Магнитная память компьютера: Магнитная память

Содержание

Магнитная память

Компьютеры Магнитная память

просмотров — 623

Оперативная память

Процессор

Аппаратура

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЧАСТИ ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА ЭВМ БЫЛИ ПРЕДЛОЖЕНЫ ДЖОНОМ ФОН НЕЙМАНОМ — выдающимся американским математиком венгерского происхождения в 1945 году. В соответствии с ними в любой ЭВМ должны иметься четыре базовых функциональных части. Взаимодействие между ними можно упрощенно изобразить в виде схемы. Человек вводит данные в компьютер через устройства ввода-вывода, эти данные могут храниться в устройствах хранения информации и обрабатываться в устройствах обработки информации. Полученные результаты также могут запоминаться в устройствах хранения информации и выдаваться человеку с помощью устройств ввода-вывода. Управляющие устройства управляют всем этим процессом, что изображено на схеме одинарными стрелками.

Так, в общих чертах, работают все ЭВМ, начиная с простейших калькуляторов и кончая суперкомпьютерами.

Процессор, или ЦПУ (CPU) — это «мозг» компьютера, большая интегральная микросхема, полупроводниковый кристалл, или просто камень. Процессор выполняет арифметические операции с двоичными числами.

Гл а в н ы й параметр процессора — частота — является основной характеристикой быстродействия компьютера. Величина частоты примерно соответствует количеству арифметических операций, выполняемых в секунду. Частота процессоров измеряется в единицах частоты — герцах — и ее производных. Современные процессоры ПК имеют частоты 1-2 гигагерца (Гг).

Серия процессора также существенно влияет на мощность компьютера: при переходе на следующую серию увеличивается скорость обмена данными между процессором и оперативной памятью. Процессор ПК ИБМ вначале был серии 86, затем 286 — «Двойкой», 386 — «Тройкой» и 486 — «Четверкой». Потом пошла серия Пентиумов: просто Пентиум, Пентиум II («Двойка»), Пентиум III («Тройка») Пентиум IV («Четверка»)…

С процессором непосредственно, функционально (самый быстрый об мен) и конструктивно (находятся на одной плате), связана оперативная, или временная, память (random access memory, RAM). Это память произвольного доступа (см. ее английское название).

Объем памяти современного ПК 128 Мб, 256 Мб или 512 Мб.

В оперативной памяти компьютер хранит данные и программы, которые выполняет процессор. Эти программы и обрабатывают эти данные.

При этом информация, которую компьютер записывает во временную па мять, исчезает при его выключении.

Для постоянного хранения информации используется постоянная, или

магнитная, память компьютера, находящаяся в системном блоке в виде отдельного устройства. Это устройство принято называть жесткий диск, или винчестер (hard disk drive, HDD). Информация, записанная на магнитной поверхности винчестера, хранится и после выключения компьютера.

Объем памяти современного винчестера составляет 20-80 Гб.

Для переноса информации между компьютерами служит гибкий магнитный диск, или дискета͵ или флоппи,— разновидность постоянной магнитной памяти. Современные дискеты имеют объем 1,44 Мб и размер 3,5 дюйма. В системном блоке находится устройство для работы с дискетами — дисковод гибких дисков, или флоппи-драйв.

Магнитный процесс, который может привести к более энергоэффективной памяти в компьютерах | Блоги

Исследователи из Университета Содружества Вирджинии (VCU) и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сделали важный шаг вперед, который может привести к повышению энергоэффективности компонентов магнитной памяти для компьютеров и других устройств.

Магниты широко используются для памяти компьютера, потому что их полярность «вверх» или «вниз» — магнитное состояние — можно «перевернуть» для записи или кодирования данных и хранения информации. Магнитная память энергонезависима, поэтому информация может храниться на устройствах без обновления. Однако магнитная память также требует много энергии.

Магнитное состояние, называемое скирмионом, которое ориентировано не «вверх» и не «вниз», а в форме прецессирующего магнитного момента, предлагает решение. Управление состоянием скирмиона позволяет гораздо более эффективно и надежно хранить данные для обычных компьютеров и беспроводных интеллектуальных устройств.

«Наш вывод демонстрирует возможность управления состояниями скирмионов с помощью электрических полей, что в конечном итоге может привести к созданию более компактных, энергоэффективных наномагнитных устройств», — сказал д-р Дритиман Бхаттачарья (Dhritiman Bhattacharya), ведущий автор статьи «Creation and annihilation of non-volatile fixed magnetic skyrmions using voltage control of magnetic anisotropy» («Создание и уничтожение энергонезависимых фиксированных магнитных скирмионов с использованием контроля напряжения магнитной анизотропии»). Статья опубликована 29 июня в журнале Nature Electronics.

«Открытие, изложенное в статье, является ступенькой к окончательному развитию коммерчески жизнеспособной магнитной памяти на основе этой парадигмы», — отметил проф. Джаясимха Атуласимха (Jayasimha Atulasimha).

В 2016 и 2018 годах исследователи из VCU показали, что использование промежуточного состояния скирмиона для обеспечения точных магнитных переходов между состоянием «вверх» и «вниз» может уменьшить ошибки при записи информации в память, делая устройства более устойчивыми к дефектам материала и тепловым шумам. Они имеют патент на эту идею. Новый эксперимент с проверкой концепции, представленный в Nature Electronics, является первым шагом к созданию такого устройства.

Скирмионы на изготовленном устройстве, видимые с помощью магнитно-силового микроскопа

Вы можете подписаться на нашу страницу в LinkedIn!

2.4. Долговременная (внешняя) память компьютера

Долговременная (внешняя) память — это энергонезависимая память, предназначенная для длительного хранения информации.

Процессор не имеет прямого доступа к содержимому внешней памяти. Чтобы процессор мог обработать данные из долговременной памяти, они должны быть сначала загружены в оперативную память. В настоящее время к основным устройствам долговременной памяти относятся жесткие магнитные диски, накопители на оптических дисках, устройства флеш-памяти. Ранее для длительного хранения информации использовались также магнитные ленты, дискеты, магнито-оптические диски.

Основным устройством внешней памяти является жесткий магнитный диск (рисунок 1). Внутри жесткого диска находятся одна или несколько пластин, насаженных на общий шпиндель. Данные обычно записываются на обеих сторонах каждой пластины, хотя в некоторых жестких дисках производители наряду с двухсторонними пластинами могут использовать и односторонние. Запись и чтение информации осуществляются с помощью головок чтения/записи. Под пластинами располагается двигатель, который вращает их с достаточно большой скоростью. Скорость вращения пластин измеряется в оборотах в минуту (rpm). Первые жесткие диски имели скорость вращения 3600 rpm. В современных жестких дисках скорость вращения возросла до 7200, 10 000 и 15 000 оборотов в минуту.

Рисунок 1 — Жесткий диск

В процессе записи цифровая информация, хранящаяся в оперативной памяти, преобразуется в переменный электрический ток, который поступает на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Перед использованием жесткого диска необходимо выполнить операцию его форматирования.

Форматирование включает в себя три этапа.

1. Низкоуровневое форматирование диска. При этом процессе на жестком диске создаются физические структуры: дорожки, секторы, управляющая информация. Этот процесс выполняется заводом-изготовителем на пластинах, которые не содержат еще никакой информации.

2. Разбиение на разделы. Этот процесс разбивает жесткий диск на логические диски (С:, D: и т. д.). Эту функцию выполняет операционная система.

3. Высокоуровневое форматирование. Этот процесс также выполняется операционной системой и зависит от ее типа. При высокоуровневом форматировании создаются логические структуры, ответственные за правильное хранение файлов, а также, в некоторых случаях, системные загрузочные файлы в начале диска.

Жесткие диски изначально создавались в качестве внутренних устройств и не были предназначены для резервного копирования и переноса информации с одного компьютера на другой. Около 20 лет назад самым распространенным устройством, предназначенным для этих целей, были дискеты (гибкие магнитные диски). Однако их емкость по современным меркам была очень мала (1,44 Мбайт), поэтому на смену им пришли оптические диски CD (компакт-диски), позволяющие хранить достаточно большие объемы информации (650-800 Мбайт) и намного превосходящие дискеты по степени надежности. Для работы с компакт-дисками на компьютере необходимо наличие специального привода (оптического накопителя).

Обзор жесткого диска представлен на видео 1:

Обзор жесткого диска.MTS

Видео 1 — Обзор жесткого диска

Различают диски «только для чтения» (CD-ROM), изготавливаемые промышленным способом, для однократной записи (CD-R) и для многократной записи (CD-RW). Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих оптических накопителях. Все типы дисков имеют одинаковую структуру хранения информации. Данные с помощью луча красного лазера записываются на спиральную дорожку, идущую от центра диска к его периферии. Вдоль дорожки располагаются углубления, называемые питами (pit — «углубление»). На записываемых дисках питы имитируются темными пятнами специального регистрирующего слоя, получившимися в результате нагрева нужного участка лазером. Чередованием углублений и промежутков между ними и кодируется любая информация.

Диски DVD имеют более высокую плотность записи данных, чем CD-диски. Существуют диски, на которых запись информации производится в два слоя. В зависимости от указанных выше параметров DVD-диски могут иметь объем 4,7 Гб или 8,5 Гб. Все компакт-диски (и CD, и DVD) имеют одинаковую структуру хранения информации. Скорость чтения/записи оптических приводов измеряется в единицах, кратных базовой скорости (обозначается 16х, 24х, 48х и т. д.). Для приводов CD базовая скорость равна 150 Кб/с, для DVD — 1,385 Мб/с.

Blu-ray (Blu-ray Disc) является названием формата оптического диска следующего поколения. В Blu-Ray для записи и чтения данных вместо красного лазера, который используется в DVD и CD-ROM, применен синий лазер. У синего лазера длина волны значительно меньше длины волны красного лазера. Это позволяет сделать толщину дорожки данных тоньше, что приводит к значительному увеличению емкости носителя. Формат был разработан для обеспечения возможности записи, перезаписи и воспроизведения видео высокого разрешения (HD-video), а также для хранения больших объемов данных. Емкость нового формата — от 25 до 50 Гб.

По устройству флеш-память (flash-память) напоминает микросхему динамической энергозависимой памяти, в которой вместо конденсаторов в ячейках памяти установлены транзисторы. При подаче напряжения транзистор принимает одно из фиксированных положений — закрытое или открытое. Он остается в этом положении до тех пор, пока на него не будет подан новый электрический заряд, изменяющий его состояние. Таким образом, последовательность логических нулей и единиц формируется в этом типе памяти подобно статической памяти: закрытые для прохождения электрического тока ячейки распознаются как логические единицы, открытые — как логические нули.

USB flash drive (флеш-накопитель, рисунок 2) — устройство на основе флеш-памяти для хранения и переноса данных с одного компьютера на другой.

Рисунок 2 — Флеш-накопитель

Флеш-память заключена в корпус, напоминающий по внешнему виду брелок. Интерфейс подключения к компьютеру — USB. Емкость современных флеш-накопителей достигает 128-256Гб и продолжает расти быстрыми темпами.

магнитная память — это… Что такое магнитная память?

магнитная память: magnetic memory

магнитная очистка
магнитная перемычка

Смотреть что такое «магнитная память» в других словарях:

магнитная память металла — МПМ Последствие, которое проявляется в виде остаточной намагниченности металла изделий и сварных соединений, сформировавшейся в процессе их изготовления и охлаждения в слабом магнитном поле или в виде необратимого изменения намагниченности… … Справочник технического переводчика
магнитная память металла — 1 магнитная память металла; МПМ: Последствие, которое проявляется в виде остаточной намагниченности металла изделий и сварных соединений, сформировавшейся в процессе их изготовления и охлаждения в слабом магнитном поле или в виде необратимого… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Память (компьютер) — НЖМД объёмом 45 Мб 1980 х годов выпуска, и 2000 х годов выпуска Модуль оперативной памяти, вставленный в материнскую плату Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) часть вычислительной машины, физическое… … Википедия
Память (компьютерная) — НЖМД объёмом 45 Мб 1980 х годов выпуска, и 2000 х годов выпуска Модуль оперативной памяти, вставленный в материнскую плату Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) часть вычислительной машины, физическое… … Википедия
Память с произвольной выборкой — Варианты конструкции модулей RAM, используемые в качестве ОЗУ компьютеров. Сверху вниз: DIP, SIPP, SIMM 30 pin, SIMM 72 pin, DIMM, DDR DIMM Запоминающее устройство с произвольным доступом ЗУПД (или Запоминающее устройство произвольной выборки… … Википедия
Память с произвольным доступом — Варианты конструкции модулей RAM, используемые в качестве ОЗУ компьютеров. Сверху вниз: DIP, SIPP, SIMM 30 pin, SIMM 72 pin, DIMM, DDR DIMM Запоминающее устройство с произвольным доступом ЗУПД (или Запоминающее устройство произвольной выборки… … Википедия
память с последовательным доступом — Например, магнитная лента. [Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993] Тематики информационные технологии в целом EN sequential access storage … Справочник технического переводчика
Магнитная гора — У этого топонима есть и другие значения, см. Магнитная гора (значения). Координаты: … Википедия

Память ЭВМ — совокупность технических устройств и процессов, обеспечивающих запись, хранение и воспроизведение информации в ЭВМ. Память основная часть любой вычислительной системы или отдельной вычислительной машины, она реализуется аппаратурно в виде … Большая советская энциклопедия
Компьютерная память — НЖМД объёмом 44 Мб 1980 х годов выпуска и CompactFlash на 2 Гб 2000 х годов выпуска … Википедия
Магниторезистивная оперативная память — Типы компьютерной памяти Энергозависимая DRAM (в том числе DDR SDRAM) SRAM Перспективные T RAM Z RAM TTRAM Из истории Память на линиях задержки Запоминающая электронстатическая трубка Запоминающая ЭЛТ Энергонезависимая … Википедия

Компьютерная память — это… Что такое Компьютерная память?

Компью́терная па́мять (устройство хранения информации, запоминающее устройство) — часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определённого времени. Память, как и центральный процессор, является неизменной частью компьютера с 1940-х. Память в вычислительных устройствах имеет иерархическую структуру и обычно предполагает использование нескольких запоминающих устройств, имеющих различные характеристики.

В персональных компьютерах «памятью» часто называют один из её видов — динамическая память с произвольным доступом (DRAM), — которая в настоящее время используется в качестве ОЗУ персонального компьютера.

