НИЯУ МИФИ

Реферат

на тему:

Проект

Millipede.

Болотова Инга, Д-9-01.

Москва 2009

Содержание.

1. Введение………………………………………………………………………...3

2. Millipede – взгляд изнутри……………………………………………………..4

3. Портрет Millipede в цифрах…………………………………………………....7

4. Вместо флэш-памяти и жестких дисков………………………………………8

5. Многоножка millipede………………………………………………………….9

6. Наследники магнитной памяти…………………………………….………...11

7. Концептуальный накопитель………………………………………………...14

8. Технология, которая спасет закон…………………………………………...15

9. Заключение…………………………………………………………………….20

10. Список литературы…………………………………………………………..21

Введение.

     Последнее двадцатилетие отмечено быстрым ростом емкости накопителей информации и, соответственно, плотности записи. По данным компании IBM, поверхностная плотность записи на жесткие магнитные диски увеличилась со 100Мб/кв.дюйм в начале 90-х гг. до 20Гб/кв.дюйм в современных массовых винчестерах и продолжает неуклонно расти. При такой плотности записи размеры одного бита составляют всего 0,052 мкм в длину и 0,62 мкм в ширину. Кроме того, появляются и новые технологии записи информации, все более и более "ужимающие" размеры бита. Так, диски Blu-Ray диаметром 12 дюймов и объемом 27Гб, использующие оптическую запись синим лазером, имеют длину одного пита 0,138 мкм (для сравнения - длина пита обычного компакт-диска 1,6 мкм). Но настоящим прорывом в плотности записи информации может стать анонсированная все той же IBM технология Millipede. Используя принципы считывания, подобные перфокартам или виниловым пластинкам, она обещает довести плотность записи до 1Тб/кв.дюйм. Диаметр ячейки хранения составит в этом случае всего 10нм.

     Новые технологии с переходом в область субмикронных и нанометровых масштабов требуют соответствующего диагностического инструментария, позволяющего обеспечивать контроль параметров и диагностику рабочих поверхностей и других элементов накопителей. Изобретенные сравнительно недавно методы сканирующей микроскопии позволяют работать с субмикронными и даже атомарными разрешениями, обеспечивая высокую скорость и точность измерений. Поэтому неудивительно, что в настоящее время они широко используются для исследования, диагностики и модификации поверхностей, в том числе и рабочих поверхностей носителей записи.

 

Millipede – взгляд изнутри.

11 июня 2002 года сотрудники расположенного в Цюрихе (Швейцария) исследовательского центра компании IBM продемонстрировали работоспособный прототип устройства хранения данных, обеспечивающего плотность записи в триллион (1012) бит на кв. дюйм. Эта цифра более чем в 20 раз превосходит наилучшие из достигнутых на сегодняшний день показателей для технологий, использующих магнитную запись.

Если провести более наглядную аналогию, то разработанная учеными IBM технология позволяет сохранить 25 млн. страниц текста на носитель размером с почтовую марку. Столь выдающиеся результаты стали возможны благодаря исследованиям, проведенным специалистами IBM в рамках проекта под кодовым названием Millipede.

Ни для кого не секрет, что новое — это хорошо забытое старое. Не менее хорошо известно, что развитие технологий происходит по спирали, периодически возвращаясь к уже почти забытым решениям на качественно новом уровне.

В отличие от наиболее распространенных сегодня оптических, магнитных и электронных устройств хранения данных, Millipede использует принцип механической записи: микроскопические иглы продавливают углубления на поверхности тонкой пластиковой пленки. Каждое из этих углублений соответствует одному биту записываемой информации. Если абстрагироваться от технических подробностей, то Millipede очень напоминает один из старейших цифровых носителей — перфокарту1 . Правда, в отличие от существующих уже более 110 лет однократно записываемых перфокарт, Millipede предусматривает возможность многократной перезаписи и обладает значительно большей удельной плотностью — на площади, эквивалентной одному отверстию классической перфокарты (которое соответствует одному биту), может уместиться более 3 млрд. (3×109) бит информации. А теперь ненадолго перенесемся в микромир и рассмотрим внутреннее устройство накопителя Millipede.

Увеличенное изображение экспериментального чипа Millipede. В центре — массив микроприводов размером 3×3 мм (общий размер чипа — 7×14 мм)

Ядром Millipede является двухмерный массив микроприводов, представляющих собой v-образные силиконовые рычаги длиной 70 и толщиной всего 0,5 микрон. На конце подвеса каждого микропривода имеется обращенная вниз игла длиной чуть менее 2 микрон. Существующая сегодня экспериментальная установка оснащена массивом из 1024 микроприводов (32 ряда по 32 элемента), физический размер которого составляет 3×3 мм.

