30.09.2008

Оперативка с диском поженились

Устаревшая технология считывания и записи информации на магнитные носители, похоже, дождалась выхода на пенсию. Японские ученые стерли грань между жёстким диском и оперативной памятью, научившись управлять намагниченностью ферромагнетиков простым приложением напряжения – без электрического тока.

Технический прогресс в области цифрового оборудования простому пользователю, наверное, стал привычен и едва ли не скучен. Новые технологические решения появляются ежеквартально, и если еще десять лет назад сотовая связь была в диковинку и москвичам, и гостям столицы, то сегодня отсутствие мобильного доступа во всемирную сеть по высокоскоростному беспроводному каналу в какой-нибудь непролазной глуши воспринимается, как вопиющая лень оператора связи.

В то же время устройство постоянной энергонезависимой памяти, жесткий диск, за последние десятилетия хоть и прибавил существенно в емкости, по сути, остался тем же самым старым добрым винчестером. И хотя технические и даже научные новинки продолжают находить применение в этой консервативной области компьютерной техники (некоторые из них, как показал опыт прошлого года, даже заслуживают Нобелевской премии), принцип работы жёсткого диска не изменился.

Информация записывается и считывается с него по технологии, разработанной IBM еще на заре эры персональных компьютеров. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При записи на катушку головки подаётся электрический ток, возникающее магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и поворачивает магнитные моменты отдельных участков (так называемых доменов) вещества в нужном направлении. Это изменяет направление вектора намагниченности всей магнитной частицы, в котором и «зашифровывается» информация.

При считывании движение намагниченных частиц у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе, что рождает переменный электрический сигнал в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции Фарадея; электрический сигнал, который и несёт теперь информацию, отправляется в недра компьютера.

Что жёсткие диски пора списывать, очевидно всем.

Они, как и прежде, греются, шумят и потребляют много электроэнергии – гораздо больше, чем требуется для изменения намагниченности секторов. Однако заменить технологию нечем. И хотя некоторые компании предпринимают попытки отказаться от винчестеров в пользу flash-памяти, у последней есть один существенный недостаток при всех достоинствах – ограниченность количества циклов перезаписи информации. Жесткий диск же, попадая в добрые руки, не ломается и спустя десятки лет. Да и по цене flash-память пока с винчестерами конкурировать не может.

Главный недостаток технологии жесткого диска заключается в необходимости использования промежуточного магнитного поля для изменения намагниченности ферромагнитного сектора.

Сотрудникам Института электрической связи при Университете Тохоку удалось использовать электрическое поле напрямую.

Профессор Хидео Оно, заведующий Лабораторией наноэлектроники и спинтроники института, показал, как управлять намагниченностью ферромагнитного полупроводникового материала с помощью изменения его электронной структуры. Статья Оно и его коллег опубликована в последнем номере Nature.

Долгое время ученые пытались приспособить для непосредственного контроля намагниченности ферромагнитного сектора так называемый спин-поляризованный ток электронов – то есть поток электронов, подготовленных таким образом, чтобы их внутренние (спиновые) моменты вращения все были выстроены в одном направлении. По современным представлениям, такой ток должен влиять на магнитный момент ферромагнетика через обменное взаимодействие со спинами электронов. Добиться этого так и не удалось, хотя технология даже успела получить свое собственное коммерческой название – STT-RAM (Spin Torque Transfer RAM) – оперативная память с передачей спинового вращательного момента.

Японцы научились контролировать магнитную анизотропию ферромагнитного монокристалла – разницу в его намагниченности вдоль разных кристаллографических осей. Если отбросить всякие квантовые тонкости, можно считать, что намагниченность определяется движением электронов по орбите вокруг атомного ядра. По сути, это такие маленькие электромагнитики из одного витка с током, непрерывно бегущим по орбите. Когда эти маленькие магниты ориентированы, как попало, результирующее поле равно нулю, а когда выстраиваются в одном направлении, как раз и возникает намагниченность.

Идея японцев в том, чтобы контролировать орбитальный момент вращения («ориентацию магнитика») через его взаимодействие с внутренним, так называемым спиновым моментом электрона. Это так называемое спин-орбитальное взаимодействие, благодаря которому энергия электрона зависит от намагниченности – и наоборот. Характер этой зависимости определяется уже электронной структурой материала – конфигурацией и плотностью распределения электронов в объеме ферромагнетика.

Таким образом и удаётся «зацепить» магнитную анизотропию за электронную структуру материала.

Управлять же электронной структурой материала инженеры научились достаточно давно. Оно для этого создал стандартное устройство – трехслойную гетероструктуру металл–диэлектрик–полупроводник. В качестве полупроводника был выбран арсенид галлия, загрязнённый, или, как говорят учёные, «допированный» небольшой примесью марганца, которая и даёт ему полупроводниковые свойства. Этот материал обладает хорошими ферромагнитными свойствами при низких температурах.

Приложение отрицательного электрического напряжения к слою металла в гетероструктуре вызывает перестройку носителей заряда в полупроводнике-ферромагнетике: носители положительного заряда – так называемые дырки, то есть позиции, где могли бы быть электроны, но их нет – притягиваются к электроду. Если же обратить напряжение, концентрация дырок возле слоя диэлектрика, разделяющего металлический электрод и полупроводник, окажется сниженной.

Таким способом в работе Оно и меняется электронная структура магнитного материала, что приводит и к заметным изменениям магнитной анизотропии. Оно и его коллегам удалось показать, что изменение напряжения на управляющем металлическом электроде гетероструктуры с –12В до 9В вызывает отклонение вектора намагниченности на 10 градусов. Так осуществляется запись.

Чтобы считать информацию, нужно пропустить через полупроводниковый ферромагнетик небольшой ток. Изменение магнитной анизотропии приводит к изменению напряжения на обкладках полупроводника.

Метод записи, предложенный японскими учеными, не требует наличия электрического тока через ферромагнетик. Его намагниченность можно менять, просто прикладывая напряжение.

Таким образом, метод легко совместим с технологиями современной микроэлектроники и, возможно, уже скоро сможет быть коммерциализован.

По сути, метод Оно позволяет «поженить» два, казалось бы, принципиально разных устройства – энергонезависимую, но медленную память, которую хранит жёсткий диск, и быструю оперативную память, которая исчезает, как только вы выключаете свой компьютер. И в этом браке объединились лишь лучшие стороны двух партий.

Источники:

1. Газета.Ru