Задачей компьютерной памяти является хранение в своих ячейках состояния внешнего воздействия, запись информации. Эти ячейки могут фиксировать самые разнообразные физические воздействия (см. ниже). Они функционально аналогичны обычному электромеханическому переключателю и информация в них записывается в виде двух чётко различимых состояний — 0 и 1 («выключено»/«включено»). Специальные механизмы обеспечивают доступ (считывание, произвольное или последовательное) к состоянию этих ячеек.

Процесс доступа к памяти разбит на разделённые во времени процессы — операцию записи (сленг. прошивка, в случае записи ПЗУ) и операцию чтения, во многих случаях эти операции происходят под управлением отдельного специализированного устройства — контроллера памяти.

Также различают операцию стирания памяти — занесение (запись) в ячейки памяти одинаковых значений, обычно 00₁₆ или FF₁₆.

Наиболее известные запоминающие устройства, используемые в персональных компьютерах: модули оперативной памяти (ОЗУ), жёсткие диски (винчестеры), дискеты (гибкие магнитные диски), CD- или DVD-диски, а также устройства флеш-памяти.

Функции памяти

Компьютерная память обеспечивает поддержку одной из функций современного компьютера, — способность длительного хранения информации. Вместе с центральным процессором запоминающее устройство являются ключевыми звеньями так называемой архитектуры фон Неймана, — принципа, заложенного в основу большинства современных компьютеров общего назначения.

Первые компьютеры использовали запоминающие устройства исключительно для хранения обрабатываемых данных. Их программы реализовывались на аппаратном уровне в виде жёстко заданных выполняемых последовательностей. Любое перепрограммирование требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации, перестройки блоков и устройств и т. д. Использование архитектуры фон Неймана, предусматривающей хранение компьютерных программ и данных в общей памяти, коренным образом переменило ситуацию.

Любая информация может быть измерена в битах и потому, независимо от того, на каких физических принципах и в какой системе счисления функционирует цифровой компьютер (двоичной, троичной, десятичной и т. п.), числа, текстовая информация, изображения, звук, видео и другие виды данных можно представить последовательностями битовых строк или двоичными числами. Это позволяет компьютеру манипулировать данными при условии достаточной ёмкости системы хранения (например, для хранения текста романа среднего размера необходимо около одного мегабайта).

К настоящему времени создано множество устройств, предназначенных для хранения данных, основанных на использовании самых разных физических эффектов. Универсального решения не существует, у каждого имеются свои достоинства и свои недостатки, поэтому компьютерные системы обычно оснащаются несколькими видами систем хранения, основные свойства которых обуславливают их использование и назначение.

Физические основы функционирования

В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям. В современной компьютерной технике часто используются физические свойства полупроводников, когда прохождение тока через полупроводник или его отсутствие трактуются как наличие логических сигналов 0 или 1. Устойчивые состояния, определяемые направлением намагниченности, позволяют использовать для хранения данных разнообразные магнитные материалы. Наличие или отсутствие заряда в конденсаторе также может быть положено в основу системы хранения. Отражение или рассеяние света от поверхности CD, DVD или Blu-ray-диска также позволяет хранить информацию.

Классификация типов памяти

Следует различать классификацию памяти и классификацию запоминающих устройств (ЗУ). Первая классифицирует память по функциональности, вторая же — по технической реализации. Здесь рассматривается первая — таким образом, в неё попадают как аппаратные виды памяти (реализуемые на ЗУ), так и структуры данных, реализуемые в большинстве случаев программно.

Доступные операции с данными

Память только для чтения (read-only memory, ROM)
Память для чтения/записи

Память на программируемых и перепрограммируемых ПЗУ (ППЗУ и ПППЗУ) не имеет общепринятого места в этой классификации. Её относят либо к подвиду памяти «только для чтения»^[1], либо выделяют в отдельный вид.

Также предлагается относить память к тому или иному виду по характерной частоте её перезаписи на практике: к RAM относить виды, в которых информация часто меняется в процессе работы, а к ROM — предназначенные для хранения относительно неизменных данных.^[1]

Энергозависимость

Энергонезависимая память (англ. nonvolatile storage) — память, реализованная ЗУ, записи в которых не стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся все виды памяти на ПЗУ и ППЗУ;
Энергозависимая память (англ. volatile storage) — память, реализованная ЗУ, записи в которых стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся память, реализованная на ОЗУ, кэш-память.
- Статическая память (англ. static storage) — энергозависимая память, которой для хранения информации достаточно сохранения питающего напряжения;
- Динамическая память (англ. dynamic storage) — энергозависимая память, в которой информация со временем разрушается (деградирует), и, кроме подачи электропитания, необходимо производить её периодическое восстановление (регенерацию).

Метод доступа

Последовательный доступ (англ. sequential access memory, SAM) — ячейки памяти выбираются (считываются) последовательно, одна за другой, в очерёдности их расположения. Вариант такой памяти — стековая память.
Произвольный доступ (англ. random access memory, RAM) — вычислительное устройство может обратиться к произвольной ячейке памяти по любому адресу.

Назначение

Буферная память (англ. buffer storage) — память, предназначенная для временного хранения данных при обмене ими между различными устройствами или программами.
Временная (промежуточная) память (англ. temporary (intermediate) storage) — память для хранения промежуточных результатов обработки.
Кеш-память (англ. cache memory) — часть архитектуры устройства или программного обеспечения, осуществляющая хранение часто используемых данных для предоставления их в более быстрый доступ, нежели кешируемая память.
Корректирующая память (англ. patch memory) — часть памяти ЭВМ, предназначенная для хранения адресов неисправных ячеек основной памяти. Также используются термины relocation table и remap table.
Управляющая память (англ. control storage) — память, содержащая управляющие программы или микропрограммы. Обычно реализуется в виде ПЗУ.
Разделяемая память или память коллективного доступа (англ. shared memory, shared access memory) — память, доступная одновременно нескольким пользователям, процессам или процессорам.

И др.

Организация адресного пространства

Реальная или физическая память (англ. real (physical) memory) — память, способ адресации которой соответствует физическому расположению её данных;
Виртуальная память (англ. virtual memory) — память, способ адресации которой не отражает физического расположения её данных;
Оверлейная память (англ. overlayable storage) — память, в которой присутствует несколько областей с одинаковыми адресами, из которых в каждый момент доступна только одна.

Удалённость и доступность для процессора

Первичная память (сверхоперативная, СОЗУ) — доступна процессору без какого-либо обращения к внешним устройствам. Данная память отличается крайне малым временем доступа и тем, что неадресуема для программиста.
- регистры процессора (процессорная или регистровая память) — регистры, расположенные непосредственно в АЛУ;
- кэш процессора — кэш, используемый процессором для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Разделяется на несколько уровней, различающихся скоростью и объёмом (например, L1, L2, L3).
Вторичная память — доступна процессору путём прямой адресацией через шину адреса (адресуемая память). Таким образом доступна основная память (память, предназначенная для хранения текущих данных и выполняемых программ) и порты ввода-вывода (специальные адреса, через обращение к которым реализовано взаимодействие с прочей аппаратурой).
Третичная память — доступна только путём нетривиальной последовательности действий. Сюда входят все виды внешней памяти — доступной через устройства ввода-вывода. Взаимодействие с третичной памятью ведётся по определённым правилам (протоколам) и требует присутствия в памяти соответствующих программ. Программы, обеспечивающие минимально необходимое взаимодействие, помещаются в ПЗУ, входящее во вторичную память (у PC-совместимых ПК — это ПЗУ BIOS).

Положение структур данных, расположенных в основной памяти, в этой классификации неоднозначно. Как правило, их вообще в неё не включают, выполняя классификацию с привязкой к традиционно используемым видам ЗУ.^[2]

Управление процессором

Непосредственно управляемая (оперативно доступная) память (англ. on-line storage) — память, непосредственно доступная в данный момент времени центральному процессору.^{[источник не указан 1031 день]}
Автономная память — память, реализованная, например при помощи службы внешних носителей в Windows 2000, предусматривающей оперативное управление библиотеками носителей и устройствами с автоматической подачей дисков, облегчающей использование съёмных носителей типа магнитных лент и съёмных дисков, магнитных или оптических.^[3]

Организация хранения данных и алгоритмы доступа к ним

Повторяет классификацию структур данных:

Адресуемая память — адресация осуществляется по местоположению данных.
Ассоциативная память (англ. associative memory, content-addressable memory, CAM) — адресация осуществляется по содержанию данных, а не по их местоположению.
Магазинная (стековая) память (англ. pushdown storage) — реализация стека.
Матричная память (англ. matrix storage) — ячейки памяти расположены так, что доступ к ним осуществляется по двум или более координатам.
Объектная память (англ. object storage) — память, система управления которой ориентирована на хранение объектов. При этом каждый объект характеризуется типом и размером записи.
Семантическая память (англ. semantic storage) — данные размещаются и списываются в соответствии с некоторой структурой понятийных признаков.

И др.

Физические принципы

Эта классификация повторяет соответствующую классификацию ЗУ.

Вид	Среда, хранящая информацию	Принцип чтения/записи	Примеры
Полупроводниковая память (англ. semiconductor storage)	сформированные в полупроводнике элементы, имеющие 2 устойчивых состояния с различными электрическими параметрами	включение в электрическую цепь	SRAM, DRAM, EEPROM, Flash-память
Магнитная память (англ. magnetic storage)	Намагниченность участков ферромагнитного материала (доменов)	Магнитная запись	Магнитная лента, магнитный диск, магнитная карта
Оптическая память (англ. optical storage, laser storage)	последовательность участков (питов), отражающих или рассеивающих свет	чтение: отражение либо рассеяние лазерного луча от питов; запись: точечный нагрев, изменяющий свойства отражающего слоя	CD, DVD, Blu-ray, HD DVD
Магнитооптическая память (англ. magnetooptics storage)	показатель преломления участков информационного слоя	чтение: преломление и отражение луча лазера запись: точечный нагрев и электромагнитный импульс	CD-MO, Fujitsu DynaMO
Магниторезистивная память с произвольным доступом (англ. Spin Torque Transfer Random Access Memory, STT-RAM)	магнитные домены	В STT-RAM электрическое поле воздействует на микромагниты, заставляя их менять направление магнитного поля (спин). В свою очередь направление магнитного поля (справа — налево или сверху — вниз) вызывает изменение в сопротивлении (логические 0 и 1).	MRAM
Память с изменением фазового состояния (англ. phase change memory, PCM)	молекулы халькогенида (chalcogenide)	использует изменение фазового состояния халькогенида — вещества, способного под воздействием нагрева и электрических полей переходить из непроводящего аморфного состояния (1) в проводящее кристаллическое (0). В ней применены диоды вертикального типа и трехмерная кристаллическая структура. Не требует предварительного удаления старых данных перед записью новых, не требует электропитания для сохранения своего состояния.^[4]	PRAM
Ёмкостная память (англ. capacitor storage)	конденсаторы	подача электрического напряжения на обкладки	DRAM

Разновидности полупроводниковой памяти

Разновидности магнитной памяти

Память на магнитной ленте (англ. magnetic tape memory) — представляет собой пластиковую узкую ленту с магнитным покрытием и механизм с блоком головок записи-воспроизведения (БГЗВ). Лента намотана на бобину, и последовательно протягивается лентопротяжным механизмом (ЛПМ) возле БГЗВ. Запись производится перемагничиванием частиц магнитного слоя ленты при прохождении их возле зазора головки записи. Считывание записанной информации происходит при прохождении намагниченного ранее участка плёнки возле зазора головки воспроизведения.
Память на магнитных дисках (англ. magnetic disk memory) — представляет собой круглый пластиковый диск с магнитным покрытием и механизм с БГЗВ. Данные при этом наносятся радиально, при вращении диска вокруг своей оси и радиальном сдвиге БГЗВ на шаг головки. Запись производится перемагничиванием частиц магнитного слоя диска при прохождении их возле зазора головки записи. Считывание записанной информации происходит при прохождении намагниченного ранее участка возле зазора головки воспроизведения.
Память на магнитной проволоке (англ. plated wire memory) Использовалась в магнитофонах до магнитной ленты. В настоящее время по этому принципу конструируется большинство авиационных т. н. «чёрных ящиков» — данный носитель имеет наиболее высокую устойчивость к внешним воздействиям и высокую сохранность даже при повреждениях в аварийных ситуациях.
Ферритовая память (англ. core storage) — ячейка представляет собой ферритовый сердечник, изменение состояния которого (перемагничивание) происходит при пропускании тока через намотанный на него проводник. В настоящее время имеет ограниченное применение, в основном в военной сфере.

Разновидности оптической памяти

Фазоинверсная память (англ. Phase Change Rewritable storage, PCR) — оптическая память, в которой рабочий (отражающий) слой выполнен из полимерного вещества, способного при нагреве менять фазовое состояние (кристаллическое↔аморфное) и отражающие характеристики в зависимости от режима нагрева. Применяется в перезаписываемых оптических дисках (CD-RW, DVD-RW).

Редко используемые, устаревшие и экспериментальные виды

Вид	Описание
Акустическая память (англ. acoustic storage)	использует замкнутые акустические линии задержки.
Запоминающая электронно-лучевая трубка	Использует свойство вторичной эмиссии люминофора
Трековая память (англ.) или память «на беговой дорожке» (англ. magnetic racetrack memory, MRM)	базируется на открытых не так давно спинтронных эффектах, в частности на использовании спинового тока для перемещения наноразмерных магнитных объектов — доменных стенок — в пределах магнитных нанопроволок. Под действием такого тока доменные стенки бегут друг за другом по этой проволоке, словно бегуны по спринтерской дорожке (треку)^[5]^[6]
Голографическая память (англ. holographic storage)	использует пространственную графическую информацию, отображаемую в виде интерференционных структур.
Криогенная память (англ. cryogenic storage)	использует сверхпроводящие материалы
Сегнетоэлектрическая память (англ. Ferroelectric RAM, FeRAM)	Статическая оперативная память с произвольным доступом, ячейки которой сохраняют информацию, используя сегнетоэлектрический эффект. Исследованиями в этом направлении занимаются фирмы Hitachi совместно с Ramtron, Matsushita с фирмой Symetrix. По сравнению с флеш-памятью, ячейки FRAM практически не деградируют — гарантируется до циклов перезаписи.^[7]
Молекулярная память (англ. molecular storage)	Использует технологию атомной туннельной микроскопии. Носителями информации являются специальные виды плёнок. Головки, считывающие данные, сканируют поверхность плёнки. Их чувствительность позволяет определять наличие или отсутствие в молекулах отдельных атомов, на чём и основан принцип записи-считывания данных. В середине 1999 года эта технология была продемонстрирована компанией Nanochip. В основе архитектуры устройств записи-считывания лежит технология MARE (Molecular Array Read-Write Engine). Были достигнуты следующие показатели по плотности упаковки: около 40 Гбит/см² в устройствах чтения/записи и 128 Гбит/см² в устройствах с однократной записью, что в 6 раз превосходило тогдашние экспериментальные образцы магнитных дисков и более чем в 25 раз — серийные модели. Достигнутая на 2008 год скорость записи и чтения не позволяет говорить о массовом применении этой технологии.^{[источник не указан 1204 дня]}
Электростатическая память (англ. electrostatic storage)	Носителями данных являются накопленные заряды статического электричества на поверхности диэлектрика.