Специально разработанная конструкция подвеса массива игл выполняет две основные функции: обеспечивает точность позиционирования массива и предохраняет носитель информации от повреждений, компенсируя внешние физические воздействия (вибрации и удары). Управляющая электронная схема, аналогичная используемой в чипах DRAM-памяти, позволяет одновременно посылать индивидуальные команды каждому из микроприводов, обеспечивая их слаженную совместную работу. Каждая игла обслуживает область размером 100×100 микрон; точное перемещение носителя информации в двух направлениях осуществляет прецизионный электромагнитный привод. Столь незначительный ход носителя обусловливает низкое энергопотребление системы.

Увеличенные изображения экспериментального чипа Millipede, сделанные при помощи электронного микроскопа (сверху вниз): массив микроприводов, фрагмент массива микроприводов, отдельный микропривод, игла микропривода (вид сбоку)

Все необходимые операции — чтение, запись, стирание и перезапись — осуществляются при соприкосновении игл с тонкой полимерной пленкой, покрытой слоем силиконового материала толщиной всего несколько нанометров. Нанесение углубления, соответствующего биту, производится путем нагревания до 400 °С встроенного в микропривод резистора. Нагретая до этой температуры игла размягчает полимер и на короткое время погружается в него, формируя углубление. При чтении нагрев производится до меньшей температуры (300 °С), которая недостаточна для размягчения используемого полимерного материала. Благодаря высокой теплопроводности полимера игла при погружении в имеющееся углубление остывает, в результате чего изменяется сопротивление резистора, которое также отслеживается управляющей схемой

Так выглядит фрагмент массива микроприводов при увеличении через оптический микроскоп

Для перезаписи данных игла совершает несколько движений с небольшим смещением относительно центра ранее сделанного углубления — как бы разравнивая поверхность полимерного материала. В процессе демонстрации опытной установки было выполнено более 100 тыс. циклов перезаписи.

Портрет Millipede в цифрах.

Тенденции развития компьютерной индустрии, в частности портативных цифровых устройств, вызвали определенные изменения в структуре рынка одного из основных компонентов цифровой техники — устройств хранения данных. Сегодня наиболее важными являются четыре параметра: емкость (которая, в свою очередь, зависит от физических размеров и удельной плотности записи), скорость обмена данными, уровень энергопотребления и надежность.

На сегодняшний день Millipede обладает наименьшими среди всех распространенных устройств хранения данных размерами и уровнем энергопотребления. Удельная плотность записи для экспериментальной установки, оснащенной массивом из 1024 игл, составляет 200 Гбит на кв. дюйм, что позволяет сохранить до 0,5 Гбайт на носителе размером 3×3 мм. Ожидается, что усовершенствованный Millipede, который появится в самом начале будущего года, при размере 7×7 мм будет оснащен массивом из 4096 игл. Однако ученые IBM уверены в том, что вполне реально достичь еще больших показателей плотности. Один из руководителей проекта Millipede, нобелевский лауреат Герд Бинниг (Gerd Binnig), утверждает, что потенциально возможно тысячекратное увеличение плотности записи по сравнению с достигнутыми на сегодняшний день результатами. Емкость карт флэш-памяти в ближайшем будущем вряд ли превысит отметку в 1-2 Гбайт, в то время как технология Millipede позволит хранить от 10 до 15 Гбайт данных в устройстве аналогичного размера, причем без увеличения энергопотребления.

Если говорить о скорости чтения/записи, то она ограничена быстродействием игл. «Производительность» одной иглы составляет несколько килобит в секунду, и соответственно предельная скорость работы существующей сегодня экспериментальной установки составляет несколько мегабит в секунду. Однако использование более совершенных электронных схем позволяет значительно повысить быстродействие. В ходе экспериментов, проведенных в одном из исследовательских центров IBM, были достигнуты значительно более высокие показатели — свыше 1 Мбит/с для одной иглы.

Потребляемая мощность в значительной степени зависит от скорости, на которой работает устройство. При работе со скоростью порядка нескольких мегабит в секунду экспериментальная установка Millipede потребляет около 100 мВт, что сопоставимо с энергозатратами современных модулей флэш-памяти и значительно меньше аналогичного параметра устройств, использующих магнитную запись.

Пока не совсем ясно, какова будет надежность устройств, созданных по технологии Millipede. Конечно, достичь уровня флэш-памяти вряд ли удастся (как-никак используются механические устройства), а вот конкурировать по данному параметру с оптическими и жесткими магнитными дисками (естественно, при тщательной проработке технических деталей) Millipede вполне по силам.

Вместо флэш-памяти и жестких дисков.

В 2007 году несколько компаний выпустили опытные серии памяти PCM. Насколько серьезен потенциал этой и других технологий энергонезависимой памяти и к каким изменениям их внедрение может привести?

В музее истории компьютеров в Маунтин-Вью, в самом центре Кремниевой долины, среди множества экспонатов, имеющих отношение к теме этой статьи, есть подвешенные к потолку деревянные рамки, напоминающие рыболовные сети. Это первые образцы памяти на магнитных сердечниках, и магнитный диск, с диаметром блина более метра. Сегодня они удивляют наивностью своей конструкции, но ведь когда-нибудь с таким же снисхождением потомки наши будут смотреть на современные диски, и виной тому будут новые подходы к энергонезависимой памяти (Non-volatile memory).

