Un team di scienziati IBM ha messo a fuoco i punti cardine per realizzare un nuovo tipo di memoria, che associa le elevate prestazioni e l'affidabilità della memoria flash ai costi contenuti e all'alta capacità dell'hard disk. Ecco il comunicato stampa su questa nuova ed interessante tecnologia:
In due documenti pubblicati sulla rivista Science, Stuart Parkin, IBM Fellow, e i suoi colleghi dell'IBM Almaden Research Center di San Jose descrivono sia gli elementi fondamentali di una tecnologia soprannominata "racetrack" che un risultato fondamentale di questa tecnologia. Questo traguardo potrebbe portare alla creazione di dispositivi elettronici in grado di memorizzare, nella stessa quantità di spazio, molti più dati di quanto sia possibile oggi, con tempi di avvio fulminei, costi notevolmente ridotti e stabilità e durabilità senza precedenti.
Entro i prossimi dieci anni, la memoria "racetrack" (letteralmente pista, circuito), così denominata perché i dati "corrono" in una "pista" realizzata all'interno di un nanoconduttore, potrebbe portare a dispositivi elettronici allo stato solido - senza parti mobili, quindi più durevoli - in grado di contenere molti più dati, nella stessa quantità di spazio, di quanto non sia possibile oggi. Ad esempio, questa tecnologia potrebbe consentire a un dispositivo palmare, come nel caso di un lettore mp3, di memorizzare circa 500.000 canzoni o circa 3.500 film - 100 volte più di quanto sia possibile oggi - con costi e consumi di alimentazione molto ridotti. I dispositivi non solo sarebbero in grado di memorizzare molte più informazioni nello stesso spazio, ma richiederebbero anche molta meno potenza, genererebbero molto meno calore e sarebbero praticamente indistruttibili. Il risultato: enormi quantità di storage personale in grado di funzionare con una singola batteria, per settimane alla volta, e di durare per decenni, poiché la "racetrack" si basa su storage magnetico, non elettrostatico, può essere riscritta un numero infinito di volte senza che si usuri.
"È stata un'avventura entusiasmante essere coinvolti nella ricerca sulla spintronica dei metalli sin dal suo inizio, quasi 20 anni fa, con il nostro lavoro sulle strutture 'spin-valve'", spiega il Dr. Parkin. "La combinazione di fisica e ingegneria dei materiali straordinariamente interessanti, a livello atomico, continua a essere molto stimolante e gratificante. La promessa della 'racetrack' - ad esempio la possibilità di trasportare enormi quantità di informazioni nella propria tasca, addirittura di registrare la propria intera vita mentre la si vive - potrebbe consentire di liberare la creatività, portando ad applicazioni finora inimmaginabili".
Dettagli
Da quasi cinquant'anni gli scienziati esplorano la possibilità di memorizzare le informazioni all'interno di domini magnetici protetti da "domain wall" che sono i confini tra le regioni o "domini" nei materiali magnetici. Ma finora la manipolazione dei "domain wall" è risultata costosa, complessa e aveva consumi di potenza significativi. Nel documento "Current Controlled Magnetic Domain-Wall Nanowire Shift Register", il Dr. Parkin e il suo team illustrano come questo ostacolo di vecchia data potrà essere superato sfruttando l'interazione della corrente polarizzata con la magnetizzazione dei "domain wall", che produce un trasferimento del momento magnetico associato allo spin causandone lo spostamento. L'uso del trasferimento del momento di spin semplifica notevolmente il dispositivo di memoria, perché la corrente passa direttamente attraverso la pareti dei domini senza la necessità di ulteriori generatori di campo.
Nel documento che descrive gli elementi fondamentali della racetrack, "Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory," il Dr. Parkin e colleghi illustrano l'uso dei domini magnetici per memorizzare le informazioni in colonne (nanoconduttori) di materiale magnetico, disposto perpendicolarmente o orizzontalmente sulla superficie di un wafer di silicio. Quindi si formano le pareti dei domini magnetici all'interno delle colonne che delineano regioni magnetizzate in direzioni opposte (ad es. alto o basso) lungo la racetrack. Ogni dominio ha una "testa" (polo positivo o nord) e una "coda" (polo negativo o sud). Le successive pareti dei domini lungo la racetrack si alternano tra configurazioni "testa a testa" e "coda a coda". Lo spazio tra pareti di domini consecutive (ossia la lunghezza del bit) è controllato dalla presenza di sporgenze costruite lungo la racetrack.
