Jste zde

Nová technologie pro ukládání dat – kapacita harddisku, rychlost RAM

Antonín Vojáček, 20. Říjen 2011 - 0:00

Zvyšování kapacity současného provedení harddisků není možné donekonečna a navíc se již stávají svým pomalým přístupem k datům hlavní brzdou moderních počítačů. Na obzoru jsou však již kompletně nové technologie. Jedna z těch, která je asi aktuálně nejblíže komerční produkci, se jmenuje "Racetrack".

Se stále rostoucím objemem digitálních dat, které jako lidstvo generujeme a posléze je potřebujeme nikam uložit či archivovat, roste logicky i kapacita nosičů dat. Kapacita harddisků v provedení, jak je známe dnes, tedy mechanicko-elektronická konstrukce s rotující kotouči s magnetickým záznamem, již začíná být za zenitem svých možností. U moderních počítačů jsou již svojí nízkou přístupovou rychlostí brzdou zpracování dat a svojí subtilní konstrukcí velmi náchylné na zničení. Tím se vůbec nehodí pro průmyslové i náročné mobilní aplikace.

Ekvivalentní komerční náhrada však zatím není v prodeji, protože SSD disky jsou sice rychlé a spolehlivé, ale velmi drahé a kapacitně jen vzdáleně dosahují hodnot harddisků. Flash paměti se sice vyznačují rychlou dobou přístupu, ale se rychlostí čtení a hlavně zápisu, je to již výrazně horší.

Co nahradí dnešní harddisky?

Velmi nadějná je nová technologie s označením RM a z nich vyrobené RM paměti či RM disky, které prý jsou již "před branami" zahájení komerční výroby. Měli by být kapacitně minimálně srovnatelné s dnešními harddisky, přičemž rychlost přístupu, čtení i zápisu mnohonásobně vyšší. Navíc budou plně elektronické konstrukce bez jakýchkoliv pohyblivých částí. Pod zkratkou RM se totiž skrývá technologie s názvem „RaceTrack“ vyvíjená hlavně v laboratořích IBM, která představuje doslova revoluci v magnetickém velkoobjemovém záznamu dat. Ano, magnetického záznamu. Jak uvidíte níže, čtecí a zápisový hlava totiž zůstává prakticky stejná jako u dnešních harddisků, ale zde jsou již pevně zafixovány na místě. Obecně principielně se tedy ani příliš nemění způsob magnetického čtení a zaznamenávání bitů. Hlavní rozdíl je ve způsob pohybu (přísunu) dat či paměťových míst k čtecí, resp. záznamové hlavě. A to právě naznačuje samotný název technologie – RaceTrack.

Princip technologie RaceTrack

Magnetický záznam je u dnešních harddisků v podobě zaznamenávání stavu jednotlivých bitů dat (stav 0 či stav 1) za sebou do magneticky citlivých drah, realizováné v podobě soustředných kružnic na tzv. plotnách magnetických harddisků, prostřednictvím záznamové hlavy. Aby bylo zmagnetováno potřebné místečko na magnetickém disku, je potřebné nad něj najet záznamovou hlavou, což se provádí vhodným natočením disku a vysunutím/zasunutím ramínka z čtecí/záznamovou hlavou. A právě tato operace mechanického pohybu dvou komponent je nejpomalejší a nejkritičtější operaci harddisků.

Naproti tomu u technologie RaceTrack je čtecí i záznamová hlava pevně na jednom místě. A pohybuje se pouze samotný magnetický záznam. Když říkám, samotný magnetický záznam, tak tím míní, že se zde mechanicky nepohybuje a pohybuje se přímo samotné magnetické pole na stojící magnetické cestě. Ta je zde realizována v podobě nanovodičů (nanowires) z magneticky citlivého materiálu (typu Permalloy či SrRuO3) délky až do 1 mm a šířky cca 30 až 50 nm.