Флэшки сегодня на пике популярности. Ими пользуются все, а в последние годы бурное развитие технологий флэш-памяти привело к неизбежному появлению так называемых твердотельных дисков (Solid State Disk, SSD). Такого рода диски уже устанавливаются в отдельные модели ноутбуков, и весьма перспективным представляется использование флэш-памяти в серьезных накопителях в качестве дисков нулевого уровня. Поскольку современность флэш–памяти хорошо известна, заслуживает упоминания их история. Ее появлением на свет человечество обязано Фуджио Масуока — японскому исследователю, ныне профессору университета города Сендай, расположенного на севере острова Хонсю. В начале 80-х годов Масуока работал на одном из предприятий Toshiba, разрабатывавшем память различные типы памяти; группа, возглавляемая им, вела исследования, связанные с памятью типа EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), обычно называемой ПЗУ. Позже Масуока признавался, что изобретение флэш-памяти для него было не главным делом, а скорее, побочным эффектом, поэтому, в 1981 году, подавая заявку на патент, предполагал, что сделанное им всего лишь EEPROM. Однако один из его коллег оказался более прозорлив. Он обнаружил отличие от обычной памяти EEPROM и предложил образное название — флэш, подразумевая под этим аналогию с фотовспышкой, так как изначально обнулить (засвечивать) можно было только блок памяти целиком, подачей общего импульса стирания.

Сейчас Toshiba является вторым после Samsung Electronics производителем этого типа памяти, но в начале 80-х компания довольно долго не проявляла к ней особого интереса. Реальным стимулом для начала серьезных разработок, связанных с флэш-памятью, стало сенсационное выступление Масуока на конференции в Сан-Хосе, в 1984 году. Оно стало поворотным моментом в истории флэш-памяти. После по пути, им предложенному, пошли и Intel, выпустившая свой вариант флэш-памяти четыре года спустя, а позже и другие производители. Нынешний объем рынка флэш-памяти оценивается цифрой 25 млрд долл., но сам автор идеи получил не слишком много. Чтобы получить отчисления от Toshiba, Масуоке пришлось пройти через длительное судебное разбирательство, изобретатель требовал выплаты ему 70 млн долл., однако получил существенно меньше, и урегулировать конфликт удалось на сумме всего 745 тыс. долларов.

Несмотря на нынешний невероятный успех флэш-памяти, и сам Масуока, и другие аналитики признают технологическую и историческую ограниченность этой технологии, впрочем, как и любой иной. Поэтом уже сейчас целый ряд компаний и исследовательских центров разрабатывают альтернативные решения, обладающие более высокими показателями быстродействия и надежности, способностью к долговременному хранению данных.

Многоножка millipede.

Название millipede переводится как «многоножка» — животное, относящееся к классу членистоногих, оно же использовано для прототипа «нанопамяти» (nanostorage), разрабатываемый в корпорации IBM. У этой памяти колоссальный потенциал, теоретически она позволяет хранить до триллиона битов на квадратном дюйме, то есть плотность записи в 20 раз больше, чем у любого известного магнитного носителя. Один чип millipede будет способен хранить до 10 гигабайт на подложке размером с почтовую марку.

Но, как ни странно, авангардистский принцип записи напоминает те самые перфокарты Германа Холлерита, с которых началась история IBM. Отличие состоит в том, что в данном случае «дырки» поменьше, их размер примерно 10 нанометров, пробиваются они не в бумаге, а в пластиковой пленке, и не механической высечкой, а путем нагрева. Но самое существенное отличие заключается в возможности восстанавливать «пробитые» места, следовательно, есть возможность стирания и повторной записи. На площади одной высечки в карте можно записать примерно 1,5 Гбайт данных. За сходство с перфоносителями millipede называют нанотехнологической перфокартой.

Если сравнивать с другими проектами неразрушаемой памяти, то оригинальность millipede — в наличии в ней перемещающихся механических узлов, выполненных методами нанотехнологий. Эти узлы заменяют собой обязательную для других устройств матрицу, которая может быть построена на самых различных физических принципах и служит для работы с отдельным элементом, хранящим обычно один бит (или несколько битов, если память многоуровневая). В каком-то смысле проект millipede представляет собой развитие идеи дисков или даже, скорее, магнитных барабанов: в нем есть пассивная подложка, хранящая данные, и перемещающаяся над ней считывающая головка. Головка имеет большое количество рабочих иголок, осуществляющих считывание и запись, поэтому прибор и назвали многоножкой. Если сравнивать millipede с DRAM, то ее преимущество в высокой плотности и в том, что используется пассивный носитель, в DRAM для запоминания используются заряды конденсаторов. Если же сравнивать millipede с дисками, то ее преимущество станет понятнее. Врожденный порок — это слабость дисков, хотя они допускают высокую плотность записи, даже выше, чем DRAM, но количество головок ограничено, следовательно, производительность ограничена механическими возможностями (скорость вращения диска и перемещения головок). В каком-то смысле millipede вбирает в себя лучшее из всех миров, здесь используется пассивный носитель, обеспечивается высокая плотность, как на дисках, и есть возможность для выполнения параллельных операций, как в DRAM.

