IBM демонстрирует хранение данных в индивидуальных атомах
Технологический гигант IBM сумел достоверно хранить данные в одном атоме с использованием магнетизма. Что представляет собой такая демонстрация плотности данных, и это влияет на продолжающуюся тенденцию более мелкой электроники?
Размер памяти на протяжении веков
Мы все знаем Закон Мура: количество транзисторов, которые могут поместиться на кремниевые пластины, удваивается примерно каждые 18 месяцев. Средства хранения также увеличили свои возможности благодаря использованию кремниевой технологии. Перед транзистором память, найденная на компьютерах, обычно состояла из магнитных драм-машин, линий задержки ртути и перфокартных систем.
Память магнитного барабана была популярным методом хранения. Изображение предоставлено Греггом Таваресом (DSC02813) (CC BY 2.0)
По мере того, как интеграционные схемы дебютировали в 1960-х годах, память также становилась все более электронной, с появлением оперативной памяти, триггеров (SRAM) и дисковых накопителей. Первые жесткие диски, производимые IBM, могут занимать 3, 75 МБ, которые состоят из 50 24-дюймовых пластин. Первый чип DRAM, выпускаемый Intel, может содержать 1 Кбайт информации с использованием логики PMOS.
Ограничение памяти в это время было производственными процессами, но, по мере того как мы продолжаем создавать устройства на наноуровне, квантовый мир начинает представлять реальные проблемы для производителей полупроводников.
Многие технологические скачки в памяти были результатом работы, проделанной IBM. Теперь, еще раз, они достигли новой вехи в запоминающем устройстве, надежно сохраняя один бит в одном атоме.
Достижение одноатомного хранения
IBM всегда подталкивала границы технологий. IBM изобрела множество технологий, начиная от сканирующего электронного микроскопа и заканчивая банкоматом.
Однако на этот раз они отправились на самый маленький блок памяти, сохранив двоичную цифру в одном атоме. Исследователи из IBM начали с необычного элемента, гольмия, в качестве атома, который хранил бы бит, а затем помещал атом гольмия поверх слоя окиси магния.
Когда гольмий находится на оксиде магния, он обладает свойством, называемым магнитной бистабильностью. Это по существу означает, что атом может находиться в одном из двух разных спинов и стабилен в одном из этих состояний (так что атомы не потеряют этот спин после установки). Свойство бистабильности этой конфигурации связано со многими неспаренными электронами, обнаруженными в гольмие, которые обеспечивают сильное магнитное поле (очень важное свойство в хранении магнитных данных).
Единый блок хранения IBM (Ho). Образ кредита IBM Research и Фабиана Д. Наттера и др. / Nature
Первая задача, поставленная перед исследователями, заключалась в записи информации на атом гольмия. Это было сделано с использованием потенциала напряжения 150 мВ и 10 микроампер тока. Этот импульс тока создает сильное магнитное поле и заставляет спин атома выстраиваться в линию с генерируемым полем.
Вторая задача состояла в том, чтобы затем прочитать эти данные, используя тот же сканирующий электронный зонд, но на этот раз установив потенциал на 75 мВ. Более низкое напряжение желательно, поскольку оно препятствует генерации сильного магнитного поля, которое в противном случае разрушало бы сохраненную информацию. Как оказалось, конфигурация гольмиума имеет два разных сопротивления, когда в двух магнитных состояниях. Они непосредственно соответствуют сохраненному биту.
Последняя задача заключалась в том, чтобы доказать, что атом меняет магнитное состояние атома, которое было сделано путем размещения атома железа поблизости. Железо использовалось, поскольку оно является ферромагнитным и поэтому чувствительным к магнитным изменениям.
В результате железо ведет себя по-разному в зависимости от магнитного состояния гольмия. Это продемонстрировало, что атом гольмия действительно может хранить отдельный бит всего за один атом.
Исследователи IBM использовали электронный микроскоп, подобный тому, который использовался для создания этого искусства в масштабе атомной единицы. Изображение предоставлено IBM Research
Вызовы для создания одноатомной памяти Mainstream
Поэтому исследователи IBM продемонстрировали, что информация может храниться на одном атоме. Но как насчет возможности увеличения плотности данных? Что относительно предположительно больших блоков памяти, которые могут быть сделаны с помощью этой технологии?
Ну, концепция всей мировой музыки в одном хранилище данных Holmium может быть более научной фантастикой и фактом.
Может ли этот отдельный атом включить более крупную память? Кредит от IBM
IBM по существу доказала, что атом может хранить один бит информации. Однако оборудование и условия, необходимые для этого, обнаруживаются только в лабораториях с электронными сканирующими микроскопами и охлаждением жидким азотом.
Конечно, может быть способ создать микроструктуру в кремнии или каком-либо другом материале для зондирования отдельных атомов. Однако это не простое решение, так как любой материал неизбежно придет с множеством других осложнений, так же как и новые полупроводниковые материалы также сталкиваются с собственными уникальными проблемами.
Сколько вспомогательного оборудования потребуется отдельному атому? Может оказаться, что каждому блоку памяти нужна схема для чтения и записи информации. Это может потенциально опираться на текущую технологию, но результирующие модули памяти могут быть не намного меньше, чем DRAM, построенные с использованием функций 1nm.
Кроме того, квантовые эффекты могут представлять реальную проблему с надежностью, поскольку такие мелкие объекты подвержены явлениям в квантовой физике, таким как туннелирование электронов.
IBM Research доктор Кристофер Лутц. Изображение предоставлено IBM Research - Almaden через IBM
Однако не все это обреченность и мрак. Эта технология может быть «увеличена» для создания блоков магнитной памяти, размер которых составляет сотни атомов. Когда в этом масштабе производственные процессы могут более легко справляться с производственными задачами и могут быть способны создать первое в мире магнитное нано-хранилище с высокой плотностью.
Такая технология может превышать возможности твердотельных накопителей на двух фронтах: во-первых, предлагаемые размеры памяти потенциально могут быть намного больше, чем доступно сейчас. Во-вторых, память была бы неразрушающей (в отличие от FLASH) и, следовательно, обеспечивала бы лучшие циклы чтения / записи.
Резюме
IBM имеет привычку добиваться впечатляющих успехов в области электроники и вычислительной техники, и этот единый блок памяти является ярким примером. Выйдет ли это? Кто знает. Будет ли он заменять современную память? Вероятно, не в течение следующих двух десятилетий, но многие так же относились к транзисторам! (Сначала производители и ученые скептически относились к использованию трехногих устройств, но теперь их почти невозможно скрыть.)
Пока мы знаем, что одно атомное магнитное хранилище возможно и может быть решением для будущих поколений.