Прочие термины

Многоблочная память (англ. multibank memory) — вид оперативной памяти, организованной из нескольких независимых блоков, допускающих одновременное обращение к ним, что повышает её пропускную способность. Часто употребляется термин «интерлив» (калька с англ. interleave — перемежать) и может встречаться в документации некоторых фирм «многоканальная память» (англ. multichanel).

Память со встроенной логикой (англ. logic-in-memory) — вид памяти, содержащий встроенные средства логической обработки (преобразования) данных, например их масштабирования, преобразования кодов, наложения полей и др.

Многовходовая память (англ. multiport storage memory) — устройство памяти, допускающее независимое обращение с нескольких направлений (входов), причём обслуживание запросов производится в порядке их приоритета.

Многоуровневая память (англ. multilevel memory) — организация памяти, состоящая из нескольких уровней запоминающих устройств с различными характеристиками и рассматриваемая со стороны пользователей как единое целое. Для многоуровневой памяти характерна страничная организация, обеспечивающая «прозрачность» обмена данными между ЗУ разных уровней.

Память параллельного действия (англ. parallel storage) — вид памяти, в которой все области поиска могут быть доступны одновременно.

Страничная память (англ. page memory) — память, разбитая на одинаковые области — страницы. Операции записи-чтения на них осуществляются путём переключения страниц контроллером памяти.

См. также

Примечания

Литература

Айен Синклер. Память // Словарь компьютерных терминов = Dictionary of Personal Computing / Пер. с англ. А. Помогайбо. — М.: Вече, АСТ, 1996. — 177 с. — ISBN 5-7141-0309-2

Ссылки

Что такое жесткий диск? — Dropbox Business

Жесткий диск: что это такое

Жесткий диск — это устройство, используемое для хранения цифрового содержимого и других данных на компьютерах. Каждый компьютер имеет внутренний жесткий диск, но вы также можете пользоваться внешними жесткими дисками для увеличения объема места на компьютере. В этой статье мы рассмотрим различные типы жестких дисков, их преимущества и недостатки.

Типы резервных хранилищ

Всем компьютерам требуются накопители для долгосрочного хранения данных. Эти накопители называют резервными хранилищами, а оперативная память (ОЗУ) компьютера является основным хранилищем.

В общем, резервные хранилища бывают двух видов: жесткие диски (HDD) и твердотельные накопители (SSD). SSD относят к жестким дискам, но это не совсем точно, и важно понимать разницу между HDD и SSD.

Что такое HDD?

HDD — это более традиционный тип жесткого диска.

Жесткие диски состоят из намагниченных металлических или стеклянных круглых пластин, вращающихся со скоростью от 5400 до 15 000 об./мин. Чем быстрее вращается магнитный диск, тем быстрее ваш компьютер сможет получить доступ к находящейся на нем информации.

Все цифровые данные поступают в виде бинарного кода — последовательности единиц и нулей, которые могут представлять собой любую информацию. Головки жестких дисков для записи и чтения используются для ввода этих единиц и нулей путем намагничивания частей диска. В каждой крошечной части диска размещается бит, равный 1 или 0. Головка может определять магнетизм каждой части, считывая информацию с нее. Головка, которая может читать данные, способна также записывать их, изменяя намагниченность битов на диске.

При каждом изменении, например при сохранении или удалении файла, головка жесткого диска соответствующим образом регулирует магнетизм жесткого магнитного диска. Представьте себе проигрыватель пластинок с виниловым диском в качестве жесткого магнитного диска, содержащего информацию, и тонармом в качестве головок, сканирующих информацию.

Поскольку данные хранятся на магнитах, HDD не разрушаются при отключении питания, а это означает, что они сохраняют данные, даже когда компьютер выключен.

Максимальная емкость современных внутренних HDD может достигать 20 ТБ. С момента появления SSD жесткие диски редко используются в качестве устройств длительного хранения данных в компьютере, но по-прежнему являются надежным вариантом внешнего накопителя.

Что такое SSD?

SSD (твердотельные накопители) — это новый тип жестких дисков. Это предпочтительный тип внутренних жестких дисков самых современных ноутбуков. SSD также используются во всех смартфонах и планшетах.

В твердотельных накопителях применяется флеш-память, как и во флеш-накопителях USB, а также картах памяти для цифровых фотоаппаратов. Здесь нет никаких магнитов; в SSD используются полупроводники, которые хранят данные, изменяя электрическое состояние триллионов цепей, содержащихся в накопителе. Поскольку в SSD нет движущихся частей, они не только работают быстрее (так как вам не нужно ждать, пока диски начнут вращаться и головки считают информацию), но и служат дольше, чем HDD.

SDD намного дороже в производстве, поэтому, хотя они все чаще используются в качестве основных дисковых накопителей для ноутбуков и ПК высокого класса, многие по-прежнему предпочитают жесткие диски как более дешевый внешний вариант.

Краткая история жестких дисков

После экспериментов с магнитной лентой как средством хранения данных в 1956 году команда IBM во главе с Рейнольдом Б. Джонсоном разработала первый коммерческий жесткий диск.

Эта команда обнаружила, что можно хранить данные на намагниченных металлических дисках, которые позволяют перезаписывать информацию, что привело к созданию первой системы жестких дисков, известной как RAMAC (метод произвольного доступа для учета и контроля).

Оригинальный жесткий диск был размером с два холодильника с 50 24-дюймовыми жесткими магнитными дисками, вращающимися со скоростью 1200 об./мин. Несмотря на габариты, емкость памяти RAMAC составляла всего 5 МБ (что примерно соответствует размеру одного фото, снятого смартфоном), и при столь малой емкости он стоил около 10 000 долларов за мегабайт.

RAMAC находились в центрах хранения и обработки данных IBM, пока компания не представила съемные устройства для хранения данных в 1960-х годах. Дисковый накопитель IBM 1311 1962 года имел емкость 2,6 МБ на шести 14-дюймовых жестких магнитных дисках. Они были размером примерно с посудомоечную машину.

Персональные настольные компьютеры появились в 70-х годах, и в это же время компания IBM начала разрабатывать первые гибкие диски. Дискеты, впервые выпущенные в 1971 году, стали первыми портативными магнитными дисками. Можно считать их первыми внешними жесткими дисками. Дискеты оставались стандартным решением для хранения данных до тех пор, пока на рубеже веков не стали широко использоваться перезаписываемые компакт-диски и флеш-накопители USB. Первый жесткий диск для чтения и записи для персональных компьютеров был выпущен в 1972 году компанией Memorex.

К 1980 году многие крупные компании начали разрабатывать жесткие диски, и накопитель ST-506 от Shugart Technology с 5,25-дюймовыми пластинами и емкостью 5 МБ стал самым компактным HDD на то время. Тем временем компания IBM выпустила модель IBM 3380 — первый жесткий диск объемом 1 ГБ.

В 1983 году компания Rodime представила модель RO352 — первый 3,5-дюймовый HDD с двумя дисками общей емкостью 10 МБ. 3,5-дюймовые жесткие диски и по сей день остаются стандартом для настольных компьютеров (а 2,5-дюймовые HDD — для ноутбуков).

В 80-х годах знакомые нам внешние жесткие диски только начали разрабатывать, и со временем физический размер этих дисков уменьшился, а емкость увеличилась.

Зачем нужен жесткий диск?

В общем и целом жесткий диск нужен, чтобы хранить данные. На компьютере это все ваши фотографии, видео, музыка, документы и приложения; кроме того, код операционной системы вашего компьютера, программные платформы и драйверы также хранятся на жестких дисках. Емкость жесткого диска измеряется в мегабайтах (МБ), гигабайтах (ГБ) и терабайтах (ТБ).

Жесткий диск отличается от ОЗУ (оперативной памяти), которая представляет собой устройство для временного хранения данных компьютера, требующее электропитания для этой цели, а следовательно, являющееся энергозависимым ЗУ, сохраняющим данные только при включенном компьютере. ОЗУ используется не для личных данных, а для функционирования компьютера. Чтобы вы могли работать без перебоев и переключаться между задачами и приложениями, начиная с того места, где закончили, вашему компьютеру требуется память. ОЗУ является устройством первичного (оперативного) хранения данных, а HDD и SSD относятся к категории устройств вторичного, или долговременного, хранения данных.

Жесткий диск — это запоминающее устройство для хранения ваших файлов и данных в течение длительного времени. Сохраняя файл на свой компьютер, вы сохраняете его на жестком диске устройства. Жесткий диск — это картотечный шкаф для ваших цифровых файлов.

Что такое внешний жесткий диск?

Внешний жесткий диск — это жесткий диск, не встроенный в компьютер. Это портативное устройство, которое можно подключить к любому компьютеру, чтобы получить доступ к хранящимся на нем данным. В то время как внутренние жесткие диски напрямую подключены к материнской плате компьютера и хранят данные операционной системы, программных платформ, драйверы, программы, которыми вы пользуетесь, а также ваши файлы, внешние жесткие диски используются в основном для хранения личных файлов.

Жесткий диск компьютера можно изымать и обновлять, но это сложная задача, поэтому многие люди используют внешние жесткие диски, когда на их компьютере не хватает места.

В наши дни внешние жесткие диски могут вмещать до 20 ТБ данных, что более чем в миллион раз превосходит емкость самого первого жесткого диска в 1956 году. Благодаря такой вместимости в сочетании с портативностью и доступностью внешние жесткие диски стали лучшим решением для увеличения емкости компьютера до появления облачных хранилищ.

Недостатки внешних жестких дисков для хранения данных

По сравнению с простым использованием внутренней памяти компьютера внешние жесткие диски — практичное решение, но подразумевающее некоторые риски и ограничения, которые важно учитывать.

Как внутренние, так и внешние HDD подвержены риску потери данных. Причиной этому могут быть попытки нарушения защиты вредоносными программами или вирусами либо повреждение и износ вследствие естественных причин, таких как чрезмерное воздействие солнечных лучей или высоких температур, попадание жидкостей, пыли или помехи от других магнитных полей.

Большое количество сложных движущихся частей, благодаря которым работает жесткий диск, делает его весьма уязвимым для повреждений, особенно если вы носите его с собой. Если жесткий диск поврежден, возможно, вам все же удастся восстановить данные, хранящиеся на его магнитных пластинах, но это будет сложно и, вероятнее всего, недешево. HDD — один из наиболее хрупких внутренних компонентов компьютера по причине наличия в нем движущихся частей.

Кроме того, обычный жесткий диск не защищен паролем или шифром, поэтому в случае его потери или кражи ваша личная информация может подвергаться опасности.

Многие внешние жесткие диски поддерживают только определенные операционные системы либо лишь одну из них в конкретный промежуток времени. Если у вас MacBook и ПК с Windows, вы можете обнаружить, что ваш жесткий диск не обеспечивает чтение и запись на обоих устройствах, что может быть неудобно, если вы используете HDD для перемещения файлов с одного устройства на другое. Многие жесткие диски необходимо переформатировать, чтобы сконфигурировать их для записи в другой операционной системе, что приводит к потере всех данных.

Использование облачного хранилища вместо жестких дисков

Появление облачных хранилищ дало возможность не зависеть от ограничений и рисков жестких дисков. Облачные решения стали более безопасной и доступной альтернативой другим хранилищам данных. Сохранение файла в облаке означает, что он будет храниться онлайн, не занимая места на вашем устройстве.

Dropbox предоставляет вам до 3 ТБ места в личном аккаунте практически для любых типов файлов и неограниченный объем места для аккаунтов Dropbox Business Advanced и Enterprise.

Вместо того, чтобы покупать дополнительные внешние диски по мере их заполнения, вы можете просто увеличивать облачное хранилище, которое не занимает физическое пространство. Если вы храните файлы на разных внешних жестких дисках, нужный файл будет очень сложно найти. Облачное хранилище позволяет собрать все ваши файлы в едином месте. Вы сможете легко искать их и получать к ним доступ с любого устройства, подключенного к сети. Внешние жесткие диски, как правило, подключаются к компьютерам через USB, поэтому их можно подключать только к определенным устройствам, в то время как облачное хранилище доступно не только с ПК и ноутбуков, но и с планшетов и смартфонов.

Dropbox использует серверы, размещенные в центрах хранения и обработки данных по всему миру. Вы не можете случайно уронить облако и повредить файлы в нем, как это могло бы произойти со внешним жестким диском, так как все данные оцифрованы и находятся в безопасности. В Dropbox файлы хранятся в зашифрованном защищенном пространстве, откуда гораздо сложнее украсть информацию, чем с обычного жесткого диска.

Dropbox — безопасное и универсальное решение для резервного копирования и хранения файлов, которое позволяет сэкономить место на вашем компьютере и избавиться от хлопот и рисков, связанных с хранением важных данных на внешних жестких дисках.

Что такое жесткий диск и что он делает?

Отредактировано: 24.08.2021

Вскрытый жесткий диск

Жесткие диски, другое название HDD (от англ.Hard Disk Drive) или вичестер, были изобретены более 60 лет назад и используются в персональных компьютерах с середины 1980-х годов (хотя флэш-память заменила их во многих продуктах в последние годы). Жесткий диск это устройство которое дает вам огромную информационную емкость и позволяет хранить файлы, фильмы, фотографии, музыку и текстовые документы. Кроме этого на него устанавливается операционная система и програмное обеспечение компьютера. Как же работает винчестер и для чего он нужен? Давайте посмотрим поближе!