Процесс чтения и записи чрезвычайно напоминает работу с перфокартой. Просечка осуществляется с ограниченным нагревом, в пленке образуется крошечное отверстие, но затянуться оно не успевает, поэтому при считывании в этом месте будет низкое сопротивление; если же отверстия нет, то, поскольку пленка диэлектрик, сопротивление высокое, по сопротивлению различают запись 0 или 1. Плюс к тому имеется обратная операция «заклеивания», если кто-то еще помнит работу с перфокартами, то иногда это делали руками с помощью высеченных фрагментов и мягкого карандаша. В данном случае при нагреве до более высокой температуры отверстие естественным образом заполняется из-за эффекта поверхностного натяжения жидкости.

Впервые Millipede был продемонстрирован на выставке, в представленном чипе головка имела 1024 рабочие иглы, расположенные в виде матрицы 32x32. Очевидно, что самая сложная часть в этом устройстве — механика, она представляет собой микромашину, изготовленную полностью из кремния. Впрочем, устройство микроэлектромеханических систем (Microelectromechanical system, MEMS) — тема для отдельного разговора.

Наследники магнитной памяти

Память компьютеров второго и отчасти третьего поколения строилась из «кубов» МОЗУ — магнитных оперативных запоминающих устройств, собранных из микроскопических ферритовых сердечников. Это и в самом деле были кубики с ребром 15-20 сантиметров. С появление в конце семидесятых годов полупроводниковой памяти, казалось, МОЗУ осталось в прошлом, но это не совсем так. В современных наследниках этого типа памяти сердечники заменены магнитными диполями, создаваемых методами литографии, теми же методами наносятся проводники.

Первый промышленный чип PCMОдним из них является ферроэлектрическая память (Ferroelectric RAM, FeRAM), монополия на ее разработку принадлежит компании Ramtron International, а лицензии на ее производство приобрели Freescale Semiconductor (прежде полупроводниковое подразделение Motorola) и Fujitsu. Их продукция используется во встроенных системах управления, прежде всего в автомобильных компьютерах. Хотя в FeRAM используются магнитные свойства материалов, но этот тип памяти можно назвать одновременно и преемником DRAM, и вот почему. Ячейку памяти DRAM называют 1T-1C, подразумевая под этим то, что для сохранения состояния 0 или 1 используется один конденсатор, он может быть заряжен или разряжен, а для управления им — один транзистор. Слабость DRAM отражена в ее названии — она динамическая, следовательно, сохранение содержания требует постоянной подзарядки конденсаторов. Поэтому DRAM постоянно потребляет энергию, а при отключении теряется содержимое. Память FeRAM построена почти по тому же принципу 1T-1C, но ячейка дополнена магнитным элементом диполем, он используется в качестве диэлектрика между пластинами конденсатора. Поэтому сохранение состояния обеспечивается не зарядом, а ориентацией магнита, она сохраняется благодаря характеристике, описываемой петлей гистерезиса. В зависимости от полярности подаваемого напряжения записывается состояние 0 или 1.

Название еще одной памяти на магнитном принципе записи — магниторезистивная оперативная память (Magnetoresistive RAM, MRAM) — хорошо отражает смысл этой конструкции. Здесь магнитная ячейка меняет свое электрическое сопротивление, то есть является резистором с изменяемым состоянием. В MRAM два ферромагнитных слоя разделены тонкой изолирующей прослойкой, один из двух слоев — постоянный, намагниченный в определенном направлении, запись осуществляется изменением намагниченности второго слоя. Объединенные в сетку ячейки содержат элемент памяти и транзистор. Электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от взаимной ориентации намагниченностей в слоях. Например, одинаковая ориентация, когда сопротивление низкое, может соответствовать 0, а при противоположном направлении намагниченности, то есть при более высоком сопротивлении — 1. Для записи существует несколько способов. Самый давний основывается на том, что ток, протекающий по пересекающимся над диполем проводникам, индуцирует магнитное поле, это очень напоминает работу памяти на магнитных сердечниках. В известных типах MRAM сила тока должна быть достаточно большой, поэтому разрабатываются альтернативные решения. Среди них метод переключения, использующий многошаговую запись в многослойную ячейку. Новейший метод реализации MRAM — «передача спинового вращательного момента» (Spin Torque Transfer, STT); его развивают IBM совместно с японской компании TDK.