Zápisová magnetická hlava pak zmagnetovává jednotlivá místečka na nanovodiči, které pak následně při potřebě vyvolání záznamu přečte čtecí hlava, např. provedená jako CPP-GMR či TMR senzor (viz články GMR senzory mag. pole - 3. díl – čtecí hlavy harddisků a TMR – 4.díl – čtecí hlavy harddisků). A teď to nejzajímavější: Jakým způsobem se pohybuje z magnetickým záznamem na nanovodiči?

Využívá se zde tzv. spinové elektroniky, na které jsou již založeny zmíněné GMR a TMR senzory magnetického pole. Využívá se zde tzv. spinu elektronů, které tvoří elektrický proud. Pod slovem „spin“ si lze představit směr momentu rotace elektronu, který je mimo jiné závislý právě na magnetickém poli. V nemagnetickém kovu, například mědi, je elektrický proud tvořen proudem elektronů, jejichž spin má náhodný směr. Ve feromagnetickém kovu však proudí pouze elektrony se spinem směru shodného se směrem magnetického pole (směru natočení magnetických dipólů ve zmagnetovaného kovu). Pokud těmto elektronům dáte jako překážkou feromagnetikum umístěné v opačném mag. poli než kov předchozí, elektrony se spinem opačným než by bylo zde potřeba jím již jen obtížně procházejí. Toho se využívá právě u GMR technologie - viz článek GMR senzory mag. pole - 1. díl - princip a struktura.

Proudící elektrony do zmagnetovaného nanovodiče se snaží otáče svůj spin, čímž zároveň obrací i polaritu magnetizace nanovodiče.

Něco jiného se však stane, pokud pustíme elektrony do feromagnetického nanovodiče, jehož jednotlivé části jsou ve směru délky různě (opačně) slabě zmagnetovány, a však již na ně přímo externí magnetické pole nepůsobí (nejsou vloženy do mag. pole). Tyto oblasti se zde nazývají domény. Na začátku takového vodiče se spin elektronů el. proudu natočí (polarizují) ve směru zmagnetování této vstupní částí vodiče (vstupní domény), např. do směru „nahoru“ (spin-up). Například je tímto znamenán bit ve stavu log. 0. Následně se dostanou do oblasti, kdy dochází ke skokové změně magnetizace do opačného směru, tedy na hranici další domény, kde je tímto zaznamenán bit opačného stavu, tedy log. 1. „Putující elektrony“ se na této hranici dvou domén, snaží přetočit svůj spin na „dolů“ (spin-down) také do opačného směru a tím kopírovat změnu stavu magnetizace, protože spin je s magnetismem elektronu pevně spjatý. Jenže protože spin je moment otáčení elektronu na něhož platí také zákony zachování hybnosti / energie v uzavřené soustavě, musí být tato změna kompenzována jinou změnou. Ta se získá otočením magnetizace domény přesně na opačnou než předtím. Ve výsledku tak každým přechodem elektronů přes hranici domény si vzájemně s nanovodičem „vymění natočení“ – otočí se spin elektronů a otočí se magnetizace domény přesně do opačného směru než předtím. Například sled kombinace zaznamenaných bitů 010010 se jedním nanosekundovým proudovým pulsem v kladné směru změní na 001001, či proudovým pulsem v opačném směru na 100100.

V případě technologie Racetrack se posun bitů na záznamovém médiu (feromagnetickém nanovodiči) k čtecí zápisové hlavě provádí přivedením kladných či záporných nanosekundových proudových pulsů.

Ve výsledku se to z vnějšího pohledu jeví jako posouvání magnetického záznamu po délce nanovodiče ve směru toku el. proudu, tedy buď zleva-doprava nebo zprava-doleva. Jde tedy i formu velmi dlouhého magnetického posuvného registru. Pokud například uprostřed délky nanovodiče nachází okolo něho pevně umístěná čtecí a zápisová hlava, tak vysíláním pulsů el. proudu jedné či druhé polarity způsobujeme před nimi posun jednotlivých domén (tj. políček zaznamenaných bitů), podobně jako to děláme natočením magnetického disku u harddisku.

Příklad provedení jednoho "závitu" RM paměti.