Nel documento della milestone, gli scienziati descrivono l'utilizzo di nanoconduttori di permalloy per dimostrare la successiva creazione, spostamento e rilevazione delle pareti dei domini, utilizzando opportune sequenze di impulsi di corrente polarizzata della durata di nanosecondi. Il tempo di ciclo per la scrittura e lo spostamento delle pareti dei domini è di poche decine di nanosecondi. Questi risultati illustrano il concetto base di un registro a scorrimento magnetico, che sfrutta il fenomeno del trasferimento del momento di spin per spostare una serie di pareti di domini vicine tra loro, è una innovazione significativa del concetto vecchio di decenni di memorizzare le informazioni in pareti di domini mobili.
Infine, i ricercatori prevedono che racetrack si sposterà nella terza dimensione, con la costruzione di un nuovo dispositivo di memoria racetrack 3D, un cambio paradigmatico dai tradizionali array di transistor bidimensionali e bit magnetici che si trovano nei dispositivi microelettronici basati sul silicio e negli hard disk. Spostandosi nella terza dimensione, racetrack si apre a nuove possibilità per lo sviluppo di dispositivi meno costosi e più veloci, non essendo dipendente dalla miniaturizzazione, secondo i dettami della legge di Moore.
Racetrack: le tappe
I progressi compiuti dal Dr. Parkin con racetrack si basano sui suoi precedenti successi nelle tecnologie di memoria, tra cui la "spin-valve", la "Magnetic Tunnel Junction" (MTJ) e le rivoluzioni nello sviluppo della RAM magnetica (MRAM).
A differenza della DRAM tradizionale, che richiede alimentazione elettrica per memorizzare i dati, la MRAM utilizza il magnetismo per la memorizzazione e non richiede una fonte di alimentazione elettrica continua. Oltre a snellire il processo di booting dei PC, la MRAM potrebbe eliminare il problema della perdita di dati dalla RAM quando il computer perde alimentazione. Dato che la MRAM non richiede il refreshing elettrico costante dei dati come la DRAM, la perdita di elettricità non ripulisce la memoria né cancella i dati.
Racetrack si avvale dei progressi più recenti nel settore della spintronica dei metalli. La "spin-valve" ha consentito di aumentare di migliaia di volte la capacità di memoria dei dischi magnetici nell'ultimo decennio e la MTJ sta per soppiantare la spin-valve per via del suo segnale più elevato. La MTJ costituisce inoltre la base della moderna MRAM, in cui il momento magnetico di un elettrodo è utilizzato per memorizzare un bit di dati. Mentre la MRAM utilizza un singolo elemento MTJ per memorizzare e leggere un bit, un hard disk utilizza un singolo MTJ per leggere i circa 100 GB di dati in una moderna unità, Racetrack utilizza un dispositivo per leggere 10-100 bit.
Approfondire la comprensione dell'interazione tra corrente polarizzata e momenti magnetici è essenziale. "Ciò potrebbe consentire, ad esempio, di ridurre la densità di corrente necessaria per manipolare o spostare le pareti dei domini", spiega il Dr. Parkin. "Questo diminuirebbe ulteriormente la potenza necessaria per racetrack e consentirebbe di avere dispositivi con consumi ancora minori. Prevediamo che la nostra esplorazione di un'ampia varietà di materiali e strutture fornirà nuovi elementi di conoscenza sulla dinamica delle pareti dei domini guidate dalla corrente, rendendo possibile una memoria basata sulle pareti dei domini e perfino dispositivi logici un tempo inconcepibili. Ciò non solo cambierà il nostro modo di guardare allo storage, ma anche il nostro modo di guardare all'elaborazione delle informazioni. Stiamo andando verso un mondo più centrato sui dati che sul calcolo".