Помимо перечисленных выше типов памяти, существует еще как минимум три заслуживающих упоминания совершенно новых типа энергонезависимой памяти. Резистивная память (Resistive Random Access Memory, RRAM) разрабатывается совместно большой группой компаний, среди них Sharp, Samsung и Fujitsu. Ее логика наиболее проста: запоминающая ячейка состоит из фрагмента материала, который может быть диэлектриком или проводником в зависимости от поданного на него напряжения. Нанопамятью (Nano-RAM) занимается единственная компания Nantero. Здесь запоминание 0 или 1 осуществляется посредством ориентации нескольких нанотрубок под поверхностью электродов. Еще в одной разновидности памяти, SONOS (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon), компания Cypress Semiconductor развивает идеи флэш-памяти.

Однако на данный момент самые большие надежды связывают не с перечисленными выше типами памяти, а с памятью PCM — памятью, построенной на материалах с изменяющимся фазовым состоянием (Phase Change Memory), такие полупроводники могут переходить из кристаллического состояния в аморфное и обратно. Описывая эту память, нельзя не представить ее изобретателя, как и в случае с флэш-памятью. Ее появлением мы обязаны одному человеку. Биография Стэнфорда Овшинского, чьи труды привели к появлению технологии PCM, история его успеха — сюжет для типичного американского фильма. Сын нищих еврейских иммигрантов из польской части Литвы не смог в свое время получить ни регулярного школьного, ни тем более высшего образования и на всю жизнь остался самоучкой. Помимо бедности на такой поворот событий повлияла история. Он родился в 1923 году, его школьные годы пришлись на период Великой депрессии, было не до учебы. В начале пути Стэнфорд, а по-польски Станислав, был токарем, затем стал инженером-механиком, но свое первое изобретение он сделал раньше. Во время Второй мировой войны Овшинский предложил актуальное в той ситуации усовершенствование к токарному станку, позволявшее точить два снаряда одновременно. Позже, в 50-е годы, его интересы изменились, он увлекся химией и электротехникой, стал одним из самых известных инженеров и изобретателей США. Показателен список из 250 принадлежащих ему патентов, среди которых тонкопленочные солнечные батареи, экологически чистые никельметаллгидридные аккумуляторы, а также батареи на так называемом твердом водородном топливе. Этого оказалось достаточно, чтобы стать знаменитым, и его не слишком фотогеничное лицо украсило собой обложки буквально всех ведущих газет и журналов. Что же касается систем хранения данных, то для них наибольшее значение имеют работы Овшинского с халькогенидами. Именно эти соединения позволяют создать компьютерную память на основе материалов с изменяемыми фазовыми состояниями, известную под аббревиатурами PCM, PRAM или PCRAM. Полупроводник халькогенид является сплавом серы, селена и теллура, он обладает способностью изменять свою физическую структуру (то есть расположение атомов) и переходить при нагревании из кристаллического состояния в аморфное и обратно. Для создания PRAM могут быть использованы и такие материалы, как сурьмид германия GeSb, называемый также халькогенидным стеклом. С точки зрения памяти критически важно то, что в этих двух фазовых состояниях вещество имеет разную электропроводность, это дает возможность записать и считать 0 или 1. Нечто подобное происходит в перезаписываемых дисках CD-RW и DVD-RW, там лучом лазера нагревается поверхность внутреннего слоя диска, происходит переупорядочение структуры атомов, что изменяет коэффициент отражения, его значение можно зарегистрировать, таким способом осуществляется запись и чтение. В PCM происходит то же самое, но нагрев выполняется электрическим зарядом, прикладываемым к нужной точке всего на несколько наносекунд, потом при снятии заряда температура резко падает и атомы застывают, не успевая вернуться в кристаллическое состояние. Допустим, сопротивление в точке будет высоким, так записывают, положим, 0. При записи 1 ту же самую точку нагревают менее интенсивно, но дольше, этой процедуры достаточно для перевода в кристаллическое состояние, отличающееся пониженным сопротивлением. Считывание данных в такой схеме можно считать несложной задачей. Процедура похожа на millipede, но лишена подвижных частей.

Однако на серьезные разработки уходят годы, а иногда десятилетия. Работы, связанные с халькенидами, Овшинский начал в 1960 году, когда создал собственную компанию Energy Conversion Laboratories, позже переименованную в Energy Conversion Devices (ECD). Успех компании был феноменален, исследовательскую лабораторию, созданную человеком без образования, посещали серьезные ученые, — среди них нобелевские лауреаты Уильям Шотки, Исаак Рабби, Невилл Мотт. Она стала одним из ведущих научных центров разработки полупроводниковых материалов. Однако до создания работающей PCM было далеко, а параллельно Овшинскому удалось изобрести столько, что он был признан национальным гением. Его имя ставят в один ряд с Томасом Эдисоном.