Как хранить информацию с помощью магнетизма

Наука о магнетизме сложна. Но если вы когда-нибудь дурачились с магнитом и гвоздями, вы знаете, что технология — наука в действии — довольно проста. Железные гвозди изначально не магнитятся, но если вы будете протирать их магнитом назад и вперед, вы можете сделать их магнитными, чтобы они прилипали друг к другу. Магнетизм имеет несколько простых практических применений. Например, на свалках используются электромагниты (огромные магниты, которые можно включать и выключать с помощью электричества), чтобы собирать и перемещать груды металлического лома.

У магнетизма есть еще одно очень важное применение. Предположим, вам нужно оставить сообщение другу, а все, что у вас есть, это магнит и немагнитный железный гвоздь. Предположим, сообщение очень простое: либо вы увидите друга позже, в тот же день, либо нет. Вы можете договориться со своим другом, что забросите гвоздь в его почтовый ящик. Если он намагничен, значит, вы их увидитесь позже, если гвоздь не намагничен, вы этого не сделаете. Ваш друг приходит из школы и находит гвоздь на коврике. Относит к кухонному столу и прикасается к скрепке. Если гвоздь намагничен, она к нему прилипнет. Это довольно странный способ оставить кому-то сообщение, но он иллюстрирует кое-что очень важное: магнетизм можно использовать для хранения информации.

Если у вашего компьютера есть жесткий диск на 20 гигабайт (ГБ), это немного похоже на коробку, содержащую 160 миллиардов микроскопических железных гвоздей, каждый из которых может хранить один крошечный фрагмент информации, называемый бит. Бит — это двоичная цифра — либо ноль, либо единица. В компьютерах числа хранятся не как десятичные (основание 10), а как образцы двоичных цифр. Например, десятичное число 382 сохраняется как двоичное число 101111110. Буквы и другие символы также могут быть сохранены как двоичные числа. Таким образом, компьютеры хранят заглавную букву A как десятичное число 65 или двоичное число 1000001. Предположим, вы хотите сохранить число 1000001 на своем компьютере в этой большой коробке с железными гвоздями. Вам нужно найти ряд из семи неиспользованных гвоздей. Вы намагничиваете первый (чтобы сохранить 1), оставляете следующие пять размагниченными (чтобы сохранить пять нулей) и намагничиваете последний (чтобы сохранить 1).

Как работает жесткий диск
Магнитная пластина жесткого диска

На жестком диске вашего компьютера нет никаких железных гвоздей. Там просто большая блестящая, круговая «пластина» из магнитного материала, разделенная на миллиарды крошечных областей. Каждая из этих областей может быть независимо намагничена (чтобы сохранить 1) или размагничена (сохранить 0). Магнетизм используется в компьютерных хранилищах, потому что он продолжает хранить информацию даже при отключении питания. Если вы намагнитите гвоздь, он останется намагниченным, пока вы его не размагнитите. Точно так же компьютеризированная информация (или данные), хранящаяся на жестком диске вашего ПК, остается там даже после выключения питания.

Что входит в состав жесткого диска?

Жесткий диск состоит всего из нескольких основных частей. Есть одна или несколько блестящих серебряных пластин или «блинов», на которых информация хранится магнитным способом. Есть устройство позиционирования (актуатор), которое предназначено для перемещения крошечного магнита, называемого головкой чтения-записи, вперед и назад по пластинам для записи или считывания информации. Есть электронная схема для управления всем, которая действует как связующее звено между жестким диском и остальной частью вашего компьютера.

Конструкция жесткого диска

Составляющие HDD:

Привод, который перемещает рычаг чтения-записи. В старых жестких дисках исполнительными механизмами были шаговые двигатели. Вместо этого в большинстве современных жестких дисков используются простые электромагниты. Они позиционируют рычаг чтения-записи быстрее, точнее и надежнее, чем шаговые двигатели, и менее чувствительны к таким проблемам, как колебания температуры.
Актуатор поворачивает головку назад и вперед по пластине.
Центральный шпиндель позволяет «блинам» вращаться с высокой скоростью.
Магнитный диск хранит информацию в двоичной форме.
Штекерные соединения подключают жесткий диск к печатной плате персонального компьютера.
Головка чтения-записи — это крошечный магнит на конце устройства позиционирования.
Печатная плата на нижней стороне контролирует поток данных к пластине.
Гибкий разъем передает данные от печатной платы к магнитной головке и пластине.
Маленький шпиндель позволяет устройству позиционирования перемещаться по пластине.

Пластины — самые важные части жесткого диска. Как следует из названия, это диски, сделанные из твердого материала, такого как керамика или алюминий, и покрыты тонким слоем металла, который можно намагничивать или размагничивать. Небольшой жесткий диск обычно имеет только одну пластину, но каждая его сторона имеет магнитное покрытие. У дисков больших объемов есть несколько пластин, установленных на центральном шпинделе с небольшим зазором между ними. Пластины вращаются со скоростью до 15 000 оборотов в минуту (об/мин), поэтому головки чтения-записи могут получить доступ к любой их части.

Для каждой пластины есть две головки: одна для чтения с верхней поверхности, а другая для чтения с нижней, поэтому для жесткого диска с пятью пластинами (скажем) потребуется десять отдельных головок. Головки установлены на рычаге с электрическим управлением, который перемещается от центра привода к внешнему краю и обратно. Чтобы уменьшить износ, они фактически не касаются диска, а парят над ней. При запуске сначала раскручивается шпиндель с блинами, и только после возникновения необходимого для парения потока воздуха, головки начинают двигаться.

Чтение и запись данных

Система чтения/записи жесткого диска

Самое важное в памяти — это не возможность хранить информацию, а возможность найти ее позже. Представьте, что вы храните намагниченный железный гвоздь в куче из 1,6 миллиона миллионов одинаковых гвоздей, и вы будете иметь некоторое представление о том, с какими проблемами столкнулся бы ваш компьютер, если бы он не использовал очень методичный способ хранения своей информации. Рассмотрим принцип работы винчестера при работе с информацией.

Когда ваш компьютер хранит данные на жестком диске, он не просто забрасывает намагниченные гвозди в коробку, перемешивая их вместе. Данные хранятся в очень упорядоченном виде на каждой пластине. Биты данных располагаются концентрическими круговыми путями, называемыми дорожками. Каждая дорожка разбита на более мелкие области, называемые секторами. Часть жесткого диска хранит карту секторов, на которой видно свободны они или заняты. Когда компьютер хочет сохранить новую информацию, он смотрит на карту, чтобы найти несколько свободных секторов. Затем он дает команду головке чтения-записи перемещаться по пластине точно в нужное место и сохранять там данные. Чтобы прочитать информацию, тот же процесс выполняется в обратном порядке.

Как компьютер управляет всей механической мелочью жесткого диска? Между ними существует интерфейс (связующее оборудование), называемый контроллером. Это небольшая схема, которая управляет исполнительными механизмами, выбирает определенные дорожки для чтения и записи и преобразует параллельные потоки данных, идущие с компьютера, в последовательные потоки данных, записываемых на диск (и наоборот). Контроллеры либо встроены в собственную печатную плату дисковода, либо являются частью основной платы (материнской платы) компьютера.

С таким большим объемом информации, хранящимся в таком крошечном пространстве, жесткий диск представляет собой замечательное произведение инженерной мысли. Это дает не только преимущества, но и недостатки. Один из них заключается в том, что жесткие диски могут выйти из строя, если внутрь них попадет грязь или пыль. Крошечный кусочек пыли может заставить магнитную головку подпрыгивать вверх и вниз, врезаясь в опорный диск и повреждая его магнитный материал. Это известно как сбой диска (или сбой головки), и он может, хотя и не всегда, привести к потере всей информации на жестком диске. Сбой диска обычно происходит внезапно, без предупреждения. Вот почему вы всегда должны хранить резервные копии ваших важных документов и файлов.

Кто изобрел жесткий диск?

Эволюция жестких дисков

Как и многие инновации в вычислительной технике 20-го века, жесткие диски были изобретены в IBM, как способ предоставить компьютерам оперативную память с «произвольным доступом». Проблема с другими устройствами памяти компьютера, такими как перфокарты и катушки с магнитной лентой, заключались в том, что к ним можно получить доступ только последовательно (по порядку, от начала до конца). Поэтому, если бит данных, который вы хотите получить, находится где-то посередине ленты, вы должны довольно медленно прочитать или просмотреть всю запись, чтобы найти то, что вам нужно. С жестким диском все происходит намного быстрее, он может очень быстро перемещать свою головку чтения-записи с одной части диска на другую. Первый жесткий диск был разработан Рейнольдом Б. Джонсоном из IBM и представлен 4 сентября 1956 года как IBM 350 Disk Storage Unit и выглядел он совсем не как современные модели. Он весил 970 килограмм и состоял из 50 алюминиевых пластин, покрытых ферромагнетиком, диаметром 61 сантиметр.
Более менее похожим на современные экземпляры, правда не по размерам, стал 3340, увидевший свет в 1973 году. С подачи инженеров IBM сделавших устройство на 30 дорожек по 30 секторов в каждой дорожке, по аналогии с маркировкой карабина фирмы Winchester — «30/30», жесткие диски стали именовать «винчестерами», или сокращенно «винтами».

Виды жестких дисков

Жесткие диски 2,5 и 3,5 дюйма

Чем же отличаются жесткие диски и какой лучше? Если смотреть на виды HDD, то их делят на:

1. для ноутбуков, их характеризует форм-фактор в 2,5 дюйма. Это позволяет им помещаться в небольшом корпусе;
2. для компьютеров и систем видеонаблюдения. Несмотря на то, что возможно и использование предыдущего варианта, как правило, используются форм-фактор в 3,5 дюйма;
3. внешние устройства, отдельно подключаемые к ПК/ноутбуку, в основном используются для хранилища информации;
4. для серверов, отличаются большей производительностью и интерфейсом подключения SAS, а не SATA.

Кроме этого, винчестеры разделяют в зависимости от нескольких характеристик:

1. объем памяти – варьируется от сейчас от 300 гигабайт до 18 терабайт;
2. скорость вращения шпинделя (чем больше, тем выше производительность) – от 5400 до быстрых HDD с 15000 оборотов в минуту;
3. интерфейс – SAS 2, SAS 3, SATA 3, другие встречаются гораздо реже, для внешних вариантов основной интерфейс USB;
4. объем буфера (кэш-память для временного хранения данных) – от 8 до 512 мегабайт.

Любой жесткий магнитный диск выполняет свое основное назначение, хранит информацию, все остальные нюансы надо учитывать при выборе под конкретную задачу.

Заключение

Жесткие диски давно выпускаются, имеют большой объем и дешевы, но у них тоже есть много недостатков. Одна из проблем, это количество времени, которое требуется головке, чтобы добраться до нужной части диска, чтобы получить доступ к информации. Большой размер жесткого диска и его относительно высокое энергопотребление также являются проблемами, особенно в мобильных устройствах, таких как планшеты и смартфоны. Другой вопрос — надежность. Как вы уже поняли из того, что вы только что прочитали, HDD — это прекрасный образец точной инженерии с множеством сложных движущихся частей. Поэтому всегда есть возможность серьезной механической поломки, вызванной чем-то вроде грязи на одной из пластин или внезапным механическим ударом, после чего возможна потеря всей информации.

Все эти проблемы — вес, энергопотребление, время доступа и надежность — можно решить с помощью твердотельных накопителей (SSD), которые обычно используют флешь-память вместо вращающихся магнитных пластин. Производители компьютеров переходят от жестких дисков к твердотельным накопителям, в течение последнего десятилетия, в основном из-за тенденции отхода от настольных компьютеров к мобильным устройствам.

Если стоит выбор, где купить жесткие диски, выбирайте надёжного поставщика. Компания «АнЛан» занимает лидирующие позиции на рынке РФ с 2007 года. Разумная цена и европейское качество — то, что отличает продукцию компании от других организаций.

Копирование контента с сайта Anlan.ru возможно только при указании ссылки на источник.
© Все права защищены.

Магнитная память — Engineering LibreTexts

Магнитная память — это основной способ хранения данных на магнитном носителе. Именно так данные хранятся на таких устройствах, как жесткий диск, который люди используют для хранения документов, аудио и видео на своих компьютерах. Благодаря такому способу запоминания жесткий диск имеет большое преимущество перед оптическими носителями, такими как CD и DVD, в том, что он имеет более длительный срок службы, большую емкость и возможность перезаписи. Идея этого метода запоминания заключается в том, что при наличии нескольких областей на пластине различная намагниченность области представляет разные сигналы, которые в дальнейшем преобразуются в данные, понятные пользователям.

Конструкция жесткого диска

Самым важным компонентом жесткого диска является его пластина, потому что именно там хранятся данные. Диск имеет круглую форму и изготовлен из немагнитных материалов, таких как алюминий, потому что на выравнивание электронов вообще не влияет магнитное поле, поэтому большая часть намагничивания происходит на его поверхности, которая покрыта магнитным материалом. Чтобы добиться максимальной производительности жесткого диска, обе стороны диска покрыты покрытием и используются в процессе запоминания.Магнитное покрытие на поверхности разделено на различные области с помощью барьеров (что используется в качестве барьеров и почему) между ними, чтобы предотвратить интерференцию между магнитными полями, эти области называются битами. Металлическая головка используется с каждой стороны диска для чтения и записи данных с битов.

Рисунок 1: (слева) Внутренний вид жесткого диска и (справа) пластина жесткого диска

Writing

Из конструкции жесткого диска было известно, что данные хранятся на поверхности диска, покрытого магнитным материалом, таким как сплав Co-Ni-Fe или сплав Co-Cr-Pt, поскольку их высокая коэрцитивная сила сделала их может оставаться намагниченным даже после снятия магнитного поля.Процесс записи выполняется металлической головкой, также известной как головка чтения / записи. Основными компонентами головки чтения / записи являются рычаг головки, катушка и ползунок. Рычаг головки удерживает рычаг чтения / записи прямо над областью, где данные должны быть записаны или прочитаны, не касаясь пластины, поскольку это повредит поверхность пластины и повлияет на читаемость данных. Держа головку очень близко к поверхности диска, магнитное поле, создаваемое катушкой, может влиять на магнетизм определенной области, также известной как бит на диске.Пропуская ток через медную катушку, он создает магнитное поле; из-за магнитных свойств поверхностного покрытия магнитное поле будет записываться на долоте даже после того, как головка отойдет от этого долота. При изменении направления тока биты будут копировать направление магнитного поля, создаваемого катушкой, и данные будут сохранены.

