就是电子的角动量，同时也伴随着产生磁矩的过程，自旋电子学是利用创新的方法，来操纵电子自旋自由度的科学。

    赛道存储器利用电子的自旋方向而不是电荷或者磁场的方向来存储数据。数据好像在金属纳米线形成的“轨道“上赛跑，“赛道”因此而得名。“赛道”其实是只有人类头发丝万分之一粗细的金属纳米线，这些纳米线在硅片表面垂直或水平的排列组成存储阵列。赛道存储利用了磁性材料中交错的自旋极化电流和磁畴壁。磁畴壁（domain wall）是磁性材料内不同磁域之间的分界面。简单的说，就是磁场从一个方向改变为另一个方向的区域。

    为了能让磁畴壁沿金属纳米线移动，IBM的Parking博士及其研究团队利用了电子的量子力学的特性――自旋，将一股小电流注入纳米线，结果电流中的电子被极化而沿着一致的方向自旋，当它们接触到磁畴壁时就改变了围绕壁内原子自旋的方向。畴壁内原子磁矩的切换变化，推动了其沿着轨道向前进，同样的也改变了轨道上所有的磁畴壁向前进。Parkin博士首次证明可以移动2或3个磁畴壁，而不会打乱它们或造成相互干扰。这对于赛道存储器具有里程碑意义。使用自旋动量转移打打简化了内存设备，因为电流可以直接通过畴壁传输电流而无需任何额外的电场发生器。

    畴壁在“赛道的内部形成，描绘出沿赛道相反方向被磁化的区域。每个磁域都拥有一个“头”和一个“尾”。赛道上连续的磁畴壁在“头对头”和“尾对尾之间交替配置。赛道存储器中的“位元”就是两个磁畴壁之间的间隙，通过电流改变沿纳米线的特性，建立一系列磁畴壁和相互间隙，实现信息的编码。磁畴壁的写入和转移周期只有数十纳秒，磁畴壁是沿着纳米轨道（也就是“赛道”）移动，写数据时，电流通过输入线路创建一个磁场，如果这个bit的值与前一个不同，那么它们之间就存在一个磁畴壁。数据的读取则通过检测额与赛道相连接的磁性隧道结的磁阻来实现。这就是“赛道”存储器的基本工作原理


“赛道”的惊人优势
    虽然还处于研究的早期阶段，但赛道存储器的优点将使其成为极具吸引力的硬盘和闪存替代品。
    传统硬盘目前仍是主流的储存手段，不过有着耗电量高，抗震性较差和运转噪音较大等问题与传统温彻斯特硬盘相比，赛道存储器没有运动部件，也就不存在可能产生磨损的器件，也就更加坚固。IBM表示，赛道存储器的容量可达到目前传统硬盘的100倍，若是20GB的iPod改用此技术（即2TB），将可储存多达50万首乐曲或3500部电影。而且具有更低的成本和功耗，几乎不会损坏。
    闪存具有存储速度快的优点，但因为使用晶体管存储结构，存在电荷泄露和存储单元的磨损，性能会随着时间的推移而逐渐退化，存储位会逐渐消耗尽。使用寿命是闪存的先天性缺陷，因为NAND闪存每个存储块最多能擦写100万次，而NOR的可擦写次数不到10万次。“赛道”存储器是利用电子的自旋来存储数据，可以无数次的重写而不会损耗。
    赛道存储技术无论从速度还是存储容量，都具有极大的优势――它可以使电子设备在同样的空间内存储远多于今天的数据，同时拥有闪电般的存储速度，低得多的成本以及前所未有的稳定性和耐久性。
正如一位纽约大学物理学家评价的那样，赛道存储器将磁性硬盘的廉价，高密度存储与闪存的高速性能等优点完美的统一起来，同时又避免了它们各自的速度和成本缺陷。
    更重要的是，如果赛道技术得以产业化，那么芯片技术将从今天的二维结构进入到三维时代，也会突破二维摩尔定律。摩尔曾经预测，硅片上晶体的数量，每18个月将翻倍，而一旦过渡到三维存储的话，或许根本用不到18个月，晶体管的数量就可以翻番。
正如研究人员推测，赛道技术一旦成功的话，不仅将颠覆我们存储数据的方式，也将会颠覆我们处理数据的方式。


逐步加速的“赛道”
    技术永远比市场跑得快。赛道存储技术距离市场更是有着很长的路要走，显示中的赛道存储器技术仍处于概念阶段，还有许多技术难题要突破。与此同时，有些研究者也发出了不同的声音，他们怀疑赛道存储器能否发展成为具有商业前景的技术。
    在两个月前，IBM研究院院士Stuart Parkin博士及其同事向我们演示了“赛道”存储器的基本原理。迄今为止，这项技术还没有走出IBM的实验室。研究人员实现了一个3位的移位寄存器（存储器的基础元件），从而验证了赛道存储器基本概念的可行性。IBM研究人员表示，目前还在寻找最合适的磁介质、制造工艺，以及探索电流如何更有效的移动磁结构，估计商业用途的赛道存储器替代传统硬盘仍然需要十年的时间。
    相关科学领域的发展，已极大缩短了从物理原理发现到技术产业化的时间间隔，前面提到的巨磁阻效应，从被发现到广泛应用，只用了六年时间。从1997年真正商用巨磁阻磁头问世到如今，每年超过10亿个使用这种技术的硬盘和MP3播放器涌入市场，这一技术也给IBM带来了上百亿美元的收入。

    科学小组的研发下，兼具闪存的高性能、可靠性以及硬盘低成本、高容量特性的计算机存储器已经指日可待。

    我们有理由相信蓝色巨人能带来计算机存储技术的又一次革命。Parkin博士先前的工作改变了整个硬盘驱动器产业，用在了当今市场上的每一块硬盘中。回顾历史，IBM研究人员发明过诸多颠覆业界规则的技术，包括内存芯片，硬盘驱动器和关系数据库等。IBM对于开拓前沿研究成果而产生了全新市场十分熟悉，这也是赛道存储技术发展的重要基础。

    近期的消息是，IBM 4月29日正式宣布将与世界上最大的闪存制造商飞索半导体（Spansion）交换专利使用权，合作推进赛道存储器的研发，Spansion在中国的设计中型拥有1300多名员工，在苏州有一个制造厂，并且有三个销售和市场部门。

    虽然有很长的路要走，但赛道存储器正由崎岖的探索之路转向快车道了。


写在最后
回顾存储技术的历史，我们可以发现，在习以为常的消费产品中间，都闪烁着科技的光芒，正如今天的MP3播放器替代了曾经流行的Sony Walkman，我们有理由相信，赛道存储器将使得传统硬盘退出历史舞台。

在未来几年中，大容量硬盘仍是普通消费者的首选，至于目前热门的固态硬盘，虽然有体积小速度快等优势，但笔者对其未来并不看好，应为其价格几乎很难在短时间内下降到可以让普通消费者所能接受的范围内。

无论如何，我们应欣慰的看到闪存的高性能和高可靠性同硬盘的低成本高容量相结合的计算机存储设备比预想的离我们更近了。