Paměť závodiště - Racetrack memory

Paměť počítače a typy ukládání dat
Všeobecné
Nestálý
RAM
Historický
Energeticky nezávislé
ROM
NVRAM
Počáteční fáze NVRAM
Analogový záznam
Optický
Ve vývoji
Historický

Turf paměť nebo doménu stěna paměť ( DWM ) je experimentální energeticky nezávislé paměti zařízení ve vývoji u společnosti IBM je Almaden Research Center týmem vedl fyzik Stuart Parkin . Na začátku roku 2008 byla úspěšně předvedena 3bitová verze. Pokud by měl být úspěšně vyvinut, racetrack by nabídl vyšší hustotu úložiště než srovnatelná polovodičová paměťová zařízení, jako je flash paměť a podobná konvenčním diskovým jednotkám , s vyšším výkonem čtení / zápisu.

Popis

Paměť závodní dráhy používá k pohybu magnetických domén podél nanoskopického permalloyového drátu o průměru asi 200 nm a tloušťce 100 nm spinově koherentní elektrický proud . Jak proud prochází drátem, domény procházejí magnetickými čtecími / zapisovacími hlavami umístěnými v blízkosti drátu, které mění domény tak, aby zaznamenávaly vzory bitů. Paměťové zařízení závodní dráhy se skládá z mnoha takových vodičů a prvků pro čtení / zápis. Obecně funkční koncept je závodní paměť podobná dřívější bublinové paměti 60. a 70. let. Paměť zpožděné linky , jako jsou rtuťové zpožďovací linky 40. a 50. let, jsou stále dřívější formou podobné technologie, jaká se používá v počítačích UNIVAC a EDSAC . Stejně jako bublinková paměť, i paměť na závodním okruhu využívá elektrické proudy k „posuvu“ sekvence magnetických domén skrz substrát a minulé prvky pro čtení / zápis. Zlepšení schopností magnetické detekce, založené na vývoji spintronických magnetorezistivních senzorů, umožňuje použití mnohem menších magnetických domén k zajištění mnohem vyšších bitových hustot.

Ve výrobě se očekávalo, že dráty mohou být zmenšeny na přibližně 50 nm. U paměti závodní dráhy byla uvažována dvě opatření. Nejjednodušší byla řada plochých drátů uspořádaných do mřížky s čtecími a zapisovacími hlavami uspořádanými poblíž. Více široce studované uspořádání používalo dráty ve tvaru U uspořádané svisle nad mřížkou čtecích / zapisovacích hlav na podkladovém podkladu. To by umožnilo drátům být mnohem delší, aniž by se zvětšila jejich 2D plocha, i když nutnost posunout jednotlivé domény dále podél drátů, než dosáhnou čtecích / zapisovacích hlav, má za následek pomalejší časy náhodného přístupu. Obě uspořádání nabízejí přibližně stejný výkon propustnosti. Primární zájem z hlediska konstrukce byl praktický; zda by trojrozměrné vertikální uspořádání bylo možné masově vyrábět.

Srovnání s jinými paměťovými zařízeními

Projekce v roce 2008 naznačovaly, že paměť závodního okruhu nabídne výkon v řádu 20 až 32 ns pro čtení nebo zápis náhodného bitu. To je ve srovnání s přibližně 10 000 000 ns pro pevný disk nebo 20 - 30 ns pro konvenční DRAM . Primární autoři diskutovali o způsobech, jak zlepšit doby přístupu pomocí „rezervoáru“ na přibližně 9,5 ns. Celková propustnost, s rezervou nebo bez ní, by byla řádově 250-670 Mbit / s pro paměť závodní dráhy, ve srovnání s 12800 Mbit / s pro jednu DDR3 DRAM, 1000 Mbit / s pro vysoce výkonné pevné disky a 1000 až 4 000 Mbit / s pro flash paměťová zařízení. Jedinou současnou technologií, která nabídla jasnou výhodu latence oproti paměti závodní dráhy, byla SRAM , řádově 0,2 ns, ale za vyšší cenu. větší velikost prvku „F“ asi 45 nm (od roku 2011) s oblastí buněk asi 140 F 2 .