Рисунок 2: подробный взгляд на головку чтения / записи.

Чтение

После процесса записи области, в которых хранятся данные, будут иметь биты, на которые повлияло магнитное поле катушки, а области, в которых не хранятся данные, не будут магнитными.Идея процесса чтения заключается в том, что биты, которые показывают определенное направление магнитной полярности, будут представлять 1, а другое направление — 0. Если поместить катушку близко к магнитному полю, электроны внутри проводника, в этом случае катушка запустится. течь, создавая электронный ток, текущий через катушку. Поскольку разное направление магнитного поля заставит электроны течь в разном направлении. Два разных напряжения, вызванные разными направлениями тока, будут интерпретироваться компьютером как цифровой сигнал, а затем переведены на язык, понятный большинству людей.

Применение и будущие возможности

Будущее развитие жестких дисков можно разделить на две основные категории: большая емкость и более высокая скорость чтения / записи. За почти 60 лет разработки жесткие диски выросли до размеров двух холодильников и могут хранить только 5 мегабайт данных на жестком диске, который у нас есть сегодня, который легко вмещает 1 терабайт данных и не занимает много места. . Цена первого жесткого диска, произведенного IBM, была оценена в 10000 долларов США за мегабайт еще в 1956 году, учитывая валютную инфляцию, то есть сегодня более 80000 долларов США, если эта цена останется прежней, она будет стоить более 80 триллиона долларов США на покупку жесткого диска емкостью 1 терабайт! Из-за конструкции жесткого диска головка чтения / записи не может касаться поверхности диска, однако по мере уменьшения расстояния между головкой и поверхностью сканируемая область также будет уменьшаться, что позволяет хранить больше данных в том же объеме. площади; за счет улучшения гладкости диска скорость вращения может быть улучшена и, в конечном итоге, приведет к более высокой скорости чтения и записи.В настоящее время люди имеют больший выбор с точки зрения хранения данных, чем раньше, одним из них является твердотельный накопитель, в котором для запоминания используется интегральная схема вместо магнитной памяти, что обеспечивает более высокую скорость чтения и записи; однако твердотельные накопители по-прежнему довольно дороги и имеют гораздо меньшую емкость, чем традиционные жесткие диски, что делает жесткие диски по-прежнему лучшим выбором для обычных клиентов.

Рисунок 3: (слева) 8-дюймовый жесткий диск 1979 г., который может вмещать 64,5 МБ данных, и (справа) вид твердотельного накопителя Intel

Вопрос

В какой форме хранятся данные на жестком диске?
Каков основной способ хранения дополнительных данных на пластине?
Какое устройство может взять на себя роль жесткого диска в будущем?

Ответ

Данные преобразуются в цифровой двоичный сигнал и сохраняются на пластине с разной магнитной полярностью.
Основной способ сохранить больше данных на той же площади на диске — уменьшить расстояние между головкой и поверхностью диска; сканируемая область будет уменьшаться, что означает, что площадь каждого бита может быть уменьшена, что в конечном итоге приведет к сохранению большего количества данных.
может занять место жесткого диска из-за его более высокой скорости чтения и записи, а из-за своего схожего размера SDD также хорошо подходит для компьютеров. Однако из-за высокой цены и небольшой емкости жесткие диски по-прежнему остаются лучшим выбором для клиентов.

Автор

Минхао Чжан (Калифорнийский университет в Дэвисе, декабрь 2015 г.)

Исследование

выявляет магнитный процесс, который может привести к более энергоэффективной памяти в компьютерах — ScienceDaily

Исследователи из Университета Содружества Вирджинии и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сделали важный шаг вперед, который может привести к созданию более энергоэффективных компонентов для хранения магнитной памяти. для компьютеров и других устройств.

Магниты

широко используются для компьютерной памяти, поскольку их полярность «вверх» или «вниз» — магнитное состояние — можно «перевернуть» для записи или кодирования данных и хранения информации.Магнитная память энергонезависима, поэтому информация может храниться на устройствах без обновления. Однако магнитная память также требует много энергии.

Недавно обнаруженное магнитное состояние, называемое скирмионом, которое не является ни «верхним», ни «нижним», а имеет форму цветка, предлагает решение. Управление состоянием скирмиона позволяет гораздо более эффективно и надежно хранить данные для обычных компьютеров и беспроводных интеллектуальных устройств.

«Наше открытие демонстрирует возможность управления состояниями скирмионов с помощью электрических полей, что в конечном итоге может привести к созданию более компактных, энергоэффективных наномагнитных устройств», — сказал Дхритиман Бхаттачарья, докторант инженерного колледжа VCU и ведущий автор статьи. «Создание и уничтожение энергонезависимых фиксированных магнитных скирмионов с использованием управления напряжением магнитной анизотропии.«

Статья опубликована в номере журнала « Nature Electronics » от 29 июня.

Джаясимха Атуласимха, доктор философии, профессор Кимонды кафедры механической и ядерной инженерии ВХУ, является научным руководителем диссертации Бхаттачайры и автором статьи. Открытие, изложенное в статье, является «ступенькой к окончательному развитию коммерчески жизнеспособной магнитной памяти, основанной на этой парадигме», — сказал Атуласимха.

В 2016 и 2018 годах исследователи VCU показали, что использование промежуточного состояния скирмиона для принудительных магнитных переходов между состояниями «вверх» и «вниз» может уменьшить количество ошибок при записи информации в память, делая устройства более устойчивыми к дефектам материала и тепловому шуму. .У них есть патент на эту идею. Новый экспериментальный эксперимент, представленный в Nature Electronics , является первым шагом к созданию такого устройства.

История Источник:

Материалы предоставлены Университетом Содружества Вирджинии . Оригинал написан Ребеккой Джонс и Кристин Вей-ли Ли. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Что такое магнитная память? Как работает магнитный накопитель?

Магнитная память:

Ограничения первичных запоминающих устройств, такие как ограниченная емкость хранения данных, высокая стоимость и энергозависимый характер, некоторые недорогие устройства хранения данных необходимо использовать в качестве дополнительной памяти, которые имеют большую емкость хранения данных, низкую стоимость и являются энергонезависимыми по своей природе .Все эти особенности находятся в магнитной памяти. Основные используемые типы магнитной памяти:

Магнитные диски: Жесткие диски и гибкие диски.
Магнитные ленты: Магнитные ленты дешевле и обеспечивают хороший выбор вторичного хранилища.

Механизм хранения:

Магнитные приводы содержат металлические диски с покрытием с обеих сторон. Эти диски вращаются с высокой скоростью для чтения или записи данных. Дорожки имеют круглую форму, а электромагнитные головки чтения или записи расположены с помощью рычагов доступа между слегка разделенными дисками.Данные сохраняются на этих дорожках в двоичной форме. Емкость хранилища действительно велика, что позволяет хранить все типы данных, будь то текст, звук, изображение и т. Д.

Магнитные диски могут использоваться как фиксированные или съемные. Обычно съемные используются для хранения резервных копий данных, чтобы быть в большей безопасности.

Организация данных:

Поверхность магнитного диска разделена на концентрические дорожки. Эти треки используются для записи данных. Каждая дорожка далее делится на секторы.Каждый сектор обычно имеет одинаковую емкость.

Жесткие диски (HDD):

Жесткий диск — это энергонезависимое запоминающее устройство с произвольным доступом. Он способен хранить различные данные или программы. Они постоянно доступны для компьютера, и поэтому жесткие диски также называются оперативными запоминающими устройствами. Другое название жестких дисков — Winchester Disk. Его еще называют тарелкой. Конфигурация с несколькими пластинами используется для увеличения емкости хранения данных.

Организация хранения на жестком диске:

На шпинделе с приводом от двигателя есть вращающиеся пластины.Головки чтения и записи, которые плавают на пленке или в воздухе над пластиной, читают и записывают данные на диск. Диск вращается мотором. Он установлен на дисководе. Набор гусениц одного диаметра называется цилиндром.

Диск можно разделить на множество приводов, в частности, на дисковые накопители. Они контролируются контроллером диска. Функция контроллера диска состоит в том, чтобы получать команды от компьютера и позиционировать головку чтения / записи указанного диска для чтения или записи.Номер привода, номер цилиндра, номер поверхности и номер сектора должны быть указаны для записи или поиска.

Время доступа на магнитный диск:

Процесс чтения данных с магнитных дисков, но запись на них выполняется последовательно. Требуемый адрес диска должен быть указан путем указания номера дорожки, номера поверхности и номера сектора для выборки данных. Процесс записи начинается с начала сектора, а чтение выполняется с обратной стороны.Произвольный доступ увеличивает скорость. Роль контроллера диска. чтобы принять команду чтения или записи, головки чтения или записи позиционируются по указанному адресу.

Время обращения:

Время, необходимое для размещения этих головок на правильном пути, называется временем поиска. Это имя используется в процессе поиска данных или информации. Время поиска Ts зависит от его положения во время получения команды чтения или записи.

Если он находится на дорожке, которая должна быть прочитана или записана, то время будет минимальным, а если необходимо достичь удаленной дорожки, тогда это займет больше времени.Это происходит в системах с подвижной головкой, где головки могут двигаться, но в системе с фиксированной головкой временем всегда можно пренебречь, потому что для каждой дорожки есть головка.

Время задержки или время поиска:

Одного позиционирования головок чтения и записи на желаемой дорожке недостаточно, чтобы выполнить команду чтения или записи, она должна получить желаемые данные. Головки даже после перехода на желаемую дорожку должны ждать, пока под их головкой появится указанный адрес данных, поскольку диск постоянно вращается.

Это время ожидания с чередованием называется временем ожидания или временем поиска. Это зависит от исходного положения головки и скорости вращения диска. Если скорость низкая, время будет больше. Вышеупомянутое обсуждение говорит о том, что общее время доступа является суммой времени поиска и времени задержки.

Перьевой привод: Перьевой накопитель

— это съемное запоминающее устройство, которое легко переносить и которое очень разумно по цене. Емкость для хранения данных действительно высока.Он поставляется с различной емкостью от МБ до 256 ГБ. Он похож на ручку, отсюда и называется флеш-накопитель. Он имеет интерфейс USB (универсальная последовательная шина), который подключается к компьютеру за секунды и позволяет передавать данные.

Магнитные ленты:

Магнитные ленты — это вторичные запоминающие устройства. Они портативны, съемны и удобны в переноске. Их можно использовать для сохранения большого количества данных на одном диске, и это также разумно. У них не очень высокая скорость, но преимуществ много, поэтому на этот недостаток можно не обращать внимания.В основном они используются для хранения резервных копий и обмена данными или программным обеспечением. Емкость хранилища может отличаться. Это можно рассчитать как:

Плотность записи данных Длина X:

Здесь плотность означает количество данных, которые могут быть сохранены на ленте заданной длины.

Что такое магнитное хранилище? Определение, устройства, примеры, типы

Определение магнитного накопителя

Определение — В магнитных запоминающих устройствах все данные хранятся с использованием намагниченного носителя, а те типы данных, которые сохраняются на этом носителе, в двоичном формате формируются как 0 и 1.Это магнитное хранилище также имеет энергонезависимую природу. Сегодня в основном люди предпочитают магнитные носители, потому что на магнитных запоминающих устройствах можно очень легко выполнять операции чтения / записи. Магнитные запоминающие устройства обладают огромной емкостью для хранения данных, что является более привлекательным моментом. Эти запоминающие устройства не более дорогие, но их мощность доступа к данным медленная, но этот магнитный механизм также должен использоваться в RAM , которые имеют хорошую мощность доступа к данным для других.

Примеры магнитных запоминающих устройств

Здесь мы обсудим различные типы магнитных запоминающих устройств . Ниже объясните каждый из них.

Типы магнитных запоминающих устройств: —

Жесткий диск

Жесткий диск также известен как «жесткий диск». Жесткий диск — это область хранения, где хранятся все ваши данные (файлы и папки) в магнитной форме с физическим. Он способен хранить данные более 200 ГБ.Жесткий диск содержит стек дисков, которые смонтированы внутри в твердом корпусе, и все данные хранятся на этом диске. Эти диски перемещаются с очень высокой скоростью (от 5500 до 7500 об / мин), поэтому любые данные могут быть немедленно извлечены из любой области жесткого диска. На жестком диске все данные не сбрасываются после прекращения подачи питания

Floppy Disk

Гибкий диск был представлен IBM в 1969 году. Дискету также называют «гибкой дискетой». Это аппаратный носитель данных, который используется в персональных компьютерах.Дискета представляет собой пластиковый картридж размером 3,5 дюйма в квадрате и толщиной около 2 миллиметров, защищенный защитным кожухом. В гибком диске оксид железа использовался для внутреннего покрытия для хранения данных в магнитной форме, точно так же, как на жестком диске. Но теперь дискеты полностью устарели.

Магнитная лента

Магнитная лента была представлена Фрицем Пфлеймером в 1928 году, и основной целью использования магнитной ленты была запись голоса. Это традиционная технология, но теперь ее заменяют CD и DVD.

Магнитный барабан

Магнитный барабан был разработан Густавом Таушеком в 1932 году в Австрии. Магнитный барабан использовался в качестве основной памяти в компьютерах с 1950 по 1960 год. Но теперь он заменен вторичным запоминающим устройством . Он содержит металлический цилиндр, покрытый магнитным оксидом железа, на котором могут быть сохранены все данные (файлы или папки).

Магнитный барабан не является физически съемным устройством, потому что он постоянно находится в компьютере .Он способен получать доступ к данным с большей скоростью по сравнению с ленточными или дисковыми устройствами хранения, но его емкость для них меньше.

Zip Diskette

Zip-дискета была разработана Lomega Company, она была передовой технологией по сравнению с традиционными гибкими дисками и использовалась в качестве вторичного запоминающего устройства. Zip-диск используется для работы с Zip-диском. На Zip-дисках было 100 и 250 МБ дискового пространства, которое использовалось для сохранения, совместного использования и резервного копирования огромных объемов данных. Но сейчас Zip-диск не пользуется популярностью на рынке.