Na rozdíl od magnetické stopy na disku, která má nutně limitovanou délku danou průměrem kotouče, zde může být nanovodič skoro libovolné délky. Lze jej například složit nekřemíkové podložce hustě do meandru a pak jen záleží na ploše, kterou chceme na paměť/disk „obětovat“. Ta spolu s velikostí jednotlivých záznamových plošek (domén) určuje kapacitu. Též lze kapacitu libovolně zvětšovat přidáváním dalších stejných nanostruktur paralelně vedle sebe či nad sebe, přičemž každý "had" má vlastní čtecí a záznamovou hlavu, takže lze nakonec využívat i režimu paralelního přístupu a tím dále zvýšit rychlost přístupu k datům. To, že zde musíme vytvořit i více čtecích / záznamových hlav není až takový problém, protože jsou to "jen" čistě na křemíku implementované struktury, které se již dnes běžně vyrábějí.

Navíc vzhledem k faktu, že nanovodič z materiálu permalloy či SrRuO3 lze již dnes vyrábět o šířce jen 50 nm a že meander nemusí být nutně je plošně uspořádaný (tedy ve 2D konfiguraci), ale může být i prostorově uspořádaný (tedy ve 3D konfiguraci), lze již teď spočítat, že bude minimálně možné dosáhnout kapacity dnešních harddisků ( tedy řádu jednotek TB). Proti nim by však díky výše nastíněnému pohybu domén rychlostí v řádu až stovek nm/ns (tedy stovek m/s) umožňovali mnohonásobně rychleji číst a zaznamenávat data, protože rychlost rotace současných harddisku je jen v řádu desítek m/s, nehledě na časové ztráty rozjezdem a dojezdem krokového motoru, který v časovém měřítku nanosekund již také nejsou zanedbatelné. Stále je to prostě mechanická rotace se všemi zde negativními vlivy sil vznikajících při pohybu / rotaci hmotného tělesa.

Porovnání parametrů

Aktuální výzkumy a testy naznačují, že konstrukce paměti technologií RaceTrack, jak byla nastíněna výše, by měla umožňovat přístup k uloženým datům v čase 1 až 10 ns. To je nesrovnatelně rychleji nejen než u dnešních harddisků (doba přístupu k paměťovému místu v řádu jednotek ms = 1 000 000 ns), ale i také rychleji než například u Flash pamětí (cca 100 ns). Srovnatelné jsou již jen křemíkové DRAM paměti (hlavní paměti počítačů) též s přístupem v řádu jednotek až desítek ns. U nich však jde o kapacitu v řádu GB, a navíc bez napájecího napětí se jejich obsah vymaže.

Problém u Flash pamětí je totiž nejen velmi nízká kapacita, ale také velmi pomalá rychlost zápisu v řádu max. 100 Mbit/s v porovnání s RM paměťmi (až 1000 Mbit/s). I současná nejrychlejší trvalá úložná zařízení, SSD disky, vykazují hodnoty max. 300 Mbit/s.

Harddisky mají sice samotnou čtecí a zápisovou rychlost jednotlivých bitů podobnou jako by měli RM, ale to samozřejmě platí jen v případě, že jeho plotny jsou již připraveny natočeny pod záznamovou hlavou. Je to logické, využívá se zde principielně stejný princip záznamu. Prakticky je však harddisku tato vysoká rychlost čtení / zápisu k ničemu, když vykazuje velmi dlouhou dobu přístupu k paměťovým místům.

Samozřejmě nejrychlejší jsou DRAM paměti (až 1Gbit/s), což je však vzhledem k principu zápisu a čtení dat logické (magnetický záznam vs. ukládání náboje), ale z pohledu dlouhodobého beznapěťového uložení velkého množství dat je to nepoužitelné.

Závěr

RM paměti či RM disky, záleží, jak to komerční výrobci v budoucnu nakonec nazvou, mohou být hlavním nástupcem současných harddisků, protože budou kapacitně a prý i finančně s nimi plně srovnatelné. Navíc svými ostatními výkonovými parametry by výrazně zvýšily rychlost práce PC systémů, podobně, jako když do svého PC místo klasického harddisku nainstalujete SSD disk.

Článek vytvořil z podkladů výrobců: Antonín Vojáček