Paměť Racetrack je jednou z několika nově vznikajících technologií, jejichž cílem je nahradit konvenční paměti, jako jsou DRAM a Flash, a potenciálně nabídnout univerzální paměťové zařízení použitelné pro širokou škálu rolí. Mezi další uchazeče patřila magnetorezistivní paměť s náhodným přístupem (MRAM), paměť s fázovou změnou (PCRAM) a feroelektrická RAM (FeRAM). Většina z těchto technologií nabízí hustoty podobné flash paměti, ve většině případů horší, a jejich hlavní výhodou je nedostatek limitů odolnosti proti zápisu, jako jsou ty ve flash paměti. Field-MRAM nabízí vynikající výkon až 3 ns, ale vyžaduje velkou velikost buňky 25-40 F². Může to vypadat jako náhrada SRAM, ale ne jako velkokapacitní paměťové zařízení. Nejvyšší hustotu ze všech těchto zařízení nabízí PCRAM s velikostí buňky přibližně 5,8 F², podobnou flash paměti, a poměrně dobrým výkonem kolem 50 ns. Nic z toho se však nemůže přiblížit soutěžení s pamětí závodních tratí, zejména hustotou. Například 50 ns umožňuje provozovat asi pět bitů v paměťovém zařízení závodní dráhy, což má za následek efektivní velikost buňky 20/5 = 4 F², což snadno překročí produkt hustoty výkonu PCM. Na druhou stranu, aniž by byla obětována bitová hustota, do stejné oblasti 20 F² se vejde 2,5 2bitových 8 F² alternativních paměťových buněk (například odporová RAM (RRAM) nebo přenos točivého momentu MRAM ), z nichž každý jednotlivě pracuje mnohem rychleji ( ~ 10 ns).

Ve většině případů paměťová zařízení ukládají jeden bit v libovolném daném místě, takže se obvykle porovnávají z hlediska „velikosti buňky“, buňky ukládající jeden bit. Samotná velikost buňky se udává v jednotkách F², kde „F“ je pravidlo návrhu velikosti prvku , které obvykle představuje šířku kovové čáry. Flash i závodní dráha ukládají více bitů na buňku, ale stále je možné provést srovnání. Například se zdálo, že pevné disky dosahují teoretických limitů kolem 650 nm² / bit, definovaných primárně schopností číst a zapisovat do specifických oblastí magnetického povrchu. DRAM má velikost buněk přibližně 6 F², SRAM je mnohem méně hustý při 120 F². NAND flash paměť je v současné době nejhustší formou energeticky nezávislé paměti s širokým využitím, s velikostí buňky asi 4,5 F², ale s uložením tří bitů na buňku pro efektivní velikost 1,5 F². NOR flash paměť je o něco méně hustá, s efektivním 4,75 F², což odpovídá 2bitovému provozu na velikosti buňky 9,5 F². Na závodní dráze ve svislé orientaci (ve tvaru písmene U) je na buňku uloženo téměř 10–20 bitů, což by samo o sobě mělo fyzickou velikost alespoň asi 20 F². Kromě toho by bitům na různých pozicích na „stopě“ trvalo různé časy (od ~ 10 do ~ 1000 ns nebo 10 ns / bit), aby k nim měl přístup čtecí / zapisovací senzor, protože „stopa“ by přesunula domény pevnou rychlostí ~ 100 m / s kolem čtecího / zapisovacího snímače.

Rozvojové výzvy

Jedním omezením raných experimentálních zařízení bylo, že magnetické domény mohly být protlačeny vodiči jen pomalu, což vyžadovalo proudové pulsy v řádu mikrosekund, aby se mohly úspěšně pohybovat. To bylo neočekávané a vedlo to k zhruba stejnému výkonu jako u pevných disků , který byl až 1000krát pomalejší, než se předpokládalo. Nedávný výzkum vysledoval tento problém k mikroskopickým nedokonalostem v krystalové struktuře drátů, které vedly k tomu, že se domény na těchto nedokonalostech „zasekly“. Pomocí rentgenového mikroskopu k přímému zobrazení hranic mezi doménami jejich výzkum zjistil, že stěny domén by se pohybovaly pulzy tak krátkými jako několik nanosekund, kdyby tyto nedokonalosti chyběly. To odpovídá makroskopickému výkonu asi 110 m / s.

Napětí potřebné k řízení domén podél závodní dráhy by bylo úměrné délce drátu. Hustota proudu musí být dostatečně vysoká, aby tlačila na stěny domény (jako při elektromigraci ). Potíže s technologií závodních drah vyplývají z potřeby vysoké proudové hustoty (> 10 8 A / cm²); průřez 30 nm x 100 nm by vyžadoval> 3 mA. Výsledný příkon se zvýší než u jiných pamětí, např. Paměti točivého momentu (STT-RAM) nebo flash paměti.

Další výzvou spojenou s pamětí Racetrack je stochastická povaha, ve které se stěny domén pohybují, tj. Pohybují se a zastavují se v náhodných pozicích. Byly pokusy překonat tuto výzvu vytvořením zářezů na okrajích nanodráty. Vědci také navrhli střídavé nanodráty, aby přesně zafixovaly stěny domény. Experimentální výzkumy ukázaly účinnost střídané paměti zdi domény. V poslední době vědci navrhli negeometrické přístupy, jako je lokální modulace magnetických vlastností prostřednictvím modifikace složení. Používají se techniky jako difúze indukovaná žíháním a iontová implantace.

Viz také

Reference

externí odkazy