SuperDisk

SuperDisk представлен организацией Imation, которая поддерживает расширение с высокой плотностью. Накопители SuperDisk становились все более популярными вместе с OEM-компьютерами, такими как компьютеры Compaq и Packard Bell. SuperDisk имеет возможность хранения 120 МБ на одном диске такого же размера, как самая старая дискета 1,44 МБ, и в последующие несколько раз он был способен хранить 240 МБ.

MRAM

MRAM означает «Магниторезистивная память с произвольным доступом».В этой технологии магнитные состояния используются для хранения данных помимо электрических зарядов.

Исследователи углубляют понимание данных магнитных компьютерных чипов

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, среди других организаций, обнаружили, что магнитные данные, хранящиеся на компьютерных микросхемах, можно быстро переключать, открывая возможности для будущей памяти компьютерных микросхем.

Магнитное переключение, которое представляет собой процесс переключения поляризации магнита, позволяет компьютерным дискам, например жестким дискам, сохранять информацию в компьютерной системе, по словам ведущего исследователя Джона Горчона.По словам Джеффри Бокора, соавтора и профессора электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли, современные коммерческие компьютерные микросхемы с магнитной памятью в тысячи раз медленнее, чем методы хранения данных, обычно используемые сегодня.

Разработанная ими технология магнитной коммутации быстрее, чем коммерческие компьютерные микросхемы с магнитной памятью, и может хранить данные даже при отключении питания, добавил Бокор.

«Магнитная память энергонезависима; он сохраняется, даже если электричество отключено », — сказал Бокор.«Важно то, что прилагаются серьезные усилия по внедрению магнитной памяти на кристалле, встроенной в транзисторы, чтобы память на кристалле была энергонезависимой».

Потребуется время, чтобы компании смогли разработать эту технологию и производить ее по низкой цене для широкого коммерческого использования, сказал Бокор.

Бокор добавил, что это может помочь в создании памяти для компьютерных микросхем более позднего поколения, но технология все еще находится на начальной стадии. Он отметил, что эта технология может снизить потребление энергии за счет устранения необходимости в методах хранения данных, которые требуют энергии, когда они не используются.

По словам Горшона, он начал проект в 2015 году в качестве аспиранта Калифорнийского университета в Беркли, прежде чем продолжить исследования во Франции.

«Нам нужно будет построить эту память надежным, интегрируемым, масштабируемым (и дешевым) способом, чтобы она могла быть интересной для промышленности», — сказал Горчон в электронном письме. «Мы еще далеки от этого, но это хороший первый шаг!»

Горчон сказал в электронном письме, что использование энергонезависимых данных имеет много преимуществ, в том числе отсутствие потери данных при отключении питания, что означает, что для поддержания памяти не требуется электричество.Он добавил, что это может помочь улучшить скорость загрузки за счет устранения необходимости очищать кеш-память, которая представляет собой данные, хранящиеся на устройствах при первом посещении приложений или веб-сайтов, что ускоряет процесс повторного открытия этих платформ позже.

Ричард Уилсон, доцент кафедры машиностроения, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Риверсайде, а также бывший аспирант Калифорнийского университета в Беркли, сказал, что это исследование способствует пониманию учеными использования электрических импульсов для ускорения магнитного переключения.Он добавил, что, хотя магнитное переключение происходит быстро, для его разработки потребовалось выйти за пределы существующих технологий, и пройдут годы, прежде чем люди получат его в своих устройствах.

«Наши исследования показывают, что мы можем управлять магнитным движением с помощью электрических импульсов, которые намного быстрее», — сказал Уилсон. «Электромагниты медленные. Электрические импульсы бывают быстрыми ».

Свяжитесь с Леоном Ченом по адресу [адрес электронной почты защищен] и подпишитесь на него в Twitter по адресу @leonwchen.

Достижение молекулярного предела магнитной памяти | Feature

В этом году мы, вероятно, увидим первый «экзафлопсный» компьютер, способный выполнять не менее 10 ¹⁸ операций в секунду.Сам компьютер будет размером с 10 теннисных кортов, но для него потребуются самые маленькие электронные компоненты. IBM, например, только что объявила о том, что их последний чип будет иметь 333 миллиона транзисторов на квадратный миллиметр — это 2 нм для каждого транзистора. Однако размер другой важной части компьютерных технологий, магнитной памяти, не уменьшается с такой же скоростью. Современные технологии позволяют хранить один бит данных в дюжине или около того магнитных зерен, каждое размером около 3 нм.Память становится самым слабым звеном в гонке за более быстрыми и мощными вычислениями.

Введите химию и магнит на одну молекулу. Можно ли заменить нынешние твердые магнитные зерна одной молекулой диаметром менее 1 нм, магнитное состояние которой может быть отпечатано с помощью двоичных данных? До последних нескольких лет это явно относилось к сфере научной фантастики, но в 2017 году две группы опубликовали новаторские результаты, показывающие, что один комплекс диспрозия может быть намагничен и ненадолго сохранит свое магнитное состояние при температуре до 60 К.Хотя этот температурный порог очень низок, он удивительно близок к достижению при использовании жидкого азота, а не более низких температур, которые требуют дорогостоящего охлаждения жидким гелием. Это всего лишь один маленький шаг на пути к молекулярной магнитной памяти, но некоторые исследовательские группы в области химии и физики начинают серьезно задумываться о том, как это можно сделать.

«Вы можете рассматривать магнит из одной молекулы как отдельный парамагнетик размером с молекулу», — говорит Дэвид Миллс из Манчестерского университета в Великобритании, возглавляющий одну из исследовательских групп, сообщивших о первом «высокотемпературном» одномолекулярный магнит (SMM).SMM обычно представляют собой координационные комплексы с неспаренными электронами, которые могут переключаться между двумя противоположными ориентациями своего магнитного момента, создавая магнитную бистабильность ниже определенной «температуры блокировки».

«Вы применяете магнитное поле, и молекулы выравнивают [свои спины] с магнитным полем», — объясняет Миллс. В зависимости от направления поля это обеспечивает два возможных состояния, которые можно использовать для кодирования двоичных данных. Молекулы должны показывать магнитный гистерезис, что означает, что даже когда внешнее магнитное поле удалено, они остаются намагниченными из-за энергетического барьера между ориентациями спинов.«Идея заключается в том, что в будущем мы должны [иметь возможность] обращаться к одной молекуле за раз для этих приложений хранения данных», — добавляет он.

Конструирование магнитных молекул

Поле SMM начало расти в начале 1990-х, когда магнитная бистабильность впервые была замечена химиками из Университета Флоренции, Италия, в кластере из 12 марганца, известном как Mn ₁₂ -ацетат, состоящий из восьми Mn (iii) и четыре иона Mn (iv). Магнитный гистерезис, наблюдаемый ниже 4K, объясняется магнитной связью неспаренных спинов d-электронов на каждом из ионов переходных металлов и большим энергетическим барьером для изменения спина, создаваемого лигандным окружением.«С этого момента поле фактически взорвалось», — говорит Ричард Лэйфилд, химик из Университета Сассекса в Великобритании, чья группа синтезировала то, что в настоящее время является самой высокотемпературной SMM.

Проблема с этими большими кластерами переходных металлов заключается в том, что магнитные состояния сохраняются только при температурах, измеряемых однозначными числами Кельвина. В противном случае, объясняет Миллс, «они довольно легко переходят в случайное состояние, когда вы снимаете магнитное поле». Итак, 10 лет назад внимание обратилось к комплексам с единичными ионами лантаноидов (тербия и диспрозия), потому что предполагалось, что они будут обладать превосходными магнитными свойствами.«Все было связано с максимизацией вращения молекулы [с большими кластерами переходных металлов]», — говорит Лэйфилд. «Тогда стало очевидно, что, вероятно, важна анизотропия, а не количество неспаренных электронов».

Магнитная анизотропия описывает, имеет ли молекула внутренне предпочтительное направление для того, как выстраиваются спины в магнитном поле. «Когда дело доходит до анизотропии одиночных ионов, лантаноиды практически не имеют себе равных в периодической таблице Менделеева», — говорит Лейфилд.Поскольку лантаноиды обычно связываются ионно, а не ковалентно, они сохраняют направленность своих орбиталей f-электронов и, следовательно, обладают высокой магнитной анизотропией. Первый пример появился в 2003 году, когда лантаноид был зажат между двумя фталоцианиновыми лигандами. «Тот факт, что один лантаноид мог это сделать, по сравнению с [кластерами, требующими] нескольких d-переходных металлов, быстро привлек внимание многих в этой области», — вспоминает Миллс.

Ключевым моментом было создание комплекса с пространственным распределением лигандов, который бы оптимизировал эту магнитную анизотропию — и это оказалось за счет концентрации лигандов в осевом направлении, выше и ниже иона металла, концепция, впервые предложенная в 2011 году.Взаимодействие с отрицательным зарядом лигандов вызывает расщепление ранее вырожденных энергетических уровней и создает самый большой энергетический зазор между магнитными состояниями, который предотвращает магнитную релаксацию при более высоких температурах. Многочисленные «двухуровневые» комплексы были разработаны с большими ароматическими лигандами, чтобы блокировать доступ к дополнительной координации. Но к 2011 году максимальная температура блокировки все еще составляла всего 14K

