Millipede — перфокарты XXI века

Millipede: взгляд изнутри

Портрет Millipede в цифрах

Перспективы внедрения

 

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.

Millipede: взгляд изнутри

В качестве вступления стоит напомнить пару прописных истин. 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.

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.

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.

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.

В начало В начало

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.

В начало В начало

Перспективы внедрения

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.

 

При подготовке статьи были использованы материалы Web-сайта IBM Research (http://www.research.ibm.com/).

КомпьютерПресс 8'2002