Данные покоряют третье измерение
Плотность хранения жестких дисков и других устройств быстро росла в последние десятилетия. Но сейчас эта тенденция застопорилась. Поэтому физик Стюарт Паркин предлагает совершенно новую технику: он больше не хочет располагать биты памяти в двух измерениях, а в трех.
Стюарт Паркин критически оценивает индустрию жестких дисков: «Прогресс сейчас стагнирует», - отмечает физик. Его ожидания: цифровые данные должны занимать все меньше и меньше места. Этот прогресс должен быть быстрым. И останься.
Сколько места сегодня занимают данные? Хотя на бумаге этот текст занимает несколько страниц формата DIN A4, его цифровая форма намного тоньше. Чистый текстовый файл представляет собой длинную последовательность магнитных нулей и единиц размером около 10 килобайт. На среднем жестком диске компьютера он занимает всего около 100 квадратных микрометров. Человеческий волос еще слишком толстый, чтобы проиллюстрировать эти размеры. Размер клетки кожи или пылинки больше подходит для описания того, насколько мала эта область.
Это мало. Или много, в зависимости от того, смотрите ли вы в прошлое или в будущее. В 1956 году IBM представила блок под названием IBM 350, который мы теперь называем первым жестким диском. Вещь была размером с холодильник и весила полтонны. Диски для хранения данных, которые на тот момент уже были круглыми, имели диаметр добрых 60 сантиметров, в IBM 350 их было установлено всего 50 штук один на другой. В то время этот текст занял бы почти половину одной из этих записей. Можно сказать: самый первый жесткий диск не давал реальной экономии места по сравнению с печатной бумагой.
"Прогресс сейчас стоит на месте"
То, что произошло с хранением данных с тех пор, называется законом Мура: соответственно плотность хранения удваивается каждые один-два года. Пока это так: за последние 50 лет плотность данных увеличилась на девять порядков, то есть в миллиард раз.
«Но сейчас, - говорит Паркин, - у нас только 10-15% роста в год». Паркин - старший научный сотрудник в области магнитоэлектроники в исследовательской лаборатории IBM в Сан-Хосе, Калифорния. Он также является профессором-консультантом в Стэнфордском университете, а с апреля 2014 года - директором Института физики микроструктур имени Макса Планка в Галле и профессором Университета Галле-Виттенберг. С тех пор он делит свое время между Калифорнией и Германией.
Можете ли вы пойти меньше, чем маленький?
Нынешний застой в хранении связан с фундаментальной природой материалов для хранения: биты на жестком диске представляют собой магнитные домены. Намагниченность в одном направлении считывается компьютером как единица, в другом направлении как ноль. Отдельные атомы материала отвечают за магнетизм и его направление. Каждый атом действует здесь как бесконечно малый магнит. Очень многим из них приходится согласовываться вместе и друг с другом. Вместе они образуют крошечную основную магнитную единицу - магнитный домен.
Магнитные биты не могут быть сколь угодно малыми: ниже определенного размера стабильность группового эффекта отсутствует, и тогда намагниченность постоянно и неконтролируемо колеблется. Информация, магнитная память битов, будет немедленно потеряна.
Но есть еще кое-что, что можно получить: с более магнитоустойчивыми материалами биты могут уменьшаться еще больше. Однако это порождает следующую проблему: нынешние головки записи и чтения жестких дисков должны будут тогда расходовать больше энергии, чтобы целенаправленно записывать биты. С габаритами сегодняшних систем не все так просто.
Производитель жестких дисков Seagate хочет помочь с лазером: в будущем он будет нагревать бит, на котором будет производиться запись, чтобы пишущей головке было легче работать. «Магнитная запись с нагреванием», или сокращенно HAMR, - это название процесса, который может дополнительно сжимать данные в 100 раз. Разработчики Seagate уже добились плотности хранения в один терабайт на квадратный дюйм, и они думают, что полные 50 терабайт на квадратный дюйм вполне возможны, - говорит технический менеджер Марк Ре. В 2018 году Seagate планирует начать массовое производство жестких дисков HAMR.
Тем временем исследователи из швейцарского Института Пауля Шеррера задумались еще на один шаг вперед. Они полностью полагаются на лазер и исследуют, как можно изменить направление намагниченности отдельных битов, просто быстро нагревая их световым импульсом. Тогда можно было полностью отказаться от механической головки чтения/записи. Потому что, хотя это происходит очень быстро, это все еще слишком медленно для жестких дисков будущего. Существует также риск поломки головки: головка чтения/записи может удариться о диск и тем самым уничтожить данные.
«Движущиеся части - это просто проблема», - говорит Паркин. «Нарушение здесь имеет катастрофические последствия». Он тоже хочет избавиться от головки чтения/записи, хотя в прошлом он помог ее усовершенствовать. В результате Паркин совместно отвечает примерно за три из девяти порядков сжатия данных на сегодняшний день. Еще до того, как первооткрыватели так называемого гигантского магнитосопротивления получили Нобелевскую премию, Паркин нашел применение этому физическому эффекту: он использовал этот принцип еще в 1997 году, чтобы значительно повысить чувствительность считывающих головок; Таким образом, магнитные биты могут стать значительно меньше. Тем временем, однако, в считывающих головках уже происходит следующее дальнейшее развитие: благодаря квантово-механическому эффекту магнитных туннельных контактов они стали еще более чувствительными.