.
Диспрозий стал известен как наиболее эффективный ион лантаноида и казался лучшим выбором для высокотемпературного SMM.«Возникла последовательная картина: если у вас есть ион диспрозия 3+, зажатый между двумя циклопентадиенильными лигандами, то это основа магнитных свойств одиночной молекулы. Но если вы включите дополнительные лиганды в другом месте молекулы, это ослабит [магнитные] свойства », — говорит Лейфилд.
Имея это в виду, началась гонка по синтезу двухуровневого комплекса диспрозия только с двумя аксиальными циклопентадиенильными лигандами и без экваториальных лигандов для уменьшения анизотропии.Миллс и Лейфилд, оба из Манчестерского университета в то время, взяли на себя эту задачу, используя циклопентадиенильные лиганды, замещенные тремя третичными бутильными группами, для увеличения стерических затруднений и предотвращения координации других лигандов. В 2017 году им обоим удалось создать и опубликовать детали этого комплекса, что вызвало серьезные разногласия и внутреннее расследование Манчестерского университета. Теперь в исправлении к статье Лэйфилда признается, что Миллс и его коллега из Манчестера Ник Чилтон представили свою рукопись более месяца назад.
Обе группы прошли через трехкоординированный катион диспрозия с дополнительным хлоридным лигандом. Но, по словам Миллса, вопрос все еще оставался открытым. «Как вы могли получить этот галогенид вокруг экватора и заменить его слабо координирующим анионом?» Его группа сделала это, используя высокоэлектрофильный катион силилия, создав сэндвич-комплекс, который проявляет магнитный гистерезис до 60 К.
В 2018 году группа Лэйфилда, к настоящему времени в Сассексе, синтезировала еще один комплекс диспрозия, на этот раз с ионом, зажатым между меньшим пентаметилциклопентадиенильным лигандом и большим пента-изопропилциклопентадиенильным лигандом.Это показало магнитный гистерезис до 80К — самую высокую температуру на сегодняшний день. «Усовершенствованный подход с использованием смешанных лигандов позволяет существенно улучшить свойства SMM, в основном потому, что молекула может стать ближе к линейной, а два лиганда могут приблизиться к металлу, обеспечивая более сильное кристаллическое поле», — объясняет Лэйфилд.
«15 лет назад никому и не снилось, что магнит из одной молекулы действительно может работать при разумной температуре. Это была очень важная веха », — говорит химик Люси Норел из Реннского университета во Франции.Но прежде чем выбросить твердотельный жесткий диск, стоит обдумать предстоящую задачу: то, что было придумано трилеммой магнитной записи — читаемость, возможность записи и стабильность, — и получить все три непросто. Для SMM это означает молекулы с магнитной анизотропией и очень большим временем релаксации. «Для наиболее эффективных систем при очень низких температурах время релаксации составляет порядка суток», — говорит Лейфилд, что явно недостаточно для хранения данных. Кроме того, комплексы, синтезированные Миллсом и Лейфилдом, чувствительны к воздуху, поэтому с ними нелегко обращаться.
Изготовление устройства
Это не остановило других исследователей, исследующих возможности использования SMM в устройствах хранения данных. «Если вы собираетесь изготавливать устройство, вам необходимо равномерно нанести эти предметы на поверхность, [и] вы должны сделать это таким образом, чтобы они оставались химически неповрежденными», — говорит Лейфилд. Несколько групп пытались сделать это, используя такие методы, как осаждение ионным пучком электрораспылением — процесс нанесения покрытия распылением под высоким напряжением. Но это вряд ли позволит считывать одну молекулу за раз, что обеспечит максимально возможную плотность памяти.Сам процесс осаждения часто приводит к потере магнитных свойств молекулы. «Вы разрабатываете SMM, например прекрасные системы диспросоцениума, а затем размещаете их на поверхности, немного меняете геометрию, и все ваши свойства пропадают», — говорит Кристоф Коперет, химик по поверхностям из ETH Zürich в Швейцарии.
Копере и постдокторант Мацей Корзински сумели иммобилизовать SMM с диспрозием и даже улучшить время его магнитной релаксации по сравнению с его предшественником.Они начали с 20-нм наночастиц диоксида кремния, которые были частично дегидроксилированы, чтобы создать массив пространственно разделенных силанольных якорных участков. Они реагировали на поверхности с ионом диспрозия, координированным с одним циклопентадиенильным фрагментом и другим крупным лигандом. «Мы только что провели очень простую реакцию обмена, в которой мы рассматриваем поверхность как лиганд», — объясняет Коперет, поэтому комплекс связан через силоксидную группу. Поскольку отрицательный заряд на силоксиде более локализован, чем большой органический лиганд, который он заменяет, он увеличивает аксиальную электронную плотность и, следовательно, магнитную анизотропию, «таким образом, у вас есть идеальная конфигурация для создания SMM», — добавляет Копер.
Релаксационные свойства этой системы все еще далеки от результатов, достигнутых Миллсом и Лейфилдом, но Копере это не слишком беспокоит. «Я думаю, что мы нашли концепцию, которая показывает, что мы можем улучшить SMM на поверхности… но мы не преодолели большую проблему, а именно, можем ли мы заставить его работать при комнатной температуре». Этот подход показывает, как отдельные SMM могут использоваться для хранения информации с более высокой плотностью, чем в настоящее время (1,2 терабит на квадратный дюйм). Если мы представим расчет, в котором каждый из этих сайтов диспрозия, которые мы создаем, может кодировать один бит информации, то в итоге мы на самом деле оказались, по крайней мере, на порядок выше с точки зрения плотности битов на поверхности, что на самом деле довольно интересно. — говорит Корзинский.
Скорость света
Еще одна особенность, необходимая для магнитной памяти, — это возможность включать и выключать магнитные свойства, стирать и перезаписывать данные. Норел вместе с коллегой из Ренна Стефаном Ригеутом изучает, как свет может обеспечить дистанционное, быстрое и энергоэффективное переключение SMM-устройств на основе лантаноидов. «Наша идея состоит в том, чтобы использовать световое излучение и фотохромизм для изменения магнитного поведения наших комплексов», — объясняет Норел.
Они использовали фотохромную молекулу спиропирана — пиран, связанный со второй кольцевой системой, которая имеет один из атомов углерода.Пирановое кольцо раскрывается с образованием мероцианина с образованием фенолятного кислорода. Норел и его коллеги синтезировали комплекс лантаноидов с тетрадентатным лигандом, содержащим изомер мероцианина, который показал магнитный гистерезис при 2К. «При облучении [видимым светом] вы заменяете эту связь кислород-лантаноид связью кислород-углерод, что означает огромное изменение координационной сферы комплекса, — говорит Норел. — Мы видели изменение координации, происходящее при фотопереключении. ‘, но пока альтернативный изомер не оказался стабильным, добавляет она, и комплекс скорее схлопывается, чем превращается в немагнитный комплекс.Они все еще разрабатывают концепцию.
Фотохимик Олоф Йоханссон из Эдинбургского университета, Великобритания, придерживается союзнического подхода. Он надеется использовать фемтосекундные лазерные импульсы для управления намагниченностью SMM. «Около 20 лет назад люди обнаружили, что при фото-возбуждении некоторых комплексов переходных металлов спин изменяется почти мгновенно в пределах сотен фемтосекунд», — говорит Йоханссон. «Тогда интересным шагом было бы изучение одиночных молекул-магнитов, в которых спин играет важную роль в их [магнитных] свойствах.«Это дает возможность производить не только память высокой плотности, но и память, которая работает, возможно, в 1000 раз быстрее, чем в настоящее время.
Йоханссон сотрудничал с химиком-синтетиком Юаном Бречиным из Эдинбургского университета, чтобы увидеть, как координационные кластеры марганца будут реагировать на такие лазерные импульсы. Кластеры состоят из магнитоанизотропных ионов марганца (iii), расположенных в виде треугольников, соединенных атомами кислорода и азота. Для октаэдрического иона металла лазерное возбуждение может изменить форму молекулы в зависимости от модификации кристаллического поля.Однако из спектроскопических исследований при комнатной температуре команда обнаружила, что мостиковые комплексы Бречина были связаны и поэтому претерпевают коллективное колебательное движение, когда молекулы пытаются изменить свою форму в возбужденном состоянии. «Все они двигались в коллективном движении по одной оси, которая является осью анизотропии, — это было весьма захватывающе», — говорит Йоханссон. «Когда ось анизотропии будет менее вытянутой во время колебательного движения, будет легче перевернуть вращение с помощью внешнего поля.’Если бы весь процесс можно было контролировать с помощью света, это обеспечило бы сверхбыстрый метод записи магнитных данных.
Эта идея также имеет некоторые параллели с магнитной записью с подогревом (HAMR), новейшей коммерческой технологией магнитной памяти, разработанной компанией Seagate, занимающейся хранением данных. В нем используются частицы магнитных материалов, которые меньше, чем в обычной памяти, но более устойчивы к изменению своего магнитного состояния. Поэтому для записи данных зерна необходимо сначала нагреть лазером.«Это означает, что они могут сжать все намного ближе друг к другу, чтобы увеличить плотность хранения данных», — объясняет Йоханссон. Использование лазера для управления магнитной анизотропией SMM может обеспечить аналогичный метод в молекулярном масштабе.
На данный момент команда Йоханссона показала, что они могут мгновенно изменить электронную структуру и форму молекулы, но еще не проверили магнитные свойства при требуемых низких температурах. Они ожидают, что это обеспечит модель более быстрого магнитного переключения, и планируют изучить другие комплексы, в том числе содержащие ионы лантаноидов.
SMM с более высокой температурой?
Конечно, остается проблема, как получить магнитные свойства при более высоких температурах. По словам Миллса, при нынешней самой высокой температуре SMM, равной 80 К, «вы даже представить себе не могли, что у вас в кармане устройство с SMM». «Но вы можете представить [это] в очень большом центре обработки данных». Даже в этом случае химики все еще думают о стратегиях повышения рабочих температур. Большое внимание уделяется типам лигандов, координированных с центральным лантанидом.Один из способов использования циклопентадиенильных лигандов — это изменить заместители в кольце и увидеть их влияние на магнитное поведение, «но в конечном итоге это просто сводится к сбору штампов», — говорит Лейфилд. Другой — поиск более жестких молекул лиганда. «Многие вещи, вызывающие быструю релаксацию, сводятся к молекулярным колебаниям», — говорит Миллс, поэтому чем жестче лиганд, тем больше будет время магнитной релаксации.
На другом конце спектра Норел и его коллеги синтезировали одномерные цепочки комплексов диспрозия, заменяя один из больших лигандов только фторид-ионом.«Чтобы иметь хорошие SMM-свойства, вы [в идеале] хотели бы иметь диспрозий и два точечных заряда на оси. Точечного заряда в химии не существует, но у нас есть фторид-ион, что довольно близко », — объясняет она. Ее комплексу также необходим противоположный объемный органический гексадентатный лиганд для сохранения аксиальной координации. Его магнитная анизотропия не так велика, как сэндвич-соединения диспрозия, но «они устойчивы на воздухе, и мы можем проводить больше химии с ними — мы можем использовать их в качестве строительного блока для изготовления других типов материалов — например, магнитных материалов с фотопереключением», — говорит Норел.
«Пока люди продолжают создавать вещи и изучать их… мы откроем для себя лучшие SMM, это просто вопрос времени, — говорит Миллс. — И они, вероятно, будут сильно отличаться от SMM, которые сегодня являются ведущими примерами. «Но есть конкуренция со стороны еще меньшего конкурента. В 2017 году ученые IBM показали, что они могут использовать атомы гольмия в качестве магнитных записывающих устройств, поглощать их пленкой оксида магния и формировать высокостабильные магниты до 45 К. Так что, возможно, даже молекулы окажутся слишком большими, и будущие устройства магнитной памяти будут хранить каждый бит данных в одном атоме.
Рэйчел Бразилия, научный писатель из Лондона, Великобритания
Компьютерный чип, который никогда не забывает
В 1945 году математик Джон фон Нейман написал очень простой рецепт для компьютера. Он будет содержать два ключевых компонента: центральный процессор для выполнения вычислений и логических операций и банк памяти для хранения инструкций и данных.
Наши компьютеры и устройства с микропроцессорами все еще следуют этому основному рецепту.Но под капотом, конечно, все гораздо сложнее. Ни одна из существующих форм памяти не хороша во всем. Поэтому, чтобы перемещать инструкции и данные как можно быстрее, инженерам пришлось пойти на компромисс. Сегодняшние компьютеры используют набор различных технологий памяти, используя лучшие части каждой из них.
Эта солянка неплохо зарекомендовала себя на протяжении десятилетий, но она далека от идеала. Одна из самых больших потерь энергии связана с перемещением данных по ЦП и всем уровням памяти, которые его окружают.Более того, наши самые быстрые воспоминания теряют свои данные, если к ним не подается постоянное питание. А самые компактные воспоминания — те, которые могут хранить большое количество бит на небольшой площади — медленные, что является основной причиной того, что нашим гаджетам и компьютерам требуется так много времени, чтобы выйти из спящего режима.
Те из нас, кто работает с альтернативными воспоминаниями, давно искали способ преодолеть эти ограничения. Мы мечтали создать единую «универсальную» память, которая могла бы хорошо выполнять все функции и, следовательно, могла бы заменить многие виды памяти, которые у нас есть сейчас.Он должен быть быстрым, чтобы минимизировать задержки, связанные с чтением и записью данных, и он должен потреблять мало энергии при каждом использовании. Мы должны иметь возможность производить его на том же чипе, что и ЦП, что позволит нам приблизить его к вычислительным ресурсам и иметь возможность сделать его достаточно плотным, чтобы конкурировать с существующей памятью по стоимости. В то же время мы хотели бы, чтобы он был энергонезависимым — мог хранить данные без постоянного потребления энергии — чтобы его можно было выключить, когда в нем нет необходимости.
До таких воспоминаний осталось много лет.Но этого видения было достаточно, чтобы вдохновить на ряд идей для альтернативных воспоминаний, которые однажды могут заполнить счет. Наша команда из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе работает над тем, что, по нашему мнению, является одним из самых многообещающих кандидатов: формой магнитной памяти, называемой магнитоэлектрической памятью с произвольным доступом (MeRAM). Мы уже создали небольшие массивы этой памяти, и в последнее время они начали привлекать интерес производителей микросхем.
Параллельно мы и другие исследователи изучали, как использовать тот же физический процесс, который позволяет нам записывать данные в MeRAM, чтобы сделать что-то гораздо более радикальное: пересмотреть план фон Неймана компьютера, устранив давнее различие между логикой. и память.С помощью технологии MeRAM можно создать логику, которая представляет собой отдельную форму памяти — переключатель, который может как выполнять вычисления, так и запоминать. Этот переключатель сохранит свое состояние даже при отключении питания.
Такая «энергонезависимая логика» может однажды привести к полному ремонту микропроцессора, что позволит нам создавать микросхемы, которые могут очень быстро отключать неиспользуемые части для экономии энергии, замораживать их состояние в случае потери питания и точно запомните, что они делали в последний раз, как только вы снова их включите.В нашей лаборатории мы любим называть эту новую форму электроники мгновенного включения «Instantonics» и думаем, что она может значительно повысить скорость работы и время автономной работы компьютеров, планшетов и смартфонов. Он также может значительно ускорить выполнение некоторых из наиболее ресурсоемких вычислительных задач, таких как обработка видео и мультимедийных сигналов, распознавание образов, виртуальная реальность и машинное обучение.
Иерархия памяти в компьютере начинается со статической ОЗУ, которая является самой быстрой и обычно находится на микросхеме микропроцессора рядом с вычислительным ядром.Далее, часто на отдельном кристалле или микросхемах, идет динамическая RAM, которая несколько медленнее, чем SRAM, но также значительно дешевле. Как и логика на основе транзисторов
, обе эти памяти требуют питания для хранения своих данных. Фактически, биты DRAM необходимо постоянно обновлять или перезаписывать, чтобы предотвратить потерю данных. Из-за этого ограничения долговременное хранение в компьютерах обеспечивается двумя запоминающими устройствами, которым не требуется питание для хранения информации: традиционным магнитным жестким диском и флэш-памятью NAND.
У этих энергонезависимых запоминающих устройств есть свои недостатки. Флэш-память, которая хранит информацию в виде заряда, который добавляется или удаляется из структуры транзистора, может быть изготовлена с высокой плотностью и, следовательно, с низкой стоимостью. Но процесс записи информации в каждый бит происходит очень медленно — в сотни раз медленнее, чем в DRAM. Это также требует больших напряжений и может быть выполнено только 100 000 раз. Жесткие диски, которые хранят данные в виде магнитной ориентации различных участков или доменов на ферромагнитном диске, обладают большей износостойкостью.Но они даже медленнее, чем флэш-память, потому что для чтения и записи битов используются механически движущиеся части.
