【IT168 资讯】在IBM（NYSE: IBM）科学家小组的研发下，兼具闪存的高性能、可靠性以及硬盘的低成本、高容量特性的计算机内存已经指日可待。

    今年4月11日出版的《科学》杂志发表了两篇论文，文中介绍了由IBM院士Stuart Parkin先生及IBM Almaden研究中心（位于圣何塞市）同事共同研发的一种名为“赛道”内存的技术基础原理以及该技术发展过程中的一项极具里程碑意义的成果。该成果可使得电子设备在同样的空间内存储远多于今天的数据，同时拥有闪电般的启动速度、低得多的成本以及前所未有的稳定性和耐久性。未来的十年内，赛道内存（因数据延线“道”运动而命名）可使得固态电子设备——由于没有运动部件因此更加耐用，能够在同样的空间内容纳远多于如今的数据。例如，这项技术可使得MP3播放器这样的手持设备存储大约50万首歌曲或3500部电影——容量是当今的100倍，而成本和能耗却低得多。这些设备不仅能够在同样的空间内存储更多的信息，而且其所需的电量及产生的热量也要少得多，同时几乎不会损坏。其结果是，海量的个人存储内容仅使用一块电池便可运行几个星期，而且这些内容几十年也不用担心损坏。

    Parkin博士表示：“这是一段令人兴奋的经历，近20年前，我们因研究自旋阀（spin-valve）结构开始切入对于金属自旋电子的初始研究，并持续至今日。非常有趣的物理学与自旋电子材料工程学的結合，一次一个原子层，始终充满挑战却又令我们获益良多。例如，赛道内存意味着您可在口袋中携带海量的信息，由此一来，人们的想象力可以得到充分释放，从而开发出难以置信的设备及应用。”

    IBM对于开拓因探测性研究而产生的全新市场十分熟悉。IBM研究部发明过诸多颠覆业界规则的技术，包括内存芯片、硬盘驱动器和关系数据库等。

    目前存储数字信息的方式主要有两种——固态随机闪存存储器（常用于手机、音乐播放器和数字相机之类的设备）和磁性硬盘驱动器（常用于台式和笔记本计算机及一些手持设备）。虽然这两种类型的存储设备均发展迅猛，但在硬盘驱动器上存储一个数据位的成本仍比闪存便宜约100倍。另一方面，尽管硬盘驱动器的低成本极具吸引力，但由于此类设备固有的低速度，以及采用运动部件，因此存在着机械可靠性问题，而闪存技术还未发现这类问题。

    然而，闪存同样也存在缺陷——虽然读取数据速度很快，但写入数据速度慢，并且寿命有限。闪存只可重复使用几千次，因为每次使用或“重写”的轻微损坏都会导致其最终毁坏。

    由于赛道内存没有运动部件，并且不是存储全部的电子电荷，而是利用电子的“旋转”来存储数据，因此并没有可能产生磨损的器件，所以可以无数次地重写而不会耗损。

近观赛道内存

    在将近15年的时间里，科学家们一直探索在磁畴壁（magnetic domain wall）内存储信息的可能性，磁畴壁是磁性材料内不同磁域（或“畴”）之间的界面。目前，控制磁畴壁十分复杂且花费不菲，并且需要耗费大量的能量来产生实现这一切所需的电场。在这篇记述了里程碑成果，题为“电流控制的磁畴壁纳米线移位寄存器（Current-Controlled Magnetic Domain-Wall Nanowire Shift Register）”的论文中，Parkin博士及其团队描述了如何克服这一久已存在的难题，利用自旋极化电流与磁畴壁中磁化作用之间的交互作用；在磁畴壁中产生一种自旋转移矩（spin transfer torque），从而令其移动。使用自旋动量转移大大简化了内存设备，因为电流可以直接通过畴壁传输电流而无需任何额外的电场发生器（field generator）。

    在这篇描述了赛道基本原理，题为“磁畴壁赛道内存”（Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory）的综述论文中，Parkin博士及其同事描述了如何利用磁畴在磁性材料柱（“赛道”）上来存储信息，这些赛道垂直或水平排列在硅圆表面。磁畴壁随后在柱体的内部形成，描绘出沿赛道反方向（如：上或下）被磁化的区域。每个畴都拥有一个“头”（正或北极）和一个“尾”（负或南极）。赛道上连续的磁畴壁在“头对头”和“尾对尾”之间交替配置。磁畴壁之间的间距（即位长）由沿赛道配置的钉扎点（pinning site）进行控制。

    科学家在论文中描述了使用水平镍铁导磁合金（permalloy）纳米线来实现磁畴壁的连续创建、移动和侦测，为此他们使用了纳秒时长可控的自旋极化电流脉冲。磁畴壁的写入和转移周期只有数十纳秒。这些结果展现了磁移位寄存器的基本理念，利用自旋动量转移现象来移动一系列紧密相连的磁畴壁，在移动磁畴壁中存储信息已拥有数十年的历史，而此次的创新无疑是对该技术的全新利用。

    研究人员希望最终演化成三维赛道，构建出新颖的三维赛道内存设备，这种设备转型自传统的硅元素微电子设备和硬盘驱动器中常见的二维晶体管及磁数据位阵列。实现三维构建的赛道内存将不遵从于摩尔定律，并将为开发成本更低、速度更快的设备提供新的可能性。

快行道上的赛道内存

    Parkin博士在赛道内存领域取得的突破基于他先前在内存技术方面所取得的成就，包括自旋阀、磁隧道结（MTJ，Magnetic Tunnel Junction）以及在磁性RAM（MRAM）领域取得的突破。

    赛道内存体现了金属自旋电子学领域的最新进展。读取数据的自旋阀头可将过去十年中所使用的硬盘驱动器的存储容量提高一千倍；MTJ因拥有更高的电场强度而正在逐渐取代自旋阀。另外，MTJ还是现代MRAM的基础，这项技术使用一个电极的磁矩来存储一个数据位。而MRAM使用一个单独的MTJ元件来存储和读取一个数据位，硬盘驱动器使用一个自旋阀或MTJ传感元件来读取一个现代驱动器中约100GB的数据，而赛道内存则是使用一个传感设备来读取10到100个数据位。

    深入理解自旋极化电流与磁矩之间的交互作用十分必要。Parkin博士表示：“举例来说，这可能会降低控制或移动畴壁所需的电流密度。这将会进一步减少赛道内存所需的电力，并支持能耗更低的设备。我们希望通过探索多种材料和结构，为电流驱动磁畴壁动力学提供全新洞察，并制造出我们从前难以想象的基于磁畴壁的内存甚至逻辑设备。这不仅会改变我们考虑存储的方法，而且会改变我们对于信息处理的方法。我们正在步入一个更加以数据而非计算为中心的世界。”