Устройства хранения данных: технологии будущего
Неуклонное увеличение объема данных, обрушивающихся на пользователей компьютерных систем, заставляет исследователей находить новые резервы в уже существующих технологиях и заниматься поиском альтернативных решений. Одним из перспективных направлений в этой области является освоение нанотехнологий.
ожалуй,
наиболее острой проблемой, с которой сталкиваются разработчики устройств хранения
данных, становится необходимость увеличения удельной емкости накопителей. А
это, в свою очередь, требует уменьшения размеров «ячеек», в которых хранятся
отдельные структурные единицы информации.
Если говорить об используемых ныне технологических решениях, то сегодня в тройку наиболее популярных накопителей входят жесткие магнитные диски, оптические диски и носители на базе флэш-памяти. Каждая из этих технологий пока еще имеет резервы для дальнейшего развития, однако рано или поздно наступит момент, когда все потенциальные возможности будут исчерпаны. И тогда на сцену выйдут принципиально иные решения, прототипы которых пока еще не покинули стен исследовательских лабораторий.
Millipede — «многоножка» IBM
11 июня 2002 года сотрудники расположенного в Цюрихе исследовательского центра компании IBM продемонстрировали работоспособный прототип устройства хранения данных, обеспечивающего плотность записи в один триллион (1012) бит на квадратный дюйм, что на порядок превосходит наилучшие показатели технологий, использующих магнитную запись. Для наглядности можно сказать, что разработанная учеными IBM технология позволяет сохранить 25 млн. страниц текста на носителе размером с почтовую марку. Столь выдающиеся результаты стали возможными благодаря исследованиям, проведенным специалистами IBM в рамках проекта под кодовым названием Millipede.
В накопителе Millipede используется принцип механической записи: микроскопические иглы продавливают углубления на поверхности тонкой пластиковой пленки, при этом каждое из таких углублений соответствует одному биту записываемой информации. Не правда ли, это очень напоминает один из старейших цифровых носителей — перфокарту? Правда, эта «перфокарта» не совсем обычная: во-первых, в Millipede предусмотрена возможность многократной перезаписи, а во-вторых, на площади, эквивалентной одному отверстию классической перфокарты (которое соответствует одному биту), носитель Millipede позволяет уместить более 3 млрд. (3×109) бит информации.
Ядром Millipede является двумерный массив микроприводов, представляющих собой v-образные силиконовые рычаги длиной 70 мкм и толщиной всего 0,5 мкм. На конце подвеса каждого микропривода имеется обращенная вниз игла длиной чуть менее 2 мкм. 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 мкм; точное перемещение носителя информации в двух направлениях осуществляет прецизионный электромагнитный привод. Благодаря малому ходу носителя энергопотребление системы невелико.
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 одному биту, производится путем нагревания встроенного в микропривод резистора до 400 °С. 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. При перезаписи данных игла совершает несколько движений с небольшим смещением относительно центра ранее сделанного углубления — как бы разравнивая поверхность полимерного материала.
Удельная плотность записи экспериментальной установки, оснащенной массивом из 1024 игл, составляет 200 Гбит/кв. дюйм, что позволяет сохранить до 0,5 Гбайт на носителе размером 3×3 мм. Один из руководителей проекта Millipede заявил, что в будущем возможно тысячекратное увеличение плотности записи по сравнению с достигнутыми на экспериментальной установке результатами.
Что касается еще одной важной характеристики накопителя — скорости чтения/записи, то у Millipede она ограничена быстродействием игл. «Производительность» одной иглы составляет несколько килобит в секунду, а предельная скорость работы продемонстрированной экспериментальной установки составляет несколько мегабит в секунду. Значительно повысить быстродействие позволит использование более совершенных электронных схем: в ходе экспериментов были достигнуты значительно более высокие показатели — свыше 1 Мбит/с для одной иглы.
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.
 |
|
NanoMem — память в рулоне
ще
более привлекательными характеристиками обладает носитель NanoMem,
о создании которого 24 июня прошлого года официально объявила Rolltronics Corporation.
NanoMem — это энергонезависимая молекулярная память, изготавливаемая в виде
очень тонкой пленки.
Предваряя описание нового носителя, нужно сказать несколько слов о самой корпорации Rolltronics. Так, одним из основных ее достижений является разработка «рулонного» технологического процесса для производства различных электронных компонентов, позволившего существенно снизить затраты на их производство, а сами изделия сделать более тонкими, легкими и гибкими. В настоящее время Rolltronics и ее партнеры производят тонкопленочные элементы питания, транзисторы, сенсоры, рентгеновские пластины, компоненты OLED-дисплеев и т.п.
Доступная в настоящий момент информация о начинке NanoMem весьма скупа: по-видимому, разработчики опасаются за сохранность своего ноу-хау. Известно лишь, что для хранения информации в носителе NanoMem используется слой полимерного вещества и что процедуры записи и чтения осуществляются низковольтными оптоэлектронными сенсорами (помимо электродов и тонкопленочных транзисторов в структуре носителя NanoMem присутствует тонкий слой светоизлучающего вещества). При записи под действием передаваемого заряда меняется только ориентация молекул-«цилиндров» в пространстве; химический состав полимера при этом не изменяется.
В процессе производства слои носителя NanoMem наносятся на гибкую пластиковую подложку или на металлическую фольгу по фирменной технологии Rolltronics. Использование технологических достижений Rolltronics позволило сократить затраты на производство как минимум в пять раз по сравнению с традиционным процессом.
Если проводить сравнение параметров NanoMem с современными носителями на базе флэш-памяти, то новый молекулярный носитель как минимум на порядок превосходит флэш-память по удельной емкости и при этом обладает значительно меньшей себестоимостью.
Rolltronics уже представила первые прототипы устройств хранения данных, базирующиеся на молекулярной памяти, которые обладают весьма впечатляющими характеристиками. Это модуль PC Card емкостью 64 Гбайт и внешний USB-модуль емкостью 5 Тбайт, имеющий размеры стандартного 3,5-дюймового жесткого диска (2,5×10×15 см).
«Вообразите, сколько информации можно уместить в одном носителе формата PC Card стоимостью всего несколько сот долларов. Это и есть наша цель — носители высокой емкости по доступной цене. Мы затратили на исследования несколько лет, но разработанная нашими специалистами молекулярная технология сделала это возможным», — так прокомментировал демонстрацию прототипов председатель совета директоров компании Rolltronics. (В связи с этим будет уместно привести современные цены на миниатюрные цифровые носители: например, гигабайтная карта CompactFlash Type I сейчас стоит порядка 450 долл., микровинчестер IBM Microdrive такой же емкости — около 250 долл., а недавно анонсированная Sony гигабайтная карта Memory Stick — почти 900 долл. Как говорится, комментарии излишни.)
Если говорить о надежности NanoMem, то в ходе тестирования, проведенного доктором Аленом Бардом (Allen Bard) из Техасского университета, были подтверждены следующие данные: абсолютная сохранность данных после отсутствия питания в течение 7 тыс. ч (то есть почти 10 месяцев), а также полное отсутствие ошибок после 1,5 млрд. циклов чтения-записи.
Ожидается, что первые серийные изделия на базе NanoMem появятся в продаже уже в 2004 году.
При подготовке статьи были использованы материалы Web-сайтов IBM Research (http://www.research.ibm.com/) и Rolltronics Corporation (http://www.rolltronics.com/).