В 1966 году Овшинский получил первый патент на материал с изменяющимся фазовым состоянием, а в 1969-м — патент на компьютерную память, построенную на этом материале, о чем Гордон Мур, известный всем своим законом, написал статью в популярном тогда журнале Electronics Magazine. И только 30 лет спустя это изобретение удалось коммерциализовать, под него в 1999 году была создана компания Ovonyx. Последующие события развивались с калейдоскопической быстротой. В 2000 году корпорация Intel инвестировала в Ovonyx и лицензировала технологию, в том же году лицензию приобрел европейский производитель полупроводниковых приборов ST Microelectronics. За последующие пять лет по этому пути прошли практически все крупнейшие полупроводниковые вендоры, за редким исключением. Наибольших практических успехов удалось достичь Samsung и Intel в сотрудничестве с STMicroelectronics.

Концептуальный накопитель.

Компания IBM на компьютерной выставке CeBIT 2005 в Ганновере (Германия) продемонстрировала экспериментальный образец концептуального накопителя Millipede.

Суть технологии Millipede сводится к следующему. Данные "записываются" на небольшой микрочип, покрытый полимерной пленкой специального состава. Ключевым элементом конструкции является массив крошечных кронштейнов, на конце каждого из которых размещена игла. При соприкосновении нагретой до 400° Цельсия илы с носителем происходит локальное расплавление полимерной пленки, в результате чего остается микроскопическое углубление. Это углубление и соответствует биту информации.

В процессе считывания игла разогревается до 300° Цельсия. При такой температуре не происходит повреждения пленки, зато при попадании иглы в углубление наблюдается резкое увеличение интенсивности отвода тепла, что, в свою очередь, провоцирует скачкообразное изменение сопротивления, соответствующее биту данных. Примечательно, что накопители Millipede могут быть стерты и перезаписаны: для этого нужно лишь выровнять поверхность носителя при помощи разогрева выше 400° Цельсия.

В целом, технология сильно напоминает перфокарты, правда, все элементы в Millipede реализованы на микроскопическом уровне. В ходе демонстрации на CeBIT, как сообщает New Scientist, компания IBM показала образец Millipede емкостью 10 Гб. Теоретически же квадратный чип с длиной стороны 2,4 см может хранить до 125 Гб данных, что эквивалентно емкости 25 дисков формата DVD. Не исключено, что накопители Millipede в перспективе смогут вытеснить флэш-память. Впрочем, для этого IBM еще предстоит проделать немалый объем работы, добившись скорости чтения/записи информации в 20-30 Мбит/с (сейчас она существенно ниже). К тому же могут возникнуть серьезные трудности в процессе производства миниатюрных электронно-механических запоминающих устройств.

Технология, которая спасет закон.

Технология флэш-памяти нового рода с большей емкостью и более длительным сроком службы, с меньшей потребностью в электроэнергии уже вскоре может прийти на смену современным твердотельным накопителям.

Компания Nanochip объявила, что ее сотрудникам в рамках исследований, посвященных созданию перспективных устройств памяти, удалось сделать открытие, благодаря которому уже в 2009 году она сможет предоставить потенциальным производителям работающие прототипы. Три инвестиционных фонда, в том числе Intel Capital, недавно выделили компании 14 млн. долл. В Nanochip работают над этой технологией с момента основания компании в 1996 году.

«Эта технология спасет закон Мура, - уверен директор Nanochip Гордон Найт. - Она должна пережить, по крайней мере, десять поколений микросхем». В соответствии с действующим десятилетиями эмпирическим законом число транзисторов, размещаемых на интегральной схеме, удваивается примерно каждые полтора года. Считается, что флэш-память может достигнуть физического предела миниатюризации при норме проектирования примерно 32 нм.

И в этой ситуации, по словам Стивена Лея, наступает расцвет технологий, подобных технологии Nanochip. «Закон Мура напрямую связан с использованием методов литографии, - считает Лей, член технического консультативного совета Nanochip, вице-президент по бизнес-разработкам компании Ovonyx и бывший вице-президент группы флэш-памяти Intel. - Каждые полтора года производителям приходится покупать новую машину, которая позволяет печатать все меньшие по размеру платы». Устройства памяти, построенные по принципу массивов (array-based memory), используют наборы микроскопических «игл» для считывания и записи данных. Плотность хранения при этом определяется не возможностями литографии, а точностью перемещения игл. «Если Nanochip может перемещать иглы, скажем, на одну десятую расстояния, определяемого нормой проектирования, тогда можно получить в 100 раз большую плотность, не меняя литографической матрицы, - пояснил Лей. - И больше не придется покупать все новое и новое оборудование». Лей заметил, что, в принципе, Nanochip может добиться того, что за один шаг игла будет перемещаться на расстояние в один атом. В компании утверждают, что современное поколение игл имеет радиус действия менее 25 нм, но она планирует в конечном итоге создать иглы, радиус действия которых можно уменьшить до двух-трех нанометров. Такой масштаб, как подчеркнул Найт, позволит за 10 - 12 лет разработать модуль памяти емкостью более 1 Тбайт. Он рассчитывает, что модели первого поколения, появление которых ожидается в 2010 году, будут иметь емкость более 100 Гбайт, но более реалистичное число - это «десятки гигабайт» на один чип, то есть емкость, сравнимая с емкостью современного поколения устройств флэш-памяти. Найт уверен, что технология Nanochip найдет свое применение в USB-картах памяти, твердотельных накопителях и даже в серверных системах хранения корпоративного класса. В каждом случае, как он считает, новая память дает свои преимущества. Как отметила Марлен Бурне, глава аналитической компании Bourne Report, в отличие от флэш-памяти типа NAND, для которой частые модернизации методов литографии требуют создания все более дорогостоящего производства, Nanochip может изготавливать свои микросхемы на уже существующем недорогом оборудовании.