Эти недостатки побудили исследователей памяти рассмотреть альтернативные энергонезависимые воспоминания, в которых используется вращение. Спин — это основное квантово-механическое свойство субатомных частиц, таких как электроны. В магнитных материалах, таких как железо, кобальт и никель, именно спины электронов придают этим металлам их общие магнитные свойства, то есть их северный и южный полюса. Спин частицы тесно связан с собственным угловым моментом, который является свойством, которое заставляет частицу определенным образом взаимодействовать с магнитными полями.Но, несмотря на название, вращение не имеет ничего общего с физическим вращением. Да, концепция вращения довольно заумна, но для наших целей вам действительно нужно знать только две вещи. Во-первых, у вращения есть направление; другими словами, если у частицы есть спин, то этот спин куда-то указывает. Другая важная концепция заключается в том, что в намагниченном материале большинство отдельных электронов имеют спины, указывающие в одном направлении. Это то, что придает материалу его намагниченность.
Обычные жесткие диски, по сути, являются разновидностью спиновой памяти. На диске каждый бит данных хранится в виде микроскопического участка магнитного материала, где все электроны имеют одинаковое направление вращения. Чтобы выбрать бит для чтения или записи, диск физически вращается под головкой чтения / записи, которая также перемещается. Чтобы немного изменить значение с 1 на 0, головка меняет полярность магнитного материала в крошечном пятне, так что вращения в нем указывают в противоположном направлении.
Термин «спинтронная память» относится к особому виду памяти, также называемому магнитным ОЗУ, который существует в нескольких вариантах.В этих воспоминаниях нет движущихся частей. Основным элементом памяти в MRAM является магнитный туннельный переход, наноразмерный сэндвич из двух магнитных слоев, разделенных тонким изолирующим диэлектрическим барьером. (На практике добавляется несколько других уровней для повышения производительности и обеспечения контактов с внешним миром.)
В переходе один из магнитных слоев закреплен, что означает, что направление его намагничивания фиксируется и служит ориентиром. Другой магнитный слой, называемый свободным слоем, — это место, где хранится информация.Намагниченность свободного слоя можно переключать так, чтобы он был ориентирован либо в том же направлении, что и закрепленный слой, либо на 180 градусов в другом направлении. Ориентация этого свободного слоя влияет на то, насколько легко ток может квантово-механически «туннелировать» через устройство через изолирующий барьер. Таким образом, значение сопротивления устройства указывает на ориентацию намагниченности свободного слоя и, следовательно, на то, равен ли бит 0 или 1.
В целом, пространство, необходимое для проводки и других компонентов, делает память спинтроника менее плотной, чем жесткие диски.Но они также намного быстрее, потребляют меньше энергии и более надежны, потому что в них нет механического движения.
Процесс, который используется для записи в бит памяти, путем изменения ориентации свободного слоя, оказывается тем местом, где большинство технологий MRAM расходятся. Один из самых ранних вариантов MRAM, появившийся в продаже около 10 лет назад, использовал магнитное поле, создаваемое близлежащим проводом с током для записи данных. Этот тип MRAM был первым, запущенным в коммерческое производство, и он может обеспечивать довольно высокую скорость записи порядка нескольких десятков наносекунд, в сотни раз быстрее, чем флэш-память, и наравне с DRAM.Недостатком является то, что через проводящие провода необходимо пропускать большие токи для создания магнитных полей, необходимых для переключения. Это требование предотвращает масштабирование ячеек памяти до небольших размеров, необходимых для современных микросхем, поскольку становится все труднее пропускать достаточные токи через провода меньшего размера и, по мере того, как ячейки становятся все ближе и ближе друг к другу, чтобы гарантировать, что магнитные поля влияют только на целевой бит.
Второй вариант MRAM, который используется многими крупнейшими производителями памяти и микросхем, для записи информации использует другое физическое явление, называемое крутящим моментом передачи вращения (STT).В STT-MRAM информация записывается в магнитный бит путем пропускания тока непосредственно через устройство, в отличие от использования магнитного поля, создаваемого соседним проводом. Если ток, протекающий через бит STT-MRAM, достаточно велик, электроны в нем можно использовать, чтобы тянуть спины в свободном слое и поворачивать их в желаемом направлении — параллельно или антипараллельно спинам в фиксированной опорной точке. слой.
За последние несколько лет ряд исследовательских групп, включая нашу команду из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, смогли показать, что STT-MRAM может быть записан всего за 100 пикосекунд и с помощью всего лишь пары сотен фемтоджоулей энергии.Это лучше, чем первая форма MRAM, и на одном уровне с SRAM, но все же недостаточно, чтобы конкурировать с логическими переключателями в основе ЦП. Типичный КМОП-транзистор в настоящее время расходует всего около 1 фемтоджоуля энергии на переключатель. Более того, STT-MRAM не оставляет возможности для повышения энергоэффективности. Причина фундаментальная: устройство, по сути, представляет собой провод. Когда через него проходит ток, энергия теряется на тепло. Как и в случае с проводом, чем уже устройство, тем выше его сопротивление.Кроме того, каждой ячейке памяти в STT-MRAM необходим транзистор для управления током записи через устройство. Поскольку транзистор должен обеспечивать относительно большие токи, его нелегко сжать. Таким образом, хотя STT-MRAM набирает обороты, ее ячейки памяти должны оставаться довольно большими — возможно, в три-пять раз больше ячеек DRAM.
Однако оказывается, что многих ограничений MRAM и STT-MRAM можно избежать, разработав устройство, которое использует напряжение вместо тока для переключения намагниченности.Такой подход к написанию информации активно используется несколькими командами, в том числе и нашей. Он обещает энергию переключения порядка фемтоджоулей или даже ниже — менее 1 процента от того, что требуется для STT-MRAM.
Использование приложенного напряжения является стандартной практикой в полупроводниках; Так работают современные МОП-транзисторы. В конце концов, именно напряжение открывает или закрывает ворота для потока носителей заряда в полупроводниковом канале под ним.
Даже в этом случае не сразу было очевидно, что можно использовать аналогичный подход, основанный на напряжении, для управления спинами.Для хранения информации устройствам спинтроники требуются материалы с постоянной намагниченностью или магнитным моментом. Лучшими кандидатами обычно являются такие металлы, как железо и кобальт. К сожалению, такие проводящие материалы также довольно хорошо блокируют электрические поля, не позволяя им проникать глубоко в металл. Причина в том, что естественное движение электронов в таких проводящих материалах легко нейтрализует электрические поля, которые входят в материал, «экранируя» эффекты приложенного напряжения, подобно тому, как быстро движущаяся река может подавить поток набегающего потока.
В результате некоторые из самых ранних попыток использовать напряжение в спинтронике были направлены на создание устройств с минимальным содержанием металла. Один из способов сделать это — взять полупроводниковый материал, такой как кремний или германий, и рассеять через него магнитные атомы, создав так называемый разбавленный ферромагнитный полупроводник. Если к этому материалу приложить напряжение, результирующее электрическое поле не будет экранироваться с такой же легкостью, как в металле. Вместо этого поле будет тянуть или толкать заряды в непосредственной близости от затвора напряжения, что, в свою очередь, изменяет магнитные свойства бита.
Сложность этого подхода состоит в том, что ферромагнитные полупроводники трудно заставить работать при комнатной температуре, потому что их магнитные свойства слишком слабы, чтобы их спины выдерживали тепловые флуктуации без потери выравнивания.
К счастью, есть и другой вариант. Около 10 лет назад теоретики начали исследовать, что произошло бы, если бы вы попытались использовать металлический магнитный материал для создания очень тонкой управляемой электрическим полем структуры — толщиной около нанометра или менее 10 атомов.Эта толщина все еще больше, чем расстояние, на которое электрическое поле может проникнуть в металл, прежде чем оно будет сильно нарушено. Но он достаточно тонкий, чтобы небольшие изменения на поверхности материала могли сильно повлиять на общие свойства пленки, включая естественный наклон вращения для выравнивания в определенном направлении. Эта идея вызвала большой интерес и заинтересовала исследователей в университетах Осаки и Тохоку в Японии; в Университете Джона Хопкинса; в нашей группе в UCLA; и еще где-то сделать запоминающие устройства на основе этой схемы.
Магнитоэлектрическое ОЗУ, или MeRAM, устройство, над которым мы работали, является одной из таких тонкопленочных спинтронных систем памяти. Во многом он похож на STT-MRAM. Во-первых, он может быть изготовлен из тех же кобальто-железных сплавов. Основное изменение коснулось структуры устройства и конструкции его интерфейсов. Слой, который действует как бита, очень тонкий. А изолирующий слой, который в STT-MRAM пропускает ток, делается толще, так что ток может протекать очень мало. Это изменение структуры по существу превращает магнитный туннельный переход в емкостное, а не резистивное устройство.Когда на этот конденсатор подается напряжение, возникающее электрическое поле изменяет магнитные свойства свободного слоя устройства. Это изменит степень фиксации вращения долота в направлении вверх или вниз. Направление вращения начнет колебаться, и если импульс напряжения будет отключен в нужный момент, вращение бита в конечном итоге будет направлено на 180 градусов против его первоначальной ориентации. Также можно использовать небольшое магнитное поле или ток, чтобы подтолкнуть спин к желаемому конечному состоянию.
Преимущества такой компоновки впечатляют.Поскольку для переключения MeRAM не требуется большой ток, его транзистор можно сделать намного меньше, чем в STT-MRAM, что приведет к гораздо более плотным массивам. И мы уже продемонстрировали, что данные могут быть записаны менее чем за наносекунду, используя лишь десятую часть энергии, необходимой для записи в STT-MRAM. По мере того, как устройства становятся меньше, а материалы улучшаются, мы ожидаем, что сможем дополнительно сократить потребление энергии в 100 раз.
В прошлом году наша команда построила 1-килобитный массив этой памяти.Это маленький шаг по сравнению с обычной памятью, которая теперь достигает гигабит или даже терабит. Но эта демонстрация массива, ставшая возможной отчасти при поддержке Национального научного фонда США, является важным подтверждением концепции, и мы начинаем видеть некоторые признаки коммерческого интереса. Производители оборудования для производства полупроводников, в том числе Applied Materials, Canon Anelva и Singulus Technologies, работают над специальными машинами для напыления и травления, которые могут укладывать и формировать нанометровые слои магнитных соединений, необходимые для создания массивов этих материалов с высокой плотностью. устройств.
Следующий шаг — показать, что эти массивы памяти могут быть интегрированы в существующие микросхемы CMOS. Эта интеграция будет осуществляться при относительно низкой температуре в конце процесса производства микросхемы, когда слои металлической проводки используются для соединения компонентов микросхемы друг с другом и с внешним миром. Этот базовый подход «back end of line» уже используется для создания MRAM и STT-MRAM, а также может быть адаптирован к MeRAM. (Между прочим, существует совершенно другая память, резистивная ОЗУ, которая также использует эти металлические слои; она, вероятно, будет более полезна для дешевых хранилищ с более высокой плотностью.)
Если MeRAM может быть интегрирован в обычные процессоры, он потенциально может вытеснить все, кроме самой быстрой SRAM на кристалле. И поскольку ее должно быть легко сделать компактной, эта память поместится в металлических слоях, где достаточно места. Таким образом, этот метод может перенести на процессор функции памяти, которые теперь выполняются вне кристалла в DRAM. Тогда ячейки памяти будут отделены от ЦП миллиметрами или даже микрометрами вместо сантиметров, что резко сократит задержку и проблемы с отводом тепла.
Мы также можем применить тот же подход переключения напряжения , который используется в MeRAM, чтобы сделать что-то еще более радикальное: сделать логику энергонезависимой и, таким образом, действовать как свою собственную форму памяти. Эта идея получила развитие в 2010 году, когда наша команда получила поддержку от Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) для изучения этой возможности.
Устройства спинтронной логики, которые мы разработали, используют то, как вращения материала имеют тенденцию взаимодействовать друг с другом, так что все они выстраиваются в одном направлении.Выбивание одного или нескольких из этих спинов с помощью электрического или магнитного поля вызовет волну спиновых возмущений — или «спиновую волну» — перемещающуюся через материал, как рябь, выходящую из брызг в пруду.
Эти помехи могут быть созданы с использованием напряжений, подобных тем, которые используются для управления MeRAM. Но в этом случае импульсы напряжения слабее, возмущая спины, а не переориентируя их на 180 градусов. Наши экспериментальные логические устройства используют эти волны. В этих устройствах 0 и 1 не принимают форму наличия или отсутствия тока.Вместо этого они представлены двумя разными фазами спиновой волны — пик в данной позиции и времени будет, например, 0, а впадина — 1 (или наоборот).
Чтобы дать вам представление о том, как спиновые волны могут использоваться для выполнения вычислений, мы можем взять пример с воротами большинства. Мажоритарный вентиль работает, принимая значение большинства своих входов; обычно их три. С учетом выхода такой затвор имеет четыре вывода.
В устройстве три управляемых напряжением входных клеммы используются для создания спиновых волн с фазой 0 или 180 градусов.Устройство сконструировано таким образом, что эти волны встречаются и либо мешают, либо усиливают друг друга. На выходном терминале обнаруженный сигнал будет суммой спиновых волн от разных входов. Если все три волны имеют одинаковую фазу, выходной сигнал будет разделять эту фазу. Если есть две волны с противоположными фазами, они будут гасить друг друга, а фаза оставшейся спиновой волны будет определять фазу выходного сигнала. Таким образом, двое из трех выиграют. Чтобы повысить энергонезависимость этой логической операции, биты магнитной памяти MeRAM могут быть интегрированы на каждый входной и выходной терминал; их можно использовать как для ввода, так и для хранения данных.
Вместе с нашими сотрудниками из Калифорнийского университета в Риверсайде и Массачусетского университета в Амхерсте мы смоделировали эти устройства большинства вентилей и обнаружили, что их можно использовать для создания универсальных компьютеров с одним дополнительным типом логических вентилей: инвертор.
Способность спин-волновой логики использовать фазу на самом деле не имеет аналогов в традиционной логике. Но моделирование предполагает, что логика, построенная с помощью этой технологии, может иметь скорости в диапазоне гигагерц, более или менее сопоставимые со скоростями современных микросхем.В то же время логика вращения будет потреблять гораздо меньше энергии на операцию, порядка сотой доли от количества, потребляемого CMOS.
Также исследуются другие подходы к энергонезависимой логике. Один, который также поддерживался программой энергонезависимой логики DARPA, передает информацию посредством магнитных возмущений между близко установленными дискретными наномагнитами. Другие исследуют движение стенок между магнитными пятнами. В обоих этих подходах кажется, что наиболее энергоэффективная работа может происходить при использовании приложенного напряжения.
Если один из этих подходов увенчается успехом, мы могли бы начать думать о том, чтобы сделать с микропроцессором драматические вещи. Мы могли бы переделать традиционную архитектуру фон Неймана и создать схемы, которые не нуждаются в отдельной памяти для выполнения вычислений и не должны передавать данные на какой-то внешний чип, чтобы убедиться, что они не потеряны.
Последствия не ограничиваются увеличением времени автономной работы наших личных гаджетов. Микросхемы, которые могут работать с чрезвычайно низким энергопотреблением, могут быть очень полезны в устройствах, к которым физически трудно получить доступ и, следовательно, их трудно перезарядить.Примеры включают чипы медицинских имплантатов и датчики в труднодоступных местах, например, на большой высоте, в космосе, под землей, под водой или в окружающей среде, опасной для человека иным образом. Обладая огромным объемом встроенной памяти с низким энергопотреблением, эти устройства также могут быть значительно лучше в определенных вычислительных задачах, требующих большого объема памяти, таких как распознавание образов и машинное обучение. Оборонные и космические приложения получат выгоду от систем мгновенного включения, что будет означать, что сбой питания, радиация и другие сбои с гораздо меньшей вероятностью приведут к потере критически важной информации.
Есть еще более экзотические трассы на горизонте. Топологические изоляторы, материалы, которые пропускают ток только по своей поверхности, потенциально могут быть использованы для создания запоминающих устройств, которые переключаются только с одной тысячной энергией, необходимой для устройств спинтроники на основе металлов. Но исследователи все еще изучают фундаментальные свойства этих материалов. Между тем, эти недавние результаты спинтроники ясно показывают, что есть вещи, которые мы можем сделать сейчас, чтобы значительно улучшить вычисления.
Чтобы в полной мере использовать эти технологии, потребуется готовность выйти за рамки странного и несколько неэлегантного сочетания логики и памяти, на которое мы полагались десятилетиями.Но как только мы преодолеем шок отказа от статус-кво, мы обнаружим, что можем добиться больших успехов.
Об авторе
Педрам Халили — адъюнкт-профессор в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, соавтором которого является Канг Л. Ван, выдающийся профессор и заведующий кафедрой электротехники Raytheon. Ранее Халили сосредоточился на довольно больших микроволновых магнитных устройствах для радиочастотных приложений. По его словам, переход на атомные масштабы был своего рода корректировкой. Теперь ему интересно увидеть, на что способны эти крошечные устройства.