Конечно, электронные носители уже можно рассматривать как альтернативу жестким дискам, твердотельным накопителям на основе флэш-памяти или сокращенно SSD. Здесь миллиарды крошечных транзисторов служат битами. И именно поэтому цена за бит значительно выше, чем у магнитных жестких дисков. Кроме того, такие электронные биты нельзя перезаписывать так часто, как хотелось бы. Вкратце: эра магнитных носителей информации еще далека от завершения. Особенно не для крупных центров обработки данных и поставщиков облачных хранилищ.
Ипподром: экономьте быстрее без магнетизма
«Мы хотели создать совершенно новый жесткий диск, где биты поступают на датчик, а не наоборот», - говорит Паркин. Именно эта причина привела его в магазин «Ипподром». В 2005 году он провел первую специализированную лекцию о концепции ипподрома и подал на нее первый патент. С памятью Racetrack Parkin использует третий метод манипулирования битами магнитной памяти: вместо магнетизма, как в головке чтения/записи, или лазерного луча, как пытаются швейцарцы, можно использовать электричество.
Воспоминания Parkins Racetrack представляют собой тонкие нанометровые провода, сделанные из магнитного материала. Внутри магнитные биты все в ряд - как жемчужины на цепочке. Датчик, считывающий биты, лежит поперек и фиксируется в одном месте. Здесь нет движущихся частей: магнитная структура перемещается вперед и назад внутри нанопроволоки. Биты перемещаются к датчику без движения самого провода.
«На самом деле стены домена движутся, - объясняет Паркин. Поверхность атаки для движения - это границы между двумя битами. По проводу посылаются электроны - течет электрический ток. Особенность: это поляризованные электроны, собственный магнитный спин которых выровнен особым образом. Поскольку спин представляет собой угловой момент, а система в целом подчиняется закону сохранения углового момента, эти электроны манипулируют доменными стенками, толкая их вперед и назад. «Конечным результатом является то, что магнитные биты двигаются вперед и назад."
Ещё в 2011 году Паркин и его коллеги представили рабочий прототип гоночной трассы с 256 нанопроводами, данные которых можно было как записывать, так и считывать. Совсем недавно Паркин и его коллеги изучали нанопроволоки, в которых кобальт-никель-кобальт напылялись друг на друга в форме сэндвича. В целом сэндвич состоял всего из десяти атомных слоев, поэтому толщина провода была меньше нанометра. Исследователям удалось очень быстро перемещать магнитные домены по этому проводу - и, таким образом, оправдать название «беговая дорожка».
"Движущиеся части - это просто проблема!"
Что отсутствует во всех предыдущих прототипах, но всегда было частью идеи в воображении Паркина: нанопровода Racetrack не должны лежать плоско на поверхности. Многие миллионы из них можно было бы выстроить в ряды крутых Ус. На каждом из них будет по меньшей мере сотни магнитных битов. Датчики записи и считывания будут прикреплены к земле в нижней части США. Как армия крошечных столбов, нанопровода предназначены для завоевания третьего измерения. Только в этом Паркин видит реальную возможность значительно увеличить плотность хранения.
"Воспоминания о гоночных трассах по своей сути трехмерны" - эта тонкость важна для Паркина. Потому что Samsung также представила память данных, которую производитель описывает как трехмерную. Samsung называет свой продукт D3 V-NAND «крупнейшим технологическим изменением в индустрии хранения данных за последние 30 лет». Это флэш-память с 32 слоями, расположенными друг над другом. Подобным образом уже давно существуют винчестеры, у которых несколько дисков уложены друг на друга в одном корпусе. Многоэтажная автостоянка также предлагает больше места на том же участке, чем автостоянка. Но, и вот что думает Паркин: основная техника в этих случаях все та же. С другой стороны, с Racetrack-Us само расположение данных было бы вертикальным.
Так когда память Racetrack появится на прилавках Elektromarkt? Паркин признает, что создание стабильной архитектуры с использованием хрупких нанопроводов-Us по-прежнему будет сложной задачей. Он также видит нетехническую проблему со стороны производителей: «Это психология: поскольку это совершенно другая технология, многим трудно представить себе гоночную трассу как следующий шаг в развитии». Тем не менее, по оценке Паркина, через пять-семь лет могут появиться полностью работающие воспоминания о гоночных трассах.
Марк Ре из конкурента Seagate перечисляет другие проблемы: Гоночная трасса впечатляет, но все еще находится в стадии исследования, подчеркивает Ре. Помимо сложности окончательного поднятия нанопроводов в третье измерение, Ре также думает о пишущих и считывающих устройствах на земле. Каждому из нас понадобится по одному из этих элементов, поэтому ему также потребуется несколько миллионов из них, расположенных в рядовом порядке. Они должны быть такими же маленькими, как и нанопроволоки. И последнее, но не менее важное: все эти единицы записи и чтения должны контролироваться: «Реализация связанных соединений будет сложной», - говорит Ре..
Его оценка времени выглядит соответственно более пессимистичной: «Если концепт и выйдет на рынок, то не раньше, чем через несколько десятилетий». А за это время с ипподромом могли бы посоревноваться многие другие разработки - Re, например, относится к первым успехам в хранении данных с помощью ДНК. В настоящее время он не видит конкуренции с жесткими дисками, которые Seagate разрабатывает специально для следующих нескольких лет.