«Можно использовать уже имеющееся оборудование и адаптировать его к своим требованиям, - подчеркнула она. - Те же самые инструменты, оборудование, материалы, основные этапы обработки. Вы попросту создаете трехмерные объекты вместо плоских интегральных схем».

Это может дать преимущество в цене перед твердотельными носителями, которые сейчас, как правило, стоят 15–18 долл. в расчете на гигабайт. Как и твердотельные носители, память на базе массивов в незначительной степени задействует механические элементы, что снижает уровень энергопотребления и уровень выделяемого тепла. Механизм, используемый для движения игл, по словам Лея, очень низкоэнергоемкий. Так как устройства памяти, основанные на технологии Nanochip, просты и не включают сотен компонентов, в отличие от жестких дисков, они отличаются большей надежностью. В отличие от традиционных серверных систем хранения на базе жестких дисков, как заметил Найт, технология компании предотвращает проблемы с очередностью обработки запросов, которые возникают, когда несколько пользователей одновременно пытаются получить доступ к данным. «Когда у вас есть такое устройство памяти - у вас есть множество точек доступа», - сказал он. Внутренний контроллер в Nanochip «опускает» в устройство массив игл, и считывает массив данных.

Технология на базе массивов не является чем-то новым или уникальным, отметила Бурне, однако в Nanochip применяют ее несколько необычным образом: «Иглы, которые формируют основу ее технологии хранения, совсем не те, что применяются в атомно-силовых микроскопах».

В конце 90-х годов сотрудники лаборатории IBM Zurich Research Laboratory первыми продемонстрировали схожую технологию. В проекте Millipede («многоножка») использовались микроэлектро-механические системы (MicroElectro-Mechanical System, MEMS). Проект Millipede опирался на исследования в области нанотехнологий, в рамках которых отдельные атомы железа помещались с особой точностью на специальным образом подготовленную медную поверхность. Данное исследование в свое время даже принесло Нобелевскую премию по физике двум ученым из корпорации IBM. В устройстве Millipede с помощью микроскопической иглы делается выемка на полимерном материале. Каждая такая выемка соответствует одному биту; именно из таких действий и состоит операция записи. Эти углубления затем могут быть удалены с поверхности материала; это соответствует операции удаления.

За счет использования целого набора игл система хранения на базе массивов поддерживает высокую скорость передачи данных, причем каждая игла может независимо писать, читать и удалять данные в своем собственном поле хранения. Если Millipede делает выемки на пластике, то в Nanochip, по словам Найта, нашли лучший материал для процесса чтения и записи (он отказался назвать этот материал). Полтора года назад, как сообщил Найт, компания создала новый тип носителя, который выдерживает неограниченное число операций записи: «Этот носитель абсолютно не изнашивается». Аналитик компании In-Stat Стив Куллен уверен, что Nanochip лицензирует материал на базе халькогенидного стекла, созданного в Ovonyx. Лей, который работает и в Ovonyx, отказался дать комментарий по поводу того, какой материал применяет Nanochip, отметив, что работы по материалам с изменением фазового состояния, выполненные в Ovonyx, связаны с сокращением нормы проектирования в современных полупроводниковых технологиях.

«Потенциальное препятствие на пути совершенствования технологии Nanochip, - подчеркнул он, - состоит в том, что иглы, имеющие радиус действия менее 25 нм, могут очень быстро изнашиваться».

Покрытие игл станет особенно важным, если запоминающие устройства, построенные по принципу массива, будут использоваться в системах хранения данных в серверах. Лей согласен с ним. Он тоже считает, что иглы - это серьезная проблема, поскольку они находятся в механическом контакте с поверхностью материала. Найт, отказавшийся уточнить, как именно Nanochip разрешила проблему с покрытием игл, настаивает, что его компания добилась прорыва в своих исследованиях в ее решении.

Куллен из In-Stat утверждает, что новая технология найдет свое применение как альтернатива жестким дискам в мобильных компьютерах. «Думать о емкости в 100 Гбайт меня заставляет мысль о том, что в этом случае мы получаем прекрасное решение, которым можно заменить жесткий диск в ноутбуке, - заметил он. - Нужно приблизиться по цене к дискам, а затем предложить и другие преимущества. Так, новое решение обеспечивает меньшее энергопотребление. Оно может быть более надежным».

В Nanochip уверены и в том, что смогут выпустить продукт в том же форм-факторе, что и существующие диски. «Мы сделаем интерфейс, который позволит поддерживать ‘горячее подключение’, - добавил Найт.  - Это новая технология, но мы хотим, чтобы она хорошо подходила для тех систем, в которых будет применяться». Нерешенным для Nanochip остается серьезный вопрос - удастся ли компании создать работающие прототипы с теми преимуществами в цене, которые, как предполагается, сможет обеспечить технология на базе массивов, по сравнению с традиционными видами памяти. Тот факт, что в IBM, по-видимому, отказались от исследований в рамках проекта Millipede, не смущает Бурне. Фактически, как отметила она, несколько человек из числа исследователей IBM в настоящее время консультируют Nanochip. По словам Найта, 50 инженеров и ученых работают над прототипами в разных странах либо как сотрудники Nanochip, либо в организациях, с которыми его компания сотрудничает.

Между тем, в IBM продолжают участвовать в еще одном совместном исследовательском проекте ProTeM, цель которого - создание «терабитной» системы хранения на базе зондов (probe-based memory).

По словам Эванжелоса Элефтериоу, менеджера группы технологий хранения IBM Labs, корпорация создала прототип, имеющий плотность хранения 1 терабайт на квадратный дюйм. Результаты исследования будут опубликованы в статье, запланированной к публикации в IBM Journal of Research and Development. Однако группа не планирует создавать никаких коммерческих продуктов, а оставит это другим компаниям, которые захотят лицензировать результаты этого исследования.

Трудности с внедрением любого нового вида памяти, как заметил Элефтериоу, состоят в том, что флэш-память пока еще имеет неплохие перспективы развития: «К 2010 году появятся модули стоимостью 1 долл. за гигабайт, поэтому будем надеяться, что удельная стоимость памяти на базе зондов будет ниже».

Сейчас, по его словам, интерес к технологии на базе зондов в IBM переместился на другие темы, в том числе касающиеся архивного хранения и литографии без использования масок, то есть на методики, которые предполагают точное размещение на поверхности носителя отдельных молекул.

«Цель нашего исследования - найти средство увеличить скорость функционирования зондов и способ, каким мы изменяем поверхность - то, насколько быстро мы можем делать такого рода вещи… Многие решения взаимосвязаны, от управления позиционированием, до материалов и микроинструментария, микропроизодства, поэтому все вместе это крайне интересно».

Заключение.

Описанные выше технологии все же уже пройденный этап (хотя и открывающий большие дороги развития), и взоры ученых обращены к новым горизонтам. Уже сегодня имеются проекты по конструированию устройств, состоящих всего из одной молекулы. Речь идет о переключателях, шарикоподшипниках, приводах и даже целых двигателях для нанокронштейнов. Некоторые разработки ведутся в области самовоспроизводимых механизмов на базе человеческой молекулы ДНК.

Разумеется, до тех пор пока технология Millipede воплощена в виде отдельно взятой лабораторной установки, оценивать ее рыночные перспективы очень сложно. Единственное, что можно сказать с полной уверенностью, так это то, что на горизонте появилась весьма интересная альтернатива доминирующей сегодня в сфере портативных цифровых устройств флэш-памяти. Millipede позволяет обеспечить в несколько раз большую емкость при тех же размерах и уровне энергопотребления. Резервы для повышения быстродействия (по крайне мере, по заявлениям разработчиков) также весьма впечатляющие. Так что скорее всего принципиальную роль в соперничестве этих двух технологий будут играть те параметры, которые пока еще не определены, а именно: уровень надежности и стоимость Millipede-устройств. Рискнем предположить, что, даже обладая более низкой надежностью в сочетании с существенно меньшей стоимостью, Millipede-устройства будут вполне способны серьезно потеснить модули флэш-памяти на рынке носителей для портативных цифровых устройств.

Однако стоит вспомнить довольно свежий пример с микровинчестерами Microdrive (кстати, тоже разработанными IBM): несмотря на то что эти устройства на момент своего появления имели значительно более высокую емкость и меньшую удельную стоимость хранимых данных по сравнению с модулями флэш-памяти соответствующего формфактора, существенного изменения структуры рынка все-таки не произошло. А за то время, пока носители IBM Microdrive осваивали свою рыночную нишу, в продаже появились модули CompactFlash сопоставимой емкости, да и цены на флэш-память в целом заметно снизились. В общем, ситуация в столь динамично развивающемся сегменте рынка может измениться очень быстро и предугадать будущее в данном случае практически невозможно. Так что подождем дальнейшего развития событий и появления первых коммерческих продуктов на базе Millipede.

Список литературы.

1. compulenta.ru

2. www.fcenter.ru

3. IDG News Service

4. Еженедельник «Компьютерное обозрение».

5. www.astera.ru

6. www.osp.ru

7. iXBT.com

8. www.research.ibm.com